面向复杂产品的离散装配过程控制与管理系统针对复杂产品的装配数据管理分散，生产现场的装配数据可视化和实时化程度不高的问题，引入工作流管理技术，构建了一个面向复杂产品的计算机辅助装配过程控制与管理系统，建立了该系统的体系结构、功能结构和运行流程。研究了基于装配BOM的静态装配数据管理、基于流程的动态装配数据管理、装配工艺报表格式化输出和装配现场实时可视化监控等关键技术。该系统以装配工艺流程为核心，有效地实现了流程化的装配工艺设计、装配车间的计划调度和实时监控、装配数据的实时采集与统计分析，为离散型装配企业提供了一个统一的精细化装配管理解决方案0 引言 复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂的一类产品，如航天器、飞机、复杂机电产品、武器系统等。复杂产品装配是典型的离散型装配，具有研制周期长、零部件组成数量庞大、涉及的专业领域广、以手工装配作业为主、单件小批量生产等特点。装配是复杂产品生产的最后环节，也是最为重要的环节之一，实现复杂产品的装配过程科学管理与监控，可显著提高其产品的生产效率和装配质量。 近年来，国内外相关研究机构从装配数据管理、装配工艺设计和装配车间看板技术等方面开展了相关研究，但是从学术界的理论研究和工程应用角度来看，仍然有如下问题值得关注： 1）装配执行现场的装配过程和装配数据集成管理问题。在装配数据管理方面，目前国内研究主要聚焦于产品静态装配数据的组织结构以及BOM视图之间的映射和转换方面，缺乏对产品装配过程中的装配数据动态演变过程模型的研究，装配数据管理和过程管理相脱节。 2）生产现场的装配工艺信息可视化展示和工艺执行过程中的实时监控问题。在车间现场的装配工艺展示形式上，目前国内工程中常采用卡片式的装配工艺卡片（例如天河CAPP的工艺卡片）来指导现场装配，这种集成卡片式的装配工艺规程主要依靠自然语言进行工艺内容的描述，辅之以一定数量的二维装配示意图，这种方式导致了对装配工艺的描述不形象、不直观、不规范，造成了装配工人不易快速准确地理解装配工艺，严重影响产品的装配质量和效率。在装配车间的工艺执行管理方面（即装配车间的生产调度方面），现有MES系统基本上专门针对装配车间的解决方案，普遍缺乏准确、及时、完整的数据采集与信息反馈机制,在底层数据的实时采集、多源信息融合、复杂信息处理及快速决策等方面较为薄弱，导致生产现场的数据（包括工艺数据、管理数据、齐套数据等）比较分散，可视化和实时化程度不高的现状，管理人员和操作者很难实时、快速查看到自己所需的数据和内容。 针对目前国内外的大多数研究成果还不能满足复杂产品装配现场数据管理集成化、过程监控实时可视化和精细化要求的现状。笔者结合航天复杂产品的工程实践，提出了一种基于流程的产品装配过程控制与管理技术，同时设计并开发了面向生产现场的复杂产品计算机辅助装配过程控制与管理系统VPPC（Visual Production Process Control &Management），为装配现场的实时监控和数据集成管理提供了一条新的途径。1 系统的总体结构 基于工作流的计算机辅助装配过程控制与管理系统的工作流程如图1所示，该方法主要包括装配工艺设计层、车间作业计划制定层、车间作业计划执行层三部分。1.1 装配工艺设计层 装配工艺设计层主要包括工艺准备计划调度、装配BOM构建、基于流程的装配工艺设计三部分，其中基于流程的装配工艺设计是核心。 1）工艺准备计划调度：工艺师在装配工艺设计之前，首先应接收工艺准备计划指令，并排定所有装配工艺文件的完成时间和完成人。 2）装配BOM构建：工艺师在接收到装配工艺准备指令后，在产品设计BOM的基础上，建立统一的产品装配BOM，并确保相应产品节点下所有信息的完整，为后续的装配工艺设计奠定数据基础。 