基于實時信息的飛機裝配技術(shù)狀態(tài)管理方法研究

張小瑞，郭 宇，閆振強

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于實時信息的飛機裝配技術(shù)狀態(tài)管理方法研究

張小瑞，郭 宇，閆振強

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

為了解決飛機裝配過程中的實時數(shù)據(jù)采集和分析問題，提出了一種基于實時信息的飛機裝配技術(shù)狀態(tài)管理方法。方法的核心是建立技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型，利用RFID技術(shù)來配置模型；同時，建立沿時間軸的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)裝配過程中的信息跟蹤、監(jiān)控、識別及溯源。

飛機裝配；技術(shù)狀態(tài)；數(shù)據(jù)模型；RFID

目前，裝配制造企業(yè)尤其是飛機裝配企業(yè)生產(chǎn)過程中最大的難題就是技術(shù)狀態(tài)的清理，飛機裝配過程是典型的復(fù)雜系統(tǒng)實現(xiàn)過程[1]，隨著飛機并行研制過程的不斷深入，以及新技術(shù)新工藝的發(fā)展，技術(shù)狀態(tài)清理工作量必將越來越大，飛機裝配過程技術(shù)狀態(tài)管理就顯得尤為重要。

對于飛機技術(shù)狀態(tài)管理的研究大多聚焦于飛機設(shè)計時的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置、變型設(shè)計、設(shè)計版本管理，以及裝配前的工藝規(guī)劃、虛擬裝配、工藝版本管理等[2-4]，裝配過程中的實時信息采集與管理問題研究較少。飛機裝配技術(shù)狀態(tài)的管理主要依賴于生產(chǎn)過程中手工記錄的信息，突出的3個問題是[4]：(1)管理人員無法在第一時間獲取裝配過程中發(fā)生的設(shè)備故障信息以及由人員變更引起的質(zhì)量問題，難以迅速處理問題和及時調(diào)度車間資源；(2)物料與裝配任務(wù)缺乏有效的匹配標(biāo)識，工人只能憑借主觀判斷來完成裝配過程，容易造成錯裝；(3)裝配過程組織混亂，存在多工位人員的“并行操作”，缺乏行之有效的裝配流程和規(guī)范。因此針對飛機制造過程中的多樣性與復(fù)雜性，建立一種飛機裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型，利用射頻識別技術(shù)來配置數(shù)據(jù)模型，并通過數(shù)據(jù)信息來分析裝配過程，服務(wù)生產(chǎn)管理，以此來實現(xiàn)飛機裝配過程技術(shù)狀態(tài)管理。

1 飛機裝配技術(shù)狀態(tài)管理

1.1飛機裝配技術(shù)狀態(tài)元素網(wǎng)絡(luò)模型

飛機裝配過程由若干裝配段位(如前、中、后機身裝配段位)組成，每個段位又可以細(xì)分為若干裝配工位。通常情況下每個裝配工位的具體執(zhí)行內(nèi)容由裝配大綱(AO)制定，AO中的裝配工序細(xì)化裝配內(nèi)容，裝配工序結(jié)束后需要進(jìn)行重要工序的檢驗。飛機裝配技術(shù)狀態(tài)的主要元素可歸納為：裝配段位、裝配工位、AO、裝配工序、檢驗。建立飛機裝配技術(shù)狀態(tài)主要元素之間的模型關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，將裝配段位、裝配工位、AO、裝配工序、檢驗定義為模型的5類重要的元素，分別用符號A、S、AO、P、E標(biāo)識，5類元素可以在XOY平面內(nèi)組成一個完整的裝配技術(shù)狀態(tài)模型。一般情況下某型飛機至少有2種或2種以上的型號，F(xiàn)1和F2分別表示飛機的2種改版機型，每種機型都應(yīng)該有3個以上的裝配段位，不同型號之間會存在重復(fù)的裝配段位，如F1和F2共用的裝配段位為A11，A21，A41。同種元素不同類型用數(shù)字予以區(qū)別，同種類型的不同版本用上標(biāo)進(jìn)行區(qū)別，例如A1和A2分別表示2個不同的裝配段位，而A31和A32表示同一裝配段位的不同版本。裝配過程中還存在著裝配工位的共用現(xiàn)象，如裝配工位Sm1就是由不同裝配段位的機型所共用。這種情況在實際的裝配過程中較為常見，需要考慮在模型模板中，達(dá)到真正意義上的飛機裝配技術(shù)狀態(tài)的管理。

