面向复杂产品的离散装配过程控制与管理系统.docx

0  引言
    复杂产品是指客户需求复杂、产品构成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂一类产品，如航天器、飞机、复杂机电产品、武器系统等。复杂产品装配是经典离散型装配，具有研制周期长、零部件构成数量庞大、波及专业领域广、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最终环节，也是最为重要环节之一，实现复杂产品装配过程科学管理与监控，可明显提高其产品生产效率和装配质量。
    近年来，国内外有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有关研究，不过从学术界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，目前国内研究重要聚焦于产品静态装配数据组织构造以及BOM视图之间映射和转换方面，缺乏对产品装配过程中装配数据动态演变过程模型研究，装配数据管理和过程管理相脱节。
    2）生产现场装配工艺信息可视化展示和工艺执行过程中实时监控问题。在车间现场装配工艺展示形式上，目前国内工程中常采用卡片式装配工艺卡片（例如天河CAPP工艺卡片）来指导现场装配，这种集成卡片式装配工艺规程重要依托自然语言进行工艺内容描述，辅之以一定数量二维装配示意图，这种方式导致了对装配工艺描述不形象、不直观、不规范，导致了装配工人不易迅速精确地理解装配工艺，严重影响产品装配质量和效率在装配车间工艺执行管理方面（即装配车间生产调度方面），既有MES系统基本上专门针对装配车间处理方案，普遍缺乏精确、及时、完整数据采集与信息反馈机制,在底层数据实时采集、多源信息融合、复杂信息处理及迅速决策等方面较为微弱，导致生产现场数据（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现实状况，管理人员和操作者很难实时、迅速查看到自己所需数据和内容。
    针对目前国内外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规定现实状况。笔者结合航天复杂产品工程实践，提出了一种基于流程产品装配过程控制与管理技术，同步设计并开发了面向生产现场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），为装配现场实时监控和数据集成管理提供了一条新途径。
1 系统总体构造
    基于工作流计算机辅助装配过程控制与管理系统工作流程如图1所示，该措施重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
    装配工艺设计层重要包括工艺准备计划调度、装配BOM构建、基于流程装配工艺设计三部分，其中基于流程装配工艺设计是关键。
    1）工艺准备计划调度：工艺师在装配工艺设计之前，首先应接受工艺准备计划指令，并排定所有装配工艺文献完毕时间和完毕人。
    2）装配BOM构建：工艺师在接受到装配工艺准备指令后，在产品设计BOM基础上，建立统一产品装配BOM，并保证对应产品节点下所有信息完整，为后续装配工艺设计奠定数据基础。
    3）基于流程装配工艺设计：工艺师按照时间节点完毕装配工艺文献编制，并提交审签。

图1  基于工作流计算机辅助装配过程控制与管理系统工作流程示意图
    复杂产品装配工艺由一种串（并）联混而成装配工序链构成。复杂产品装配作业前，一般要绘制产品装配工艺流程图，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特点，提出了一种基于流程装配工艺设计措施，该措施由装配工艺流程图生成、装配节点信息加载和装配工艺报表输出三部分构成。
    装配工艺流程图生成，是指针对每一种详细型号产品，创立一种与该产品相对应装配工艺流程图。装配工艺流程图反应了装配单元划分和从属关系、零部件装配次序、平行工作内容及检查项目等。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构成，其中装配节点包括关键工序节点和一般工序节点。每个装配节点都具有额定工时，装配节点表达了装配工作详细操作和检查内容，节点连线表达装配工作流向，开始节点表达了装配流程图开始标志，结束节点表达了装配流程图结束标志。每个装配流程图包括唯一一种主流程和若干辅流程，如图2所示。汇合节点表达了主流程和辅流程交点标志。

