汽輪機(jī)閥門(mén)裝配過(guò)程管控技術(shù)研究與應(yīng)用*

崔馬馳宇，胡小鋒，張亞輝

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

汽輪機(jī)閥門(mén)裝配過(guò)程管控技術(shù)研究與應(yīng)用*

崔馬馳宇，胡小鋒，張亞輝

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

汽輪機(jī)閥門(mén)屬于面向訂單裝配的項(xiàng)目型產(chǎn)品，裝配周期長(zhǎng)，容易出現(xiàn)工藝道序錯(cuò)亂、零件配送不到位、質(zhì)檢記錄不規(guī)范的問(wèn)題，嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量。針對(duì)該問(wèn)題，首先，在分析汽輪機(jī)閥門(mén)工藝信息組成的基礎(chǔ)上，建立了閥門(mén)裝配工藝信息模型；然后，建立閥門(mén)裝配PBOM(工藝物料清單)，關(guān)聯(lián)物料、工藝、工裝和質(zhì)檢信息，規(guī)范裝配流程；最后，開(kāi)發(fā)了基于PBOM的裝配過(guò)程管控系統(tǒng)，增加物料完備性檢查，確保按照裝配工藝執(zhí)行裝配作業(yè)，依靠工藝、流程和過(guò)程管理提高裝配質(zhì)量。

汽輪機(jī)閥門(mén)；項(xiàng)目型產(chǎn)品；PBOM；裝配過(guò)程管控

0 引言

大型機(jī)械裝備類產(chǎn)品體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有獨(dú)特性、高設(shè)計(jì)性等特征，通常為根據(jù)訂單裝配(Assemble to Order, ATO)的單件小批生產(chǎn)，此類產(chǎn)品對(duì)象基本上都是一次性需求的專用產(chǎn)品，若出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，則會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)賴以生存的根本，是決定企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和占有率的核心因素，而裝配環(huán)節(jié)作為整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的最后一個(gè)階段，直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量水平[2]。然而，與標(biāo)準(zhǔn)零部件的流水線大批量加工裝配不同，項(xiàng)目型產(chǎn)品是單件裝配，裝配工藝差異較大，裝配過(guò)程中存在許多不可控問(wèn)題。汽輪機(jī)閥門(mén)是典型的項(xiàng)目型裝配產(chǎn)品，裝配過(guò)程中常見(jiàn)的工程問(wèn)題有：①工藝道序錯(cuò)亂——裝配道序多，且部分道序之間的先后順序可以調(diào)換；②零件漏發(fā)——零部件配送不及時(shí)、不到位或發(fā)錯(cuò)零部件，導(dǎo)致無(wú)法裝配；③質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范——檢驗(yàn)人員人數(shù)限制，圖方便或掩飾自己的操作失誤而篡改質(zhì)量數(shù)據(jù)。因此，有必要對(duì)汽輪機(jī)閥門(mén)這樣的典型項(xiàng)目型產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)范化工藝管理，并對(duì)其裝配過(guò)程的管控技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)提高其裝配質(zhì)量具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在裝配過(guò)程管控方面進(jìn)行了積極探索，程錚[3]研究了飛機(jī)制造企業(yè)工藝信息模型，建立了一個(gè)符合工程實(shí)際的以PBOM為核心基于PDM的工藝信息管理體系框架，規(guī)范化管理飛機(jī)制造工藝信息；涂化鋼等[4]對(duì)裝配作業(yè)涉及到的信息化軟件系統(tǒng)進(jìn)行邏輯集成和物理集成，并以工序?yàn)橹行膶?duì)裝配車間作業(yè)過(guò)程進(jìn)行管控。朱海平等[5]對(duì)飛機(jī)裝配過(guò)程管控的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了深入分析，研發(fā)了飛機(jī)裝配MES，在應(yīng)用中取得顯著效果。上述的研究雖然取得了一定成果，但都沒(méi)有面向最小作業(yè)單元關(guān)聯(lián)工藝路線、工裝夾具、零部件和質(zhì)檢信息，無(wú)法避免裝配過(guò)程的隨意性，影響裝配質(zhì)量[6-9]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先對(duì)閥門(mén)裝配工藝信息進(jìn)行梳理，建立工藝信息模型，在此基礎(chǔ)上生成閥門(mén)裝配PBOM，并開(kāi)發(fā)了基于客戶端/服務(wù)器(C/S)的裝配過(guò)程管控系統(tǒng)。

