大數(shù)據(jù)時代的智能檢測技術

上海大眾動力總成有限公司 朱正德

北京奔馳汽車有限公司 劉 攀

大數(shù)據(jù)時代的智能檢測技術

上海大眾動力總成有限公司 朱正德

北京奔馳汽車有限公司 劉 攀

在傳統(tǒng)概念里，測量僅僅被認為是一種判斷產(chǎn)品合格與否的手段，但隨著現(xiàn)今制造業(yè)向智能化轉型，處于大數(shù)據(jù)時代背景下的測量功能已發(fā)生了演化和拓展。

眾所周知,在“十二五”期間,我國制造業(yè)信息化工程得到了快速發(fā)展,而近年來大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)更有力地助推了國內制造業(yè)水平的提高。2015春,隨著“中國制造2025”的推出,通過利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)過程,明確了需要同時實現(xiàn)：降低企業(yè)對勞動力的依賴,滿足用戶個性化需求,并降低流通成本的三項目標。而所采取的戰(zhàn)略主要為“智慧工廠”、“智能化生產(chǎn)”和“智能化物流”等三個方面,而其核心為第二點。事實上,無論是德國“工業(yè)4.0”或是“中國制造2025”,都是以智能化制造為主導的一次生產(chǎn)方式的大革命,旨在通過充分利用信息通信技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)的手段,將制造業(yè)向智能化轉型。而實現(xiàn)、完成這個過程的基礎就是信息技術與工業(yè)技術的高度融合,網(wǎng)絡、計算機技術、軟件等與自動化技術的深度交織。顯然,這一切都離不開海量數(shù)據(jù)的支持。因此,當現(xiàn)代制造業(yè)在走向智能化制造的過程中,必然是處于大數(shù)據(jù)制造背景下。

傳統(tǒng)測量功能的拓展提升了產(chǎn)品質量的監(jiān)控水平

對于那些主要以數(shù)據(jù)樣式呈現(xiàn)的信息,實際情況是,長期以來人們已習慣性會把“數(shù)據(jù)”只與測量聯(lián)系在一起,至于對那些傳統(tǒng)性的數(shù)據(jù)則認為僅僅與工廠的計劃、銷售、物流等部門相關,即與生產(chǎn)運行關系不大。顯然,今天看來,此類觀念是很片面和狹隘的。因為隨著智能化制造理念在當代企業(yè)中的加速推進,這些數(shù)據(jù)無論從“數(shù)量”還是“形態(tài)”上,在處于大數(shù)據(jù)制造背景時,其實都已發(fā)生了演化,并且有了很大的拓展。就以測量數(shù)據(jù)來講,為了能滿足產(chǎn)品質量不斷提高的要求、更有效地降低制造成本、應對日益激烈的市場競爭和適應對汽車節(jié)能減排的越來越嚴酷的強制性規(guī)定,這半個多世紀以來就已發(fā)生了翻天覆地的變化。從早期的只設置最終檢驗、以對產(chǎn)品的實物質量進行評介,擴展到以下幾個方面：

（1）20世紀50年代出現(xiàn)的隨機量儀可在加工過程中控制零件質量,稱為in-process。

（2）而那離線設置在工序間的檢測器具（一般稱為post-process）,則進一步為保證產(chǎn)品的制造質量提供了有效手段。

這些被統(tǒng)稱“在線檢測設備”的計量器具,在過去的幾十年里,雖然它們的職能未變,但就其個體而言在技術上發(fā)展需速。以隨機量儀為例,多年來的單一控制線性尺寸參數(shù)（如外徑、厚度等）的模式已突破,在溶入了多種數(shù)字控制技術后,還進一步具備了如前節(jié)所述的邊加工、邊對工件形狀誤差進行實時監(jiān)測的功能。而工序間檢測設備也同樣有很大的進展,從最早很簡單的通用手動量具,經(jīng)氣動量儀后又進入電子量儀普及的時代。圖1中,上圖為自20世紀80年代起就風行業(yè)界的電子柱量儀,迄今還廣泛地應用于國內外汽車廠的生產(chǎn)線工序間。但它客觀上只適合那些單一的簡單參數(shù)、柔性差,對測得數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理能力也低。而作為鮮明對比的是下圖中的一個實例,它來自某發(fā)動機廠的車間現(xiàn)場。乃是位于加工中心旁的一個測量單元,包括一臺通用機器人和一臺高效車間型坐標測量機。圖中雖然只顯示一臺加工中心,若有需要也可同時為多臺設備服務。

