制動(dòng)夾鉗單元可視化裝配工藝應(yīng)用研究

制動(dòng)夾鉗單元可視化裝配工藝應(yīng)用研究

胡 維1，劉 鵬2，鄔錢(qián)涌3

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081；3 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100094）

針對(duì)制動(dòng)夾鉗單元傳統(tǒng)裝配工藝的局限性，提出了基于三維模型的裝配工藝可視化、精細(xì)化設(shè)計(jì)思路；對(duì)可視化工藝流程的需求調(diào)研，搭建了可視化工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝編輯、流轉(zhuǎn)發(fā)布、終端顯示、問(wèn)題反饋與解決、可視化質(zhì)量檢驗(yàn)以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集等多項(xiàng)功能，提高了裝配工藝的可讀性、指導(dǎo)性和權(quán)威性，增強(qiáng)了工藝人員、車(chē)間操作人員以及質(zhì)檢人員的工作效率，提升了生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量管理水平。

制動(dòng)夾鉗單元；裝配；工藝；可視化

制動(dòng)夾鉗單元是動(dòng)車(chē)組、大功率機(jī)車(chē)等軌道機(jī)車(chē)車(chē)輛盤(pán)形制動(dòng)系統(tǒng)中的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是保障列車(chē)運(yùn)行安全的關(guān)鍵部件，其裝配過(guò)程是產(chǎn)品制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。操作人員對(duì)裝配工藝文件的理解和工藝內(nèi)容的掌握直接決定了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和裝配效率，因此制動(dòng)夾鉗單元的裝配工藝是影響產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的制動(dòng)夾鉗單元裝配工藝大都采用紙介質(zhì)，依靠大量的文字并配以二維圖紙和實(shí)物照片對(duì)工藝內(nèi)容進(jìn)行描述，具有諸多局限性。隨著產(chǎn)品型號(hào)不斷增加，產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的紙介質(zhì)裝配工藝已經(jīng)成為制約探索先進(jìn)生產(chǎn)模式，影響生產(chǎn)效率的瓶頸。隨著CAD、CAE等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展和信息化管理手段的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)顯示終端，將產(chǎn)品的裝配工藝通過(guò)三維模型、動(dòng)畫(huà)等多種可視化的形式展示出來(lái)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)［1-3］?？梢暬难b配工藝能夠直觀、生動(dòng)、細(xì)致的對(duì)裝配工藝進(jìn)行描述，可以大大提高工藝的可讀性和指導(dǎo)性，對(duì)提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的作用。

1　傳統(tǒng)裝配工藝中存在的問(wèn)題

制動(dòng)夾鉗單元屬于復(fù)雜裝配體，整個(gè)裝配過(guò)程涉及到的工步達(dá)幾百步，包含了壓裝、噴涂、試漏、測(cè)量以及多種專用操作工藝。傳統(tǒng)的裝配工藝總結(jié)起來(lái)有如下局限性。

1.1工藝的可理解性差

傳統(tǒng)工藝大多使用二維圖紙或?qū)嵨飯D片來(lái)表示裝配關(guān)系，圖紙屬于機(jī)械設(shè)計(jì)語(yǔ)言，工藝指導(dǎo)性不強(qiáng)；實(shí)物圖片一般只能表達(dá)裝配的當(dāng)前狀態(tài)，無(wú)法清晰表達(dá)零件的相互關(guān)系和裝配特點(diǎn)，直觀性差。因此傳統(tǒng)工藝不得不借助大量的文字表達(dá)裝配信息，導(dǎo)致工藝生澀難懂，可理解性差。

1.2工藝的指導(dǎo)性和控制性降低

目前對(duì)于裝配工藝的培訓(xùn)手段主要依靠現(xiàn)場(chǎng)跟班學(xué)習(xí)，紙介質(zhì)裝配工藝由于難以快速掌握，往往需要對(duì)被培訓(xùn)者反復(fù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示及講解。這種培訓(xùn)方式周期長(zhǎng)，見(jiàn)效慢。由于過(guò)于注重實(shí)際操作學(xué)習(xí)，逐漸形成口口相傳及手把手教的培訓(xùn)模式，這種模式忽視了被培訓(xùn)者對(duì)工藝內(nèi)容的理解和執(zhí)行，導(dǎo)致裝配工藝對(duì)實(shí)際操作的指導(dǎo)性和控制性逐漸降低。