图2  某部件装配工艺流程图构成示意图
    装配节点信息加载，是指针对每个装配节点（例如图2中每个工序节点），将完毕该装配节点所需要工艺文献、模型文献、多媒体文献、物料齐套、检查控制卡等信息加载到该装配节点。每个详细装配节点需要加载信息重要包括：①该工序基本信息，包括该工序执行车间、所属型号等；②工序内容，包括详细工序内容描述；③工位信息，重要包括该工序所波及装配小组人员名单及各类人员责任；④检查规定信息，包括装配过程中检查规定和规则；⑤其他齐套信息，包括完毕该装配节点所需要零部件配套清单、原则件配套清单、工装与工具清单、设计图纸文献清单、多种附件和原则规范等。
    装配工艺报表输出，是指从生成装配工艺流程图中提取有关信息，并自动输出企业规定装配工艺卡片和多种工艺报表。
1.2  车间作业计划制定层
    车间调度员接受到厂级调度下发装配计划（即型号任务和临时任务）后，根据装配工艺流程图进行车间作业计划制定。重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作业计划制定三部分。
    1）装配计划拆分：车间调度员对接受到装配计划进行拆分（将一种装配计划细分为1个或多种装配任务）。例如，假设接受到装配计划为装配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。拆分后三个装配任务也许分别下发给车间装配小组1、小组2和小组3。装配计划拆分过程中必须遵守规则是：拆分后每个装配任务只能与唯一详细产品对应，也即一种装配任务中不能波及两个或两个以上详细产品装配工作。
    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，可将对复杂产品装配过程控制转换为对装配工艺流程图中一系列装配节点控制。
    3）基于装配工艺流程图作业计划制定：通过装配任务与装配工艺流程图绑定，车间调度员将对每个装配任务控制转换为对实际装配工艺流程图控制，并基于装配工艺流程图进行每个装配节点作业计划制定。例如针对图2所示部件装配工艺流程，可根据装配工艺流程图中每个装配节点额定工时和所下发装配任务规定完毕时间进行倒序计算，自动获得每个装配节点规定完毕日期，如图3所示。同步，车间调度员还可在自动调度基础上，对关键工序节点规定完毕日期进行人工调度。

图3  某部件生产作业计划
1.3 车间作业计划执行层
    车间装配工人根据流程化装配工艺流程图进行装配作业，在装配实行过程中，通过对装配节点颜色标识，来实现对装配进度实时可视化展示和监控。
    装配小组根据装配工艺流程图进行产品装配过程中，需要对每个装配节点进行检查，并实时采集有关装配数据，检查员需将采集到实时检查数据填入，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种装配节点实际完毕时间，并自动对后续一般装配节点规定完毕时间进行实时更新，对于关键装配节点规定完毕时间修改，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）可以实时获得整个装配车间装配进度，并实时获得多种装配数据报表（包括关键检查点检测成果汇总表、产品装配进展日报表、装配车间总装测试进展一览表等）。
2 系统体系构造和功能构造
2.1 VPPC系统功能构造
    VPPC系统功能构造如图4所示，重要功能模块包括：
    1）装配资源统一管理：为VPPC系统提供统一数据源，并实现与PDM系统信息集成。详细包括统一产品装配BOM生成和维护、装配生产数据管理、基于装配BOM装配工艺数据管理、基于装配BOM装配工艺流程管理、装配工艺数据版本管理等。
    2）装配工艺流程生成与管理：接受工艺准备计划，完毕装配工艺流程图制作和工艺报表输出。详细包括工艺准备计划管理（工艺流程图制作任务接受、下发、认领及审签）、装配工艺流程图生成、装配节点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：接受装配计划，完毕车间装配作业计划调度。详细包括装配计划管理（厂级装配计划接受、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作业计划制定等。
    4）可视化妆配综合看板和数据记录：完毕车间作业执行和数据记录分析。详细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记录分析等。

图4 VPPC系统功能构造图
2.2  VPPC系统总体构造
    VPPC系统总体构造如图5所示。VPPC系统使用了Microsoft基于.NET Framework 3.5WCSF框架构造。其中WCSF框架实现了系统Web应用，重要包括系统中与顾客交互体现层页面：如顾客管理、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、记录分析等以及系统使用公用模块：导入导出模块（实现顾客数据、BOM数据导入导出）。在数据访问模块中，根据系统需要，在业务逻辑层中封装对数据库各表操作：如添加顾客，修改顾客等。WCSF框架可调用数据访问模块公布接口函数来获得系统数据库数据以及操作信息等。流程定制器是一种.Net WinForm控件，嵌入到网页中，它通过调用Web服务实现数据库操作。使用WCSF框架使VPPC系统层次更清晰，开发效率更高，维护也更以便。