1 閥門(mén)裝配工藝信息模型

本文研究對(duì)象是汽輪機(jī)閥門(mén)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥殼是閥門(mén)的主體，尺寸巨大，高度超過(guò)4m。主要裝配部件包括以下幾個(gè)部分：閥座，主門(mén)，主門(mén)外閥蓋(或主門(mén)外圓筒)，調(diào)門(mén)，調(diào)門(mén)外閥蓋。對(duì)這幾部分的裝配工藝信息進(jìn)行規(guī)范化管理，有助于提高生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝配作業(yè)的準(zhǔn)確性，保證裝配質(zhì)量，并最終保證汽輪機(jī)閥門(mén)在調(diào)節(jié)氣壓時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)效果。

1.1 工藝信息分類

汽輪機(jī)閥門(mén)裝配工藝流程如圖2所示，涉及到鉗、檢、金、焊等工種，部分工序需要用到專用的工裝夾具和量具。為了保證工藝內(nèi)容的完備性，將其分為六大類：工藝版本信息，裝配工人信息，裝配對(duì)象信息，裝配資源信息，工藝內(nèi)容信息，裝配質(zhì)量信息。

圖2 汽輪機(jī)閥門(mén)裝配工藝流程

(1)工藝版本信息

版本信息是這個(gè)工藝的查詢主鍵和唯一標(biāo)識(shí)，閥門(mén)裝配工藝版本標(biāo)識(shí)主要有三種類型：部套圖號(hào)、制造單號(hào)、制造單號(hào)+部套圖號(hào)。

(2)裝配工人信息

每個(gè)工人都有自己唯一的企業(yè)ID，這個(gè)ID對(duì)應(yīng)該工人的詳細(xì)個(gè)人基本資料，如生日、性別、籍貫等信息。員工按照其所在部門(mén)的不同進(jìn)行劃分管理，例：部門(mén)：工藝處，職位：工藝員，人員：張三。裝配現(xiàn)場(chǎng)工人按操作熟練程度被分為三個(gè)等級(jí)：初級(jí)，中級(jí)，高級(jí)。

(3)裝配對(duì)象信息

閥門(mén)是總體裝配對(duì)象，包括主要裝配件、輔助件和廠用標(biāo)準(zhǔn)件。閥門(mén)的主要零件和裝配件，有唯一的圖號(hào)與圖紙對(duì)應(yīng)。焊絲、密封環(huán)等消耗零件和輔助零件，用工廠自定義的一系列SAP序列號(hào)來(lái)描述。此外，還有一類零件是廠用標(biāo)準(zhǔn)件，這類零件在汽輪廠通用，主要分為W和S兩類標(biāo)準(zhǔn)，包括了一些螺栓、螺母、鍵、銷等零件。

(4)裝配資源信息

閥門(mén)主要的裝配資源包括設(shè)備、工裝工具、量具、切削液工藝輔料等。閥門(mén)裝配操作所涉及的設(shè)備包括車削加工中心Q16-01Q5、銑削加工中心Q26-02Q2、鉗工工作中心Q03Q5、焊接工作中心H-01Q5。工裝工具包括五金工具和夾具，五金工具有通用和專用之分，通用工具包括螺紋環(huán)扳手等常用工具，專用工具是閥門(mén)裝配過(guò)程中用到的個(gè)性化工具。另外，在裝配過(guò)程質(zhì)量檢驗(yàn)中，各式的量具是必不可少的。

