李聯(lián)輝 孫紅霞 李紅梅 張秦瑋 高 陽(yáng) 雷 婷 袁 穎

1.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，銀川，750021 2.南通西北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，南通，226009

基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源和多色集的裝配數(shù)據(jù)建模與組織

李聯(lián)輝1,2孫紅霞1李紅梅1張秦瑋1高 陽(yáng)1雷 婷1袁 穎2

1.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，銀川，750021 2.南通西北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，南通，226009

為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中的數(shù)據(jù)來(lái)源分散、冗余嚴(yán)重和模板更改出錯(cuò)的問(wèn)題，首先基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源建立了任務(wù)驅(qū)動(dòng)的裝配BOM，給出了基于“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”4層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)和公用信息池的數(shù)據(jù)管理框架；然后根據(jù)裝配流程中不同角色對(duì)數(shù)據(jù)組織的需求，建立了裝配數(shù)據(jù)組織網(wǎng)絡(luò)模型，用多色集理論來(lái)對(duì)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，給出了裝配數(shù)據(jù)組織的流程。在某企業(yè)的應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可降低數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)組織效率。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；裝配；單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源；多色集；數(shù)據(jù)建模

Abstract：To solve the problems of dispersed data sources, serious redundant and template changing errors during aero-engine assembly, a task-driven assembly bill of materiel(BOM) was established based on SSPD, and a four-layer data management framework of “draft-template-instance-serialized instance” and public information pool were given; then, depending on the demands for role data organization, an assembly data organization network model was built with polychromatic sets theory to mathematical description, and the flow of assembly data organization was given. An enterprise application proves the efficiency of this method to reduce data redundancy and improve the effectiveness of data organization.

Keywords：aero-engine; assembly; single source of product data(SSPD); polychromatic set; data modeling

0 引言

隨著數(shù)字化/網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配行業(yè)的信息化水平穩(wěn)步提高，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等信息化系統(tǒng)已逐步得到實(shí)施和應(yīng)用[1-5]。這些系統(tǒng)的推廣加速了制造水平的提高，但同時(shí)也導(dǎo)致了巨量的裝配數(shù)據(jù)分散在各個(gè)系統(tǒng)之中，給數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性帶來(lái)了不利影響，另外,航空發(fā)動(dòng)機(jī)多次裝試循環(huán)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題無(wú)法得到解決，這也阻礙了數(shù)據(jù)組織效率的提高。受技術(shù)水平的限制，航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中模板更改情況時(shí)有發(fā)生，由于節(jié)點(diǎn)眾多、實(shí)例化過(guò)程讀寫頻繁，因此模板更改極易引起系統(tǒng)出錯(cuò)甚至崩潰。由上所述，為多信息化系統(tǒng)的融合建立集成式的裝配數(shù)據(jù)模型對(duì)降低數(shù)據(jù)冗余和提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性具有重要意義，同時(shí)還應(yīng)考慮改進(jìn)模板-實(shí)例結(jié)構(gòu)模式以解決模板更改出錯(cuò)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一熱點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[1]提出了一種基于多色集合理論的制造過(guò)程數(shù)據(jù)形式化表達(dá)方法，給出了制造過(guò)程數(shù)據(jù)模型與過(guò)程描述語(yǔ)言核心語(yǔ)義的映射關(guān)系；文獻(xiàn)[2]使用統(tǒng)一信息模型來(lái)描述完整產(chǎn)品制造過(guò)程數(shù)據(jù)，以支持全壽命周期管理；文獻(xiàn)[3]提出了一種裝配工藝與質(zhì)量檢驗(yàn)集成的裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型；文獻(xiàn)[4] 采用面向?qū)ο蟮慕７椒?，通過(guò)對(duì)象類圖建立了復(fù)雜產(chǎn)品裝配元模型，再通過(guò)對(duì)象匹配方法，將復(fù)雜產(chǎn)品裝配元模型轉(zhuǎn)化為航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的對(duì)象模型；文獻(xiàn)[5]通過(guò)基于產(chǎn)品配置和工藝配置的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成技術(shù)以及基于矩陣的產(chǎn)品簇模型實(shí)現(xiàn)了制造執(zhí)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理；文獻(xiàn)[6-7]在單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，分別研究了產(chǎn)品BOM的多視圖映射技術(shù)和基于演變?cè)淼腂OM統(tǒng)一管理框架模型。這些研究較少考慮制造過(guò)程數(shù)據(jù)內(nèi)部各視圖信息間的邏輯關(guān)聯(lián)，對(duì)制造過(guò)程數(shù)據(jù)的整體性把握不足。與已有研究成果[1-7]相比，本文重點(diǎn)關(guān)注航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程數(shù)據(jù)中配料、工藝、任務(wù)、質(zhì)量視圖信息之間的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系，基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的思想，建立以任務(wù)為核心的集成式裝配BOM結(jié)構(gòu)；將“模板-實(shí)例”兩層結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)模式改進(jìn)為基于“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”4層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)和公用信息池的新模式，并給出新模式中各層之間數(shù)據(jù)的演變機(jī)理。