图5 VPPC系统总体构造 
3 系统实现关键技术
3.1 基于装配BOM静态装配数据管理
    产品静态装配数据重要包括产品设计BOM、装配工艺文献信息和装配生产信息。其中装配工艺文献信息包括管理性装配工艺文献、专用工艺装备明细表、专用工具和量具明细表、重要材料消耗明细表、辅助材料消耗明细表、配套明细表、装配工艺卡片等；装配生产信息重要包括完毕产品装配工作所需要装配保障条件，如装配测量器具检查登记表、装配测试设备登记表、非金属材料有效期检查记录、工艺装备检查登记表、装配技术文献检查登记表、零部件检查登记表等。产品静态装配数据管理是实现全面装配数据管理基础。
    针对复杂产品现场装配特点，提出了一种基于装配BOM装配资源信息统一管理措施。即针对每个批次复杂产品，都形成一种统一装配BOM。该装配BOM全面列出了完毕该批次产品装配所需要装配保障条件信息和装配工艺信息，详细包括产品零部件之间组合和装配关系、装配次序和工夹具使用措施，以及零部件配套清单、工装状况和有关技术法规清单等。统一产品装配BOM建立重要包括如下三个环节（如图6所示）：1）根据生产现场实际装配需求，在设计BOM基础上定义产品零部件之间装配关系，形成产品装配构造。在产品装配关系定义过程中，也许会局部变化产品设计BOM构造树中节点父子关系。2）在形成产品装配构造树对应节点上，添加装配工艺信息，包括装配工艺文献（如管理性工艺文献、装配工艺卡）、装配工装等。3）在形成产品装配构造树对应节点上，添加装配生产信息，包括配套表及齐套信息等，保证装配进行时人、机、料、法、环（4M1E）准备到位。

图6 基于装配BOM装配资源管理模型示意图
    其中，装配BOM与设计BOM之间信息集成是通过Web服务接口实现。由于所有装配工艺和装配生产数据都是根据装配BOM实现数据关联，为了保证数据不丢失，设计BOM中节点不能物理删除，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，数据组织和链接是通过树节点操作而形成，因此树节点是装配BOM基本构成元素。树节点中包括了各节点之间父子逻辑关系，从而将各个节点联络在一起，构成了统一产品装配BOM；同步树节点还指明了节点详细类型和详细ID，通过它向详细数据库表进行查询就可以树节点所有属性信息，可清晰获取装配构造树上各个节点信息。
3.2 基于流程动态装配数据管理
    产品装配过程中动态数据，重要包括多种装配检测数据、装配进度数据、质量数据、技术问题处理数据等。动态装配数据是伴随产品装配过程进行而产生数据。在复杂产品装配过程中，动态装配数据伴随装配过程继续而不停丰富和完善。产品装配过程中动态数据管理是产品装配数据管理关键。
    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关系。装配数据与装配过程之间映射关系如图7所示。

