基于數(shù)字車間的聯(lián)合收獲機(jī)制造品質(zhì)終檢系統(tǒng)研究

倪昕東 陳 度 王書茂 鄧志恒

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

聯(lián)合收獲機(jī)是復(fù)雜的農(nóng)機(jī)裝備，其制造過(guò)程通常需要?dú)v經(jīng)下料、機(jī)加工、焊接、噴漆、部裝、總裝、檢驗(yàn)等上百道工序，屬于典型的離散制造過(guò)程，具有物料品類多樣、生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁雜、過(guò)程控制多變等特點(diǎn)。為適應(yīng)不同區(qū)域農(nóng)藝生產(chǎn)模式的多樣性，我國(guó)聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程還存在定制化程度高、制造品質(zhì)控制難等問(wèn)題，影響了整機(jī)產(chǎn)品的作業(yè)性能和可靠性，進(jìn)而成為制約我國(guó)聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)的重要因素。

數(shù)字車間是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在車間工廠的綜合應(yīng)用。數(shù)字車間以機(jī)加工中心、機(jī)器人、傳感單元、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等自動(dòng)化設(shè)備為物理基礎(chǔ)，搭建車間各元素的數(shù)字模型，通過(guò)車間管控系統(tǒng)和數(shù)字模型與物理基礎(chǔ)之間的深度融合，將車間制造過(guò)程以可視化形式呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程的精準(zhǔn)直觀管控[1-2]。在高端裝備制造領(lǐng)域，為了保證產(chǎn)品的制造品質(zhì)，結(jié)合數(shù)字車間技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程監(jiān)控及質(zhì)量檢測(cè)等方面的研究。在航空航天制造領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造手段已無(wú)法滿足現(xiàn)代航空航天制造業(yè)對(duì)裝配精度和生產(chǎn)效率的需求[3]，通過(guò)數(shù)字化裝配、生產(chǎn)制造工藝規(guī)劃與裝配仿真結(jié)合的方法[4-5]，在仿真平臺(tái)上完成虛擬裝配后生成車間指令，實(shí)現(xiàn)零部件加工“一次性正確”和裝配無(wú)縫連接[6]。波音787生產(chǎn)線上數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)已得以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)三維空間檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量控制手段建立數(shù)字化檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位和安全裝卸[7]。在高端汽車生產(chǎn)制造過(guò)程中，車間生產(chǎn)正逐漸從自動(dòng)化朝著數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型，以產(chǎn)品生命周期管理模式實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)制造到維護(hù)預(yù)警[8-10]的虛擬生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控仿真，確保整車產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。

在農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域，發(fā)達(dá)國(guó)家制造企業(yè)已經(jīng)廣泛采用在線檢測(cè)、質(zhì)量自動(dòng)調(diào)控、數(shù)字化評(píng)估模型等技術(shù)和平臺(tái)對(duì)產(chǎn)品制造品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，極大地提升了關(guān)鍵零部件及整機(jī)的制造品質(zhì)和產(chǎn)品一致性[11-14]；我國(guó)對(duì)關(guān)鍵部件的檢測(cè)技術(shù)已逐漸成熟，采用激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)包括滾筒圓柱度及外輻盤焊接垂直度在內(nèi)的聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒焊接質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[15]、通過(guò)工業(yè)相機(jī)開發(fā)基于機(jī)器視覺的收獲機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)孔組位置度誤差檢測(cè)技術(shù)[16]等都為農(nóng)機(jī)裝備制造品質(zhì)和工作性能的檢測(cè)提供了解決思路，但針對(duì)整機(jī)制造品質(zhì)尚未形成較為成熟的制造過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系。目前，聯(lián)合收獲機(jī)的制造品質(zhì)檢測(cè)主要采用人工查驗(yàn)方式，其數(shù)字化和自動(dòng)化水平低，產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)以專業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏成套的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備及定量評(píng)價(jià)手段，亟需對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)制造品質(zhì)快速檢測(cè)方法和檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

