航空發(fā)動機數(shù)字化檢測系統(tǒng)

■ 同更強 劉潔 徐易 / 中國航發(fā)西航

數(shù)字化檢測是數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)自適應、智能化制造的前提條件。數(shù)字化檢測技術(shù)能提高航空發(fā)動機零部件制造、裝配試車全過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集、傳遞、分析、反饋能力，提升產(chǎn)品質(zhì)量控制能力，為故障分析定位、工藝優(yōu)化、裝配過程容差分配、零件優(yōu)選、性能調(diào)整提供及時有效、完整準確的有源數(shù)據(jù)，促進航空發(fā)動機性能迭代提升、可靠性不斷增長。

航空發(fā)動機所有零組件的生產(chǎn)過程須具備可追溯性，各種質(zhì)量記錄要求在發(fā)動機全生命周期內(nèi)長久保存。當前，航空發(fā)動機生產(chǎn)過程的產(chǎn)品檢驗依然保持著傳統(tǒng)的手工操作、紙質(zhì)記錄方式，近年來隨著航空工業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，這種方式的缺點越發(fā)凸顯，難以滿足未來高性能航空發(fā)動機和智能制造的發(fā)展需求。航空發(fā)動機數(shù)字化檢測系統(tǒng)是根據(jù)產(chǎn)品實際檢驗業(yè)務流程和產(chǎn)品特點，隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合中國制造2025和兩化融合等應運而生的。

傳統(tǒng)檢驗模式存在的主要問題

傳統(tǒng)檢驗模式是航空發(fā)動機制造過程的瓶頸環(huán)節(jié)，制約企業(yè)提質(zhì)增效，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，手動量具、專用測具是完成檢測任務的主力手段，少量先進檢測設(shè)備只用于部分精密特性檢測，自動化程度低。隨著生產(chǎn)節(jié)拍的加快，檢測效率低下成為制約生產(chǎn)流速的瓶頸環(huán)節(jié)。

數(shù)字化檢測應用場景

第二，產(chǎn)品檢驗記錄依靠手工填寫、紙質(zhì)傳遞和存檔，記錄的填寫、整理、歸檔工作量大，占檢驗人員工作量的40%～60%，嚴重擠占了檢驗人員用于控制產(chǎn)品質(zhì)量的時間。

第三，手工填寫、轉(zhuǎn)抄檢驗記錄極易出錯，須下游檢驗員反復核對仍難以杜絕人為差錯，工作質(zhì)量不高。

第四，產(chǎn)品檢驗記錄要求長久保存（與產(chǎn)品同壽），逐年累積的海量檢驗記錄難以有效保管，成為影響產(chǎn)品質(zhì)量可追溯性的嚴重問題。

第五，紙質(zhì)記錄查閱不便，質(zhì)量復查需要耗費大量的人力和時間，海量檢驗數(shù)據(jù)無法有效利用，不能給產(chǎn)品質(zhì)量控制、質(zhì)量改進提供決策支撐。

數(shù)字化檢測系統(tǒng)構(gòu)建

數(shù)字化檢測系統(tǒng)（digital measurement system）以采集發(fā)動機零組件制造過程檢測數(shù)據(jù)為核心任務，是檢驗業(yè)務管理的信息化平臺，是完善數(shù)字化車間作業(yè)管理能力、產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量管理能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提升檢驗工作效率和質(zhì)量的有效途徑，對發(fā)動機制造過程中的生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制、工藝改進、設(shè)計優(yōu)化均有積極促進作用。

數(shù)字化檢測應用場景分析

數(shù)字化檢測包括檢驗規(guī)劃、檢驗任務、檢驗數(shù)據(jù)采集以及檢測數(shù)據(jù)應用。

檢驗規(guī)劃是產(chǎn)品檢測的前提和技術(shù)依據(jù)，是規(guī)范檢驗行為，準確貫徹設(shè)計、工藝要求，實現(xiàn)數(shù)字化檢測過程的基礎(chǔ)。通過解析產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)的產(chǎn)品模型、設(shè)計圖樣和工藝文件，識別并提取檢驗要素，按質(zhì)量體系和檢驗工作要求細化后形成檢驗規(guī)劃。在編制檢驗規(guī)劃和執(zhí)行檢驗過程中應能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化引導，檢驗規(guī)劃應能夠綁定測量程序，隨檢驗任務推送到測量終端。需要對檢驗規(guī)劃進行會簽、審批、發(fā)布和版本管理。

