基于组装作业与质量管控的可视化工艺系统研究

邬钱涌，刘 鹏

（中国铁道科学研究院北京纵横机电技术开发公司，北京100091）

基于组装作业与质量管控的可视化工艺系统研究

邬钱涌，刘 鹏

（中国铁道科学研究院北京纵横机电技术开发公司，北京100091）

通过借鉴国内外制造企业工艺可视化技术的应用与研究，结合企业多类型小批量的生产模式，对基于组装作业与质量管控的可视化工艺系统进行研究。可视化工艺系统以产品组装作业流程为基础，工序内容附以图片、动画、视频等多媒体形式给予工人可视化作业指导，通过移动质检终端实现关键工序的质量管控，最终实现组装作业清晰化、质量问题全记录、产品流程可追溯的总体目标。

可视化工艺；质量管控；组装作业；多类型小批量

装配是产品生命周期的重要环节，是产品功能实现的主要过程［1］。各种零部件（自制件、外购件、外协件）需经过正确的装配和测试，才能形成最终产品。除去零部件质量问题，装配过程是影响产品最终质量的关键因素和重要环节［2］。

以制动夹钳单元为代表的铁路产品，由于其多类型小批量的生产模式，决定该类产品生产不可能建立起十分完善、通用的机械化流水生产线。这类产品的装配作业以手工劳动为主，装配精度的高低主要依赖于装配工人的技艺水平和操作经验。由于工人水平差异，使得产品质量受多种因素的影响，在装配过程中出现错装、漏装、操作不规范等现象均是不可避免的。有些装配缺陷能够在出厂前测试中反映出来，而有些则无法反映在测试结果中，因此一旦将问题产品安装在高速行驶的列车中，将会出现不可预计的后果。装配过程中的各类问题，分为几类：工艺规程表述不清、工艺规程理解偏差、个人疏忽、零件质量问题。因此工艺规程的清晰表述和关键工序的质量管控是解决装配问题的突破口和切入点。

1 可视化工艺技术现状分析

为解决装配过程中出现的各类问题，既提高装配效率又保证产品质量，国内外各企业已经进行了深入的研究。主要的解决办法有借助计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）［3］软件实现工艺规程的设计；借助面向装配的设计（Design for Assembly，DFA）［4-5］软件帮助工艺工程师实现装配模拟；借助Solidworks、Pro/E等软件实现三维模型装配作业指导。

应用各类辅助软件实现装配过程的仿真不仅能够替代现有的纸质工艺文件，而且可以用直观的三维模型取代表述不清的二维图纸和图片，帮助工人直观深入地理解装配工序和产品结构。但是这类方式具有如下弊端：（1）各类辅助模拟软件虽然具有强大的仿真功能，但是部分零件在装配过程中通过过盈配合或变形来达到使用要求，因此干涉检查、碰撞检测仿真并不能有效解决此类问题。（2）对于设计和生产分开的企业或者技术合作的产品，生产企业并没有完整的模型，而且关键部件的图纸也未必齐全，因此要实现三维模型仿真，需要先耗费极大的精力建立精确的三维模型。（3）由于在三维模型中并不能完全表达各类规范要求，因此在查阅图纸或规范时工人还需要翻阅纸质文件或在计算机的其他系统中搜索，造成装配时间的浪费。（4）三维模型仿真对于螺纹胶、油脂、清洗剂等辅料的使用方式和用量无法进行模拟，从而无法定义操作标准。

在质量管控方面，为保证装配过程中的产品质量，最通用的做法便是辨识关键工序、关键零件，并且通过纸质记录的方式实现对关键工序的控制。但是纸质记录并没有记录各项控制点的检验时间，因此容易出现统一填写记录、事后补充记录等违规现象。为此先进的制造企业借助信息采集技术，通过电动扭矩扳手、摄像头、传感器检测等先进技术实现对装配工序的管控。但是该技术成本巨大，并不适用于小型企业或多类型小批量生产模式的企业。

2 可视化工艺系统研究

2.1 可视化工艺系统理论研究

可视化工艺系统的研究建立在多类型小批量生产模式的基础之上，并以组装作业指导书为原始数据来源，通过图片、文字、视频、动画等多种展示形式，实现可视化组装作业指导。

可视化工艺系统研究旨在通过对多种可视化展示形式的探索，帮助工人直观深入地了解组装工序和要求；通过关键工序无纸化检验记录实现产品的质量管控。

可视化工艺系统研究的主要内容有（1）对图片、图纸、文件、视频、动画、三维模型等多种可视化展示形式进行探索，实现组装工艺的直观展示；（2）通过细化工艺规程，实现工艺规程的工步级指导；（3）通过组装工序中嵌入相关文件和图纸的形式，实现相关规范及图纸的实时查阅；（4）以质量控制流程和关键工序控制点为依据，开发移动终端质检系统，实现关键工序无纸化检验记录，实现生产过程的质量管控。

