制動夾鉗單元可視化裝配工藝應(yīng)用研究

胡 維1，劉 鵬2，鄔錢涌3

（1 中國鐵道科學研究院，北京100081；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；3 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100094）

針對制動夾鉗單元傳統(tǒng)裝配工藝的局限性，提出了基于三維模型的裝配工藝可視化、精細化設(shè)計思路；對可視化工藝流程的需求調(diào)研，搭建了可視化工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)了工藝編輯、流轉(zhuǎn)發(fā)布、終端顯示、問題反饋與解決、可視化質(zhì)量檢驗以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集等多項功能，提高了裝配工藝的可讀性、指導性和權(quán)威性，增強了工藝人員、車間操作人員以及質(zhì)檢人員的工作效率，提升了生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量管理水平。

制動夾鉗單元；裝配；工藝；可視化

制動夾鉗單元是動車組、大功率機車等軌道機車車輛盤形制動系統(tǒng)中的末端執(zhí)行機構(gòu)，是保障列車運行安全的關(guān)鍵部件，其裝配過程是產(chǎn)品制造過程中的重要環(huán)節(jié)。操作人員對裝配工藝文件的理解和工藝內(nèi)容的掌握直接決定了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和裝配效率，因此制動夾鉗單元的裝配工藝是影響產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的制動夾鉗單元裝配工藝大都采用紙介質(zhì)，依靠大量的文字并配以二維圖紙和實物照片對工藝內(nèi)容進行描述，具有諸多局限性。隨著產(chǎn)品型號不斷增加，產(chǎn)能不斷擴大，傳統(tǒng)的紙介質(zhì)裝配工藝已經(jīng)成為制約探索先進生產(chǎn)模式，影響生產(chǎn)效率的瓶頸。隨著CAD、CAE等計算機輔助技術(shù)的發(fā)展和信息化管理手段的應(yīng)用，利用計算機顯示終端，將產(chǎn)品的裝配工藝通過三維模型、動畫等多種可視化的形式展示出來已經(jīng)成為一種趨勢［1-3］。可視化的裝配工藝能夠直觀、生動、細致的對裝配工藝進行描述，可以大大提高工藝的可讀性和指導性，對提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的作用。

1　傳統(tǒng)裝配工藝中存在的問題

制動夾鉗單元屬于復雜裝配體，整個裝配過程涉及到的工步達幾百步，包含了壓裝、噴涂、試漏、測量以及多種專用操作工藝。傳統(tǒng)的裝配工藝總結(jié)起來有如下局限性。

1.1工藝的可理解性差

傳統(tǒng)工藝大多使用二維圖紙或?qū)嵨飯D片來表示裝配關(guān)系，圖紙屬于機械設(shè)計語言，工藝指導性不強；實物圖片一般只能表達裝配的當前狀態(tài)，無法清晰表達零件的相互關(guān)系和裝配特點，直觀性差。因此傳統(tǒng)工藝不得不借助大量的文字表達裝配信息，導致工藝生澀難懂，可理解性差。

1.2工藝的指導性和控制性降低

目前對于裝配工藝的培訓手段主要依靠現(xiàn)場跟班學習，紙介質(zhì)裝配工藝由于難以快速掌握，往往需要對被培訓者反復進行現(xiàn)場演示及講解。這種培訓方式周期長，見效慢。由于過于注重實際操作學習，逐漸形成口口相傳及手把手教的培訓模式，這種模式忽視了被培訓者對工藝內(nèi)容的理解和執(zhí)行，導致裝配工藝對實際操作的指導性和控制性逐漸降低。

1.3制約生產(chǎn)效率

目前，根據(jù)不同機車車輛的制動特性，制動夾鉗單元派生出幾十種不同型號。眾多《組裝作業(yè)指導書》（即裝配工藝）給現(xiàn)場操作人員和質(zhì)檢人員的查閱帶來諸多不便，大量重復的工藝內(nèi)容也給工藝編制人員帶來很多重復勞動。隨著生產(chǎn)模式不斷向著多型號、大批量方向發(fā)展，傳統(tǒng)裝配工藝已經(jīng)大大制約了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

2　基于可視化技術(shù)的裝配工藝設(shè)計

2.1可視化工藝的研究目的

本文探討的制動夾鉗單元型號眾多，不同型號產(chǎn)品之間的易混零件、易混工藝非常多。而生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)多型號產(chǎn)品同時生產(chǎn)的情況，因此，可視化裝配工藝技術(shù)設(shè)計的主要目標是通過可視化手段實現(xiàn)裝配工藝精細化，實現(xiàn)工藝內(nèi)容的快速查閱和工藝要求的精準表達，有力提升產(chǎn)品裝配的質(zhì)量控制水平。