图7  装配数据与装配过程之间映射
    基于流程动态装配数据管理是数据管理和过程管理有机结合。装配数据重要是一系列由装配节点构成并（串）行链表，每一种装配节点包括工序基本信息、工序内容、检查信息、工位信息和齐套信息等内容。过程数据是伴随复杂产品装配过程中形成数据。在产品装配过程中，装配数据伴随装配过程继续而不停丰富和完善。由于装配过程本质上是有若干各活动（或子过程）按串并行关系构成网络，因此产品装配数据和装配过程关系可以归结为数据和过程关系。
    过程中活动都是为实现某个目或意图而进行工作，数据最初以目形式出现，在目数据驱动下，产生对应活动。同步，活动只有在输入数据均具有前提下才能执行。从这个意义上说，是数据驱动了活动生成和执行。如图7中，装配节点A只有在前一装配节点完毕且其装配数据完备后，才能执行。装配节点A执行由钳工装配、钳工自检、检查员跟检、报竣工等活动构成；而报竣工活动不仅会驱动下一装配节点执行，同步也产生了数据（即装配节点竣工数据）；此外，检查跟检将产生大量实测数据，同步检查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生成及装配节点实现。
    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、互动，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，才可以对产品装配数据进行更有效管理。离开了工作流数据采集，很难实现面向生产现场装配过程中数据与过程动态管理。 
3.3  装配工艺报表格式化输出
    由于制造企业老式习惯和装配工艺文献审签需要，工艺师在完毕装配工艺流程图后，一般还需输出企业规定卡片式装配工艺和多种工艺报表。VPPC系统从装配工艺流程图中提取有关信息，可自动输出企业规定装配工艺卡片和多种工艺报表。
    （1）装配工艺报表自动输出
    顾客通过客户端向服务器发出包括装配工艺流程图和模板类型指令，服务器端从定义模板库中提取模板与从数据库中提取报表数据融合生成最终工艺报表，用于预览和打印。由于报表数据添加是基于装配工作流程，因此报表数据中包括了装配过程次序信息，工艺报表数据就按照装配过程次序进行排序。最终，根据表体内容高度和行数确定报表页数。
    工艺师在VPPC系统中完毕装配工艺流程图生成后，可以按照预设模版导出原则格式装配工艺卡片。
    VPC系统是基于B/S架构开发，生成工艺报表以PDF类型文献形式输出，客户端只需安装浏览PDF类型文献软件，就可以完毕工艺报表预览与打印。工艺报表输出示意图如图9所示。输出工艺表格，可提交到产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统上进行审签。

图9 装配工艺卡片原则化输出
    （2）基于Web特殊符号处理技术
    在装配工艺数据添加过程中，常常需要添加具有特定含义特殊符号，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；特殊符号必须可以和文本内容同步显示；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，提出了特殊符号处理措施：编辑和显示页面分离组织形式，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）到达同步浏览文本和图片规定。
    为了保证动态修改需要，编辑模式下采用特定字符串表达，如字符串“$#style1:全跳动#值|基准#$”表达了全跳动，字符串中“值”和“基准”可以动态修改为所需数值。
    编辑模式下表达特殊符号特定字符串与一般文本一同进行编辑，只有符合规定字符串才能转化为RTF格式，否则将只以一般文本格式进行显示。字符串转化规定如下：以字符“$#”开头，且以字符“#$”结尾字符串中内容将被提取；提取到特定字符串中内容后，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类型，第二部分为需要修改信息；对于动态修改信息不止一项，再通过字符“|”进行分隔；通过度隔得到特殊字符详细信息后，再通过提取特殊字符所对应图片，最终身成所需要图片，用以体现特定含义。
    由于特殊符号字符以图片体现，且与纯文本同步显示，因此采用RichTextBox控件为容器，以到达文本和图片在Web环境下同步显示效果。特殊符号在Web环境下显示效果如图10所示。

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
    装配现场实时监控，重要从调度层面、作业层面、管理层面实现不一样层次可视化监控。调度层面重要波及车间主任、车间调度等人员；作业层面重要波及钳工（装配操作工人）、车间检查和工艺设计等人员；管理层面重要波及质量管理、型号主管等人员。
    在作业层，在装配实行过程中，通过对装配节点颜色标识，来实现对装配进度实时可视化展示。如图11所示，用不一样颜色来标示装配工作进度，其中绿色表达该装配节点任务已完毕，黄色表达装配节点任务正在进行中，红色表达装配节点任务尚未启动。

图11 装配进度实时可视化显示
    作业层以装配节点为基本控制单元、以装配工艺流程为数据流向作业方式，保证了装配数据实时性，由于只有操作人员和检查员需将采集到实时检查数据填入并电子签字确认后，才能开展后续装配节点装配操作。
    对于调度层和管理层，重要基于装配数据实时记录分析进行监控和后续处理。在装配现场，依托基于装配工艺流程图实时装配工序竣工时间和测量数据实时采集，调度层和管理层有关人员可以以便直观地获得所需记录数据。记录分析重要包括时间进度记录和装配数据记录。其中时间进度记录分析包括单个批次任务时间进度记录、单个装配计划时间进度记录、单个详细产品时间进度记录以及日报表、装配进展一览表生成等；装配数据记录包括关键工序、关键检查点、一般测量纪录、技术问题处理单、不合格项、代料清单等记录分析。图12为流程驱动装配信息记录分析示意图。