(5)工藝內(nèi)容信息

工步是閥門(mén)裝配工藝內(nèi)容中的最小作業(yè)單元。閥門(mén)裝配整體工藝分為12個(gè)大工序，每一工序可細(xì)化為十多個(gè)工步。工步的詳細(xì)工藝內(nèi)容信息包括工序號(hào)、工步號(hào)、工種類型、工藝路線、技術(shù)要求、設(shè)備信息、涉及零部件、操作工具、質(zhì)檢項(xiàng)目信息。

(6)裝配質(zhì)量信息

閥門(mén)裝配質(zhì)檢信息主要包括材料熱性能、零件圖紙一致性、幾何尺寸大小、配合尺寸、同軸度、對(duì)稱度、表面粗糙度等。

1.2 構(gòu)建工藝信息模型

在項(xiàng)目型裝配生產(chǎn)中，各部門(mén)信息協(xié)同作用，直接指導(dǎo)裝配作業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，以便降低裝配作業(yè)的隨意性。為了加強(qiáng)對(duì)各部門(mén)信息的協(xié)同管理，本文在分析了閥門(mén)工藝信息類型的基礎(chǔ)上，建立了如圖3所示的閥門(mén)裝配工藝信息模型。

圖3 閥門(mén)裝配工藝信息模型

該模型從制造過(guò)程中人、機(jī)、料、法、環(huán)的角度全面地描述了裝配過(guò)程所需的信息，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各類信息之間的關(guān)聯(lián)打下基礎(chǔ)。

2 基于PBOM的閥門(mén)裝配管理體系

PBOM(Process Bill of Materials，工藝物料清單)可以將生產(chǎn)物料清單與對(duì)應(yīng)的工藝信息，工裝信息，質(zhì)檢信息，工人信息，版本信息有效地關(guān)聯(lián)在一起，形成一個(gè)完整的裝配工藝物料單，用來(lái)指導(dǎo)整個(gè)裝配過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配生產(chǎn)過(guò)程的管控。

2.1 閥門(mén)裝配PBOM的組成與生成

PBOM是反應(yīng)產(chǎn)品實(shí)際裝配關(guān)系的工藝構(gòu)件物料清單，是對(duì)EBOM(Engineering Bill Of Materials，設(shè)計(jì)物料清單)的擴(kuò)展。如圖 4所示，PBOM一般由8大屬性節(jié)點(diǎn)組成：版本屬性、物料屬性、人員屬性、類型屬性、數(shù)量屬性、生產(chǎn)流程屬性、質(zhì)量屬性、環(huán)境屬性。

圖4 PBOM一般節(jié)點(diǎn)屬性

根據(jù)工藝信息模型的內(nèi)容，可得到閥門(mén)裝配PBOM的組成節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 閥門(mén)裝配PBOM組成

具體地，閥門(mén)PBOM的生成步驟如下：首先，按照流程圖 6生成某一型號(hào)閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)裝配PBOM，以供PBOM管理人員調(diào)用。生成PBOM需要相關(guān)工藝人員具有系統(tǒng)權(quán)限，主要流程包括：確定主鍵，關(guān)聯(lián)工藝數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)零部件信息，關(guān)聯(lián)工裝信息，關(guān)聯(lián)質(zhì)量要求。其次，將該閥門(mén)裝配PBOM在其型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)PBOM數(shù)據(jù)中進(jìn)行篩選和匹配，關(guān)聯(lián)與該件產(chǎn)品工藝內(nèi)容的相符的個(gè)性化要素后生成。

圖6 PBOM生成流程

2.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

如圖7所示，閥門(mén)裝配工藝體系架構(gòu)以PBOM為裝配主數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并包含其它三個(gè)子系統(tǒng)：裝配工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、工藝資源管理系統(tǒng)和質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。其中質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)的質(zhì)量點(diǎn)信息、外購(gòu)?fù)鈪f(xié)件的質(zhì)量信息、裝配過(guò)程質(zhì)量檢查信息。

圖7 基于PBOM的裝配工藝系統(tǒng)