2.2 可視化工藝的主要內(nèi)容

（1）基于三維模型的可視化工藝表達

為了徹底改變紙介質(zhì)工藝枯燥生澀的弊病，借助產(chǎn)品的三維模型和實物圖片，根據(jù)實際裝配方法，將零件的相互位置關(guān)系、工藝要求等展示出來，通過進一步編輯形成清晰、易懂的可視化工藝卡片。如圖1所示，表達了制動夾鉗單元中間隙調(diào)整器零件裝配時的位置和順序關(guān)系。圖2表達了停放絲杠組成中特殊的涂油要求。圖3則清楚的表達了制動缸活塞上密封圈的裝配方式。這種工藝卡片不僅對容易裝錯的密封圈方向進行了明確規(guī)定，同時通過展示活塞涂油脂后的狀態(tài)，對涂油的量給出了直觀的參考，有助于操作人員理解產(chǎn)品工藝要求，統(tǒng)一工藝標準。

圖1　間隙調(diào)整器各零件裝配關(guān)系

圖2　停放絲杠組成中的特殊涂油要求

圖3　活塞和密封圈組成中的關(guān)鍵工藝點

（2）易混工藝的對比分析

對于多型號產(chǎn)品中的易混零件，易混工藝，設(shè)計編制專門的可視化工藝卡片，將易混工藝進行對比分析展示，便于操作者對比學習，避免裝配錯誤。如圖4所示，通過三維模型的編輯并配以表格的形式，將所有不同產(chǎn)品中的調(diào)整圈裝配控制距離進行了對比說明，有效提升了工藝的可讀性和控制性。

3　制動夾鉗單元裝配工藝可視化的實現(xiàn)

圖4　易混工藝的對比說明

可視化工藝的實現(xiàn)主要依托信息化技術(shù)，搭建一個可視化工藝系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過布置在不同位置的顯示終端實現(xiàn)信息呈現(xiàn)。通過該系統(tǒng)，應(yīng)同時實現(xiàn)工藝編制、工藝審批、問題反饋、過程檢驗等工作的無紙化辦公。在研究設(shè)計可視化工藝系統(tǒng)之前，通過現(xiàn)場寫實、工藝流程調(diào)研等環(huán)節(jié)，明確可視化工藝系統(tǒng)的功能需求，包括角色設(shè)計、工藝流轉(zhuǎn)、問題反饋、關(guān)鍵工藝點可視化檢驗以及與關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)的互聯(lián)互通等，然后設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)，配置硬件，編寫系統(tǒng)程序，安裝調(diào)試，最終實現(xiàn)上線運行。

3.1可視化工藝系統(tǒng)功能

為了增強工藝對生產(chǎn)的指導性，監(jiān)控關(guān)鍵工藝參數(shù)，加強裝配過程的質(zhì)量控制，設(shè)計如下功能模塊。

（1）角色管理功能。圍繞制動夾鉗單元的裝配過程，設(shè)置工藝工程師（及相關(guān)主管領(lǐng)導）、車間班組員工、質(zhì)檢工程師、質(zhì)檢員（過程檢驗）等不同角色。不同員工因角色不同，在可視化工藝系統(tǒng)中各負其責，共同組成完整生產(chǎn)工藝流程。

（2）可視化裝配工藝的編審批功能和問題反饋功能。工藝工程師在系統(tǒng)中對裝配工藝進行編輯、修改、提交；相關(guān)主管領(lǐng)導通過系統(tǒng)進行審核、批準并發(fā)布，預(yù)留與PLM系統(tǒng)互聯(lián)互通的接口。發(fā)布后的可視化工藝通過生產(chǎn)線終端顯示。同時，為了提高工程師處理車間問題的效率和質(zhì)量，系統(tǒng)還具備問題反饋及解決功能模塊，形成車間班組員工和工程師之間的良性互動，促進生產(chǎn)效率的提高。

（3）關(guān)鍵工藝點可視化過程檢驗。傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，負責過程檢驗的質(zhì)檢員使用紙質(zhì)檢驗記錄表，對照傳統(tǒng)紙質(zhì)裝配工藝進行檢查，缺乏可視化的標準參考和檢查記錄，質(zhì)量控制效果有限。本系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了質(zhì)檢員手持終端檢查工藝實施及裝配結(jié)果，通過拍照、錄視頻等方式，將過程檢驗的結(jié)果納入生產(chǎn)計劃，形成檢驗臺賬，做到檢驗記錄與生產(chǎn)批次相對應(yīng)。這是本文研究裝配可視化應(yīng)用技術(shù)的一個創(chuàng)新點。

（4）裝配工藝關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集顯示功能。目前生產(chǎn)線上對每臺制動夾鉗單元8處共12個關(guān)鍵扭矩實施電動扭矩作業(yè)［1］，通過自動測量實際扭矩，實時控制對扭矩的合格性。為了更好的利用海量的扭矩數(shù)據(jù)，監(jiān)控以上關(guān)鍵扭矩的作業(yè)情況通過可視化系統(tǒng)采集各個電動扭矩扳手的扭矩數(shù)據(jù)并存于數(shù)據(jù)庫，便于工藝工程師和質(zhì)檢工程師隨時監(jiān)控生產(chǎn)情況，做出相關(guān)分析。