圖1 工序間檢測設備的演變

但以上所述,還只是涉及到檢測“作業(yè)”層面上的變化和發(fā)展,而自20世紀80年代起,基于休哈特理論的統(tǒng)計過程控制（SPC）,逐漸在以汽車制造業(yè)為代表的批量生產(chǎn)工廠獲得了越來越普遍的應用。但隨著市場、特別是類似汽車消費市場發(fā)生的變化,及隨之對產(chǎn)品制造工藝的影響,那單一的、傳統(tǒng)的統(tǒng)計過程控制模式已很難再滿足企業(yè)對生產(chǎn)過程實時監(jiān)控的需求了。由于企業(yè)為了最大程度地適應消費市場的需求,往往需要采取多品種混線的柔性生產(chǎn)方式,顯然,這與長期沿用的單一品種、大批量生產(chǎn)方式有著很大的不同。這里拿缸體、缸蓋等箱體類零件的加工為例,近年來,以傳統(tǒng)的組合機床、專機為主的生產(chǎn)（自動）線已逐漸被由多軸加工中心組成的柔性生產(chǎn)（自動）線所取代。由此帶來的是形成產(chǎn)品方式的轉變,譬如,生產(chǎn)線布置就由原來的“串行”而改變成為“并行”。

以某廠一條建成不久的缸蓋生產(chǎn)線為例,其中一道以銑、鏜為主的工序,就是由7臺完全相同的雙軸加工中心同時承擔的。這就意味著,由這道工序流出,經(jīng)抽樣后送到生產(chǎn)線旁檢具進行測量的任何一個工件都可能存在14種不同的加工狀態(tài)。事實上在這時候,如果工序間檢具不加區(qū)分仍然“一如既往”地進行測量,仍是按前面談到的方式對它們進行數(shù)據(jù)處理,那就完全失去了SPC的意義了。因為面對這種情況,若要達到對制造過程是否處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)、有否異常性狀出現(xiàn)進行分析、判斷,就必須把抽樣、測量細化到上述14種工況中的具體一種,只有在識別了確切的某一工況后才進行有針對性的數(shù)據(jù)處理。而這類情況在曲軸、凸輪軸、連桿等其他零件的生產(chǎn)中也同樣存在,即同一道工序往往布置了多臺相同的機床加工,或者是某一道工序的設備上帶有多個動力頭（夾具）服務于流過的零件。因此這時若執(zhí)行SPC,就必須事先通過對那些相關的檢測設備進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式的設置,并且使得用于評價的質量數(shù)據(jù)中除了測量值以外,還包括工件批次號、機床、動力頭（夾具）、檢具及生產(chǎn)線等相關信息。

當然,根據(jù)不同的情況,所設置的內容會有所差別,但數(shù)據(jù)格式的形態(tài)是相同的,然后我們就將會得到如圖2那樣的反映某道工序過程運行狀況的分析圖。不同于傳統(tǒng)的SPC控制圖,該圖由多條曲線組成,其中每條曲線對應的是一種情況,如一臺機床或更細化到一臺機床的某個動力頭。當然,也只是在有了細化了的過程監(jiān)控系統(tǒng)后,才能確切地、有針對性地記錄,并清晰地識別的一些異?，F(xiàn)象,進而可根據(jù)分析、判斷的結果及時采取相應的措施。如前面提到的那個缸蓋的鏜、銑工序,若在鏜刀加工氣門導管孔時出現(xiàn)刀具磨損,事實上也只有具體到某臺機床的某個動力頭,才能實施有針對性的分析、處理（見圖3）。從圖中可清楚地看出,即使批量方式生產(chǎn)的工件均還處于合格的范圍,但是其變化的趨勢表明,為了確保產(chǎn)品的質量,急需提前發(fā)出更換刀具的預警。而若不采用數(shù)據(jù)格式設置的方式就無法有針對性地予以執(zhí)行。然而,也只有在溶入了q-DAS公司性能優(yōu)異、豐富的統(tǒng)計分析軟件后,利用所采集的大量數(shù)據(jù),通過挖掘其背后隱藏的信息才能有效地實現(xiàn)這些目標。

