數(shù)據(jù)采集與管理技術(shù)在固體火箭發(fā)動機噴管裝配過程中的應(yīng)用

劉鋼　劉小建　胡珂　夏琨

摘要：針對航天型號產(chǎn)品數(shù)量及質(zhì)量可靠性增長需求，提出信息化車間建設(shè)，通過對數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)基本構(gòu)架、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以及系統(tǒng)功能的論述，總結(jié)了數(shù)據(jù)采集與管理技術(shù)在固體火箭發(fā)動機噴管裝配過程中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：信息化;數(shù)據(jù)采集;管理

中圖分類號：V435 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0085-04

0 引言

隨著2017年10月13日新確認(rèn)的9種特殊鋼制品存在違規(guī)，日本神戶制鋼所數(shù)據(jù)造假問題制品增至13種，購買使用方增至約500家，事態(tài)進(jìn)一步嚴(yán)重，對于傳統(tǒng)的質(zhì)量管控手段提出了挑戰(zhàn)，生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的獨立性需求進(jìn)一步提升。特別是固體火箭發(fā)動機噴管生產(chǎn)制造，普遍存在著多型號、小批量的特點，自動化產(chǎn)線應(yīng)用不足，生產(chǎn)過程質(zhì)量管控和生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)質(zhì)量追溯尤為重要。從某種意義上來說航天制造業(yè)信息化制造車間建設(shè)是必然的，是生產(chǎn)組織形式和質(zhì)量控制手段更新?lián)Q代的重要措施。本文以西安航天復(fù)合材料研究所裝配車間信息化建設(shè)為例，分析了信息化裝配車間建設(shè)的經(jīng)驗和不足，希望能對航天制造技術(shù)有所促進(jìn)。

1 建設(shè)目的與意義

利用信息化手段實現(xiàn)對裝配車間散點式作業(yè)點的生產(chǎn)管控，對于企業(yè)具有多方面的意義。

首先從現(xiàn)場生產(chǎn)部門的角度出發(fā)，通過信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)，加強了現(xiàn)場生產(chǎn)過程的監(jiān)管力度，同時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動上傳一定程度解放了生產(chǎn)力，為車間無紙化建設(shè)和提高生產(chǎn)率提供了基礎(chǔ)。

其次從生產(chǎn)管理部門出發(fā)，車間信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)，通過對產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的監(jiān)管，有利于實現(xiàn)規(guī)范整個生產(chǎn)過程，實現(xiàn)管理業(yè)務(wù)的規(guī)范化、流程化、網(wǎng)絡(luò)化，痕跡化。對于實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的管理和質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了第一手資料。

最后從決策部門的角度來看，可以優(yōu)化調(diào)配，服務(wù)決策。通過設(shè)備信息化動態(tài)管理模式，量化指標(biāo)，在管理過程中建立分析模型，以分析、統(tǒng)計等手段，時掌握企業(yè)生產(chǎn)完成情況、生產(chǎn)資源使用情況、設(shè)備閑置率等狀況，實現(xiàn)設(shè)備合理調(diào)配，提高使用效率，為決策提供及時、準(zhǔn)確、詳實，科學(xué)的分析決策依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化決策的目的。

2 車間數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)實施基礎(chǔ)

2.1 設(shè)備數(shù)字化與通訊網(wǎng)絡(luò)搭建

設(shè)備數(shù)字化和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是構(gòu)建車間數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。裝配車間現(xiàn)場的很多測量儀具和生產(chǎn)設(shè)備，均需要進(jìn)行數(shù)字化改造，以實現(xiàn)模擬量的上傳。同時建立車間局域網(wǎng)絡(luò)，將系統(tǒng)內(nèi)的各操作終端、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)服務(wù)器連接起來處于同一網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)交互，為構(gòu)建系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2.2 規(guī)范化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與相關(guān)檔案管理

對大量的與日俱增的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依靠科學(xué)合理的管理規(guī)則與先進(jìn)的技術(shù)處理手段進(jìn)行有效的管理，并隨時為各業(yè)務(wù)部門提供及時準(zhǔn)確、分級共享的動態(tài)處理數(shù)據(jù)。規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與相關(guān)檔案的管理，分類建立技術(shù)數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)品檔案庫，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與相關(guān)檔案管理的高效性、系統(tǒng)性和合理化。

