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面向复杂产品的离散装配过程控制与管理系统

2010-06-01刘检华

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针对复杂产品的装配数据管理分散,生产现场的装配数据可视化和实时化程度不高的问题,引入工作流管理技术,构建了一个面向复杂产品的计算机辅助装配过程控制与管理系统,建立了该系统的体系结构、功能结构和运行流程。研究了基于装配BOM的静态装配数据管理、基于流程的动态装配数据管理、装配工艺报表格式化输出和装配现场实时可视化监控等关键技术。该系统以装配工艺流程为核心,有效地实现了流程化的装配工艺设计、装配车间的计划调度和实时监控、装配数据的实时采集与统计分析,为离散型装配企业提供了一个统一的精细化装配管理解决方案。

0  引言
    复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂的一类产品,如航天器、飞机、复杂机电产品、武器系统等。复杂产品装配是典型的离散型装配,具有研制周期长、零部件组成数量庞大、涉及的专业领域广、以手工装配作业为主、单件小批量生产等特点。装配是复杂产品生产的最后环节,也是最为重要的环节之一,实现复杂产品的装配过程科学管理与监控,可显著提高其产品的生产效率和装配质量。
    近年来,国内外相关研究机构从装配数据管理、装配工艺设计和装配车间看板技术等方面开展了相关研究,但是从学术界的理论研究和工程应用角度来看,仍然有如下问题值得关注:
    1)装配执行现场的装配过程和装配数据集成管理问题。在装配数据管理方面,目前国内研究主要聚焦于产品静态装配数据的组织结构以及BOM视图之间的映射和转换方面,缺乏对产品装配过程中的装配数据动态演变过程模型的研究,装配数据管理和过程管理相脱节。
    2)生产现场的装配工艺信息可视化展示和工艺执行过程中的实时监控问题。在车间现场的装配工艺展示形式上,目前国内工程中常采用卡片式的装配工艺卡片(例如天河CAPP的工艺卡片)来指导现场装配,这种集成卡片式的装配工艺规程主要依靠自然语言进行工艺内容的描述,辅之以一定数量的二维装配示意图,这种方式导致了对装配工艺的描述不形象、不直观、不规范,造成了装配工人不易快速准确地理解装配工艺,严重影响产品的装配质量和效率。在装配车间的工艺执行管理方面(即装配车间的生产调度方面),现有MES系统基本上专门针对装配车间的解决方案,普遍缺乏准确、及时、完整的数据采集与信息反馈机制,在底层数据的实时采集、多源信息融合、复杂信息处理及快速决策等方面较为薄弱,导致生产现场的数据(包括工艺数据、管理数据、齐套数据等)比较分散,可视化和实时化程度不高的现状,管理人员和操作者很难实时、快速查看到自己所需的数据和内容。
    针对目前国内外的大多数研究成果还不能满足复杂产品装配现场数据管理集成化、过程监控实时可视化和精细化要求的现状。笔者结合航天复杂产品的工程实践,提出了一种基于流程的产品装配过程控制与管理技术,同时设计并开发了面向生产现场的复杂产品计算机辅助装配过程控制与管理系统VPPC(Visual Production Process Control &Management),为装配现场的实时监控和数据集成管理提供了一条新的途径。
1 系统的总体结构
    基于工作流的计算机辅助装配过程控制与管理系统的工作流程如图1所示,该方法主要包括装配工艺设计层、车间作业计划制定层、车间作业计划执行层三部分。
1.1 装配工艺设计层
    装配工艺设计层主要包括工艺准备计划调度、装配BOM构建、基于流程的装配工艺设计三部分,其中基于流程的装配工艺设计是核心。
    1)工艺准备计划调度:工艺师在装配工艺设计之前,首先应接收工艺准备计划指令,并排定所有装配工艺文件的完成时间和完成人。
    2)装配BOM构建:工艺师在接收到装配工艺准备指令后,在产品设计BOM的基础上,建立统一的产品装配BOM,并确保相应产品节点下所有信息的完整,为后续的装配工艺设计奠定数据基础。
    3)基于流程的装配工艺设计:工艺师按照时间节点完成装配工艺文件的编制,并提交审签。