2.2 可视化工艺系统总体架构

为保证企业的可持续发展，实现与PLM、ERP、PDM等系统的无缝兼容，通过论证与系统实现可靠性分析，决定采用以中心服务器和操作端的两层结构对可视化工艺系统进行开发。中心服务器作为系统中所有数据的存储与汇总端；操作端由管理终端、现场终端和移动质检终端组成。管理终端为微型计算机，实现工艺技术人员工艺规程编写、文件上传下载、质检记录查阅等功能；现场终端为微型计算机，为操作员工提供作业流程查看、问题记录与反馈的操作环境；移动质检终端为平板电脑，用于质检人员记录关键工序的检验状况，实现质检问题的反馈，并且支持相关文件的单向下载。所有终端均采用统一的可视化工艺系统入口，通过权限的区别实现功能模块的区分。图1所示为可视化工艺系统整体架构图。

各终端的开发结构分为两种：为保证管理终端和现场终端数据的实时性和通用性，避免数据传输的滞后与繁琐的系统更新，采用B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式）进行开发；为保证移动质检终端数据的安全性，支持离线数据记录与操作，移动质检终端采用C/S结构（Client/Server，客户端/服务器模式）进行开发。图2所示为可视化工艺系统网络拓扑图。

2.3 可视化工艺系统功能模块组成

由图1可知，可视化工艺系统针对3类人群进行开发设计，分别为技术人员、操作工人、质检人员。

技术人员通过管理终端，实现产品的创建、可视化组装作业指导内容编写、文件关联、文件审批、解决问题方案提交、质检记录查阅等功能。

操作工人通过现场终端，实现组装作业在线查阅和学习、相关规范文件查阅、装配问题反馈、解决方案查阅。

质检人员可通过移动终端或现场终端进行操作，实现相关文件在线查阅、关键工序无纸化检查记录、生产问题在线反馈、解决方案查阅。

3类人员通过可视化工艺系统实现信息互通和问题交互，简化了传统的办事流程，提高了工作效率，同时保证了文件发布的及时性与唯一性。

2.4 可视化组装作业指导研究

可视化工艺系统研究的一个主要目标是实现组装过程的可视化指导，以多样化的展示形式确保工人简单准确理解装配任务，从而提高生产效率、保证产品质量。

可视化组装作业指导研究以通用的组装作业指导书为基础和模板，将组装作业指导书以浏览器界面的形式进行展示。但是单纯以界面形式的展示，只能属于简单的数字化信息管理，并不能有效帮助工人理解其中的内容。因此本文探索采用彩色图片、颜色标志、视频、动画、图纸关联等多样化的描述形式，替代纸质组装作业指导书中黑白图片加文字描述的简单描述形式。图3所示为可视化组装作业指导的界面形式。

可视化组装作业指导具备以下几个方面的优点：

（1）左侧区域为组装工序结构树，展示了整个产品组装过程中的所有工序，可以直观的了解各工序顺序；

（2）右侧详细内容区域包含了传统组装作业指导书中的全部内容，可以使工人在组装过程中全面了解本工序的详细信息；

（3）描述文字的颜色区别和字体大小区别，能够突出显示重点内容，在视觉上帮助工人对操作内容和质量控制内容引起重视；

（4）图示说明采用模型截图、实物照片、图纸信息等多种形式，并通过配备简单文字说明，帮助工人深入理解装配的内容和注意事项；

（5）参考文件中关联了本工序需要参考的图纸资料和规范文档资料，实现装配作业与文件查阅的连接和随时切换，缩短了查询时间；

（6）参考视频中关联了相应的操作视频和动画，视频和动画内容针对无法用语言和图片表述清楚的操作步骤、组装顺序、辅料用量、判别标准等信息。从而以动态展示形式指导工人对操作内容的理解，直观展示了三维模型仿真无法模拟的工序内容。

2.5 关键工序质量管控研究

传统生产模式中，产品检验以纸质记录为主，容易造成记录损坏、丢失，弄虚作假，统一补充等问题。先进的监控、检测系统需要耗费巨大的成本，并且对于多类型小批量生产模式未必具有良好的质量管控效果。因此为突破传统质量检验的纸质记录方式，规避传统检查手段的弊端，对可视化工艺系统中产品的检验管理和关键工序质量管控进行了深入研究。

通过对多种实现方式的评估分析，研究决定采用移动质检终端的形式实现关键工序质量检验记录。移动质检终端以平板电脑为载体，满足质检人员流动作业的工作性质；终端搭载开发的可视化工艺系统质检软件，并与可视化工艺系统中心服务器采用无线连接，实现数据的双向传输和共享。