1.3制約生產(chǎn)效率

目前，根據(jù)不同機(jī)車(chē)車(chē)輛的制動(dòng)特性，制動(dòng)夾鉗單元派生出幾十種不同型號(hào)。眾多《組裝作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》（即裝配工藝）給現(xiàn)場(chǎng)操作人員和質(zhì)檢人員的查閱帶來(lái)諸多不便，大量重復(fù)的工藝內(nèi)容也給工藝編制人員帶來(lái)很多重復(fù)勞動(dòng)。隨著生產(chǎn)模式不斷向著多型號(hào)、大批量方向發(fā)展，傳統(tǒng)裝配工藝已經(jīng)大大制約了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

2　基于可視化技術(shù)的裝配工藝設(shè)計(jì)

2.1可視化工藝的研究目的

本文探討的制動(dòng)夾鉗單元型號(hào)眾多，不同型號(hào)產(chǎn)品之間的易混零件、易混工藝非常多。而生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)多型號(hào)產(chǎn)品同時(shí)生產(chǎn)的情況，因此，可視化裝配工藝技術(shù)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是通過(guò)可視化手段實(shí)現(xiàn)裝配工藝精細(xì)化，實(shí)現(xiàn)工藝內(nèi)容的快速查閱和工藝要求的精準(zhǔn)表達(dá)，有力提升產(chǎn)品裝配的質(zhì)量控制水平。

2.2 可視化工藝的主要內(nèi)容

（1）基于三維模型的可視化工藝表達(dá)

為了徹底改變紙介質(zhì)工藝枯燥生澀的弊病，借助產(chǎn)品的三維模型和實(shí)物圖片，根據(jù)實(shí)際裝配方法，將零件的相互位置關(guān)系、工藝要求等展示出來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步編輯形成清晰、易懂的可視化工藝卡片。如圖1所示，表達(dá)了制動(dòng)夾鉗單元中間隙調(diào)整器零件裝配時(shí)的位置和順序關(guān)系。圖2表達(dá)了停放絲杠組成中特殊的涂油要求。圖3則清楚的表達(dá)了制動(dòng)缸活塞上密封圈的裝配方式。這種工藝卡片不僅對(duì)容易裝錯(cuò)的密封圈方向進(jìn)行了明確規(guī)定，同時(shí)通過(guò)展示活塞涂油脂后的狀態(tài)，對(duì)涂油的量給出了直觀的參考，有助于操作人員理解產(chǎn)品工藝要求，統(tǒng)一工藝標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　間隙調(diào)整器各零件裝配關(guān)系

圖2　停放絲杠組成中的特殊涂油要求

圖3　活塞和密封圈組成中的關(guān)鍵工藝點(diǎn)

（2）易混工藝的對(duì)比分析

對(duì)于多型號(hào)產(chǎn)品中的易混零件，易混工藝，設(shè)計(jì)編制專門(mén)的可視化工藝卡片，將易混工藝進(jìn)行對(duì)比分析展示，便于操作者對(duì)比學(xué)習(xí)，避免裝配錯(cuò)誤。如圖4所示，通過(guò)三維模型的編輯并配以表格的形式，將所有不同產(chǎn)品中的調(diào)整圈裝配控制距離進(jìn)行了對(duì)比說(shuō)明，有效提升了工藝的可讀性和控制性。

3　制動(dòng)夾鉗單元裝配工藝可視化的實(shí)現(xiàn)

圖4　易混工藝的對(duì)比說(shuō)明

可視化工藝的實(shí)現(xiàn)主要依托信息化技術(shù)，搭建一個(gè)可視化工藝系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)布置在不同位置的顯示終端實(shí)現(xiàn)信息呈現(xiàn)。通過(guò)該系統(tǒng)，應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)工藝編制、工藝審批、問(wèn)題反饋、過(guò)程檢驗(yàn)等工作的無(wú)紙化辦公。在研究設(shè)計(jì)可視化工藝系統(tǒng)之前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)寫(xiě)實(shí)、工藝流程調(diào)研等環(huán)節(jié)，明確可視化工藝系統(tǒng)的功能需求，包括角色設(shè)計(jì)、工藝流轉(zhuǎn)、問(wèn)題反饋、關(guān)鍵工藝點(diǎn)可視化檢驗(yàn)以及與關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)的互聯(lián)互通等，然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，配置硬件，編寫(xiě)系統(tǒng)程序，安裝調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)上線運(yùn)行。