基于工作流的计算机辅助装配过程控制与管理系统 

图1  基于工作流的计算机辅助装配过程控制与管理系统的工作流程示意图

    复杂产品的装配工艺由一个串(并)联混而成的装配工序链组成。复杂产品装配作业前,通常要绘制产品的装配工艺流程图,并按工艺流程图组织装配工作。结合复杂产品装配工艺设计与装配作业的特点,提出了一种基于流程的装配工艺设计方法,该方法由装配工艺流程图生成、装配节点的信息加载和装配工艺报表输出三部分组成。
    装配工艺流程图生成,是指针对每一个具体型号的产品,创建一个与该产品相对应的装配工艺流程图。装配工艺流程图反映了装配单元的划分和隶属关系、零部件的装配顺序、平行工作内容及检验项目等。装配流程图由主标题栏、装配节点、汇合节点、开始节点、结束节点和节点连线组成,其中装配节点包括关键工序节点和普通工序节点。每个装配节点都具有额定工时,装配节点表示了装配工作的具体操作和检验内容,节点连线表示装配工作流向,开始节点表示了装配流程图的开始标志,结束节点表示了装配流程图的结束标志。每个装配流程图包括唯一的一个主流程和若干辅流程,如图2所示。汇合节点表示了主流程和辅流程的交点标志。

某部件的装配工艺流程图的组成示意图 

图2  某部件的装配工艺流程图的组成示意图

    装配节点的信息加载,是指针对每个装配节点(例如图2中的每个工序节点),将完成该装配节点所需要的工艺文件、模型文件、多媒体文件、物料齐套、检验控制卡等信息加载到该装配节点。每个具体的装配节点需要加载的信息主要包括:①该工序的基本信息,包括该工序的执行车间、所属型号等;②工序内容,包括详细的工序内容描述;③工位信息,主要包括该工序所涉及的装配小组人员名单及各类人员的责任;④检验要求信息,包括装配过程中的检验要求和规则;⑤其它齐套信息,包括完成该装配节点所需要的零部件配套清单、标准件配套清单、工装与工具清单、设计图纸文件清单、各种附件和标准规范等。
    装配工艺报表输出,是指从生成的装配工艺流程图中提取相关信息,并自动输出企业要求的装配工艺卡片和各种工艺报表。
1.2  车间作业计划制定层
    车间调度员接收到厂级调度下发的装配计划(即型号任务和临时任务)后,依据装配工艺流程图进行车间作业计划制定。主要包括装配计划拆分、装配任务与装配工艺流程图绑定、基于装配工艺流程图的作业计划制定三部分。
    1)装配计划拆分:车间调度员对接收到的装配计划进行拆分(将一个装配计划细分为1个或多个装配任务)。例如,假设接收到的装配计划为装配A型号10个,装配B型号5个;则车间调度员可将装配计划分解为3个子装配任务,即装配任务1:装配A型号5个;装配任务2:装配A型号5个;装配任务3:装配B型号5个。拆分后的三个装配任务可能分别下发给车间装配小组1、小组2和小组3。装配计划的拆分过程中必须遵守的规则是:拆分后的每个装配任务只能与唯一的具体产品对应,也即一个装配任务中不能涉及两个或两个以上的具体产品的装配工作。
    2)装配任务与装配工艺流程图绑定:车间调度员将每个装配任务与产品装配工艺流程图绑定。通过绑定后,可将对复杂产品的装配过程控制转换为对装配工艺流程图中的一系列装配节点的控制。
    3)基于装配工艺流程图的作业计划制定:通过装配任务与装配工艺流程图的绑定,车间调度员将对每个装配任务的控制转换为对实际装配工艺流程图的控制,并基于装配工艺流程图进行每个装配节点的作业计划制定。例如针对图2所示部件的装配工艺流程,可根据装配工艺流程图中每个装配节点的额定工时和所下发的装配任务的要求完成时间进行倒序计算,自动获得每个装配节点的要求完成日期,如图3所示。同时,车间调度员还可在自动调度的基础上,对关键工序节点的要求完成日期进行人工调度。