2.3 規(guī)范化的作業(yè)流程

借用設(shè)備數(shù)字化和車間局域網(wǎng)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以及規(guī)范管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)庫，借助作業(yè)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鞒绦颉⒘炕挠嬎惴绞胶蛣討B(tài)共享的數(shù)據(jù)處理模式，按照統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)合理的生產(chǎn)流程工作。實現(xiàn)整個噴管裝配生產(chǎn)過程的全流程監(jiān)管。

2.4 統(tǒng)一的生產(chǎn)資源管理

對相關(guān)人員、量具、原材料等生產(chǎn)資源實行統(tǒng)一編碼，分類管理的模式。便于進(jìn)行生產(chǎn)資源具體狀態(tài)進(jìn)行查詢。便于生產(chǎn)流程規(guī)劃和生產(chǎn)過程中具體資源的配置，從而提高生產(chǎn)效率，建設(shè)等待浪費。

2.5 現(xiàn)代化管理的思想和意識

重視智能生產(chǎn)的重要性，理解和充分應(yīng)用數(shù)字化、信息化生產(chǎn)管理模式。加強培訓(xùn)工作，形成自上而下的思想意識，并且提高使用現(xiàn)代化工具的能力。

3 車間數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)的基本構(gòu)架

車間數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中主要分為四個層次，其中包括：數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和展現(xiàn)層，具體見圖1。

3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是整個軟件構(gòu)架的基礎(chǔ)，是軟件各功能層發(fā)展與進(jìn)步的支撐點。數(shù)據(jù)層包含的數(shù)據(jù)有：設(shè)計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和制造過程數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層功能主要包括生產(chǎn)計劃/任務(wù)管理、生產(chǎn)資源管理、生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)報告設(shè)計、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)設(shè)置等功能。

3.3 業(yè)務(wù)邏輯層

系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯。通過獲取UI（User Interface，用戶界面）傳來的操作指令，決定執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，在需要訪問數(shù)據(jù)源的時候?qū)⒄埱筠D(zhuǎn)給數(shù)據(jù)邏輯層，處理完成后，返回必要數(shù)據(jù)給UI;業(yè)務(wù)邏輯層在體系架構(gòu)中的位置很關(guān)鍵，它處于數(shù)據(jù)服務(wù)層與展現(xiàn)層中間，起到承上啟下的作用，一個設(shè)計良好的架構(gòu)，業(yè)務(wù)邏輯層既不依賴于具體的數(shù)據(jù)存儲方式，也不依賴于具體的界面呈現(xiàn)方式。

3.4 展現(xiàn)層

負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)邏輯層的處理結(jié)果直接呈現(xiàn)到界面或經(jīng)過轉(zhuǎn)換成符合UI層格式的數(shù)據(jù)后呈現(xiàn)到界面，見圖2。

4 車間數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

利用交換機建立車間一級工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，用于觸摸終端、電腦終端與中心服務(wù)器的聯(lián)網(wǎng)和通訊。

每個工作區(qū)域內(nèi)，以觸摸操作終端為中心利用網(wǎng)線、USB或RS485總線將該區(qū)域內(nèi)的辦公設(shè)備、測量設(shè)備、傳感器等組成現(xiàn)場二級網(wǎng)絡(luò)，觸摸終端統(tǒng)一數(shù)據(jù)后上傳服務(wù)器，見圖3。

5 車間數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)功能應(yīng)用

5.1 管理看板

管理看板的實施，可以使生產(chǎn)線可視化，實時展現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、傳遞生產(chǎn)和運送指令，調(diào)節(jié)生產(chǎn)均衡，可隨時隨地監(jiān)控生產(chǎn)線所有作業(yè)活動及復(fù)雜生產(chǎn)流程，實時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題，對異常生產(chǎn)情況做出迅速反應(yīng)。

5.2 數(shù)字化工藝設(shè)計

實現(xiàn)三維裝配工藝流程設(shè)計、裝配過程仿真及結(jié)構(gòu)化工藝拆解，指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)和操作步驟。可在每個流程的操作步驟設(shè)定參數(shù)閾值，在實際產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場實時測量參數(shù)自動與工藝參數(shù)進(jìn)行比對，超過了該范圍系統(tǒng)有報警提示或限制進(jìn)入下一步等質(zhì)量保證措施。

5.3 生產(chǎn)作業(yè)管理

系統(tǒng)提供從生產(chǎn)任務(wù)發(fā)放到裝配完成轉(zhuǎn)序的一整套生產(chǎn)作業(yè)管理方案，利用作業(yè)規(guī)程建立的作業(yè)管理體系提供裝配工序流程圖進(jìn)行圖形化作業(yè)流程跟蹤，利用工藝參數(shù)對比的方式進(jìn)行作業(yè)過程質(zhì)量控制，并通過裝配過程演示進(jìn)行裝配指導(dǎo)工作，提高生產(chǎn)質(zhì)量。同時通過與生產(chǎn)資源管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行工位和人員等分配，從而達(dá)到合理安排生產(chǎn)的目的。