本文以聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)制造品質(zhì)評(píng)價(jià)為研究對(duì)象，構(gòu)建整機(jī)制造品質(zhì)終檢系統(tǒng)數(shù)字車間虛擬仿真模型，利用Visual Components平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的多工位流水線式和多功能單元線式2種工藝布局的適用性、檢測(cè)節(jié)拍、儀器利用率等車間運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)聯(lián)合收獲機(jī)電氣檢測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)車間生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 整機(jī)制造品質(zhì)檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)項(xiàng)目確定

聯(lián)合收獲機(jī)制造品質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目的確定依據(jù)主要包括：①國(guó)家及行業(yè)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的制造品質(zhì)提出的規(guī)定和要求(表1)。②聯(lián)合收獲機(jī)制造企業(yè)結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)規(guī)定的技術(shù)需求和實(shí)際生產(chǎn)需要。

表1 聯(lián)合收獲機(jī)制造品質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Manufacturing quality related standards for combine harvester

結(jié)合國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)具體需求，本文提出的聯(lián)合收獲機(jī)制造品質(zhì)終檢系統(tǒng)的檢測(cè)項(xiàng)目(表2)將從聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)安全、環(huán)保指標(biāo)和電液系統(tǒng)工作性能3方面進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

1.2 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)確定的檢測(cè)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)和多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)2種布局方案，以“檢測(cè)流程有序、合理高效利用空間”的原則對(duì)2種檢測(cè)方案進(jìn)行布局規(guī)劃。

表2 整機(jī)檢測(cè)項(xiàng)目Tab.2 Machine inspection items

在多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)整合檢測(cè)功能，將各檢測(cè)項(xiàng)目分布于轉(zhuǎn)向輪定位檢測(cè)、制動(dòng)及液壓性能檢測(cè)、燈光噪聲及排放檢測(cè)和電氣性能檢測(cè)4個(gè)檢測(cè)工位中(圖1)。以生產(chǎn)流水線形式連續(xù)、高效、有序地進(jìn)行聯(lián)合收獲機(jī)制造品質(zhì)檢測(cè)，4個(gè)工位之間相互獨(dú)立、便于管理，適合于日產(chǎn)量較高的產(chǎn)品型號(hào)。另外，對(duì)于檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的部分生產(chǎn)和裝配問(wèn)題，可以安排專業(yè)人員進(jìn)入檢測(cè)工位，進(jìn)行故障的排查和處置，提升生產(chǎn)效率。但是，流水線式檢測(cè)布局方案需要對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)車間進(jìn)行大幅改造，整體投資大，且在生產(chǎn)過(guò)程中需要投入較多的專業(yè)檢測(cè)人員。

圖1 多工位流水線式檢測(cè)方案Fig.1 Multi-station pipelined inspection system

不同于多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)，多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)將各檢測(cè)項(xiàng)目集成于單個(gè)車間工位中，布局方案設(shè)計(jì)源于單元線(Cell line)[23]生產(chǎn)方式，具有占用空間小、建線周期短、檢測(cè)人員投入少等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)空間、儀器設(shè)備間干涉、布局合理性、操作流程順暢性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)的多功能單元線式檢測(cè)車間如圖2所示。

圖2 多功能單元線式檢測(cè)方案Fig.2 Multi-functional cell-line inspection system

2 數(shù)字檢測(cè)車間建模與仿真

在傳統(tǒng)生產(chǎn)制造過(guò)程中，車間的運(yùn)行和管理模式存在諸多亟需改進(jìn)的問(wèn)題，比如，車間內(nèi)大量信息由人工統(tǒng)計(jì)完成，以書面文件形式匯報(bào)，數(shù)據(jù)整理時(shí)間長(zhǎng)且數(shù)字化程度低；生產(chǎn)制造多以多車間協(xié)同作業(yè)進(jìn)行，協(xié)同管理難，任務(wù)分配工作量大；離散型制造過(guò)程物料品類多樣、生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁雜、過(guò)程控制多變，制造過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控難[24]。在工業(yè)4.0背景下，通過(guò)數(shù)字化系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多車間運(yùn)行的協(xié)同管理，將有效提升生產(chǎn)質(zhì)量的智能化水平和生產(chǎn)效率[25]。