3.1可視化工藝系統(tǒng)功能

為了增強(qiáng)工藝對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)性，監(jiān)控關(guān)鍵工藝參數(shù)，加強(qiáng)裝配過(guò)程的質(zhì)量控制，設(shè)計(jì)如下功能模塊。

（1）角色管理功能。圍繞制動(dòng)夾鉗單元的裝配過(guò)程，設(shè)置工藝工程師（及相關(guān)主管領(lǐng)導(dǎo)）、車(chē)間班組員工、質(zhì)檢工程師、質(zhì)檢員（過(guò)程檢驗(yàn)）等不同角色。不同員工因角色不同，在可視化工藝系統(tǒng)中各負(fù)其責(zé)，共同組成完整生產(chǎn)工藝流程。

（2）可視化裝配工藝的編審批功能和問(wèn)題反饋功能。工藝工程師在系統(tǒng)中對(duì)裝配工藝進(jìn)行編輯、修改、提交；相關(guān)主管領(lǐng)導(dǎo)通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行審核、批準(zhǔn)并發(fā)布，預(yù)留與PLM系統(tǒng)互聯(lián)互通的接口。發(fā)布后的可視化工藝通過(guò)生產(chǎn)線終端顯示。同時(shí)，為了提高工程師處理車(chē)間問(wèn)題的效率和質(zhì)量，系統(tǒng)還具備問(wèn)題反饋及解決功能模塊，形成車(chē)間班組員工和工程師之間的良性互動(dòng)，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。

（3）關(guān)鍵工藝點(diǎn)可視化過(guò)程檢驗(yàn)。傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，負(fù)責(zé)過(guò)程檢驗(yàn)的質(zhì)檢員使用紙質(zhì)檢驗(yàn)記錄表，對(duì)照傳統(tǒng)紙質(zhì)裝配工藝進(jìn)行檢查，缺乏可視化的標(biāo)準(zhǔn)參考和檢查記錄，質(zhì)量控制效果有限。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了質(zhì)檢員手持終端檢查工藝實(shí)施及裝配結(jié)果，通過(guò)拍照、錄視頻等方式，將過(guò)程檢驗(yàn)的結(jié)果納入生產(chǎn)計(jì)劃，形成檢驗(yàn)臺(tái)賬，做到檢驗(yàn)記錄與生產(chǎn)批次相對(duì)應(yīng)。這是本文研究裝配可視化應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

（4）裝配工藝關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集顯示功能。目前生產(chǎn)線上對(duì)每臺(tái)制動(dòng)夾鉗單元8處共12個(gè)關(guān)鍵扭矩實(shí)施電動(dòng)扭矩作業(yè)［1］，通過(guò)自動(dòng)測(cè)量實(shí)際扭矩，實(shí)時(shí)控制對(duì)扭矩的合格性。為了更好的利用海量的扭矩?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)控以上關(guān)鍵扭矩的作業(yè)情況通過(guò)可視化系統(tǒng)采集各個(gè)電動(dòng)扭矩扳手的扭矩?cái)?shù)據(jù)并存于數(shù)據(jù)庫(kù)，便于工藝工程師和質(zhì)檢工程師隨時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)情況，做出相關(guān)分析。

3.2可視化工藝系統(tǒng)架構(gòu)

采用中心服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)操作端的兩層結(jié)構(gòu)，中心服務(wù)器存儲(chǔ)并管理系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)操作端包括工藝工程師維護(hù)管理終端（PC）、生產(chǎn)線終端和質(zhì)檢員手持終端。