圖2 經(jīng)數(shù)據(jù)格式設置后顯示的與SPC相關的細化信息

鑒于傳統(tǒng)的統(tǒng)計過程控制是建立在抽樣的基礎上,因此以下兩種情況一般被排除在外：

（1）100%的檢測單元,如那些重要零件的最終測量設備。

（2）諸如測量室、實驗室那類獨立的檢測機構,其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也不納入采集、分析的范疇。

只從SPC的原理和實施的出發(fā)點來講,可以理解為什么會這樣做；但若從質量信息的利用角度則又是很可惜的。事實上,藉助這兩種手段獲得的測量數(shù)據(jù)中包含著重要的質量信息。隨著當代企業(yè)實施的生產(chǎn)方式趨于柔性化,位于車間現(xiàn)場的生產(chǎn)測量室的作用日益強化,抽檢的范圍、頻次也越來越規(guī)范。由于通過測量室、實驗室產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的可靠性大大高于來自工序間在線檢測器具的測得結果,因此對前者的分析和利用是很有價值的。圖4是經(jīng)拓展后的過程監(jiān)控系統(tǒng)的一個實例示意圖,左側是現(xiàn)場質量信息的來源,上方為一臺位于曲軸線末端的進行100%測量的終檢機,下面是車間生產(chǎn)測量室里的一臺三坐標測量機,其他來自工序間在線檢測眾多單元均被略去。從圖中可見,所有的輸出信息通過數(shù)據(jù)上傳軟件經(jīng)服務器進入數(shù)據(jù)庫,而利用企業(yè)版的q-STAT統(tǒng)計分析軟件,各職能部門就可方便地按自身需求對生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)進行觀察、監(jiān)控,必要時及時做相應處理。

圖3 對工件在加工過程中刀具磨損的監(jiān)控

數(shù)據(jù)內涵的演變?yōu)樘岣咂髽I(yè)信息化水平做出重要貢獻

圖4 經(jīng)拓展后的過程監(jiān)控系統(tǒng)

一般來說,生產(chǎn)型企業(yè)中涉及到的數(shù)據(jù)包括兩大塊,其一是那些被稱為傳統(tǒng)性的數(shù)據(jù),如與企業(yè)基本狀況相關的信息和類似于生產(chǎn)計劃,及銷售、原料（半成品）、產(chǎn)品庫存等企業(yè)管理方面的數(shù)據(jù)；其二則是由傳感器件采集的信息,包含各種測量數(shù)據(jù),以及用于實時反映制造過程狀態(tài)的信息,其中既有與工序相關的、又有即時反映設備運行狀態(tài)等。而如前所述,如果人們還是持著原來那種只是把信息理解為測量數(shù)據(jù),不包含有細化的、諸如加工信息（設備、夾具、動力頭等,以及工件自身）在內的其他信息,那顯然完全無法適應現(xiàn)今企業(yè)在柔性化工作環(huán)境下,對生產(chǎn)過程實施有效的產(chǎn)品制造質量實時監(jiān)控的目的。因此,為了能在以汽車為代表的批量生產(chǎn)行業(yè)繼續(xù)有效地運行SPC,還必須在信息采集、處理等方面做不少作業(yè)。此外,這也是實現(xiàn)真正意義上的精確追溯的前提條件,因為自本世紀初以來,隨著汽車召回制度在國內的實行,企業(yè)對產(chǎn)品質量的跟蹤和追溯越來越重視,并采取包括上述相關信息采集、處理在內的不少有針對性的措施。但客觀地說,企業(yè)如果要達到這些目標,還得通過“軟硬兼施”來拓展功能,以提高自身的生產(chǎn)過程信息化水平。這樣即使在當今汽車發(fā)動機普遍執(zhí)行的工藝更加穩(wěn)定、抽檢頻次日趨降低的大趨勢下,照樣不受影響。所采取的“軟硬兼施”的方案包括以下兩個方面：

（1）基于前面所介紹的那種經(jīng)過完善和細化了的過程監(jiān)控系統(tǒng),如q-STAT一類統(tǒng)計分析軟件,再予以進一步的拓展。

（2）作為實施自動識別、信息采集和數(shù)據(jù)載體的基礎,生產(chǎn)線上產(chǎn)品的編碼技術經(jīng)歷了條形碼、二維碼和近幾年獲得快速發(fā)展的電子芯片技術,從而大大地提升了企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場的信息化水平。