1 裝配過(guò)程數(shù)據(jù)模型

1.1 裝配過(guò)程數(shù)據(jù)內(nèi)容

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一類典型的復(fù)雜重要產(chǎn)品[8]，具體裝配過(guò)程就是將零組件及成附件，按設(shè)計(jì)總圖樣、工藝規(guī)程、臨時(shí)工藝更改等技術(shù)文件進(jìn)行部裝、總裝、檢驗(yàn)和試車等操作，最終形成整機(jī)并達(dá)到可交付使用狀態(tài)。裝配過(guò)程數(shù)據(jù)沿時(shí)間軸方向按裝配流程動(dòng)態(tài)演變，并在整機(jī)合格出廠時(shí)形成完整的裝配履歷，如圖1所示(其中，“故檢”指故障檢查)。可以看出，裝配過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)際上是由“用什么配料來(lái)裝配”、“如何裝配”、“記錄哪些質(zhì)量信息”和“由誰(shuí)在何時(shí)來(lái)執(zhí)行哪個(gè)子任務(wù)”這4個(gè)要素組成的，即配料(M)、工藝(P)、質(zhì)量(Q)和任務(wù)(T),因此，裝配過(guò)程數(shù)據(jù)可映射為配料、工藝、質(zhì)量、任務(wù)視圖上的對(duì)應(yīng)信息。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)兩裝兩試裝配流程(經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化)Fig.1 Two-assembly and two-test process of aero-engine (properly simplified)

借助于BOM這種直觀清晰的表達(dá)方式，裝配過(guò)程中單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在M、P、Q、T視圖上的信息可分別用配料BOM(materials BOM, MBOM)、工藝BOM(process BOM, PBOM)、質(zhì)量BOM(quality BOM, QBOM)和任務(wù)BOM(task BOM, TBOM)表示，如圖2所示，m0、p0、q0、t0為根節(jié)點(diǎn)；m1j、m2j、m3j依次表示部件(Part)、組件(Component)、附/零件(Accessory/Element)節(jié)點(diǎn)；p1j、p2j、p3j依次表示工藝(Process)、工序(Procedure)、工步(Step)節(jié)點(diǎn)；q1j、q2j、q3j依次表示質(zhì)量表(Table)、質(zhì)量表頁(yè)(Page)、質(zhì)量項(xiàng)(Item)節(jié)點(diǎn)；t1j表示子任務(wù)(Task)節(jié)點(diǎn)。

圖2 物料、工藝、質(zhì)量、任務(wù)視圖及其關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.2 Material, process, quality and task view and their relationship

裝配過(guò)程數(shù)據(jù)可表示為一個(gè)4元組DA∷={M,P,Q,T}，M、P、Q、T依次為配料、工藝、質(zhì)量、任務(wù)視圖節(jié)點(diǎn)集，M=m0∪m1j∪m2j∪m3j，P=p0∪p1j∪p2j∪p3j，Q=q0∪q1j∪q2j∪q3j，T=q0∪t1j。如圖3所示：①m表示MBOM樹(shù)節(jié)點(diǎn)，部件(m1j)屬性包括圖號(hào)、附加CAD模型、所含具體組件/成附件/零件等；組件(m∈m2j)屬性包括圖號(hào)、附加CAD模型、所含具體零件等；成附件屬性包括圖號(hào)、單件號(hào)等；零件屬性包括圖號(hào)、物料號(hào)、關(guān)鍵尺寸、壽命、附加CAD模型及技術(shù)要求等。②p表示PBOM樹(shù)節(jié)點(diǎn)，工藝(p∈p1j)一般分為部裝工藝、總裝工藝、分解故檢工藝等，其屬性包括工藝名稱、工藝版本、所含具體工序；工序(p∈p2j)屬性包括工序名稱、工序內(nèi)容、附加動(dòng)畫(huà)、所含具體工步等；工步(p∈p3j)屬性包括工步名稱、內(nèi)容、附加動(dòng)作演示、使用工裝等。③q表示QBOM樹(shù)節(jié)點(diǎn)，質(zhì)量表(q∈t1j)一般分為裝配檢驗(yàn)表、故檢表、試車說(shuō)明、排故單(故障排除單)等，其屬性包括表名稱、表類型、表版本、所含具體表頁(yè)等；表頁(yè)(q∈Page)屬性包括表頁(yè)順序、所含具體質(zhì)量項(xiàng)等；質(zhì)量項(xiàng)(q∈Item)屬性包括質(zhì)量項(xiàng)名稱、合格值范圍和實(shí)際值等。④t(t∈T)表示TBOM樹(shù)節(jié)點(diǎn)，圖1中每個(gè)流程節(jié)點(diǎn)均視為一個(gè)子任務(wù)(t∈t1j)，其屬性包括任務(wù)名稱、任務(wù)類型、序號(hào)、執(zhí)行人、開(kāi)始時(shí)間、完工時(shí)間等。