5.4 作業(yè)任務(wù)發(fā)布

接收到MES系統(tǒng)生產(chǎn)計劃以后，生產(chǎn)管理人員可在系統(tǒng)新建作業(yè)任務(wù)。作業(yè)任務(wù)以噴管主體部件（即噴管本體）編碼為依據(jù)生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)編號，同時依據(jù)噴管主體產(chǎn)品型號自動配備工藝規(guī)程文檔，從而形成工藝流程圖，用以進(jìn)行作業(yè)指導(dǎo)和作業(yè)進(jìn)度控制，同時配備粘膠劑配置工藝記錄、粘接裝配工藝記錄、產(chǎn)品跟蹤卡等文檔報告模塊。從而形成以單一產(chǎn)品為核心的一整套作業(yè)任務(wù)。

5.5 作業(yè)任務(wù)領(lǐng)取

現(xiàn)場操作終端機配備工卡識別器（即刷卡器）。工位生產(chǎn)人員通過操作系統(tǒng)領(lǐng)取任務(wù)后通過刷卡的方式進(jìn)行確認(rèn)和身份識別。系統(tǒng)自動將當(dāng)前任務(wù)匹配給生產(chǎn)人員和其所在工位。

5.6 作業(yè)進(jìn)度跟蹤

系統(tǒng)提供圖形化任務(wù)展示和進(jìn)度追蹤功能。

5.7 生產(chǎn)過程控制

作業(yè)過程中，工藝設(shè)定參數(shù)自動與采集的參數(shù)比較。一旦超過工藝參數(shù)范圍，進(jìn)行報警提醒，并停止后續(xù)流轉(zhuǎn)，見圖4。

5.8 作業(yè)指導(dǎo)與裝配動畫演示

在進(jìn)行作業(yè)任務(wù)分配時，系統(tǒng)自動將裝配動畫隨工藝規(guī)程發(fā)布給領(lǐng)取任務(wù)的操作終端。同時系統(tǒng)自動匹配當(dāng)前終端與執(zhí)行的工序，并在操作終端上顯示當(dāng)前的作業(yè)步驟、工藝要求。以及裝配演示畫面，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)。

5.9 作業(yè)記錄

系統(tǒng)提供產(chǎn)品作業(yè)記錄功能。根據(jù)噴管裝配的生產(chǎn)流程及生產(chǎn)特點，在噴管入場時即給噴管賦予唯一編碼，該編碼作為噴管唯一身份識別將伴隨其整個生產(chǎn)過程及使用過程。每進(jìn)行一個生產(chǎn)管理過程，便將該過程產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)并與管片編碼進(jìn)行綁定。從生產(chǎn)開始至管片出廠，管片將獲得完整的生產(chǎn)信息，形成完整的噴管作業(yè)記錄信息。

系統(tǒng)生成工藝記錄、裝配粘接記錄、膠粘劑配置記錄、產(chǎn)品跟蹤卡等文件（包括工藝參數(shù)、照片和檢驗情況），自動生成產(chǎn)品標(biāo)示卡的信息和條碼，并打印。

5.10 產(chǎn)品編碼方案

為達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量追溯、質(zhì)量控制等管理需求，為每個噴管主體進(jìn)行賦予單一和唯一的代碼。該代碼能反應(yīng)出產(chǎn)品全部生產(chǎn)信息，如產(chǎn)品型號、入場時間、轉(zhuǎn)序時間、各作業(yè)階段生產(chǎn)記錄等。管理人員可通過掃碼或者輸入編碼的方式對噴管的完整的生產(chǎn)信息進(jìn)行查詢。

5.11 質(zhì)量追溯

除了生產(chǎn)過程控制以外，本系統(tǒng)將所有的噴管主體進(jìn)行統(tǒng)一管理，并為每個噴管制定唯一的產(chǎn)品編碼，建立產(chǎn)品信息庫。

在生產(chǎn)作業(yè)過程中，每完成一個工序或一項工作，都將作業(yè)過程中產(chǎn)生生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝記錄以及零部件、工位、作業(yè)人員等信息記錄在內(nèi)，最終在裝配完成，產(chǎn)品轉(zhuǎn)序之時形成完成的產(chǎn)品生產(chǎn)信息表，從而為形成產(chǎn)品全生產(chǎn)周期信息追蹤和質(zhì)量追溯提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.12 檢驗計劃和任務(wù)