檢驗對象是具體的航空發(fā)動機零組件、部件及整機，即檢驗任務。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是生產(chǎn)流程管控統(tǒng)一平臺，檢驗是生產(chǎn)過程的一個重要環(huán)節(jié)。當需要對零組件進行檢測時，MES調(diào)用數(shù)字化檢測系統(tǒng)執(zhí)行具體的檢測操作，數(shù)字化檢測系統(tǒng)通過任務信息（零件號、批次序號、數(shù)量、工序號等）調(diào)用相應的檢驗規(guī)劃和測量程序，采集檢測數(shù)據(jù)，將檢驗結(jié)果反饋至MES，完成完工確認，形成作業(yè)閉環(huán)。根據(jù)工藝安排，檢驗任務可分為首件檢驗、工序檢驗、成品檢驗任務；按檢驗人員可分為自檢、互檢和專檢任務；按檢測設(shè)備可分為手動量具/測具檢測任務和各類設(shè)備自動檢測任務。數(shù)字化檢測系統(tǒng)應能滿足各類檢驗任務模式，按需求對檢驗任務進行分解。

檢驗結(jié)果是采集的產(chǎn)品檢驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應包括自檢、互檢和專檢的實際測量值，執(zhí)行人員，檢測時間以及測量器具等相關(guān)信息。在數(shù)據(jù)采集過程中，系統(tǒng)應能夠?qū)z驗數(shù)據(jù)進行自動評價[1]，對完整性進行校核，根據(jù)特性間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行自動檢索和計算，如計算孔軸配合、間接測量特性、工序間數(shù)據(jù)引用等。檢驗數(shù)據(jù)的采集方式有手工錄入、數(shù)顯量具、數(shù)字化檢測設(shè)備、在機在線檢測設(shè)備等。隨著檢測設(shè)備的增加和自動化水平的提升，基于5G環(huán)境的無線數(shù)據(jù)傳輸應用，手動錄入逐漸被自動采集方式取代；未來隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)采集手段還會拓展到語音識別、基于機器視覺的圖像識別、人工可穿戴設(shè)備等。除了采集制造過程產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)外，數(shù)字化檢測系統(tǒng)還應接收物流管理信息系統(tǒng)（LMIS）產(chǎn)生原材料入廠復驗收據(jù)、無損檢測數(shù)據(jù)和理化檢測數(shù)據(jù)、檢測設(shè)備周期檢定數(shù)據(jù)，歸集形成完整的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)。

一方面，檢驗數(shù)據(jù)用來生成產(chǎn)品檢驗記錄，按照產(chǎn)品的配套關(guān)系歸集，形成零組件電子檔案、發(fā)動機電子卷宗和電子履歷，保障產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性；另一方面，檢測數(shù)據(jù)與PDM、MES、質(zhì)量管理系統(tǒng)（QMS）等共享，可用于對產(chǎn)品質(zhì)量實施統(tǒng)計過程控制（SPC）、監(jiān)控產(chǎn)品實時質(zhì)量狀態(tài)，可以為故障追溯、質(zhì)量統(tǒng)計、工藝和設(shè)計改進、零組件優(yōu)選優(yōu)配提供數(shù)據(jù)支持，也可以輔助檢驗基礎(chǔ)管理、人員績效考核等工作。

數(shù)字化檢測系統(tǒng)總體構(gòu)架

數(shù)字化檢測系統(tǒng)總體構(gòu)架

數(shù)字化檢測系統(tǒng)總體構(gòu)架包括執(zhí)行層、基礎(chǔ)層和管理應用層。

執(zhí)行層為數(shù)字化檢測系統(tǒng)的核心，也是執(zhí)行檢測操作的主要業(yè)務流程，包括檢驗規(guī)劃管理、檢驗任務管理、檢驗數(shù)據(jù)采集和檢驗報告管理。

基礎(chǔ)層是支撐數(shù)字化檢測業(yè)務運行的基本條件，包括系統(tǒng)管理、人員/印章管理、模型化引導、量具/設(shè)備管理、檢驗數(shù)據(jù)管理、檢驗文檔管理、檢驗評價標準、知識經(jīng)驗積累、檢驗周期統(tǒng)計和雙網(wǎng)數(shù)據(jù)同步等。

管理應用層是數(shù)字化檢測系統(tǒng)與其他主要業(yè)務系統(tǒng)的交互和檢測數(shù)據(jù)在數(shù)字化車間管理中的實際應用，包括產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)紀實、生產(chǎn)過程完工報工、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控和質(zhì)量追溯、零組件優(yōu)選優(yōu)配和檢驗績效評價等。

