航空葉片測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

吳志昊，呂彥明

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫　214122)

0　引言

由于航空葉片較強(qiáng)專業(yè)性以及檢測(cè)精度高等特點(diǎn)，航空葉片在生產(chǎn)過程中大量依賴三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM，Coordinate Measuring Machining)檢測(cè)進(jìn)行及時(shí)反饋調(diào)整。在國內(nèi)，航空葉片檢測(cè)過程中測(cè)量效率和測(cè)量數(shù)據(jù)管理均為難點(diǎn)[1]。

不少學(xué)者在數(shù)據(jù)采集、處理和管理方面做了一些研究工作，例如，Cheng Yunyong等[2]研究了測(cè)量數(shù)據(jù)采集、葉片模型可靠對(duì)準(zhǔn)、幾何形狀偏差快速計(jì)算和可視化等關(guān)鍵技術(shù)；Liu Jianbang等[3]通過對(duì)葉片制造工藝的分析，提出了葉片加工制造資源的E-R模型。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建工藝制造資源管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。吳凌飛[4]基于ACCESS設(shè)計(jì)了一套三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車車身采集數(shù)據(jù)的查詢和修改；陳林等[5]為了提高CMM的葉片檢測(cè)效率，基于計(jì)算機(jī)集成技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)葉片檢測(cè)流程進(jìn)行了優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)化生成三坐標(biāo)測(cè)量程序；胥宏[6]對(duì)葉片型面的三坐標(biāo)測(cè)量報(bào)告數(shù)據(jù)匯總后，建立了數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析監(jiān)控；劉學(xué)斌[7]等基于UG二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)葉片參數(shù)化建模和測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理。

建立一套基于CMM的航空葉片測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理、分析和解釋。它可以最大化實(shí)現(xiàn)測(cè)量輸出報(bào)告規(guī)范化、測(cè)量過程自動(dòng)化和測(cè)量數(shù)據(jù)管理信息化，從而來提高其葉片檢測(cè)效率，增強(qiáng)葉片測(cè)量數(shù)據(jù)的可追溯性和工序質(zhì)量的可控性。

1　葉片測(cè)量數(shù)據(jù)管理的需求

與其他產(chǎn)品生產(chǎn)不同，航空葉片設(shè)計(jì)圖紙均是由相應(yīng)客戶提供，企業(yè)只負(fù)責(zé)加工制造。企業(yè)在葉片加工完成后會(huì)交由葉片檢測(cè)中心進(jìn)行工序質(zhì)量檢測(cè)。

本研究課題來源于某航空葉片制造企業(yè)。經(jīng)過對(duì)該企業(yè)的實(shí)地考察和調(diào)研，該企業(yè)存在的主要問題是：

(1)測(cè)量報(bào)告版式種類繁雜，可讀性較差；

(2)測(cè)量過程人機(jī)交互多，檢測(cè)效率較低；

(3)測(cè)量數(shù)據(jù)過度離散化，共享程度較低。

若能實(shí)現(xiàn)CMM檢測(cè)過程自動(dòng)化并能將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化處理，建立起一個(gè)高效的測(cè)量數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，形成一個(gè)閉環(huán)信息系統(tǒng)[8]，將有利于提高企業(yè)的自動(dòng)化、信息化和規(guī)范化程度，加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的指導(dǎo)[9]。

2　葉片測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)

2.1　測(cè)量數(shù)據(jù)采集與規(guī)范化

該葉片企業(yè)檢測(cè)中心三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)包括多種三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，目前該企業(yè)檢測(cè)報(bào)告存在兩個(gè)主要問題：①種類繁多；②管理混亂。

以德國卡爾蔡司(ZEISS)的Calypso軟件為例，該測(cè)量軟件有三種報(bào)告輸出方案，且各有優(yōu)劣：

方案一：自定義報(bào)告，即PDF格式的圖表報(bào)告。用戶可以自定義報(bào)告標(biāo)題欄和相關(guān)圖片布局，葉片測(cè)量結(jié)果更直觀更清晰，但存在篇幅不緊湊和報(bào)告數(shù)據(jù)提取不可靠等問題。

方案二：緊縮報(bào)告。通過使用該報(bào)告，葉片更多的特性被顯示在同一頁上，無圖表，檢量報(bào)告以PDF或TXT格式輸出，但在對(duì)報(bào)告數(shù)據(jù)提取方面前者存在不可靠問題，后者存在數(shù)據(jù)分布不規(guī)則導(dǎo)致編程難問題。

方案三：表格文件，即制表格式的純文本文件。該報(bào)告文件中測(cè)量數(shù)據(jù)簡單排列，可讀性較差，但葉片基本測(cè)量特征參數(shù)完整，列表數(shù)據(jù)規(guī)則排列也有利于相關(guān)數(shù)據(jù)的提取。

由于該企業(yè)CMM設(shè)備種類多，各測(cè)量系統(tǒng)環(huán)境的封閉性和互異性導(dǎo)致檢測(cè)員幾乎不可能使檢測(cè)報(bào)告完全調(diào)整成統(tǒng)一的PDF格式或者TXT格式報(bào)告模板。因此，本文基于Visual Studio 2010.NET平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)Text文件數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換成Excel表數(shù)據(jù)[10]，并規(guī)范成固定報(bào)告模板。C#編程采集流程如圖1所示。