圖5 曲軸和缸蓋的二維碼示例

圖6 工件在上料時安裝電子芯片

例如,現(xiàn)今在不少發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè),都已給關鍵零件打上了二維碼（見圖5）,當產(chǎn)品萬一出現(xiàn)問題時,其中所包含的信息將使企業(yè)能迅速獲知它的批次、型號、毛胚廠、模具號等情況。實時調用生產(chǎn)設備自身和相應的加工信息（MES系統(tǒng)）。此外,在生產(chǎn)過程中以及在該零部件完成后,還設置了用于拮取、采集與產(chǎn)品制造質量相關信息的數(shù)量、種類眾多的檢測、傳感器件。

由此可知,實際上,現(xiàn)今的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)性狀,及其它們的職能已遠遠超出了傳統(tǒng)意義上測量數(shù)據(jù)用于評判產(chǎn)品的“窄義”目的,在當今的企業(yè)中,“廣義”數(shù)據(jù)已成為智能化工廠現(xiàn)代管理體系的基礎。

但若要進一步了解相關的加工信息,則還必須具備經(jīng)細化、可識別的處理系統(tǒng)。而基于FRID射頻技術的電子數(shù)據(jù)芯片系統(tǒng),作為一種非接觸式自動識別裝置,主要由數(shù)據(jù)芯片、讀寫裝置及控制軟件組成：芯片通常以螺紋緊固方式安裝在被加工的工件上（見圖6）,讀寫裝置乃是將信息讀取、寫入電子數(shù)據(jù)芯片中的一種裝置,當后者進入到工作磁場后,便能接受到讀寫裝置發(fā)出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息。同樣,由讀寫裝置發(fā)出的射頻信號中帶有載波,能夠將信息寫入數(shù)據(jù)芯片中。讀寫裝置有手持式和固定式之分,后者一般安裝在基體上并與機床的數(shù)控系統(tǒng)相連,在被加工零件的進出口處分別實現(xiàn)讀寫功能?？刂栖浖墓δ苁菍?shù)據(jù)芯片、讀寫裝置、機床設備及服務器等連接成一個系統(tǒng),實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)讀寫、傳輸、控制和統(tǒng)計分析等各項功能。

近年來,作為邁入工業(yè)4.0的第一步,制造的方式已逐漸從產(chǎn)品零部件規(guī)模化生產(chǎn),經(jīng)歷了按市場的實際需求轉為中、小批量的生產(chǎn)方式,并最后會發(fā)展成基于社會上個人需求的定制化生產(chǎn)模式。無疑,據(jù)此在生產(chǎn)之前就務必要預先確定（ERP系統(tǒng)）,并將包括部件生產(chǎn)所需的全部信息事先存于虛擬現(xiàn)實中（PLM或PDM系統(tǒng)）,至于所有其他相關的部件也要在虛擬環(huán)境中進行規(guī)劃,這些部件均有自己的“名稱”和“地址”,具備各自的身份信息。因此,這些部件“知道”什么時候,哪條生產(chǎn)線或那個工藝工程需要它們,通過這種方式,它們才得以協(xié)商確定各自在數(shù)字化工廠中的運動路徑。然后再認真地解決在制造過程中和作業(yè)完成后,工件的識別問題。期間,控制系統(tǒng)還會

數(shù)據(jù)內涵的演變對測量功能拓展的影響

下面基于工業(yè)4.0的特點以及汽車制造業(yè)在邁向智能化制造的過程中,對于與現(xiàn)代企業(yè)相匹配的質量體系需具備的核心應用流程,包括質量體系的數(shù)字化和測量器具與傳感器網(wǎng)絡及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之間的關聯(lián)性做個說明。

圖7 在“TS16949”質量體系中五大核心工具

首先,汽車制造企業(yè)都需遵循汽車行業(yè)質量體系標準,即“ISO16496”或“TS16949”質量體系,在TS16949中,APQP、FMEA、MSA、PPAP、SPC并稱為五大核心工具（見圖7）,貫穿整個產(chǎn)品自研發(fā)起、至批量生產(chǎn)直到最終產(chǎn)品交付的全過程。而之前,5大核心工具的使用流程和表格太多,以至于企業(yè)在貫穿整個質量體系流程時,花費了巨大的人力、物力,可是在FMEA分析環(huán)節(jié)所獲得的反饋信息卻遠遠不夠。為此,知名的測量技術公司海克斯康及其合作伙伴IQS公司將質量體系轉化為數(shù)字化體系平臺,見圖8。籍助這一數(shù)字化平臺,就可清晰并輕松的完成質量體系中各種流程的跟蹤執(zhí)行,并將上百種質量系統(tǒng)的管理圖表,變成數(shù)字化格式來管理、執(zhí)行。