對設(shè)備、儀器、原材料等進(jìn)行檢驗計劃管理。以配膠原材料為例，每種配膠原材料和成品粘合劑都有各自的檢驗周期，將粘合劑和對應(yīng)的粘合劑的檢驗計劃數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以自動根據(jù)上次記錄的檢驗時間和檢驗周期進(jìn)行計算，確定下次檢驗的確切時間。若在檢驗計劃外發(fā)生了原材料批次號碼變化，在錄入原材料信息時，系統(tǒng)將自動識別不匹配的原材料編號，并自動針對新批次的原材料生成對應(yīng)的檢驗計劃，見圖5。

5.13 檢驗提醒（配膠原材料，粘合劑，量具）

在即將抵達(dá)檢驗計劃日期時，將根據(jù)所需檢驗的各項目關(guān)聯(lián)的操作人員、管理人員和責(zé)任人員進(jìn)行分組通知。同時，在使用到相關(guān)項目的任務(wù)或工藝中進(jìn)行提示，見圖6。

5.14 檢驗記錄

配膠原材料、量具等外檢的檢驗記錄，檢驗記錄通過掃描或圖片導(dǎo)入到系統(tǒng)中，其檢驗計劃自動更新，并重新計算。

對于專檢的項目，檢驗人員通過輸入身份或刷身份卡開始檢驗任務(wù)，該任務(wù)將自動與該人員進(jìn)行關(guān)聯(lián)并記錄。檢驗完成后，將相關(guān)人員的信息和檢驗結(jié)果自動記錄，需要手動輸入的內(nèi)容由操作人員進(jìn)行輸入。檢驗任務(wù)結(jié)束后，所有相關(guān)的記錄將關(guān)聯(lián)到本次檢驗任務(wù)上，以便后期進(jìn)行查找。任務(wù)關(guān)閉后，已完成的各項目自動更新檢驗計劃，開始下一個檢驗周期。

5.15 生產(chǎn)資源管理

管理與生產(chǎn)相關(guān)的所有資源信息，主要包括生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)工位管理、生產(chǎn)零件管理、生產(chǎn)人員管理、生產(chǎn)工具管理、生產(chǎn)材料管理等。通過集中平臺統(tǒng)一管理生產(chǎn)資源信息，顯示生產(chǎn)資源（如生產(chǎn)工位）現(xiàn)有狀態(tài)（使用中、閑置中、維護中）等信息，便于統(tǒng)一調(diào)配生產(chǎn)資源，見圖7。

5.16 統(tǒng)計報表

系統(tǒng)可以根據(jù)任務(wù)完成情況自動生成各類報表。包括任務(wù)統(tǒng)計、批次產(chǎn)品質(zhì)量波動、工時統(tǒng)計、日常報表和人員出勤數(shù)據(jù)等。

5.17 報告模塊管理

系統(tǒng)可根據(jù)用戶需要定制自己需要的質(zhì)量報告模版，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息來生成報告。支持在線處理，支持報告的導(dǎo)入和導(dǎo)出。

5.18 現(xiàn)場操作終端功能

現(xiàn)場操作終端以實際生產(chǎn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理為主，現(xiàn)場和中心通過生產(chǎn)管理任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。中心向現(xiàn)場發(fā)布作業(yè)任務(wù)、生產(chǎn)規(guī)程及裝配演示等功能文件，現(xiàn)場則將作業(yè)記錄和測量數(shù)據(jù)等反饋給中心。

6 結(jié)語

隨著航天軍工產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量可靠性要求的不斷提升，航天制造企業(yè)將大力推廣信息化、數(shù)字化制造車間，但要注意的是做到真正與生產(chǎn)制造過程相結(jié)合，規(guī)范操作過程的同時做到減輕一線操作者負(fù)擔(dān)。

Application of Data Acquisition and Management Technology in Solid Rocket Motor Nozzle Assembly

LIU Gang，LIU Xiao-jian，HU Ke，XIA Kun

（Xi'an Institute of Aerospace Composites， Xi'an Shaanxi? 710025）

Abstract：Aimed at the increasing demand for the quantity， quality and reliability of aerospace products， the paper put forward the construction of informatization workshop. Through the discussion on the basic architecture， network framework and system function of data acquisition and management system， the application effect of data acquisition and management technology in the assembly of solid rocket motor nozzle is summarized.

Key words：informatization;data acquisition;management