圖3 物料、工藝、質(zhì)量、任務(wù)視圖節(jié)點(diǎn)屬性Fig.3 Node properties of material, process, quality and task view

1.2 基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的裝配數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配流程(圖1)，每個(gè)流程節(jié)點(diǎn)均視為一個(gè)子任務(wù)，則有：①每個(gè)子任務(wù)均對(duì)M視圖的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)操作。虛擬一個(gè)總裝部件以對(duì)應(yīng)總裝子任務(wù)，將部裝子任務(wù)、總裝子任務(wù)和部件分解故檢子任務(wù)統(tǒng)稱為部件子任務(wù)(Parttask)。除Parttask對(duì)應(yīng)部件節(jié)點(diǎn)外，其他子任務(wù)均對(duì)應(yīng)整機(jī)節(jié)點(diǎn)，稱為整機(jī)子任務(wù)(Enginetask)。②執(zhí)行Parttask時(shí)需按照確定的工藝規(guī)程進(jìn)行操作，即Parttask與工藝節(jié)點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)，而其他子任務(wù)則不對(duì)應(yīng)工藝節(jié)點(diǎn)。③執(zhí)行Parttask時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際質(zhì)量情況需進(jìn)行履歷記錄，即每個(gè)Parttask可能對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量表節(jié)點(diǎn)，如燃燒室裝配任務(wù)t13對(duì)應(yīng)燃燒室檢驗(yàn)表q11、燃燒室裝配報(bào)告q12等。而Enginetask則可能不對(duì)應(yīng)任一質(zhì)量表節(jié)點(diǎn)，如“任務(wù)分發(fā)”子任務(wù)不產(chǎn)生履歷，也就不對(duì)應(yīng)質(zhì)量表節(jié)點(diǎn)。④此外，裝配檢驗(yàn)表、故檢表等質(zhì)量表是按照對(duì)應(yīng)的部裝/總裝工藝、分解故檢工藝執(zhí)行操作后進(jìn)行的履歷記錄，均與工藝節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，將其稱為工藝質(zhì)量表(Processtable)。同時(shí)這類質(zhì)量表的表頁(yè)上可能記載一個(gè)或多個(gè)工序的質(zhì)量信息，如燃燒室檢驗(yàn)表q11的第一頁(yè)q21記載燃燒室裝配工序10(p21)和工序20(p22)的質(zhì)量信息，每個(gè)工步則可能對(duì)應(yīng)多個(gè)質(zhì)量項(xiàng)或不對(duì)應(yīng)質(zhì)量項(xiàng)，如燃燒室裝配工步11(p31)對(duì)應(yīng)質(zhì)量項(xiàng)q31、q32。而試車說(shuō)明、排故單等質(zhì)量表則不與任何工藝對(duì)應(yīng)。

4種視圖節(jié)點(diǎn)之間存在的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系可描述為：

(1)TtoM：ift∈T&&t≠t00), |{m∈M|m?t}|=1。ift.TaskType=Parttask,m∈{m11,m12,…}; else,m=m00?！?’表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)，下同。

(2)TtoP：ift∈T&&t.TaskType=Parttask, |{p∈Process|p?t}|=1; else, |{p∈Process|p?t}|=0。

(3)TtoQ：ift∈T&&t.TaskType=Parttask, |{q∈Table|q?t}|≥1; else, |{q∈Table|q?t}|≥0。

(4)QtoP：ifq∈Table&&q.TableType=Processtable, |{p∈Process|q?p}|=1。ifq∈Page &&q.Parent.TableType=Processtable, |{p∈Procedure|p?q}|≥1。ifp∈Step,|{q∈Item|q?p,q.Parent.Parent.TableType= Processtable }|≥1。