另外,質量體系中的FMEA、MSA、SPC都離不開數(shù)據(jù)作為支撐,從基于工業(yè)4.0特點來規(guī)劃,那未來的質量系統(tǒng)應該包含以下關鍵技術：

（1）體系流程自動化與系統(tǒng)管理。

（2）測量與傳感器網(wǎng)絡。

（3）網(wǎng)絡化通信基礎構架。

（4）自動化或在線測量系統(tǒng)。

（5）嵌入式大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)實時邏輯軟件。

（6）統(tǒng)計監(jiān)控。

基于以上這些特點,海克斯康將該系統(tǒng)定義為MMS系統(tǒng),即測量管理系統(tǒng)。乃是從企業(yè)未來發(fā)展的構架出發(fā),通過MMS系統(tǒng)將用戶的ERP、PLM、MES系統(tǒng)進行對接,形成完成的PLM鏈條,以及符合產(chǎn)品質量體系流程的PACD數(shù)字化軟件管理平臺。

圖8 組成MMS系統(tǒng)的八個模塊單元

圖9 未來制造型企業(yè)質量管理系統(tǒng)的構想

目前,MMS系統(tǒng)大致可分為八個模塊單元（如圖8）。通過這樣配置,用戶可以實現(xiàn)：

（1）進行定時、實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控,即可獲取豐富的質量信息對周期數(shù)據(jù)的匯總。

（2）通過全面的數(shù)據(jù)分析,可完成對SPC的過程能力分析,完成動態(tài)問題點的導入,以及質量成本的監(jiān)控記錄和FMEA動態(tài)改善等。

（3）建立完整的尺寸制造鏈監(jiān)控管理。打破了供應的黑匣子生產(chǎn),使供應商的管理透明、可控、高效。

（4）實現(xiàn)了對設備狀態(tài)/資源狀態(tài)運行狀態(tài)、周期維護管理提醒、檢驗周期及系統(tǒng)配置和應用功能配置等要素的遠程監(jiān)控。

圖9是一張關于未來制造型企業(yè)質量管理系統(tǒng)的設想圖,通過網(wǎng)絡化的連接,使不同層次的管理人員都能在網(wǎng)絡上應用、查看、監(jiān)控、執(zhí)行檢測設備、以及相應的數(shù)據(jù)信息,真正意義上實現(xiàn)了使質量系統(tǒng)進入工業(yè)4.0時代。所以,能適應未來制造型企業(yè)質量管理系統(tǒng)的需求,為此而打造數(shù)據(jù)鏈質量監(jiān)管與智慧數(shù)據(jù)服務平臺,是極其重要的。鑒于該系統(tǒng)乃是以檢測設備及其傳感器所采集的產(chǎn)品質量的數(shù)據(jù)為基礎,故必須打通不同設備和不同軟件之間的各個環(huán)節(jié),通過統(tǒng)計分析等眾多專業(yè)的數(shù)據(jù)處理方式、快速反饋加工、以實現(xiàn)企業(yè)運轉過程中的高效決策,同時,也為未來的創(chuàng)新提供了真實而強有力的依據(jù)。

六、結語

由上可見,在“智能化制造”已逐漸為企業(yè)接受并推行的大趨勢下,在汽車制造業(yè)中廣泛應用的測量技術,特別是用于生產(chǎn)現(xiàn)場的在線檢測技術,正發(fā)生著深刻的變化。其一是更加突出了企業(yè)在用坐標測量類檢測設備的通用性、多功能、低成本和操作的便捷,而不再是片面強調高精度等傳統(tǒng)指標。而另一方面,不斷發(fā)展和推出的先進測量技術,諸如激光、白光等先進的非接觸式計量設備,正是它們所具有的高效、環(huán)保、可持續(xù)利用等諸多特性,才是它們擁有了強大的生命力。此外,以新穎隨機量儀和相應的數(shù)字控制系統(tǒng)為代表的主動測量技術在先進的磨削加工工藝中的應用,則從另一個角度反映了對實現(xiàn)智能化生產(chǎn)過程的推動作用。□