數(shù)字化檢測系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

通過對檢驗業(yè)務流程進行系統(tǒng)梳理，將數(shù)字化檢測系統(tǒng)分為主流程功能、個性化業(yè)務功能和基礎(chǔ)功能三大部分。

主流程功能以典型機械加工檢驗為依據(jù)，對檢驗要素解析及提取、檢驗規(guī)劃編制、檢驗任務管理、檢驗數(shù)據(jù)采集、檢驗數(shù)據(jù)管理進行細化分解。個性化功能是在主流程功能的基礎(chǔ)上，為滿足裝配檢驗、修理檢驗、特種檢驗等業(yè)務過程設(shè)計開發(fā)的功能模塊?；A(chǔ)功能是為了支持各項業(yè)務功能或?qū)I(yè)務功能拓展應用而設(shè)計開發(fā)的功能模塊。

與PDM、MES、QMS等多系統(tǒng)集成應用

數(shù)字化檢測系統(tǒng)不應成為信息孤島，必須與PDM、MES、QMS等信息系統(tǒng)集成應用，實現(xiàn)業(yè)務和數(shù)據(jù)的深度融合，完成設(shè)計、生產(chǎn)、檢測和質(zhì)量控制的閉環(huán)管理，發(fā)揮檢測數(shù)據(jù)的最大效能。

與PDM系統(tǒng)集成，將PDM作為產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計中心，把工藝文件中的檢驗要求正確傳遞到檢驗業(yè)務流程中，并將結(jié)合主流的設(shè)計方法論，實現(xiàn)模型的下發(fā)、變更等一體化管理。

與MES集成，在現(xiàn)場執(zhí)行過程中，對質(zhì)量信息的輸入與輸出將取決于質(zhì)量信息的正確傳遞，同時實現(xiàn)制造執(zhí)行計劃與任務規(guī)劃，將檢測環(huán)節(jié)作為不可或缺的節(jié)點，實現(xiàn)無縫的集成，保證了自動化和智能化的整合。

與QMS集成，質(zhì)量系統(tǒng)是檢測數(shù)據(jù)的主要消費者，通過對檢測數(shù)據(jù)的分析整合，構(gòu)建各類質(zhì)量指標監(jiān)控體系，從而實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量實時監(jiān)控、質(zhì)量改進、質(zhì)量追溯、故障分析等業(yè)務功能。

網(wǎng)絡環(huán)境分析

在中國航發(fā)西航，網(wǎng)絡環(huán)境分為園區(qū)網(wǎng)和工控網(wǎng)（數(shù)控機床專用網(wǎng)絡，又稱設(shè)備網(wǎng)），PDM、ERP、MES、QMS等應用系統(tǒng)全部構(gòu)建在園區(qū)網(wǎng)，而各類數(shù)控加工設(shè)備、檢測設(shè)備均接入設(shè)備網(wǎng)，兩個網(wǎng)絡之間實行物理隔離。

基于實際網(wǎng)絡運行環(huán)境和業(yè)務需求，數(shù)字化檢測系統(tǒng)分別在園區(qū)網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)同時部署。在園區(qū)網(wǎng)，數(shù)字化檢測系統(tǒng)實現(xiàn)與PDM、MES、QMS等系統(tǒng)集成應用，實現(xiàn)主要流程控制和檢測數(shù)據(jù)查詢、分析利用。在設(shè)備網(wǎng)，數(shù)字化檢測系統(tǒng)實現(xiàn)量具量儀、測量設(shè)備、在機在線設(shè)備測量數(shù)據(jù)的自動采集。檢驗規(guī)劃、測量程序及檢驗任務從園區(qū)網(wǎng)下行傳輸?shù)皆O(shè)備網(wǎng)，測量數(shù)據(jù)及測量報告上行傳輸?shù)綀@區(qū)網(wǎng)。園區(qū)網(wǎng)技術(shù)、管理人員可對產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計分析。

通過工控互聯(lián)項目打通園區(qū)網(wǎng)與設(shè)備網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸壁壘，可以實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)在設(shè)備網(wǎng)和園區(qū)網(wǎng)之間數(shù)據(jù)交互，使數(shù)字化檢測系統(tǒng)具備與MES、QMS等系統(tǒng)的集成條件；打通數(shù)據(jù)采集到分析利用，制造過程上下游之間的數(shù)據(jù)通道；有效促進數(shù)字化檢測系統(tǒng)推廣應用，產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)完整性、安全性顯著提升。