由此可見(jiàn)，裝配過(guò)程中任務(wù)驅(qū)動(dòng)著流程的執(zhí)行并演繹出完整的裝配數(shù)據(jù)。以任務(wù)為核心，基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的思想將4個(gè)視圖的單樹(shù)式結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來(lái)，可建立集成式樹(shù)結(jié)構(gòu)的裝配BOM(assembly BOM, ABOM)，如圖4所示，箭頭指向?yàn)橐晥D節(jié)點(diǎn)的附加信息。

圖4 集成式樹(shù)結(jié)構(gòu)的ABOM Fig.4 ABOM with integrated tree structure

首先從生成階段、與裝配序列相關(guān)性和適用粒度等角度對(duì)各個(gè)視圖信息進(jìn)行分析，信息的生成階段指的信息是在裝配流程開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生(用0表示)還是在裝配過(guò)程中逐步演繹而得(用1表示)，與裝配序列相關(guān)性指信息是否隨裝配序列的遞增而改變(不相關(guān)為0，相關(guān)為1)，適用粒度指信息是面向同機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)(用0表示)還是面向單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)(用1表示)。分析結(jié)果用矩陣R表示：

(1)

物料視圖信息中的CAD模型、技術(shù)要求等面向同機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，而實(shí)例化后零組件、部件等為了便于物料追蹤用GUID碼表示，此時(shí)面向的是單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此該視圖信息的適用粒度為0或1。

根據(jù)以上分析，ABOM節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行三級(jí)分類，物料、工藝、質(zhì)量視圖節(jié)點(diǎn)分別描述了任務(wù)執(zhí)行的對(duì)象、操作、質(zhì)量信息，可定義為任務(wù)描述節(jié)點(diǎn)。其中，物料視圖節(jié)點(diǎn)中物料的附加信息屬于共性數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，實(shí)例化的物料則屬于與裝配序列不相關(guān)的個(gè)性數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)；工藝視圖節(jié)點(diǎn)屬于共性數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，質(zhì)量視圖節(jié)點(diǎn)屬于與裝配序列相關(guān)的個(gè)性數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 ABOM節(jié)點(diǎn)類型Fig.5 Node type of ABOM

1.3 裝配數(shù)據(jù)管理框架

裝配流程開(kāi)始時(shí)的模板實(shí)例化用時(shí)較長(zhǎng)且讀寫頻繁，此時(shí)若進(jìn)行模板的更改則極易引起實(shí)例化出錯(cuò)而導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。信息管理系統(tǒng)中的傳統(tǒng)模式為“模板-實(shí)例”兩層結(jié)構(gòu)，這種模式無(wú)法解決模板更改時(shí)實(shí)例化出錯(cuò)的問(wèn)題。同時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配過(guò)程由一裝、二裝等多次裝試序列組成(圖1)，ABOM節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多、屬性信息量龐大，ABOM中的工藝、物料視圖節(jié)點(diǎn)均與裝配序列不相關(guān)，“模板-實(shí)例”結(jié)構(gòu)下裝試序列遞增對(duì)工藝、物料視圖節(jié)點(diǎn)的重復(fù)復(fù)制會(huì)帶來(lái)巨量的數(shù)據(jù)冗余。為此，本文提出了一種基于“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”4層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)和公用信息池的數(shù)據(jù)管理框架(圖6)，將節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)屬性信息和共性數(shù)據(jù)按BOM結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)關(guān)系存儲(chǔ)在公用信息池中；而在4層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)的同步、實(shí)例化、序列化過(guò)程中只復(fù)制節(jié)點(diǎn)關(guān)系(父子關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系)和個(gè)性數(shù)據(jù)，其中草稿、模板面向機(jī)型，依據(jù)4種視圖節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系建立靜態(tài)數(shù)據(jù)模型；實(shí)例、序列化實(shí)例面向單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，模板實(shí)例化時(shí)復(fù)制任務(wù)、物料、工藝視圖節(jié)點(diǎn)，實(shí)例序列化時(shí)復(fù)制任務(wù)、質(zhì)量視圖節(jié)點(diǎn)，從而能形成單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)沿時(shí)間軸(裝試序列)方向的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)序列。