1.2飛機裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型

飛機裝配技術(shù)狀態(tài)的管理是一個動態(tài)過程，為了描述這種動態(tài)過程需要在XOY平面基礎(chǔ)上增加時間軸來實時記錄飛機裝配技術(shù)狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 機型裝配技術(shù)狀態(tài)元素網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 飛機裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型

T1時刻，參數(shù)化的飛機裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型可以用T1來表示，并在Z=T1平面上進(jìn)行映射。同樣的，在后續(xù)裝配過程中的T2，T3，T4時刻，需對裝配技術(shù)狀態(tài)模型進(jìn)行參數(shù)化處理，形成的數(shù)據(jù)模型分別在垂直于時間軸的Z=T2、Z=T3、Z=T4平面上進(jìn)行映射。通過增加時間軸的方式完成對飛機裝配技術(shù)狀態(tài)模型數(shù)據(jù)信息的實時化處理，形成了真正意義上的基于實時信息的飛機裝配技術(shù)狀態(tài)管理模型網(wǎng)絡(luò)。

2 飛機裝配過程技術(shù)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型

2.1飛機裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型定義

通過對飛機裝配過程中各個工位的監(jiān)控，可以獲知任意工位裝配過程中的實時技術(shù)狀態(tài)[5-6]，并能以此進(jìn)一步實現(xiàn)飛機裝配過程技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控、對比和回溯。裝配生產(chǎn)的過程中，技術(shù)狀態(tài)的管理是隨著加工人員、時間以及工位等因素實時變化的[7]。以裝配車間具體工位為監(jiān)控節(jié)點，形成裝配車間的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控過程中重點關(guān)注以下幾個要素：裝配零件、工人、時間、工序內(nèi)容和工序狀態(tài)，它們是裝配工位技術(shù)狀態(tài)的基本要素。其中裝配零件用D來指代，工人用R來指代，工序內(nèi)容與工序狀態(tài)可由工位信息W來提供，根據(jù)以上信息將工位M技術(shù)狀態(tài)組成定義如下：

(1)

式中：D={di|i=1,2,3,…,m;},代表所有裝配零件的集合，di的值為零件號；R={rj|j=1,2,3,…,n;},代表所有工人的集合，rj為工人的工號；W={wk|k=1,2,3,…,z;},代表車間中所有的工位的集合，wk為各個工位的代碼，例如飛機機翼段的工位，包括前緣襟翼Ⅰ段裝配工位、前緣襟翼Ⅱ段裝配工位、機翼外架總裝工位、機翼精加工工位等；Q={ql|l=1,2,3;},代表各個零件在各個工位所處的裝配狀態(tài)，包括待裝配、裝配中、已裝配；T={tdi[wk,ql,rj]},代表裝配零件的實時狀態(tài)，即裝配零件在當(dāng)前狀態(tài)下的工位信息、工序狀態(tài)以及操作人員信息，將以上3個信息列為在某一時刻的狀態(tài)集，那么每一組相互關(guān)聯(lián)的(di,rj,wk,ql,t)就構(gòu)成了一個唯一的裝配零件實時狀態(tài)。把di,rj,wk,ql,t定義為裝配系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)(Technology State of Assembly System)的5個基本屬性：

ASTS={DT,D,R,W,Q,T,ΔT,A}

(2)

式中：DT={dtn},代表某工位上裝配零件種類的集合。ΔT={Δtdtn[wkql,wk+xq1+y]},表示dtn種類的零件從(工位wk，工序狀態(tài)ql)到(工位wk+x，工序狀態(tài)ql+y)經(jīng)歷的額定時間集合。A={A[dtn]},代表所有零件裝配工藝的矩陣集合，令A(yù)′={A′[di]},表示所有零件實時裝配的進(jìn)度狀態(tài)集合，A[dtn]與A′[di]同為k行l(wèi)列的矩陣，行代表工位wk，列表示工序狀態(tài)ql，其中a[dtn]k,l=1，表示dtn種類的零件必須經(jīng)過工位wk并處于工序狀態(tài)ql,a[dtn]k,l=0,代表此種類零件無需經(jīng)過此工位進(jìn)行此道工序的操作；a′[di]k,l=1，表示零件di已經(jīng)過工位wk且處于工序狀態(tài)ql，a′[di]k,l=0,表示該零件并未經(jīng)過此工位。