圖1　C#編程采集流程圖

葉片PDF格式報(bào)告會(huì)出現(xiàn)一些圖形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常具有相對(duì)復(fù)雜的容量、存儲(chǔ)和管理能力。處理圖形數(shù)據(jù)的方法是，MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)圖形文件的存儲(chǔ)路徑，F(xiàn)TP服務(wù)器存儲(chǔ)圖形文件，以作為企業(yè)測(cè)量資源備份。

2.2　測(cè)量數(shù)據(jù)的處理流程

以葉片的葉根葉冠測(cè)量過程為例，該企業(yè)的檢測(cè)過程需要的人機(jī)交互操作較多，如待檢葉片信息的輸入，待檢葉片的裝夾及粗定位、抽調(diào)對(duì)應(yīng)的測(cè)量程序、PDF文件名及保存路徑的輸入等等，該企業(yè)現(xiàn)有檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2　現(xiàn)有葉根葉冠檢測(cè)流程

在檢測(cè)過程中，若沒有及時(shí)的人機(jī)交互，CMM就會(huì)停機(jī)等待操作指令。由于該檢測(cè)流程僅僅是面向單個(gè)葉片，檢測(cè)效率極其低下，根本無法滿足正常的葉片檢測(cè)需求。

針對(duì)上述實(shí)際問題，一般來說有以下解決方案：

方案一：增加三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以及檢測(cè)人員數(shù)量；

方案二：增強(qiáng)企業(yè)葉片數(shù)控加工系統(tǒng)的可靠性；

方案三：引進(jìn)全過程自動(dòng)化在線控制檢測(cè)系統(tǒng)；

方案四：優(yōu)化葉片現(xiàn)有加工工序質(zhì)量檢測(cè)流程。

在方案一中通過增加檢測(cè)設(shè)備和人力投入很顯然不符合企業(yè)低成本的要求，在設(shè)備維護(hù)和人員管理上也會(huì)耗費(fèi)巨大。方案二雖然可以改善葉片加工穩(wěn)定性和精度，減少了葉片檢測(cè)的任務(wù)量，但對(duì)于中小型企業(yè)來說，短期內(nèi)很難突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，對(duì)企業(yè)資金能力、技術(shù)能力、檢測(cè)環(huán)境等都提出了更高要求，實(shí)施難度大。方案三為目前先進(jìn)的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)零廢品率，一定程度上可以降低生產(chǎn)成本，但中小型企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，一次性投入太大。方案四是建立在現(xiàn)有設(shè)備和人力不變的情況下，通過優(yōu)化改進(jìn)葉片檢測(cè)流程和管理手段，來實(shí)現(xiàn)葉片測(cè)量效率的提升，很顯然這個(gè)方案更加符合中小型企業(yè)的利益。

通過對(duì)該企業(yè)CMM檢測(cè)過程的實(shí)地調(diào)研，來找到最合適的解決方案。具體改進(jìn)后的葉片的葉根葉冠測(cè)量流程如圖3所示。

前期通過“測(cè)量程序上傳”模塊完成測(cè)量程序的存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID,Radio Frequency Identification)對(duì)待檢測(cè)葉片工序流轉(zhuǎn)卡上條形碼進(jìn)行掃描識(shí)別，以獲取葉片ID號(hào)等相關(guān)信息，系統(tǒng)“測(cè)量程序下載”模塊自動(dòng)在MySQL數(shù)據(jù)庫中根據(jù)葉片ID號(hào)檢索相關(guān)加工工序信息。操作者選擇需檢測(cè)的對(duì)應(yīng)工序名后，系統(tǒng)通過FTP協(xié)議自動(dòng)從相關(guān)服務(wù)器下載測(cè)量程序到指定文件夾。運(yùn)行測(cè)量軟件后，打開自動(dòng)測(cè)量與保存模塊，如圖4所示，選取對(duì)應(yīng)的測(cè)量程序發(fā)送到測(cè)量軟件，該模塊通過WinForm API函數(shù)捕捉到自動(dòng)彈出的PDFFactory虛擬打印機(jī)的保存窗體并獲取該模塊預(yù)設(shè)定的保存地址和名稱，實(shí)現(xiàn)測(cè)量報(bào)告的自動(dòng)命名和保存，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后利用數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)導(dǎo)入MySQL數(shù)據(jù)庫。

圖3　改進(jìn)后葉根葉冠檢測(cè)流程

2.3　測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)量與保存

該企業(yè)主要加工制造中小型航空精密葉片，現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)因?yàn)闆]有采用專用的葉片測(cè)量夾具，都只能進(jìn)行單個(gè)葉片的測(cè)量。測(cè)量時(shí)僅僅在三坐標(biāo)平臺(tái)上采用簡單的夾持固定，每次測(cè)量都需要對(duì)葉片進(jìn)行裝卸和粗定位，導(dǎo)致檢測(cè)效率低下，嚴(yán)重影響到企業(yè)日常的生產(chǎn)制造。