圖6 裝配數(shù)據(jù)管理框架Fig.6 Assembly data management framework

在草稿庫(kù)、模板庫(kù)、實(shí)例庫(kù)、序列化實(shí)例庫(kù)中，節(jié)點(diǎn)定義如下：①任務(wù)節(jié)點(diǎn)t=(ID,ParentID,mID,pID,qID,Series,TaskExecutor,TaskBeginTime,TaskFinishTime,Pointer)。ID、ParentID分別為t及其父節(jié)點(diǎn)的ID，t為根節(jié)點(diǎn)時(shí)，ParentID為零(下同)；mID為t關(guān)聯(lián)的物料節(jié)點(diǎn)ID；僅當(dāng)t為Parttask類型時(shí)，pID為t關(guān)聯(lián)的工藝節(jié)點(diǎn)ID，其他情況為零；qID={qid1,qid2,…,qidn}(n≥0)為t關(guān)聯(lián)的質(zhì)量表集合；Series為t所在的裝試序列，Series=1,2,…；TaskExecutor、TaskBeginTime、TaskFinishTime依次為t的執(zhí)行者、開(kāi)始時(shí)間和完工時(shí)間；指針Pointer指向t在公用信息池中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)(下同)。②物料節(jié)點(diǎn)m=(ID,ParentID,KeySize,LifeTime,Pointer)。KeySize={ks1,ks2,…,ksk}(k≥0)為m的關(guān)鍵尺寸集合，二元組ksi=(SizeNamei,SizeValuei),1≤i≤k表示關(guān)鍵尺寸i的名稱和實(shí)際值。若m為部件、組件或無(wú)關(guān)鍵尺寸的零件，KeySize為空；LifeTime=(WholeLife,UsedLife)，LifeTime僅對(duì)有壽限規(guī)定的零件有意義，其他情況為空。③工藝節(jié)點(diǎn)p=(ID,ParentID,pItemID,Pointer)。僅當(dāng)p為工步時(shí)，pItemID={qitemid1,qitemid2,…,qitemidu}(u≥0)為p關(guān)聯(lián)的質(zhì)量項(xiàng)集合，其他情況為空。④質(zhì)量節(jié)點(diǎn)q=(ID,ParentID,qProcessID,qProcedureID,Pointer)。僅當(dāng)q為質(zhì)量表時(shí)，qProcessID為q關(guān)聯(lián)的工藝，其他情況為零；僅當(dāng)q為質(zhì)量表頁(yè)時(shí)，qProcedureID={qprocedureid1,qprocedureid2,…,qprocedureidw}(w≥0)為q關(guān)聯(lián)的工序集合，其他情況為空。可見(jiàn)，草稿、模板庫(kù)中分別以機(jī)型為單位記錄虛擬履歷，其中的個(gè)性數(shù)據(jù)和裝試序列信息(如m的GUID和關(guān)鍵尺寸值，t的序列、執(zhí)行信息，t的質(zhì)量項(xiàng)實(shí)際值等)均為空值；實(shí)例庫(kù)、序列化實(shí)例庫(kù)則填入上述信息的實(shí)際值，共同實(shí)現(xiàn)單臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)履歷記錄。公用信息池中節(jié)點(diǎn)的具體定義可通過(guò)圖3的詳細(xì)屬性信息得到，限于篇幅不一一給出。

2 裝配數(shù)據(jù)組織

2.1 數(shù)據(jù)組織網(wǎng)絡(luò)模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配是一個(gè)多角色共同參與的過(guò)程，不同角色的人員完成相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，裝配流程中不同人員對(duì)數(shù)據(jù)的需求不同；另外作為軍工產(chǎn)品，裝配過(guò)程中必須進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，如某些關(guān)鍵工序需執(zhí)行自檢、互檢、專檢、軍檢四級(jí)檢驗(yàn)程序，同時(shí)用戶會(huì)對(duì)最終的交付質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控。在其他角色中，操作工人主要關(guān)注任務(wù)的起始與完工時(shí)間、工裝設(shè)備狀態(tài)、超差和易損傷零件信息、工時(shí)定額與關(guān)鍵工序等，而管理者除關(guān)注任務(wù)的起始與完工時(shí)間和執(zhí)行人外，更關(guān)注的是重要質(zhì)檢信息、不合格項(xiàng)控制情況和交付質(zhì)量項(xiàng)等。對(duì)不同人員數(shù)據(jù)需求進(jìn)行分析并建立裝配過(guò)程數(shù)據(jù)組織網(wǎng)絡(luò)模型，如圖7所示。