2.2飛機裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型計算

零件裝配過程工時定義為從涉及零件裝配的工序開始到最后一道工序截止，可得零件完成全部裝配過程工時：

Δtdi[wkql,wk+xql+y]=tdi[wk+x,ql+y]-t[wk,ql]

(3)

式中Δt是零件di從(工位wk，工序狀態(tài)ql)到(工位wk+x，工序狀態(tài)ql+y)所經(jīng)過的時間。

零件裝配進(jìn)度定義為當(dāng)前裝配量與總裝配量之間的百分比：

ΔA[di]=A′[di]-A[dtn] (當(dāng)且僅當(dāng)di?dtn時)

(4)

(5)

裝配執(zhí)行過程中,若a[dtn]k,l=1，a′[dtn]k,l=0，那么該工位工序內(nèi)容并未正常執(zhí)行，對應(yīng)工位集合W={wk|k=1,2,3,…,z;}及工人集合R={rj|j=1,2,3,…,n;}中有異常情況出現(xiàn)。

當(dāng)rj=1、wk=0時，需要對相應(yīng)工位設(shè)備進(jìn)行故障檢測，重新安排生產(chǎn)任務(wù)，下達(dá)調(diào)度計劃。當(dāng)wk=1、rj=0時，表明對應(yīng)工位的操作人員未按指定工藝要求進(jìn)行生產(chǎn)，需要調(diào)度人員確認(rèn)生產(chǎn)現(xiàn)場狀況，合理調(diào)度安排生產(chǎn)計劃。

3 飛機裝配技術(shù)狀態(tài)實例分析

3.1基于RFID飛機裝配技術(shù)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)配置

通過RFID技術(shù)配置技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型，將所有元素的數(shù)據(jù)實例化，使得飛機裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模板中部分不確定的信息得以確定。飛機裝配執(zhí)行過程中，裝配對象和裝配資源上附著的RFID標(biāo)簽內(nèi)容是隨著操作流程的不同而實時變化的，以某工位裝配對象數(shù)據(jù)初始化操作為研究對象，具體實施過程如圖3所示，裝配對象智能標(biāo)簽數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

圖3 基于RFID裝配對象技術(shù)狀態(tài)管理流程

圖4 裝配對象RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)模型

以某工位為研究對象，在工位入口、出口及設(shè)備上分別安置RFID讀寫器，通過3個讀寫器來確定飛機裝配制造過程的技術(shù)狀態(tài)，具體流程步驟如下：

Step1，通過企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)(MES)領(lǐng)取車間生產(chǎn)任務(wù)，制定可執(zhí)行的生產(chǎn)計劃。

Step2，根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃生成產(chǎn)品的唯一標(biāo)識，包括產(chǎn)品編號、批次和入庫時間，裝配過程中標(biāo)識信息將始終與產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)，為信息的統(tǒng)計和溯源提供依據(jù)。

Step3，在產(chǎn)品執(zhí)行裝配任務(wù)前需要通過RFID讀寫控制器向產(chǎn)品RFID標(biāo)簽中寫入預(yù)置信息，包括工位ID、工人ID、工藝路線ID。

Step4，當(dāng)產(chǎn)品由指定的工人帶入到指定的工位后，RFID讀寫控制器在產(chǎn)品RFID標(biāo)簽中記錄裝配執(zhí)行過程的初始時間。

Step5，RFID控制器將工位標(biāo)簽信息的狀態(tài)由“空閑”改為“忙碌”，標(biāo)簽內(nèi)記錄裝配工位的開始時間。

Step6，裝配任務(wù)完成后，相應(yīng)的工位標(biāo)簽信息狀態(tài)由“忙碌”改為“空閑”，標(biāo)簽內(nèi)記錄裝配工位的結(jié)束時間。