針對(duì)上述問題，測(cè)量夾具在原有單個(gè)簡單輔助支撐測(cè)量方案的基礎(chǔ)上改進(jìn)為十片聯(lián)測(cè)方案。同時(shí)，在此前提下，循環(huán)調(diào)取測(cè)量程序，來實(shí)現(xiàn)葉片的不停機(jī)批量測(cè)量，從而極大地提高企業(yè)葉片檢測(cè)效率。

實(shí)現(xiàn)葉根葉冠自動(dòng)測(cè)量與保存的流程如圖4所示。

圖4　葉根葉冠自動(dòng)測(cè)量與保存流程圖

2.4　測(cè)量數(shù)據(jù)的查詢與分析

本模塊對(duì)航空葉片葉身以及葉根葉冠特征參數(shù)進(jìn)行SPC分析處理，根據(jù)系統(tǒng)初始設(shè)置的參數(shù)條件，快速地計(jì)算、預(yù)警和反饋葉片加工過程的異常，采用GDI+技術(shù)繪制相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖，主要包括：平均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖、CPK分析圖、CPK趨勢(shì)圖、樣本分析圖、均值運(yùn)行圖、正態(tài)檢驗(yàn)圖和合格率趨勢(shì)圖。

該模塊主要有以下6個(gè)方面的功能特點(diǎn)：

(1)根據(jù)搜索字段(訂單號(hào)、葉片號(hào)等)精確查詢?nèi)~片相關(guān)測(cè)量信息，并對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行超差處理，標(biāo)示紅色并表明測(cè)量點(diǎn)狀態(tài)是否可控；

(2)樣本采集方式選擇多樣化，有簡單隨機(jī)采樣、時(shí)間分順序采樣和時(shí)間間隔采樣，樣本組數(shù)可選20-25組，不同的采樣方式和組數(shù)所需的原始樣本量各異；

(3)從精確查詢到統(tǒng)計(jì)分析只需要“一鍵式”操作，從數(shù)據(jù)庫所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)無需導(dǎo)出系統(tǒng)即可直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制分析；

(4)提供對(duì)葉片關(guān)鍵特征參數(shù)的工序過程能力指數(shù)(Cp，Capability Index of Process)、工序過程性能指數(shù)(PP，Performance Index of Process)和不合格百萬分比(PPM，Part Per Million)等相關(guān)統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算，根據(jù)過程能力指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)該道工序能否保證產(chǎn)品質(zhì)量，并及時(shí)提出改進(jìn)方案；

(5)建立歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，提供對(duì)工序異常原因的分析決策功能，對(duì)失控測(cè)量點(diǎn)可采取失控原因分析和及時(shí)的處理措施；

(6)提供對(duì)查詢結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析圖表的導(dǎo)出選項(xiàng)，可選擇Excel文件或Text文件進(jìn)行輸出。

依靠該模塊實(shí)時(shí)的異常預(yù)警響應(yīng)，人能動(dòng)地采取相關(guān)措施來消除可控異常，使葉片加工工序過程維持在受控狀態(tài)下，以保證葉片加工工序質(zhì)量。

3　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

(1)模塊劃分。根據(jù)企業(yè)實(shí)地調(diào)研和需求分析，該系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，主要由三個(gè)功能模塊組成：自動(dòng)測(cè)量與控制、數(shù)據(jù)分析與處理和系統(tǒng)管理。該系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

自動(dòng)測(cè)量與控制部分主要是為了采集與轉(zhuǎn)換測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量程序的上傳和下載，自動(dòng)測(cè)量與測(cè)量報(bào)告的自動(dòng)保存、轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入；數(shù)據(jù)分析與處理部分主要是為了對(duì)數(shù)據(jù)集中采集和整理，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、編輯和統(tǒng)計(jì)分析，以及分析結(jié)果圖表的導(dǎo)出；系統(tǒng)管理主要是方便對(duì)用戶、權(quán)限以及后臺(tái)MySQL服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)行管理，該部分只能由管理員操作。

(2)系統(tǒng)模型。根據(jù)該系統(tǒng)的組成與功能，將該系統(tǒng)劃分為應(yīng)用層、功能層、接口層和數(shù)據(jù)庫層。 應(yīng)用層是提供給使用者直觀友好的界面；功能層是系統(tǒng)所需具體功能的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)； 接口層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫信息的交換平臺(tái)； 數(shù)據(jù)庫層是用來存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)的容器[11]。

4　結(jié)束語

本航空葉片測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以CMM測(cè)量數(shù)據(jù)為中心、以SPC方法為指導(dǎo)、以敏捷制造為目標(biāo)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)以及GDI+技術(shù)，對(duì)葉片測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理、分析與解釋，以達(dá)到對(duì)葉片加工工序的可靠性控制[12]，從而達(dá)到生產(chǎn)過程的持續(xù)穩(wěn)定，減少生產(chǎn)過程波動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的不斷完善改進(jìn)。

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(編輯李秀敏)