圖7 裝配數(shù)據(jù)組織網(wǎng)絡(luò)模型Fig.7 Assembly data organization network model

采用傳統(tǒng)集合論和圖論的數(shù)學(xué)描述工具對(duì)類似的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行形式化描述時(shí)，不僅要對(duì)模型中的每一個(gè)元素建立集合，還要對(duì)關(guān)聯(lián)元素單獨(dú)建立集合或關(guān)系圖，顯得較為繁瑣且不夠清晰，同時(shí)缺乏嚴(yán)格的邏輯推理操作方法。多色集(polychromatic sets, PS)的特點(diǎn)是能夠描述集合本身及其組成元素的性質(zhì), 以及集合本身性質(zhì)與其組成元素及性質(zhì)之間的相互關(guān)系[9-10]。通過(guò)PS理論能直觀地表達(dá)圖7中模型元素間的關(guān)系。

2.2 裝配過(guò)程數(shù)據(jù)組織的多色集表示

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程數(shù)據(jù)組織的多色集元素即為任務(wù)、物料、工藝、質(zhì)量4個(gè)視圖，依次用a1、a2、a3、a4表示，記為A=(a1,a2,a3,a4)。多色集的個(gè)人顏色表示任務(wù)、物料、工藝、質(zhì)量視圖中節(jié)點(diǎn)可能具有的特征。任務(wù)具有起始和完工時(shí)間、執(zhí)行人、工裝設(shè)備狀態(tài)的特征，依次用a11、a12、a13表示；物料具有超差零件、易損傷零件、外協(xié)零件的特征，依次用a21、a22、a23表示；工藝有工時(shí)定額、關(guān)鍵工序的特征，依次用a31、a32表示；質(zhì)量有重要質(zhì)檢信息、不合格項(xiàng)控制情況、交付質(zhì)量項(xiàng)的特征，依次用a41、a42、a43表示，記為Fa=(a11,a12,a13,a21,a22,a23,a31,a32,a41,a42,a43)。多色集的統(tǒng)一顏色為有數(shù)據(jù)組織需求的不同角色，即操作工人、工藝員、質(zhì)檢員、用戶、管理者，依次用b1、b2、b3、b4、b5表示，記為Fb=(b1,b2,b3,b4,b5)。

由此，本文中裝配過(guò)程數(shù)據(jù)組織的多色集元素的個(gè)人顏色布爾矩陣

(2)

每一行表示對(duì)應(yīng)元素的個(gè)人顏色，如第1行[1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0]表示任務(wù)元素有起始和完工時(shí)間、執(zhí)行人、工裝設(shè)備三種個(gè)人顏色。

元素和統(tǒng)一顏色之間的相關(guān)關(guān)系布爾矩陣

(3)

每一列表示對(duì)應(yīng)統(tǒng)一顏色與哪些元素有關(guān)，如第1列[1 1 1 0]T表示操作工人統(tǒng)一顏色與任務(wù)、物料、工藝三個(gè)元素有關(guān)。

元素個(gè)人顏色與統(tǒng)一顏色之間相關(guān)關(guān)系布爾矩陣

(4)

每一行表示對(duì)應(yīng)統(tǒng)一顏色與哪些個(gè)人顏色有關(guān)，如第1行[1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0]表示操作工人統(tǒng)一顏色與起始完工時(shí)間顏色、執(zhí)行人顏色、工裝設(shè)備顏色、超差零件顏色、易損傷零件顏色、工時(shí)定額顏色和關(guān)鍵工序顏色有關(guān)。

裝配數(shù)據(jù)需求的獲取流程如圖8所示，在得到用PS理論表示數(shù)據(jù)組織需求的A×Fa,A×Fb,Fa×Fb矩陣后，首先判斷該需求是否與任務(wù)有關(guān)，若是，則指定任務(wù)特征(指定起始和完工時(shí)間、任務(wù)的執(zhí)行人，任務(wù)的特定工裝設(shè)備)，并尋找ABOM上符合指定特征的所有任務(wù)節(jié)點(diǎn)；否則獲取當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的所有任務(wù)節(jié)點(diǎn)。然后依次遍歷所有符合指定特征的任務(wù)節(jié)點(diǎn)，獲取與指定特征相符的物料、工藝、質(zhì)量信息后打包返回。

圖8 裝配數(shù)據(jù)組織流程Fig.8 Assembly data organization flow

3 分析、討論與應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性

本文建立的集成式ABOM已應(yīng)用于與某航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的“裝配車間綜合管控系統(tǒng)”(assembly workshop integrated management and control system, AW-IMCS)中。