3）基于流程的装配工艺设计：工艺师按照时间节点完成装配工艺文件的编制，并提交审签。 图1 基于工作流的计算机辅助装配过程控制与管理系统的工作流程示意图 复杂产品的装配工艺由一个串（并）联混而成的装配工序链组成。复杂产品装配作业前，通常要绘制产品的装配工艺流程图，并按工艺流程图组织装配工作。结合复杂产品装配工艺设计与装配作业的特点，提出了一种基于流程的装配工艺设计方法，该方法由装配工艺流程图生成、装配节点的信息加载和装配工艺报表输出三部分组成。 装配工艺流程图生成，是指针对每一个具体型号的产品，创建一个与该产品相对应的装配工艺流程图。装配工艺流程图反映了装配单元的划分和隶属关系、零部件的装配顺序、平行工作内容及检验项目等。装配流程图由主标题栏、装配节点、汇合节点、开始节点、结束节点和节点连线组成，其中装配节点包括关键工序节点和普通工序节点。每个装配节点都具有额定工时，装配节点表示了装配工作的具体操作和检验内容，节点连线表示装配工作流向，开始节点表示了装配流程图的开始标志，结束节点表示了装配流程图的结束标志。每个装配流程图包括唯一的一个主流程和若干辅流程，如图2所示。汇合节点表示了主流程和辅流程的交点标志。图2 某部件的装配工艺流程图的组成示意图 装配节点的信息加载，是指针对每个装配节点（例如图2中的每个工序节点），将完成该装配节点所需要的工艺文件、模型文件、多媒体文件、物料齐套、检验控制卡等信息加载到该装配节点。每个具体的装配节点需要加载的信息主要包括：该工序的基本信息，包括该工序的执行车间、所属型号等；工序内容，包括详细的工序内容描述；工位信息，主要包括该工序所涉及的装配小组人员名单及各类人员的责任；检验要求信息，包括装配过程中的检验要求和规则；其它齐套信息，包括完成该装配节点所需要的零部件配套清单、标准件配套清单、工装与工具清单、设计图纸文件清单、各种附件和标准规范等。 装配工艺报表输出，是指从生成的装配工艺流程图中提取相关信息，并自动输出企业要求的装配工艺卡片和各种工艺报表。 1.2 车间作业计划制定层 车间调度员接收到厂级调度下发的装配计划（即型号任务和临时任务）后，依据装配工艺流程图进行车间作业计划制定。主要包括装配计划拆分、装配任务与装配工艺流程图绑定、基于装配工艺流程图的作业计划制定三部分。 1）装配计划拆分：车间调度员对接收到的装配计划进行拆分（将一个装配计划细分为1个或多个装配任务）。例如，假设接收到的装配计划为装配A型号10个，装配B型号5个；则车间调度员可将装配计划分解为3个子装配任务，即装配任务1：装配A型号5个；装配任务2：装配A型号5个；装配任务3：装配B型号5个。拆分后的三个装配任务可能分别下发给车间装配小组1、小组2和小组3。装配计划的拆分过程中必须遵守的规则是：拆分后的每个装配任务只能与唯一的具体产品对应，也即一个装配任务中不能涉及两个或两个以上的具体产品的装配工作。 2）装配任务与装配工艺流程图绑定：车间调度员将每个装配任务与产品装配工艺流程图绑定。通过绑定后，可将对复杂产品的装配过程控制转换为对装配工艺流程图中的一系列装配节点的控制。 3）基于装配工艺流程图的作业计划制定：通过装配任务与装配工艺流程图的绑定，车间调度员将对每个装配任务的控制转换为对实际装配工艺流程图的控制，并基于装配工艺流程图进行每个装配节点的作业计划制定。例如针对图2所示部件的装配工艺流程，可根据装配工艺流程图中每个装配节点的额定工时和所下发的装配任务的要求完成时间进行倒序计算，自动获得每个装配节点的要求完成日期，如图3所示。同时，车间调度员还可在自动调度的基础上，对关键工序节点的要求完成日期进行人工调度。 图3 某部件的生产作业计划1.3 车间作业计划执行层 车间装配工人依据流程化的装配工艺流程图进行装配作业，在装配实施过程中，通过对装配节点的颜色标识，来实现对装配进度的实时可视化展示和监控。 