图12 流程驱动装配信息记录分析示意图 
4 系统实现及特点
4.1 系统实现及使用过程
    运用Microsoft Visual Studio 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。
    主管工艺师在接受到装配工艺准备指令后，基于产品设计BOM来建立统一产品装配BOM，并保证对应产品节点下所有信息完整。统一产品装配BOM管理界面如图13所示。

图13 统一产品装配BOM管理
    统一产品装配BOM管理为后续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，该流程绘制功能重要通过一种流程定制器实现。流程定制器是一种.Net WinForm控件，嵌入到网页中，它通过调用Web服务实现数据库操作。通过该流程定制器，可迅速实现装配工艺流程图绘制。

图14  装配工艺流程图绘制
    针对图14中每一种装配工序节点，需要将完毕该装配工序节点所需要工艺文献、模型文献、多媒体文献、物料齐套、检查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毕后，还需进行审签并归档。
    车间调度员接受到装配计划后，一般将一种装配计划细分为1个或多种装配任务，并将各个装配任务派发给不一样装配小组进行装配；每个装配任务下面包括了一种或多种同一型号详细产品装配工作。图15所示为装配计划管理界面。

图15 装配计划下发与查看 
车间调度员将每个装配任务与产品装配工艺流程图后，可将对复杂产品装配过程控制转换为对装配工艺流程图中一系列装配节点控制。车间装配工人接受到详细产品装配任务后，按照装配工艺流程图进行产品装配，在产品装配过程中，可实时查看整个装配工作进展状况（如图16所示）。同步针对图16所示装配工艺流程图，可随时查看每一种装配工序节点详细信息(如图17所示)。

图16  装配车间中装配工艺流程图展示

图17  某装配工序节点集成展示界面
    对于图16所示每个装配节点，需要钳工和检查员先后通过电子签名方式，对所竣工装配节点进行确认。VPPC系统将自动记录每个装配节点实际竣工时间并自动进行后续装配节点有关信息更新。同步，车间调度员可实时记录所有装配计划、详细产品或者批次整体装配进度（图18所示）。

图18  装配进度记录界面
4.2 系统特点
    VPPC系统重要实现了装配资源统一管理、流程化妆配工艺设计与审签、车间装配作业计划调度与执行、装配数据实时采集与记录分析等功能。其中装配流程控制重要通过度节点装配工艺，把离散化产品装配转化为对装配流程控制，并建立对应装配规范，从而实现了对复杂产品装配流程控制与装配数据完全可追溯性管理。
    VPPC系统具有如下功能特色：1）通过统一VPPC系统应用，变化了老式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实状况，为离散装配型企业精细化妆配过程管理提供了一种统一处理方案。2）结合复杂产品构造特点，在产品设计构造树基础上，建立了一种统一产品装配BOM，实现了多种基础数据统一管理。3）以工作流为关键，通过装配工艺流程图有效地描述了产品装配数据和装配过程间动态变化关系，实现了整个车间装配活动和装配数据统一管理。4）实现了装配工艺设计与装配工艺执行统一。基于流程产品装配过程控制措施变化了老式卡片式装配工艺设计方式，工艺师创立装配工艺流程图并针对每个装配工艺节点加载信息过程，就是装配工艺设计过程；而车间基于装配工艺流程图进行装配过程，也就是装配工艺执行过程，同步基于装配工艺流程图装配信息集成展示，为车间提供了统一装配看板，可有效提高装配工人装配效率。
5  发展和应用前景
    VPPC系统为处理面向手工装配复杂离散型装配企业产品装配过程控制与管理提供了一条新研究途径。该措施不仅可实现手工装配过程精细化控制，还处理了装配工艺学习是成就事业基石
设计与装配工艺实行脱节问题，也为形成完整产品质量数据包提供了可靠措施，对提高装配车间现代化管理水平将发挥重要作用。目前VPPC系统在航天某工厂得到试运行，初步应用效果良好。