通過(guò)與其他系統(tǒng)的集成，裝配數(shù)據(jù)以集成式ABOM的方式在AW-IMCS中實(shí)現(xiàn)了單源存儲(chǔ)，減少了裝配過(guò)程中數(shù)據(jù)演變時(shí)與其他系統(tǒng)的頻繁交互，交付出廠時(shí)在AW-IMCS中能夠生成完整的裝配履歷，從而保證了裝配數(shù)據(jù)的一致性。在數(shù)據(jù)管理框架中，對(duì)于“模板-實(shí)例”兩層結(jié)構(gòu)，如果模板更改過(guò)程中恰好進(jìn)行從該模板到實(shí)例的復(fù)制，就會(huì)因模板不完整導(dǎo)致出錯(cuò)；而對(duì)于“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”4層結(jié)構(gòu)，則先對(duì)草稿進(jìn)行修改，修改過(guò)程不影響從對(duì)應(yīng)模板到實(shí)例的復(fù)制，修改完成后進(jìn)行向?qū)?yīng)模板的同步，在草稿同步過(guò)程中禁止復(fù)制對(duì)應(yīng)模板，同步完成后方能進(jìn)行相關(guān)復(fù)制操作，通過(guò)“更改隔離”的改進(jìn)方法解決了模板更改導(dǎo)致復(fù)制出錯(cuò)的問(wèn)題。另外，以裝配數(shù)據(jù)演進(jìn)中最為復(fù)雜的“創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)”過(guò)程為例，建立基于集成式ABOM結(jié)構(gòu)的Petri網(wǎng)模型(圖9)，其中，庫(kù)所的存放內(nèi)容、狀態(tài)和變遷表示的事件依次如下：beginA表示發(fā)動(dòng)機(jī)(機(jī)型、產(chǎn)品號(hào))；addA表示添加發(fā)動(dòng)機(jī)，即MBOM根節(jié)點(diǎn)；beginB表示該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的任務(wù)；addB表示添加任務(wù)；beginC表示任務(wù)對(duì)應(yīng)的工藝、質(zhì)量、物料信息；prepareC表示獲取任務(wù)對(duì)應(yīng)的工藝、質(zhì)量、物料信息；beginD表示任務(wù)對(duì)應(yīng)的工藝，addD表示若任務(wù)屬Parttask類，添加任務(wù)對(duì)應(yīng)的工藝；skipD表示若任務(wù)屬Enginetask類，跳過(guò)；beginE表示工序； addE表示添加工序；beginF表示工步；addF表示添加工步；checkD表示確認(rèn)任

圖9 “創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)”的Petri網(wǎng)模型Fig.9 Petri net model of “create an aero -engine”

務(wù)對(duì)應(yīng)的工藝；endD表示完成；beginG表示任務(wù)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量表；addG表示添加任務(wù)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量表；skipG表示任務(wù)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量表個(gè)數(shù)為0，跳過(guò)；beginH表示質(zhì)量頁(yè)；addH表示添加質(zhì)量頁(yè)；beginI表示質(zhì)量項(xiàng)；addI表示添加質(zhì)量項(xiàng)；checkG表示確認(rèn)任務(wù)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量表；endG表示完成；beginJ表示任務(wù)對(duì)應(yīng)的物料；addJ表示若任務(wù)屬Parttask類，添加任務(wù)對(duì)應(yīng)的物料(僅部件)；skipJ表示若任務(wù)屬Enginetask類，跳過(guò)；checkJ表示確認(rèn)任務(wù)對(duì)應(yīng)的物料；endJ表示完成；beginK表示質(zhì)量頁(yè)與工序、工步與質(zhì)量項(xiàng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系；addK表示若存在質(zhì)量頁(yè)與工序、工步與質(zhì)量項(xiàng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，添加；skipK表示若不存在質(zhì)量頁(yè)與工序、工步與質(zhì)量項(xiàng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，跳過(guò)；checkK表示確認(rèn)質(zhì)量頁(yè)與工序、工步與質(zhì)量項(xiàng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系；endK表示完成；checkC表示確認(rèn)任務(wù)對(duì)應(yīng)的工藝、質(zhì)量、物料信息；endC表示完成；checkB表示確認(rèn)該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的任務(wù)；endB表示完成；finishA表示成功創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)。由Petri網(wǎng)模型性質(zhì)和該P(yáng)etri網(wǎng)模型的可達(dá)標(biāo)識(shí)圖可知，“創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)”過(guò)程處處可達(dá)、安全、無(wú)鎖死狀態(tài)。其他的數(shù)據(jù)演進(jìn)過(guò)程(如草稿同步、實(shí)例序列化等)也具有同樣的性質(zhì)，限于篇幅，不一一給出。由此，集成式ABOM結(jié)構(gòu)能夠滿足數(shù)據(jù)演進(jìn)中的穩(wěn)定性要求。