3.2可視化工藝系統(tǒng)架構(gòu)

采用中心服務(wù)器、現(xiàn)場操作端的兩層結(jié)構(gòu)，中心服務(wù)器存儲并管理系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)，現(xiàn)場操作端包括工藝工程師維護管理終端（PC）、生產(chǎn)線終端和質(zhì)檢員手持終端。

目前常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式有C/S和B/S結(jié)構(gòu)。C/ S結(jié)構(gòu)注重數(shù)據(jù)的安全性和操作性，B/S結(jié)構(gòu)更注重數(shù)據(jù)的實時性與使用的擴展性。為保證管理平臺的通用性，并且避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏笈c更新過程的繁瑣，可視化系統(tǒng)管理平臺選擇使用B/S結(jié)構(gòu)。質(zhì)檢終端以平板電腦形式實現(xiàn)，采用界面層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫層的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的搭建。為保證移動平板終端能夠在支持離線的數(shù)據(jù)記錄與操作，采用C/S結(jié)構(gòu)?？蛻舳?服務(wù)器結(jié)構(gòu)能夠有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的當?shù)卮鎯?、多次記錄與離線操作。圖5所示為可視化工藝系統(tǒng)架構(gòu)。

圖5　可視化工藝系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

3.3可視化工藝系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述的功能需求和系統(tǒng)架構(gòu)，對工藝可視化系統(tǒng)進行具體開發(fā)，形成可視化工藝系統(tǒng)管理平臺，如圖6所示以制動夾鉗單元可視化工藝的界面。可以看到，該界面包括所有裝配過程的結(jié)構(gòu)樹，可以實現(xiàn)對每一個工步的導航選擇，同時每一個工步都有一個基于對三維模型和實物圖片2次編輯的可視化工藝卡片等。

如圖7所示，是質(zhì)檢員手持終端——移動平板電腦的操作界面。通過該終端，可以隨時查閱最新的可視化工藝、錄入生產(chǎn)計劃、按照既定的過程檢驗策略和要求，對現(xiàn)場生產(chǎn)過程進行檢查、記錄，以及問題反饋。

4　結(jié) 論

制動夾鉗單元裝配工藝可視化技術(shù)應(yīng)用研究主要包括（1）產(chǎn)品的裝配工藝的可視化、精細化研究；（2）可視化系統(tǒng)的工作流程和功能需求研究；（3）現(xiàn)場質(zhì)量檢驗可視化研究；（4）關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究；（5）基于B/S和C/S的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式的系統(tǒng)開發(fā)研究。

制動夾鉗單元工藝可視化系統(tǒng)的上線運用，提高了裝配工藝的可讀性、指導性和權(quán)威性，降低了混淆相似工藝的風險，通過創(chuàng)新質(zhì)檢員手持終端進行過程檢驗，提升了產(chǎn)品質(zhì)量管理水平；借助信息化手段，增強了工藝人員、車間操作人員以及質(zhì)檢人員的工作效率，促進了溝通協(xié)作，實現(xiàn)了無紙化辦公，提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，具備廣泛推廣的應(yīng)用價值。

圖6　工藝可視化管理平臺—可視化工藝顯示界面

圖7　手持終端質(zhì)檢系統(tǒng)界面

［1］ 施志輝，李曉丹.車用柴油機裝配工藝三維可視化技術(shù)研究［J］.機械工程師，2009，（02）：29-30.

［2］ 屈力剛，魏佩振，苑俊超.基于三維工藝模型的裝配現(xiàn)場可視化［J］.制造業(yè)自動化，2013，35（10）：83-87.

［3］ 胡一廷.可視化裝配技術(shù)應(yīng)用研究［J］.科技咨詢，2013，（7）：102-103.

［4］ 劉 鵬，黃 峻.制動夾鉗單元緊固件擰緊機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析［J］.鐵道機車車輛，2012，32（1）：58-62.

Application Research on Visualization Assembly Technology of Braking Caliper

HU Wei1，LIU Peng2，WU Qianyong3
（1 China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Locomotive&Car Research Institute of China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China；3 Beijing Zongheng Electro-mechanical Technology Development Co.，Beijing 100094，China；）

For traditional assembly technology of braking calipers involves many disadvantages，a kind of visualized and precise design idea of assembly technology is proposed.Based on the requirement investigation of flow of assembly process，a visualized technology system is established.The system has many functions including edit，transfer and terminal display of technology file，problems feedback and solute，visualized quality check and key data acquisition etc.The system raises the readability，guidance and authority of assembly technology，improves working efficiency of technology engineer，worker，and quality inspector，and upgrades the produce and quality management level.

brake caliper；assembly；technology；visualization

U260.7

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.24

1008-7842（2015）04-0102-04

?）男，工程師（

2014-01-23）