某部件的生产作业计划 

图3  某部件的生产作业计划

1.3 车间作业计划执行层
    车间装配工人依据流程化的装配工艺流程图进行装配作业,在装配实施过程中,通过对装配节点的颜色标识,来实现对装配进度的实时可视化展示和监控。
    装配小组依据装配工艺流程图进行产品装配的过程中,需要对每个装配节点进行检验,并实时采集相关装配数据,检验员需将采集到的实时检验数据填入,并电子签字确认后,才能开展后续装配操作。
    系统将自动记录每一个装配节点的实际完成时间,并自动对后续普通装配节点的要求完成时间进行实时更新,对于关键装配节点的要求完成时间的修改,则需要车间调度人员人工确认。
    装配过程中,各级管理人员(包括车间主任、厂级调度人员、车间调度人员)能够实时获得整个装配车间的装配进度,并实时获得各种装配数据报表(包括关键检验点检测结果汇总表、产品装配进展日报表、装配车间总装测试进展一览表等)。
2 系统体系结构和功能结构
2.1 VPPC系统的功能结构

    VPPC系统的功能结构如图4所示,主要功能模块包括:
    1)装配资源统一管理:为VPPC系统提供统一的数据源,并实现与PDM系统的信息集成。具体包括统一的产品装配BOM生成和维护、装配生产数据管理、基于装配BOM的装配工艺数据管理、基于装配BOM的装配工艺流程管理、装配工艺数据的版本管理等。
    2)装配工艺流程生成与管理:接收工艺准备计划,完成装配工艺流程图的制作和工艺报表的输出。具体包括工艺准备计划管理(工艺流程图制作任务的接收、下发、认领及审签)、装配工艺流程图生成、装配节点的信息加载和装配工艺报表输出等。
    3)车间装配作业计划调度:接收装配计划,完成车间装配作业计划调度。具体包括装配计划管理(厂级装配计划的接收、下发、认领及反馈)、装配计划拆分、装配任务与装配工艺流程图绑定、基于装配工艺流程图的作业计划制定等。
    4)可视化装配综合看板和数据统计:完成车间作业执行和数据统计分析。具体包括装配工艺集成展示、装配工位数据采集、装配进度监控和装配数据统计分析等。

VPPC系统的功能结构图 

图4 VPPC系统的功能结构图

2.2  VPPC系统的总体结构
    VPPC系统的总体结构如图5所示。VPPC系统使用了Microsoft基于.NET Framework 3.5的WCSF框架结构。其中WCSF框架实现了系统的Web应用,主要包括系统中与用户交互的表现层页面:如用户管理、组织机构管理、装配资源管理、装配流程管理、工艺准备计划管理、装配流程工艺生成、装配计划管理、装配任务管理、装配工艺展示、装配数据采集、统计分析等以及系统使用的公用模块:导入导出模块(实现用户数据、BOM数据的导入导出)。在数据访问模块中,根据系统的需要,在业务逻辑层中封装对数据库各表的操作:如添加用户,修改用户等。WCSF框架可调用数据访问模块发布的接口函数来获得系统数据库的数据以及操作信息等。流程定制器是一个.Net WinForm控件,嵌入到网页中,它通过调用Web服务实现数据库的操作。使用WCSF框架使VPPC系统层次更清晰,开发效率更高,维护也更方便。