2.1 系統(tǒng)建模

選用Visual Components作為檢測(cè)系統(tǒng)的仿真環(huán)境(圖3)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車間環(huán)境、儀器設(shè)施、虛擬人員等復(fù)雜模型的快速修改和指令變更。Visual Components中進(jìn)行模擬仿真的對(duì)象即為組件，使用SolidWorks建模軟件對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)制造品質(zhì)終檢系統(tǒng)中所使用的傳感模塊、檢測(cè)儀器、生產(chǎn)車間以及被測(cè)對(duì)象進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入Visual Components創(chuàng)建為仿真組件，將檢測(cè)方案映射到三維建模平臺(tái)，有效評(píng)估聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)制造品質(zhì)終檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性、適用性和合理性。

圖3 Visual Components仿真環(huán)境Fig.3 Visual Components simulation environment

在Visual Components中進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)字車間搭建，車間內(nèi)儀器設(shè)備、工作人員、聯(lián)合收獲機(jī)以及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)之間協(xié)同調(diào)整，對(duì)模型之間的空間位置干涉、工作人員操作效率、儀器設(shè)備功能效率等車間生產(chǎn)元素的空間布局和檢測(cè)工藝規(guī)劃進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化，通過(guò)數(shù)字化仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車間布局設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃效率的提升。

2.2 系統(tǒng)仿真分析

生產(chǎn)檢測(cè)效率、儀器利用效率、人員工作強(qiáng)度是評(píng)價(jià)聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)制造品質(zhì)終檢系統(tǒng)的3項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)Visual Components數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的仿真功能，對(duì)設(shè)計(jì)的2種工藝布局形式進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，將為終檢系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù)。系統(tǒng)仿真及評(píng)估方法如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真與分析評(píng)價(jià)框圖Fig.4 System simulation and analysis evaluation diagram

2.2.1多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)仿真

多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)工位組成，且每個(gè)工位的檢測(cè)時(shí)間不同，為了提高檢測(cè)效率和設(shè)備利用率，需要考慮到每個(gè)工位的檢測(cè)節(jié)拍，并確定多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)的整體檢測(cè)流程。為區(qū)分檢測(cè)系統(tǒng)的不同工位布局方案，用A代表轉(zhuǎn)向輪定位檢測(cè)工位、B代表制動(dòng)及液壓性能檢測(cè)工位、C代表燈光噪聲及排放檢測(cè)工位、D代表電氣性能檢測(cè)工位，通過(guò)系統(tǒng)仿真，檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)分別為140、205、196、129 s。通過(guò)對(duì)4個(gè)檢測(cè)工位的多種布局方式進(jìn)行逐個(gè)仿真，發(fā)現(xiàn)各種布局形式均能夠順利完成檢測(cè)任務(wù)且無(wú)阻塞現(xiàn)象，對(duì)具有代表性的4種布局方式進(jìn)行比較，并進(jìn)行1 h系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)布局對(duì)比Tab.3 Layout comparison of multi-station pipelined inspection system