Step7，當(dāng)裝配產(chǎn)品離開當(dāng)前工位時，RFID讀寫控制器在產(chǎn)品標(biāo)簽中記錄離開時間。

Step8，RFID 控制器核實產(chǎn)品標(biāo)簽內(nèi)的工藝路線，判斷是否存在剩余操作，若仍存在剩余操作則返回相應(yīng)的工位執(zhí)行剩余裝配任務(wù)，同時記錄新一次的裝配開始時間與結(jié)束時間，直至完成為止。

3.2裝配系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)實例分析

在裝配過程中，RFID讀寫設(shè)備將實時信息分類匯總于不同的裝配工位模型樹中，表1提供了分類匯總后的襟副翼裝配工位中工序內(nèi)容與相應(yīng)的工時、工人、檢驗信息。

表1 襟副翼裝配工位ASTS數(shù)據(jù)配置(工位：襟副翼裝配工位)

此處di中的i取值為1，2，3，4，5，6，7，分別對應(yīng)后腹板、翼梁、托板、下壁板、上壁板、尾部型材、前肋。假定裝配工序暫時執(zhí)行到工序40，那么根據(jù)裝配原理可建立如下矩陣關(guān)系：

A為零件裝配工藝的矩陣集合，A′為零件實時裝配的進(jìn)度狀態(tài)集合，差別矩陣ΔA由公式(4)可得。由a′[d5]1,40=0可知裝配工序50尚未執(zhí)行，由公式(3)可知零件上壁板需要的裝配時間為：

零件上壁板完成的裝配進(jìn)度由公式(5)可得：

通過RFID系統(tǒng)對裝配工位進(jìn)行實時信息的采集與分析，以此來實現(xiàn)裝配車間資源的優(yōu)化調(diào)度。若裝配零件到達(dá)相應(yīng)工位接收到“忙碌”反饋時，系統(tǒng)會第一時間在車間環(huán)境內(nèi)搜索可以完成相同裝配任務(wù)的工位，分配處于空閑狀態(tài)的加工人員，以此來完成資源的快速搜索和再利用。數(shù)學(xué)模型中可以這樣定義：

可以完成相同的任務(wù)的工位集合為：

對應(yīng)裝配任務(wù)有裝配權(quán)限的人員集合為：

其中wk={0,1}，0代表空閑，1代表忙碌。

根據(jù)RFID系統(tǒng)對裝配工位技術(shù)狀態(tài)實時信息的反饋，若裝配對象在進(jìn)入裝配工位前采集到工位信息“1”， 生產(chǎn)調(diào)度人員就需要重新安排生產(chǎn)任務(wù)，分配空閑工位給裝配對象，下達(dá)裝配命令給適當(dāng)人員，以此來提高裝配車間的資源利用率。

4 結(jié)束語

文中對于飛機裝配過程技術(shù)狀態(tài)管理方法的研究具有現(xiàn)實可行的意義，可以為長期困擾飛機裝配企業(yè)的裝配過程不透明化問題提供解決方案。與傳統(tǒng)意義上的技術(shù)狀態(tài)管理相比，本文側(cè)重于飛機裝配過程中的實時信息處理，通過實時信息的配置建立飛機裝配過程技術(shù)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，形成了特有的飛機裝配過程研制資料。文中雖然提出了利用RFID技術(shù)來實現(xiàn)裝配過程數(shù)據(jù)采集，但對于RFID中間件技術(shù)還需要進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和探索。

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ResearchofAircraftAssemblyTechnologyStateBasedonReal-timeInformation

ZHANG Xiaorui, GUO Yu, YAN Zhenqiang

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

The core problem of the aircraft assembly technology state is the real-time data acquisition and analysis. It presents a kind of aircraft assembly technology state management method based on RFID, establishes the aircraft assembly technology state data network model, uses RFID technology to configure the technology state data model. Meanwhile, it sets up the aircraft assembly technology state data network along the time axis, and carries on the information in the assembly process tracking, monitoring, identification and traceability.

Aircraft Assembly; Technology State; Data Model; RFID

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.009

2013-11-29

南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金資助項目(kfjj130117)

張小瑞(1986—)，男，陜西延安人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。

TP391

A

2095-509X(2014)02-0041-05