VPPC系统的总体结构 

图5 VPPC系统的总体结构  

3 系统实现的关键技术
3.1 基于装配BOM的静态装配数据管理

    产品静态装配数据主要包括产品设计BOM、装配工艺文件信息和装配生产信息。其中装配工艺文件信息包括管理性装配工艺文件、专用工艺装备明细表、专用工具和量具明细表、主要材料消耗明细表、辅助材料消耗明细表、配套明细表、装配工艺卡片等;装配生产信息主要包括完成产品装配工作所需要的装配保障条件,如装配测量器具检查记录表、装配测试设备记录表、非金属材料有效期检查记录、工艺装备检查记录表、装配技术文件检查记录表、零部件检查记录表等。产品静态装配数据管理是实现全面装配数据管理的基础。
    针对复杂产品现场装配特点,提出了一种基于装配BOM的装配资源信息统一管理方法。即针对每个批次的复杂产品,都形成一个统一的装配BOM。该装配BOM全面列出了完成该批次产品装配所需要的装配保障条件信息和装配工艺信息,具体包括产品零部件之间的组合和装配关系、装配顺序和工夹具的使用方法,以及零部件配套清单、工装情况和相关的技术法规清单等。统一的产品装配BOM建立主要包括以下三个步骤(如图6所示):1)根据生产现场的实际装配需求,在设计BOM的基础上定义产品零部件之间的装配关系,形成产品的装配结构。在产品的装配关系定义过程中,可能会局部改变产品设计BOM结构树中节点的父子关系。2)在形成的产品装配结构树相应的节点上,添加装配工艺信息,包括装配工艺文件(如管理性工艺文件、装配工艺卡)、装配工装等。3)在形成的产品装配结构树相应的节点上,添加装配生产信息,包括配套表及齐套信息等,确保装配进行时的人、机、料、法、环(4M1E)准备到位。

基于装配BOM的装配资源管理模型示意图 

图6 基于装配BOM的装配资源管理模型示意图

    其中,装配BOM与设计BOM之间的信息集成是通过Web服务接口实现。因为所有的装配工艺和装配生产数据都是依据装配BOM实现数据关联的,为了确保数据不丢失,设计BOM中的节点不能物理删除,只能实现逻辑删除(即删除时只是将节点实现了隐藏)。
    在装配BOM中,数据的组织和链接是通过树节点的操作而形成的,因此树节点是装配BOM的基本组成元素。树节点中包含了各节点之间的父子逻辑关系,从而将各个节点联系在一起,组成了统一的产品装配BOM;同时树节点还指明了节点的具体类型和具体ID,通过它向具体的数据库表进行查询就可以树节点的全部属性信息,可清晰的获取装配结构树上各个节点信息。
3.2 基于流程的动态装配数据管理
    产品装配过程中的动态数据,主要包括各种装配检测数据、装配进度数据、质量数据、技术问题处理数据等。动态装配数据是随着产品的装配过程的进行而产生的数据。在复杂产品装配过程中,动态装配数据随着装配过程的继续而不断丰富和完善。产品装配过程中的动态数据管理是产品装配数据管理的关键。
    为了实现复杂产品装配过程中动态数据管理,首先需理清装配数据和装配过程之间的关系。装配数据与装配过程之间的映射关系如图7所示。

装配数据与装配过程之间的映射 

图7  装配数据与装配过程之间的映射

    基于流程的动态装配数据管理是数据管理和过程管理的有机结合。装配数据主要是一系列由装配节点组成的并(串)行链表,每一个装配节点包括工序基本信息、工序内容、检验信息、工位信息和齐套信息等内容。过程数据是随着复杂产品的装配过程中形成的数据。在产品装配过程中,装配数据随着装配过程的继续而不断丰富和完善。由于装配过程本质上是有若干各活动(或子过程)按串并行关系组成的网络,因此产品装配数据和装配过程的关系可以归结为数据和过程的关系。
    过程中的活动都是为实现某个目标或意图而进行的工作,数据最初以目标的形式出现,在目标数据的驱动下,产生相应的活动。同时,活动只有在输入数据均具备的前提下才能执行。从这个意义上说,是数据驱动了活动的生成和执行。如图7中,装配节点A只有在前一装配节点完成且其装配数据完备后,才能执行。装配节点A的执行由钳工装配、钳工自检、检验员跟检、报完工等活动组成;而报完工的活动不但会驱动下一装配节点的执行,同时也产生了数据(即装配节点完工数据);另外,检验跟检将产生大量的实测数据,同时检验不合格将引起返工返修,而返工返修又将导致一系列装配节点的生成及装配节点的实现。
    因此,在复杂产品装配过程执行期间,装配数据空间和过程空间是共生的、互动的,只有基于工作流,将产品装配数据模型和过程模型集成起来,才能够对产品装配数据进行更有效的管理。离开了工作流的数据采集,很难实现面向生产现场的装配过程中数据与过程的动态管理。 
3.3  装配工艺报表格式化输出
    由于制造企业传统习惯和装配工艺文件审签的需要,工艺师在完成装配工艺流程图后,通常还需输出企业要求的卡片式装配工艺和各种工艺报表。VPPC系统从装配工艺流程图中提取相关信息,可自动输出企业要求的装配工艺卡片和各种工艺报表。
    (1)装配工艺报表自动输出
    用户通过客户端向服务器发出包含装配工艺流程图和模板类型的指令,服务器端从定义的模板库中提取模板与从数据库中提取的报表数据融合生成最终的工艺报表,用于预览和打印。由于报表数据的添加是基于装配工作流程的,所以报表数据中包含了装配过程顺序信息,工艺报表数据就按照装配过程顺序进行排序。最后,根据表体内容的高度和行数确定报表的页数。
    工艺师在VPPC系统中完成装配工艺流程图的生成后,可以按照预设的模版导出标准格式的装配工艺卡片。
    VPC系统是基于B/S架构开发的,生成的工艺报表以PDF类型的文件形式输出,客户端只需安装浏览PDF类型文件的软件,就可以完成工艺报表的预览与打印。工艺报表输出示意图如图9所示。输出的工艺表格,可提交到产品数据管理(Product Data Management,PDM)系统上进行审签。