由表3可知，布局方式B-A-C-D的單臺(tái)檢測(cè)耗時(shí)最短，且單位時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)任務(wù)最多，所以多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)按照“制動(dòng)及液壓性能檢測(cè)工位—轉(zhuǎn)向輪定位檢測(cè)工位—燈光噪聲及排放檢測(cè)工位—電氣性能檢測(cè)工位”的順序進(jìn)行檢測(cè)線布局。在該布局方式下進(jìn)行的系統(tǒng)仿真過(guò)程中，以第1臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)駛?cè)胫苿?dòng)及液壓性能檢測(cè)工位作為起始點(diǎn)，580 s時(shí)第1臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)駛出電氣性能檢測(cè)工位，1 h內(nèi)共有16臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)駛?cè)霗z測(cè)系統(tǒng)，其中14臺(tái)完成全部檢測(cè)任務(wù)，仿真情況如圖5所示。

圖5 流水線式檢測(cè)過(guò)程仿真結(jié)果Fig.5 Test process simulation results of multi-station pipelined inspection system

以檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)備使用效率及自動(dòng)化程度較高的燈光檢測(cè)儀為分析對(duì)象，當(dāng)燈光檢測(cè)儀的感光探頭發(fā)生位移即判斷其進(jìn)入工作狀態(tài)。在1 h的終檢系統(tǒng)仿真過(guò)程中，燈光檢測(cè)儀的工作時(shí)間為1 173 s，使用效率為32.6%，工作情況如圖6所示。

圖6 1 h內(nèi)燈光檢測(cè)儀工作情況(流水線式)Fig.6 Working condition of light detector in 1 h (multi-station pipelined inspection system)

在勞動(dòng)強(qiáng)度方面，利用虛擬機(jī)器人對(duì)終檢系統(tǒng)工作人員工作步數(shù)、心率和工作效率進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果為檢測(cè)工位的工作內(nèi)容安排、人員數(shù)量投入、勞動(dòng)效果評(píng)價(jià)等提供依據(jù)。多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)在布局方式B-A-C-D下進(jìn)行仿真，工作人員平均工作步數(shù)2 131步、最高心率110次/min、工作效率為8.4%。

2.2.2多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)仿真

多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)將多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目集成于單個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)人員的數(shù)量成為影響檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行成本和檢測(cè)效率的重要因素。為了驗(yàn)證人員配置的最優(yōu)方案，分別為終檢系統(tǒng)操作配置2、3、4名檢測(cè)人員并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表4所示。

表4 不同人員數(shù)量配置條件下工作強(qiáng)度情況Tab.4 Workers’ work intensity comparison under different configurations

由表4可知，為系統(tǒng)配置2名檢測(cè)人員時(shí)，人員平均工作效率最高，但每小時(shí)完成檢測(cè)任務(wù)數(shù)量較少(6臺(tái))，系統(tǒng)整體工作效率較低；當(dāng)為系統(tǒng)配置4名檢測(cè)人員時(shí)，每小時(shí)可以完成較多的檢測(cè)任務(wù)(7臺(tái))，但由于人員數(shù)量較多，導(dǎo)致每名工人工作效率較低，存在勞動(dòng)力過(guò)?，F(xiàn)象，人員投入成本高；當(dāng)配置3名檢測(cè)人員時(shí)，通過(guò)平均工作步數(shù)、工作效率和每小時(shí)完成檢測(cè)數(shù)量3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比分析，均能達(dá)到較好的區(qū)間范圍。因此，多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)將設(shè)計(jì)在3名檢測(cè)人員的條件下進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)效率、儀器設(shè)備使用效率和工作強(qiáng)度進(jìn)行分析。

為得到多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效率，同樣以每小時(shí)完成檢測(cè)臺(tái)數(shù)和單臺(tái)檢測(cè)時(shí)間作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以第1臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)駛?cè)牍の蛔鳛殚_始，駛出工位作為完成檢測(cè)任務(wù)的標(biāo)志。經(jīng)過(guò)1 h的系統(tǒng)仿真，分析計(jì)算后得到單臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)完成檢測(cè)任務(wù)共耗時(shí)503 s，1 h內(nèi)共有8臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)駛?cè)霗z測(cè)工位，其中7臺(tái)完成全部檢測(cè)任務(wù)駛離檢測(cè)工位，如圖7所示。所以，采用多功能單元線式檢測(cè)方案，并配置3名檢測(cè)人員進(jìn)行整機(jī)制造品質(zhì)檢測(cè)時(shí)，每小時(shí)可以完成7臺(tái)產(chǎn)品檢測(cè)的工作任務(wù)。