3.2 數(shù)據(jù)冗余

假設(shè)有n臺(tái)同型發(fā)動(dòng)機(jī)(兩裝兩試)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)的MBOM、PBOM、TBOM、QBOM節(jié)點(diǎn)數(shù)依次為a、b、c、d，發(fā)動(dòng)機(jī)i(1≤i≤n)的裝試序列數(shù)為Ei(Ei≥2)?！澳０?實(shí)例”模式下n臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)總數(shù)

(5)

采用“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”模式，n臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)總數(shù)

(6)

以某XX機(jī)型為例，其MBOM、PBOM、TBOM、QBOM節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)依次約為1500、500、20、300。假設(shè)5臺(tái)XX型發(fā)動(dòng)機(jī)的裝試序列數(shù)分別為2、3、2、4、3，“模板-實(shí)例”模式下的裝配數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為32 480；“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”模式下則為14 480，減少節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)18 000，占18 000/32 480=55.4%，并且同型發(fā)動(dòng)機(jī)越多、裝試序列數(shù)越多，減少的冗余節(jié)點(diǎn)越多。另外，共性數(shù)據(jù)和附加信息存儲(chǔ)在公用信息池中，而在4層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)中只復(fù)制節(jié)點(diǎn)關(guān)系(父子關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系)和個(gè)性數(shù)據(jù)，也大大減少了裝配數(shù)據(jù)的磁盤占用空間。

3.3 應(yīng)用場(chǎng)景

AW-IMCS實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的數(shù)字化管控，并在交付出廠時(shí)形成完整的裝配履歷。如圖10所示，系統(tǒng)基于集成式ABOM和數(shù)據(jù)組織的多色集表達(dá)方式，能夠生成沿時(shí)間軸方向的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)快照(圖10數(shù)據(jù)演進(jìn)場(chǎng)景)，并能依據(jù)不同參與角色的需求對(duì)裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行組織并呈現(xiàn)(信息追溯、實(shí)時(shí)裝配流程、過(guò)程監(jiān)控等場(chǎng)景)。

圖10 應(yīng)用場(chǎng)景Fig.10 Application scenarios

4 結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中的數(shù)據(jù)來(lái)自于不同企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，給裝配數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性帶來(lái)了不利的影響，同時(shí)裝配數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)眾多、存儲(chǔ)量龐大也影響到數(shù)據(jù)組織效率的提高。鑒于此，本文基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的思想，建立集成式裝配BOM模型；提出了“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”4層模式的數(shù)據(jù)管理框架；建立了裝配數(shù)據(jù)組織網(wǎng)絡(luò)模型，用多色集理論來(lái)對(duì)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，最后給出了裝配數(shù)據(jù)組織的流程。經(jīng)應(yīng)用分析證明，集成式裝配BOM與單樹(shù)式BOM相比，保證了裝配數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性；“草稿-模板-實(shí)例-序列化實(shí)例”4層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理框架能有效解決模板更改時(shí)復(fù)制出錯(cuò)的問(wèn)題，還大幅降低了數(shù)據(jù)冗余度；多色集理論與傳統(tǒng)集合理論相比，能簡(jiǎn)潔直觀地對(duì)裝配數(shù)據(jù)組織網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，以便于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和處理。

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(編輯袁興玲)

AssemblyDataModelingandOrganizationBasedonSSPDandPolychromaticSets

LI Lianhui1,2SUN Hongxia1LI Hongmei1ZHANG Qinwei1GAO Yang1LEI Ting1YUAN Ying2

1.College of Mechatronic Engineering,North Minzu University, Yinchuan，7500212.Nantong-Northwestern Polytechnical University Industrial Design Research Institute,Nantong, Jiangsu,226009

TP391；TH16

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.19.012

2017-03-26

北方民族大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2017KJ22)

李聯(lián)輝，男，1986年生。北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師、博士后研究人員。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)、工業(yè)工程。發(fā)表論文10余篇。E-mail：lilianhui@nun.edu.cn。孫紅霞，女，1970年生。北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授。李紅梅，女，1975年生。北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授。張秦瑋，男，1988年生。北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院助教。高陽(yáng)，男，1979年生。北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。雷婷，女，1991年生。北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院助教。袁穎，男，1983年生。南通西北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究院工程師。