數(shù)字化檢測系統(tǒng)與PDM、MES、QMS等系統(tǒng)的集成關(guān)系

基于實際網(wǎng)絡環(huán)境的數(shù)字化檢測系統(tǒng)分工

應用成效

中國航發(fā)西航于2015年開始進行數(shù)字化檢測技術(shù)的探索和建設(shè)方案論證，2016年選擇盤、軸等典型零件為應用對象開始進行試點項目建設(shè)，2017年投入應用。同期開展二期項目建設(shè)，盤、軸、葉片和部件裝配生產(chǎn)線，2018年年底投入應用。2020年結(jié)合中國航發(fā)數(shù)字化應用“最后一公里”試點項目，在修理發(fā)動機部件和整機裝配過程推廣應用數(shù)字化檢測系統(tǒng)。目前，中國航發(fā)西航正在開展三期項目建設(shè)，在原系統(tǒng)軟硬件基礎(chǔ)上，不斷迭代優(yōu)化和拓展系統(tǒng)功能，推進與PDM、MES等應用系統(tǒng)深度集成，增加檢測設(shè)備接入數(shù)量，提升系統(tǒng)適用性、安全性、數(shù)據(jù)采集與交互共享能力。同時，快速推進數(shù)字化檢測系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場推廣應用，逐步覆蓋主要產(chǎn)品制造過程。

規(guī)范檢驗過程、防止錯檢漏檢

將檢驗工作要求貫徹到數(shù)字化檢測系統(tǒng)軟件功能中，通過技術(shù)手段規(guī)范檢驗過程，減少了人為因素影響，防止錯檢漏檢。例如，通過檢驗規(guī)劃細化每個特征檢測方法、檢測工具、自檢/互檢/專檢的角色分工、數(shù)據(jù)記錄等要求，數(shù)據(jù)采集時自動對測量數(shù)據(jù)符合性進行評價、超差報警，提交完工時自動對數(shù)據(jù)完整性校驗，完工后不能對數(shù)據(jù)進行修改，檢測數(shù)據(jù)按定制模板生成檢驗記錄、質(zhì)量證明單、裝配質(zhì)量控制卡等成套檔案，并在系統(tǒng)中存檔，省去了人工填寫、轉(zhuǎn)抄、傳遞、歸集整理產(chǎn)品質(zhì)量檔案的工作[2]。

消除信息孤島、提升檢測效率

將各類檢測設(shè)備接入數(shù)字化檢測系統(tǒng)，消除了信息孤島，對無數(shù)據(jù)輸入輸出功能的檢測和試驗設(shè)備進行數(shù)字化改造，實現(xiàn)了測量程序的統(tǒng)一規(guī)范管理、多源異構(gòu)檢測數(shù)據(jù)自動采集。檢驗人員通過檢驗任務驅(qū)動測量軟件、自動調(diào)用測量程序、自動采集測量數(shù)據(jù)，并對測量結(jié)果進行自動評價，將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫歸集、存檔[3]。該技術(shù)在盤、軸、整體葉盤等典型零件上廣泛應用，促進檢測效率和設(shè)備利用率大幅提升，盤類自動化檢測比例由30%提高到80%以上，長軸類零件由全手工檢測提高到100%。

質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和可視化

結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)便于統(tǒng)計分析，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)應用，能夠獲取檢驗任務完成情況、產(chǎn)品合格率、設(shè)備利用率、檢驗人員工作量等支持管理決策的數(shù)據(jù)指標，能夠便捷高效地統(tǒng)計對發(fā)動機振動、配合關(guān)系有重要影響的零組件檢測數(shù)據(jù)，為發(fā)動機故障分析、零組件選配提供數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)束語

航空發(fā)動機企業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重大變革，產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)是企業(yè)最重要的數(shù)據(jù)資產(chǎn)之一，數(shù)字化檢測系統(tǒng)是產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的主要生產(chǎn)者，通過數(shù)字化檢測系統(tǒng)可以便捷高效地采集、歸集、整理、傳遞產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，是企業(yè)逐步向數(shù)字化智能制造發(fā)展的必要條件，對提高檢驗工作效率、預防錯漏檢，提升產(chǎn)品質(zhì)量控制能力、檢測設(shè)備利用率等方面有明顯促進作用。