圖7 單元線式檢測(cè)過(guò)程仿真結(jié)果Fig.7 Test process simulation results of multi-functional cell-line inspection system

同樣以燈光檢測(cè)儀作為儀器設(shè)備使用效率的分析對(duì)象，感光探頭發(fā)生位移即判斷其進(jìn)入工作狀態(tài)。仿真結(jié)果表明燈光檢測(cè)儀在1 h內(nèi)的工作時(shí)間為572 s，工作效率為15.9%，工作情況如圖8所示。

圖8 1 h內(nèi)燈光檢測(cè)儀使用效率(單元線式)Fig.8 Use efficiency of light detector in 1 h (multi-functional cell-line inspection system)

為了驗(yàn)證3名檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度，通過(guò)虛擬機(jī)器人，分別對(duì)3名工作人員在單位時(shí)間內(nèi)的工作步數(shù)、心率和工作效率進(jìn)行分析。3名檢測(cè)人員在檢測(cè)過(guò)程中的工作安排為：1號(hào)人員負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向輪定位檢測(cè)和燈光噪聲及排放檢測(cè)；2號(hào)人員負(fù)責(zé)制動(dòng)及液壓檢測(cè)和電氣系統(tǒng)檢測(cè)；3號(hào)人員負(fù)責(zé)協(xié)助1號(hào)人員進(jìn)行儀器設(shè)備安裝及現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和系統(tǒng)操作。經(jīng)過(guò)1 h系統(tǒng)仿真，3名檢測(cè)人員的工作步數(shù)、最高心率和工作效率如表5所示。

表5 多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)工人工作情況Tab.5 Workers’ working condition of multi-functional cell-line inspection system

2.3 仿真結(jié)果分析

多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)和多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)比見表6。

表6 2種檢測(cè)方案仿真結(jié)果對(duì)比Tab.6 Simulation results comparison of two inspection systems

在系統(tǒng)整體檢測(cè)效率方面：多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)的單臺(tái)檢測(cè)耗時(shí)明顯比多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)要短，主要是由于多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)聯(lián)合收獲機(jī)需要在不同檢測(cè)工位完成相應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目，機(jī)器在工位轉(zhuǎn)移過(guò)程中耗費(fèi)較多時(shí)間，增加了整機(jī)的檢測(cè)時(shí)間；但多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)中多個(gè)工位可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)作業(yè)，檢測(cè)效率較高，即使單臺(tái)收割機(jī)檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)，每小時(shí)仍可以完成較多的檢測(cè)任務(wù)。

在儀器設(shè)備的使用效率方面：多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)的儀器設(shè)備使用效率要明顯高于多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)，由于多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)在工作過(guò)程中可以多工位、多項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)生產(chǎn)，大大降低了儀器設(shè)備的閑置時(shí)間，整體使用效率較高，但同時(shí)儀器設(shè)備的工作負(fù)荷也隨之增加。

在檢測(cè)人員投入和工作效率方面：多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)需要投入較多檢測(cè)人員，生產(chǎn)成本投入較高；從工作人員平均步數(shù)、最高心率等工作強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，2種檢測(cè)系統(tǒng)方案沒有明顯差異，但多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)每個(gè)工位的人員工作效率較高。