装配工艺卡片标准化输出 

图9 装配工艺卡片标准化输出

    (2)基于Web的特殊符号处理技术
    在装配工艺数据添加的过程中,经常需要添加具有特定含义的特殊符号,如 (圆度),  (直线度), (角度公差),12 (漏率单位)等。为了满足实际应用需要,特殊符号必须支持动态修改,包括基准、数值和类型;特殊符号必须能够和文本内容同时显示;特殊符号应能在浏览器中显示,即客户端只需安装浏览器就能通过网页显示特殊符号。
    针对这些实际需要,提出了特殊符号的处理方法:编辑和显示页面分离的组织形式,以图片格式显示特殊符号,最终将纯文本格式转换为Rich Text Format(RTF,丰富文本格式)达到同时浏览文本和图片的要求。
    为了保证动态修改的需要,编辑模式下采用特定的字符串表示,如字符串“$#style1:全跳动#值|基准#$”表示了全跳动,字符串中“值”和“基准”可以动态修改为所需数值。
    编辑模式下表示特殊符号的特定字符串与普通文本一同进行编辑,只有符合规定的字符串才能转化为RTF格式,否则将只以普通文本的格式进行显示。字符串转化规定如下:以字符“$#”开头,且以字符“#$”结尾的字符串中的内容将被提取;提取到特定字符串中的内容后,再搜索字符“#”,并以“#”为分隔将字符串再分为两部分,第一部分为特殊符号的类型,第二部分为需要修改的信息;对于动态修改信息不止一项的,再通过字符“|”进行分隔;通过分隔得到特殊字符的具体信息后,再通过提取特殊字符所对应的图片,最终生成所需要的图片,用以表达特定含义。
    由于特殊符号字符以图片表达,且与纯文本同时显示,所以采用RichTextBox控件为容器,以达到文本和图片在Web环境下同时显示的效果。特殊符号在Web环境下显示效果如图10所示。

Web环境下显示特殊符号界面 

图10 Web环境下显示特殊符号界面

3.4 装配现场实时可视化监控
    装配现场的实时监控,主要从调度层面、作业层面、管理层面实现不同层次的可视化监控。调度层面主要涉及车间主任、车间调度等人员;作业层面主要涉及钳工(装配操作工人)、车间检验和工艺设计等人员;管理层面主要涉及质量管理、型号主管等人员。
    在作业层,在装配实施过程中,通过对装配节点的颜色标识,来实现对装配进度的实时可视化展示。如图11所示,用不同颜色来标示装配工作的进度,其中绿色表示该装配节点任务已完成,黄色表示装配节点任务正在进行中,红色表示装配节点任务尚未启动。