质检人员通过填写从中心服务器中下载的质检表单，对每天生产的产品进行关键工序控制点的检查。各检查表单通过产品型号、产品序列号、产品数量与实际产品和批次进行关联对应。各检查表单中对各关键工序控制点的检查内容进行了详细说明，质检人员通过点选是否合格、拍照记录、问题反馈、备注说明等方式实现对关键控制点的全面检查记录。由于软件能够记录各项操作的时间节点，因此能够有效避免传统检查记录中各项违规操作。

问题的反馈功能保证了问题能够准确落实到个人，防止产生推脱问题与责任现象，同时也保证了问题能够真正落实解决。图4为关键工序质量管控实现的网络拓扑图。

2.6 信息传输技术研究

为实现可视化工艺系统的各项功能与要求，保证信息传输的稳定与安全，对通信格式、传输协议、数据组织形式、校验算法等技术进行了自主研究。

依照网络拓扑图结构，移动质检终端与数据服务器和网站服务器之间的通信采用无线网络802.11b/g/n协议，数据服务器与Oracle数据库之间采用以太网传输。车间的无线网络作为企业内部有线网络的内网接入，无线路由器使用DHCP功能为接入的现场终端和移动质检终端设备自动分配IP地址。文件上传和下载采用HTTP请求的方式进行传输，其他信息采用TCP/IP数据协议传输。

（1）总体通信格式（基于TCP和Socket传输）

移动质检终端与数据服务器进行数据传输的过程中，以0×68为启动字符，0×16作为结束字符，同时在数据帧头中对数据长度进行记录，通过长度与结束符的双重校验保证数据发送的完整性。

（2）基于HTTP的文件传输协议

移动质检终端需要进行大量的文件传输，包括附件、图纸、照片等，文件的传输方式采用HTTP来实现，通信协议的结构如表1所示。

3 可视化工艺系统开发成果

通过对组装作业指导、关键工序质量管控、信息传输技术3个方面的综合研究与探索，开发了面向多类型小批量生产企业的可视化工艺系统，并针对铁路用制动夹钳单元产品生产线进行了推广试运行。

图5为制动夹钳生产线的可视化工艺系统布局。图6为可视化工艺系统组装作业指导列表。图7为可视化工艺系统关键控制点质量检查记录。

4 结 论

可视化工艺系统是建立在国内外相关行业工艺可视化技术运用的基础上，并结合企业多类型小批量的生产特点与生产状况的探索性研究。目前整个系统运行状况良好，系统能够基本满足现阶段现场生产要求，帮助操作员工矫正装配过程中的缺陷与错误，提高操作标准化程度，充分理解装配内容和要求。采用移动质检终端对关键控制点进行质量检验与记录，实现对各关键工序的严格管控。

可视化工艺系统研究在总体上实现了3个目标：

（1）以产品工艺流程数据为基础，对组装作业流程给予多样性可视化指导，保证组装作业安全准确；

（2）对组装过程中的人员信息、产品作业情况、产品质量问题、产品检验结果等数据进行全面管理、反馈、记录，实现质量安全风险管控，保证各关键工序严格受控；

（3）实现现场作业无纸化、操作过程清晰化、质量问题全记录、产品流程可追溯的总体目标。

［1］ 杨海成.基于装配工艺的可视化及故检技术研究［D］.西安：西北工业大学，2007.

［2］ 樊 波.并行环境下的DFA技术研究与实现［D］.西安：西北工业大学，2001.

［3］ 刘 雷.可视化装配工艺规划系统关键技术［D］.武汉：武汉理工大学，2012.

［4］ 姜 华，熊光楞，曾庆良.面向装配的设计方法与技术研究［J］.计算机集成制造系统，1999，5（4）：56-60.

［5］ 董兴辉，徐晓辉.基于VRML三维协同装配可视化的实现［J］.工程图学学报，2002，（2）：70-75.

Research of Process Visualization System Based on Assembly and Quality Control

WU Qianyong，LIU Peng
（Beijing Zongheng Elctro-mechanical Technology Development Co.，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100091，China）

Research of process visualization system based on assembly and quality control is taking the application and research of process visualization technology in other manufacturers as reference，and combining the production mode of multi-type and small batch.Process visualization system is bases on the assembly operation.Pictures，animations，videos and other multimedia form are attached in the operation contents to give workers visual operation instruction.Quality control of key process is implemented by mobile inspection terminal device.The overall goals of research are making assembly process clear，recording all quality problems，and tracing any process in assembly.

process visualization；quality control；assembly operation；multi-type and small batch

TP319

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.09

1008－7842（2014）06－0039－05

7—）男，助理工程师（

2014-05-05）