通過(guò)以上分析表明，2種檢測(cè)系統(tǒng)布局方案各有自身的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，但均能夠滿足大中型聯(lián)合收獲機(jī)生產(chǎn)企業(yè)整機(jī)下線終檢生產(chǎn)實(shí)際需要。多工位流水線式檢測(cè)系統(tǒng)需要較大的空間進(jìn)行場(chǎng)地建設(shè)，投入成本高，適用于大批量產(chǎn)品檢測(cè)需要；多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)占地面積小，系統(tǒng)柔性較高，且建設(shè)投入成本低，更適合于生產(chǎn)批量較少、定制化程度較高的大型智能化聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)產(chǎn)品。

3 電氣性能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)制造品質(zhì)終檢系統(tǒng)布局方案和檢測(cè)工藝流程仿真結(jié)果表明，各項(xiàng)檢測(cè)任務(wù)均能夠按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際生產(chǎn)需求完成，為了更好地驗(yàn)證多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)的可行性，開發(fā)基于虛擬儀器平臺(tái)的電氣性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 軟硬件設(shè)計(jì)

3.1.1硬件設(shè)計(jì)

聯(lián)合收獲機(jī)的電氣系統(tǒng)主要包括燈光、儀表、啟動(dòng)電路、蓄電池等模塊，其制造品質(zhì)是影響整機(jī)產(chǎn)品作業(yè)可靠性和安全性的重要因素。聯(lián)合收獲機(jī)的電氣檢測(cè)系統(tǒng)主要包括啟動(dòng)性能、用電器質(zhì)量、總線故障診斷等方面的檢測(cè)和診斷功能，具體檢測(cè)原理是在不破壞原有線路的基礎(chǔ)上，通過(guò)電流傳感器、電阻儀、CAN總線分析儀等傳感模塊和儀表，對(duì)被測(cè)產(chǎn)品電氣參數(shù)和性能進(jìn)行快速綜合的分析和評(píng)價(jià)。聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)電氣性能檢測(cè)系統(tǒng)方案如圖9所示。

圖9 聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)電氣性能檢測(cè)系統(tǒng)硬件方案圖Fig.9 Electrical testing system hardware scheme

3.1.2軟件開發(fā)

虛擬儀器的靈活性使上位機(jī)軟件可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件設(shè)備的諸多功能，很多傳統(tǒng)的儀器設(shè)備需要計(jì)算機(jī)的搭配使用，虛擬儀器可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的某些功能和兼容性代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件，上位機(jī)測(cè)控軟件是虛擬儀器技術(shù)的核心，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互、儀器設(shè)備測(cè)試功能以及實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互通[26-27]。本文選用LabWindows/CVI為軟件平臺(tái)進(jìn)行電氣性能檢測(cè)系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

圖10 軟件架構(gòu)Fig.10 Software architecture

檢測(cè)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)(圖10)基于模塊化分區(qū)理念，將相同類型的功能整合在1個(gè)模塊分區(qū)中，軟件運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要調(diào)用分區(qū)，使用者在使用時(shí)操作更便捷，更加清晰明了地獲得需要的數(shù)據(jù)，同時(shí)也有利于軟件管理，提高軟件運(yùn)行穩(wěn)定性[28]。

電氣檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要包括4部分：參數(shù)設(shè)置、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表分析。參數(shù)設(shè)置包括性能評(píng)價(jià)閾值區(qū)間的設(shè)置、產(chǎn)品型號(hào)、操作人員等信息的錄入等；信號(hào)采集主要是將傳感模塊和總線分析儀采集到的原始信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行傳輸；數(shù)據(jù)處理主要是提取原始數(shù)據(jù)中的特征信息，并通過(guò)波形圖標(biāo)等形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；報(bào)表分析主要實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的回調(diào)分析、特征查詢、報(bào)表打印等功能。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

聯(lián)合收獲機(jī)電氣性能檢測(cè)分為靜態(tài)性能參數(shù)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)檢測(cè)。靜態(tài)性能檢測(cè)主要包括用電器工作電流和整機(jī)總線參數(shù)2部分；動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)主要對(duì)整機(jī)啟動(dòng)性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