目前常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式有C/S和B/S結(jié)構(gòu)。C/ S結(jié)構(gòu)注重?cái)?shù)據(jù)的安全性和操作性，B/S結(jié)構(gòu)更注重?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與使用的擴(kuò)展性。為保證管理平臺(tái)的通用性，并且避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏笈c更新過(guò)程的繁瑣，可視化系統(tǒng)管理平臺(tái)選擇使用B/S結(jié)構(gòu)。質(zhì)檢終端以平板電腦形式實(shí)現(xiàn)，采用界面層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫(kù)層的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的搭建。為保證移動(dòng)平板終端能夠在支持離線的數(shù)據(jù)記錄與操作，采用C/S結(jié)構(gòu)?？蛻舳?服務(wù)器結(jié)構(gòu)能夠有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)、多次記錄與離線操作。圖5所示為可視化工藝系統(tǒng)架構(gòu)。

圖5　可視化工藝系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

3.3可視化工藝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的功能需求和系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)工藝可視化系統(tǒng)進(jìn)行具體開(kāi)發(fā)，形成可視化工藝系統(tǒng)管理平臺(tái)，如圖6所示以制動(dòng)夾鉗單元可視化工藝的界面。可以看到，該界面包括所有裝配過(guò)程的結(jié)構(gòu)樹(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)工步的導(dǎo)航選擇，同時(shí)每一個(gè)工步都有一個(gè)基于對(duì)三維模型和實(shí)物圖片2次編輯的可視化工藝卡片等。

如圖7所示，是質(zhì)檢員手持終端——移動(dòng)平板電腦的操作界面。通過(guò)該終端，可以隨時(shí)查閱最新的可視化工藝、錄入生產(chǎn)計(jì)劃、按照既定的過(guò)程檢驗(yàn)策略和要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行檢查、記錄，以及問(wèn)題反饋。

4　結(jié) 論

制動(dòng)夾鉗單元裝配工藝可視化技術(shù)應(yīng)用研究主要包括（1）產(chǎn)品的裝配工藝的可視化、精細(xì)化研究；（2）可視化系統(tǒng)的工作流程和功能需求研究；（3）現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)可視化研究；（4）關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究；（5）基于B/S和C/S的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究。

制動(dòng)夾鉗單元工藝可視化系統(tǒng)的上線運(yùn)用，提高了裝配工藝的可讀性、指導(dǎo)性和權(quán)威性，降低了混淆相似工藝的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)創(chuàng)新質(zhì)檢員手持終端進(jìn)行過(guò)程檢驗(yàn)，提升了產(chǎn)品質(zhì)量管理水平；借助信息化手段，增強(qiáng)了工藝人員、車(chē)間操作人員以及質(zhì)檢人員的工作效率，促進(jìn)了溝通協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化辦公，提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，具備廣泛推廣的應(yīng)用價(jià)值。

圖6　工藝可視化管理平臺(tái)—可視化工藝顯示界面

圖7　手持終端質(zhì)檢系統(tǒng)界面

［1］ 施志輝，李曉丹.車(chē)用柴油機(jī)裝配工藝三維可視化技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程師，2009，（02）：29-30.

［2］ 屈力剛，魏佩振，苑俊超.基于三維工藝模型的裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（10）：83-87.

［3］ 胡一廷.可視化裝配技術(shù)應(yīng)用研究［J］.科技咨詢，2013，（7）：102-103.

［4］ 劉 鵬，黃 峻.制動(dòng)夾鉗單元緊固件擰緊機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2012，32（1）：58-62.

Application Research on Visualization Assembly Technology of Braking Caliper

HU Wei1，LIU Peng2，WU Qianyong3
（1 China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Locomotive&Car Research Institute of China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China；3 Beijing Zongheng Electro-mechanical Technology Development Co.，Beijing 100094，China；）

For traditional assembly technology of braking calipers involves many disadvantages，a kind of visualized and precise design idea of assembly technology is proposed.Based on the requirement investigation of flow of assembly process，a visualized technology system is established.The system has many functions including edit，transfer and terminal display of technology file，problems feedback and solute，visualized quality check and key data acquisition etc.The system raises the readability，guidance and authority of assembly technology，improves working efficiency of technology engineer，worker，and quality inspector，and upgrades the produce and quality management level.

brake caliper；assembly；technology；visualization

U260.7

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.24

1008-7842（2015）04-0102-04

?）男，工程師（

2014-01-23）