根據(jù)基于PBOM的裝配工藝系統(tǒng)，閥門(mén)裝配生產(chǎn)過(guò)程可分為三個(gè)階段：

(1)生產(chǎn)準(zhǔn)備

在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，工人可以按照PBOM組織的信息在產(chǎn)線客戶端查看操作任務(wù)的分配情況，查看并學(xué)習(xí)生產(chǎn)工藝，領(lǐng)用特殊工藝裝備，明確自己的職責(zé)。各職能部門(mén)可提前按照系統(tǒng)所提示的信息進(jìn)行物料配送，外購(gòu)件外協(xié)件的供應(yīng)，設(shè)備維護(hù)，工裝夾具配給等操作。

(2)制造執(zhí)行

現(xiàn)場(chǎng)工人在執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)的過(guò)程中嚴(yán)格按照PBOM中工藝信息所確定的作業(yè)任務(wù)先序關(guān)系進(jìn)行生產(chǎn)，包括了物料、工具、設(shè)備等的完備性檢查，生產(chǎn)作業(yè)，刷卡提交，檢驗(yàn)與記錄。與此同時(shí)，在執(zhí)行生產(chǎn)的過(guò)程中還伴隨著質(zhì)量監(jiān)控過(guò)程，包括：異常事件NCR反饋與處理，生產(chǎn)流程檢查，工時(shí)統(tǒng)計(jì)，質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄。工人每一步操作的刷卡動(dòng)作在系統(tǒng)中都有專門(mén)的記錄，系統(tǒng)根據(jù)刷卡情況，記錄下生產(chǎn)過(guò)程的工時(shí)信息、操作人員等信息。

(3)質(zhì)量分析與反饋

閥門(mén)裝配生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量管理主要具有以下兩個(gè)作用：一方面，當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生簡(jiǎn)單常見(jiàn)異常時(shí)，質(zhì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可直接提出解決方案并直接反饋到制造執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)，在第一時(shí)間改進(jìn)生產(chǎn)。另一方面，制造過(guò)程的質(zhì)量檢驗(yàn)記錄可作為工藝改進(jìn)的重要依據(jù)，并指導(dǎo)PBOM的更新。更新后的PBOM可重新定義了生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造執(zhí)行過(guò)程。

3 基于PBOM的裝配過(guò)程管控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)閥門(mén)裝配過(guò)程管控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，并以企業(yè)廠區(qū)局域網(wǎng)為應(yīng)用環(huán)境。系統(tǒng)的總體組成如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3.2 系統(tǒng)功能模塊

汽輪機(jī)閥門(mén)裝配過(guò)程管控系統(tǒng)以閥門(mén)裝配以PBOM為組織架構(gòu)，主要包括6個(gè)功能模塊：工藝裝備管理模塊、物料零部件管理模塊、質(zhì)檢模塊、裝配主數(shù)據(jù)模塊、工單模塊、裝配執(zhí)行模塊，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)功能模塊

(1)裝配執(zhí)行模塊，作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配的總依據(jù)，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程。

(2)物料零部件管理模塊，用于維護(hù)各工步所需物料零部件類型、數(shù)量、技術(shù)要求的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并傳給裝配主數(shù)據(jù)模塊；根據(jù)實(shí)際配送情況判斷物料零部件是否到位，并將判斷結(jié)果傳給裝配執(zhí)行模塊。

(3)工藝裝備管理模塊，用于維護(hù)各工步所需工具、夾具、量具的工藝裝備類型、數(shù)量以及其他技術(shù)要求的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并傳給裝配主數(shù)據(jù)模塊；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配備、實(shí)際配送和領(lǐng)用情況判斷其是否到位，并將判斷結(jié)果傳給裝配執(zhí)行模塊。

(4)質(zhì)檢模塊，用于提供各工步裝配過(guò)程檢驗(yàn)項(xiàng)目，包括工人自檢和質(zhì)量專員的專檢，記錄裝配過(guò)程各檢查項(xiàng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖10，圖11)，傳給裝配主數(shù)據(jù)模塊；將前序工步檢驗(yàn)完成與否傳給裝配執(zhí)行模塊。