靜態(tài)性能檢測(cè)主要采用以下方式進(jìn)行驗(yàn)證：隨機(jī)抽取1臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)，由檢測(cè)人員安裝電流傳感模塊(圖11)，通過(guò)總線接口將總線分析儀接入聯(lián)合收獲機(jī)電氣系統(tǒng)。檢測(cè)前，根據(jù)待測(cè)機(jī)型修改并確認(rèn)各用電器額定工作電流的合格區(qū)間，檢測(cè)過(guò)程中駕駛員根據(jù)指示，依次開啟用電器，軟件系統(tǒng)自動(dòng)獲取傳感器數(shù)據(jù)，與設(shè)置的合格區(qū)間進(jìn)行比對(duì)后，生成檢測(cè)結(jié)果并自動(dòng)保存，靜態(tài)性能參數(shù)檢測(cè)交互界面如圖12所示。

圖11 電流傳感器安裝Fig.11 Current sensor installation

圖12 靜態(tài)參數(shù)檢測(cè)界面Fig.12 Static parameter inspection

動(dòng)態(tài)性能參數(shù)檢測(cè)(圖13)主要對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)回路和發(fā)動(dòng)機(jī)的工況參數(shù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性和可靠性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)10臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，包括啟動(dòng)電流、啟動(dòng)時(shí)間、油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)和結(jié)果的分析，測(cè)試結(jié)果如表7所示。

圖13 動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)界面Fig.13 Dynamic parameter inspection

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，被測(cè)聯(lián)合收獲機(jī)的啟動(dòng)電流、啟動(dòng)壓降、充電電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況基本一致，檢測(cè)數(shù)據(jù)均在合格區(qū)間內(nèi)；但由于聯(lián)合收獲機(jī)完成裝配后還未進(jìn)行道路測(cè)試和整機(jī)工況磨合，發(fā)動(dòng)機(jī)和主要工作部件還未達(dá)到最佳工作狀態(tài)，存在啟動(dòng)運(yùn)行不穩(wěn)、整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不暢等問(wèn)題，造成啟動(dòng)電流、發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗等參數(shù)一致性較差。

表7 電氣性能動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果Tab.7 Dynamic parameters test results of inspected combine harvesters

通過(guò)靜態(tài)性能參數(shù)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)生產(chǎn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明整機(jī)電氣檢測(cè)系統(tǒng)的功能運(yùn)行穩(wěn)定，信號(hào)采集正常，能夠在不破壞原有線路的條件下完成聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)電氣系統(tǒng)性能參數(shù)的快速檢測(cè)，符合聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)制造品質(zhì)檢測(cè)生產(chǎn)的實(shí)際需求。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)制造品質(zhì)檢測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，在整合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)上，提出了聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)制造品質(zhì)終檢方案及相應(yīng)的檢測(cè)方法。根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)了多工位流水線式和多功能單元線式2種終檢系統(tǒng)工藝方案。

(2)建立了2種終檢系統(tǒng)的數(shù)字車間模型，并在Visual Components數(shù)字工廠建模軟件平臺(tái)上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。通過(guò)對(duì)比2種方案的生產(chǎn)檢測(cè)效率、儀器設(shè)備使用效率和人員工作強(qiáng)度，綜合分析了2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定多功能單元線式檢測(cè)方案更適用于大型聯(lián)合收獲機(jī)制造過(guò)程質(zhì)量的檢測(cè)。

(3)為了驗(yàn)證多功能單元線式檢測(cè)系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際中的可行性，開發(fā)了聯(lián)合收獲機(jī)電氣性能檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的生產(chǎn)檢測(cè)，驗(yàn)證了電氣檢測(cè)系統(tǒng)的適用性和可靠性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的整機(jī)電氣性能檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)需求，基于檢測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)分析能夠?yàn)槠髽I(yè)評(píng)估聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)電氣系統(tǒng)制造品質(zhì)的一致性和可靠性提供依據(jù)。