装配小组依据装配工艺流程图进行产品装配的过程中，需要对每个装配节点进行检验，并实时采集相关装配数据，检验员需将采集到的实时检验数据填入，并电子签字确认后，才能开展后续装配操作。 系统将自动记录每一个装配节点的实际完成时间，并自动对后续普通装配节点的要求完成时间进行实时更新，对于关键装配节点的要求完成时间的修改，则需要车间调度人员人工确认。 装配过程中，各级管理人员（包括车间主任、厂级调度人员、车间调度人员）能够实时获得整个装配车间的装配进度，并实时获得各种装配数据报表（包括关键检验点检测结果汇总表、产品装配进展日报表、装配车间总装测试进展一览表等）。2 系统体系结构和功能结构2.1 VPPC系统的功能结构 VPPC系统的功能结构如图4所示，主要功能模块包括： 1）装配资源统一管理：为VPPC系统提供统一的数据源，并实现与PDM系统的信息集成。具体包括统一的产品装配BOM生成和维护、装配生产数据管理、基于装配BOM的装配工艺数据管理、基于装配BOM的装配工艺流程管理、装配工艺数据的版本管理等。 2）装配工艺流程生成与管理：接收工艺准备计划，完成装配工艺流程图的制作和工艺报表的输出。具体包括工艺准备计划管理（工艺流程图制作任务的接收、下发、认领及审签）、装配工艺流程图生成、装配节点的信息加载和装配工艺报表输出等。 3）车间装配作业计划调度：接收装配计划，完成车间装配作业计划调度。具体包括装配计划管理（厂级装配计划的接收、下发、认领及反馈）、装配计划拆分、装配任务与装配工艺流程图绑定、基于装配工艺流程图的作业计划制定等。 4）可视化装配综合看板和数据统计：完成车间作业执行和数据统计分析。具体包括装配工艺集成展示、装配工位数据采集、装配进度监控和装配数据统计分析等。图4VPPC系统的功能结构图2.2 VPPC系统的总体结构 VPPC系统的总体结构如图5所示。VPPC系统使用了Microsoft基于.NET Framework 3.5的WCSF框架结构。其中WCSF框架实现了系统的Web应用，主要包括系统中与用户交互的表现层页面：如用户管理、组织机构管理、装配资源管理、装配流程管理、工艺准备计划管理、装配流程工艺生成、装配计划管理、装配任务管理、装配工艺展示、装配数据采集、统计分析等以及系统使用的公用模块：导入导出模块（实现用户数据、BOM数据的导入导出）。在数据访问模块中，根据系统的需要，在业务逻辑层中封装对数据库各表的操作：如添加用户，修改用户等。WCSF框架可调用数据访问模块发布的接口函数来获得系统数据库的数据以及操作信息等。流程定制器是一个.Net WinForm控件，嵌入到网页中，它通过调用Web服务实现数据库的操作。使用WCSF框架使VPPC系统层次更清晰，开发效率更高，维护也更方便。图5VPPC系统的总体结构 3 系统实现的关键技术3.1 基于装配BOM的静态装配数据管理 产品静态装配数据主要包括产品设计BOM、装配工艺文件信息和装配生产信息。其中装配工艺文件信息包括管理性装配工艺文件、专用工艺装备明细表、专用工具和量具明细表、主要材料消耗明细表、辅助材料消耗明细表、配套明细表、装配工艺卡片等；装配生产信息主要包括完成产品装配工作所需要的装配保障条件，如装配测量器具检查记录表、装配测试设备记录表、非金属材料有效期检查记录、工艺装备检查记录表、装配技术文件检查记录表、零部件检查记录表等。产品静态装配数据管理是实现全面装配数据管理的基础。 针对复杂产品现场装配特点，提出了一种基于装配BOM的装配资源信息统一管理方法。即针对每个批次的复杂产品，都形成一个统一的装配BOM。该装配BOM全面列出了完成该批次产品装配所需要的装配保障条件信息和装配工艺信息，具体包括产品零部件之间的组合和装配关系、装