圖10 質(zhì)檢記錄 圖11 產(chǎn)線端界面

(5)裝配主數(shù)據(jù)模塊(圖12)，用于收錄物料零部件管理模塊、工藝裝備管理模塊、質(zhì)檢模塊傳過(guò)來(lái)的裝配項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，是項(xiàng)目型產(chǎn)品裝配過(guò)程管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

(6)工單模塊(圖13)，包括制定生產(chǎn)工單和排產(chǎn)兩部分，用于將裝配主數(shù)據(jù)模塊中的信息與生產(chǎn)工單關(guān)聯(lián)，然后傳給裝配執(zhí)行模塊，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配。

圖12 主數(shù)據(jù)維護(hù) 圖13 工單維護(hù)

系統(tǒng)具體工作流程如下：

1)管理裝配主數(shù)據(jù)。工藝人員根據(jù)裝配主數(shù)據(jù)模塊中包含的工藝路線信息、物料零部件信息、工藝裝備信息、質(zhì)檢信息，分別從物料零部件管理模塊、工藝裝備管理模塊、質(zhì)檢模塊關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的部套圖號(hào)上。

2)生成生產(chǎn)工單。制造部門(mén)把唯一的制造單號(hào)與部套圖號(hào)關(guān)聯(lián)在一起，制成生產(chǎn)工單，并傳給裝配執(zhí)行模塊。

3)物料與工裝完備性檢查。配送人員按裝配清單配送物料、按工裝清單領(lǐng)用工具完成后，現(xiàn)場(chǎng)工人利用紅外掃描槍識(shí)別零部件和工裝噴碼，其編碼信息分別傳給物料零部件管理模塊和工藝裝備管理模塊進(jìn)行到位情況判斷，判斷結(jié)果傳給裝配執(zhí)行模塊。

4)生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程。工人按照生產(chǎn)工單中準(zhǔn)確的工藝、物料零部件和工藝裝備，以工步為操作單位執(zhí)行生產(chǎn)過(guò)程，并在質(zhì)檢模塊記錄下裝配過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決汽輪機(jī)閥門(mén)裝配過(guò)程中出現(xiàn)的工藝道序錯(cuò)亂、零件配送不到位、質(zhì)檢記錄不規(guī)范的問(wèn)題，本文在分析汽輪機(jī)閥門(mén)工藝資源配置的基礎(chǔ)上，建立了閥門(mén)裝配工藝信息模型；然后，建立閥門(mén)裝配PBOM，將物料、工藝、工裝和質(zhì)檢信息與對(duì)應(yīng)的工步進(jìn)行關(guān)聯(lián)；最后，開(kāi)發(fā)了基于PBOM的裝配過(guò)程管控系統(tǒng)，確保按照工藝執(zhí)行裝配作業(yè)，零件和工裝到位，提高閥門(mén)裝配質(zhì)量。

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(編輯李秀敏)

TheResearchandApplicationonProcessControlofTurbineValveAssembly

CUI Ma-chi-yu, HU Xiao-feng, ZHANG Ya-hui

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Turbine valves are Assemble to Order (ATO) project-based products and it has a long assembly cycle, which lead to the problems of leakage process in procedure, the parts being not in place and unstandardized quality records. These problems will severely affect the assembly quality. In order to solve these problems, assembly process information models of valves are built on the basis of the analysis to components of turbine valves’ process information. Then, Valve assembly PBOM which relate materials, process, tooling and quality information is set up to standardize assembly process. At last, control system for assembly process is developed and this system is based on PBOM, which ensure that assembly is executed according to process strictly Assembly quality is improved by process and process management.

turbine valve; project-based product; PBOM; assembly process control

TH16；TG65

：A

1001-2265(2017)09-0146-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.038

2016-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475303)

崔馬馳宇(1992—)，男，江蘇鹽城人，上海交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程管控技術(shù)研究，(E-mail)962685832@qq.com。