装配进度的实时可视化显示

图11 装配进度的实时可视化显示

    作业层的以装配节点为基本控制单元、以装配工艺流程为数据流向的作业方式,确保了装配数据的实时性,因为只有操作人员和检验员需将采集到的实时检验数据填入并电子签字确认后,才能开展后续的装配节点的装配操作。
    对于调度层和管理层,主要基于装配数据的实时统计分析进行监控和后续处理。在装配现场,依靠基于装配工艺流程图的实时装配工序完工时间和测量数据的实时采集,调度层和管理层相关人员可以方便直观地获得所需的统计数据。统计分析主要包括时间进度的统计和装配数据的统计。其中时间进度统计分析包括单个批次任务时间进度统计、单个装配计划时间进度统计、单个具体产品时间进度统计以及日报表、装配进展一览表的生成等;装配数据的统计包括关键工序、关键检验点、普通测量纪录、技术问题处理单、不合格项、代料清单等的统计分析。图12为流程驱动的装配信息统计分析示意图。

流程驱动的装配信息统计分析示意图 

图12 流程驱动的装配信息统计分析示意图 

4 系统的实现及特点
4.1 系统的实现及使用过程

    利用Microsoft Visual Studio 2008和Microsoft .Net Framework 3.5工具开发了计算机辅助装配过程控制与管理软件系统VPPC。
    主管工艺师在接收到装配工艺准备指令后,基于产品设计BOM来建立统一的产品装配BOM,并确保相应产品节点下所有信息的完整。统一的产品装配BOM管理界面如图13所示。

统一的产品装配BOM管理 

图13 统一的产品装配BOM管理

    统一的产品装配BOM管理为后续的装配工艺流程绘制提供了统一基础数据源。图14为装配工艺流程图绘制界面,该流程绘制功能主要通过一个流程定制器实现。流程定制器是一个.Net WinForm控件,嵌入到网页中,它通过调用Web服务实现数据库的操作。通过该流程定制器,可快速实现装配工艺流程图的绘制。

装配工艺流程图绘制 

图14  装配工艺流程图绘制

    针对图14中每一个装配工序节点,需要将完成该装配工序节点所需要的工艺文件、模型文件、多媒体文件、物料齐套、检验控制卡等信息加载到该装配工序节点。装配工艺流程图绘制完成后,还需进行审签并归档。
    车间调度员接收到装配计划后,通常将一个装配计划细分为1个或多个装配任务,并将各个装配任务派发给不同装配小组进行装配;每个装配任务下面包含了一个或多个同一型号的具体产品的装配工作。图15所示为装配计划管理界面。

装配计划的下发与查看 

图15 装配计划的下发与查看  

    车间调度员将每个装配任务与产品装配工艺流程图后,可将对复杂产品的装配过程控制转换为对装配工艺流程图中的一系列装配节点的控制。车间装配工人接收到具体产品装配任务后,按照装配工艺流程图进行产品的装配,在产品装配过程中,可实时查看整个装配工作的进展情况(如图16所示)。同时针对图16所示的装配工艺流程图,可随时查看每一个装配工序节点的详细信息(如图17所示)。

装配车间中的装配工艺流程图展示 

图16  装配车间中的装配工艺流程图展示

某装配工序节点的集成展示界面 

图17  某装配工序节点的集成展示界面

    对于图16所示的每个装配节点,需要钳工和检验员先后通过电子签名的方式,对所完工的装配节点进行确认。VPPC系统将自动记录每个装配节点的实际完工时间并自动进行后续装配节点相关信息的更新。同时,车间调度员可实时统计所有装配计划、具体产品或者批次的整体装配进度(图18所示)。

装配进度统计界面 

图18  装配进度统计界面

4.2 系统特点
    VPPC系统主要实现了装配资源的统一管理、流程化装配工艺设计与审签、车间装配作业计划调度与执行、装配数据实时采集与统计分析等功能。其中装配流程控制主要通过分节点的装配工艺,把离散化的产品装配转化为对装配流程的控制,并建立相应的装配规范,从而实现了对复杂产品的装配流程控制与装配数据的完全可追溯性管理。
    VPPC系统具有以下功能特色:1)通过统一的VPPC系统应用,改变了传统的车间现场管理系统多(例如装配计划由MES系统管理、装配数据由质量系统管理、装配资源由装配资源管理系统管理)、数据分散与查询困难等现状,为离散装配型企业的精细化装配过程管理提供了一个统一的解决方案%

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