宋承軒，吉衛(wèi)喜，房 杰

(江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著中國制造2025戰(zhàn)略的提出，各制造企業(yè)都在尋求更好的技術(shù)來對其生產(chǎn)制造領(lǐng)域進行支持和改進，產(chǎn)品的質(zhì)量要求也被提高到了一個新的層次，如何提高企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量也成為了一個企業(yè)能否良性運行的關(guān)鍵。

電梯零部件制造企業(yè)作為一種典型的多品種、小批量生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)過程復(fù)雜多樣。傳統(tǒng)的質(zhì)檢管理，工序質(zhì)量信息和質(zhì)量數(shù)據(jù)仍依靠質(zhì)檢人員手動錄入系統(tǒng)，信息采集的利用率低，反饋信息少。進而導(dǎo)致產(chǎn)品追溯能力不足，發(fā)生質(zhì)量問題時，追溯過程緩慢且難以精準(zhǔn)定位。

目前，部分電梯零部件制造企業(yè)已經(jīng)成功的將RFID技術(shù)引入到生產(chǎn)管理當(dāng)中，并成功的實現(xiàn)了對產(chǎn)品批次的追溯，但在零部件的質(zhì)量追溯時，只能追溯到包含零部件的相應(yīng)批次的質(zhì)量信息，對于單個零部件的質(zhì)量信息，追溯能力略顯不足。

針對以上的研究，本文以某電梯零部件制造企業(yè)為背景，將二維碼和RFID引入到車間的生產(chǎn)跟蹤與產(chǎn)品的質(zhì)量追溯過程中，提出了基于RFID和二維碼的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方案和質(zhì)量追溯方案。采用RFID技術(shù)標(biāo)識產(chǎn)品與物料，二維碼標(biāo)識產(chǎn)品中的關(guān)重件，用對關(guān)重件的雙重標(biāo)識的方法，實現(xiàn)了對單個零部件進行質(zhì)量追溯的目標(biāo)。并在重要的工位安置RFID讀寫器，結(jié)合ERP(企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)實現(xiàn)了在制品信息的及時跟蹤[1]。同時，建立了關(guān)重件的二維碼質(zhì)量追溯云平臺，優(yōu)化了產(chǎn)品現(xiàn)有的質(zhì)量追溯流程。

1 基于二維碼和RFID的數(shù)據(jù)采集方案

1.1 二維碼、RFID在車間生產(chǎn)管理中的實施策略

由于電梯零部件是小批量、多品種的生產(chǎn)方式，屬于一種典型的離散制造式產(chǎn)品。企業(yè)在接受訂單并下達后，生成主生產(chǎn)計劃，隨后在車間生成多個批次的零部件計劃。要對訂單進行實時的跟蹤，需要對零部件在車間流轉(zhuǎn)過程中的物流數(shù)據(jù)以及質(zhì)量數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的采集。傳統(tǒng)的手工采集數(shù)據(jù)的方案不僅效率低下，而且不能夠確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題后也很難實現(xiàn)快速可靠的追溯。要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時、高效、準(zhǔn)確的采集，目前企業(yè)采取的方法包括：條形碼采集方案、二維碼采集方案、RFID采集方案等[2]。其中，條形碼在使用過程中一旦損壞，就無法掃描出所存儲的信息，并且條形碼的存儲空間也十分有限，不適用于產(chǎn)品信息量大而雜的離散制造企業(yè)。相比而言，二維碼的存儲信息量較大，并具有抗磨損性能強，防偽效果好等優(yōu)勢。但二維碼的可移動性差，識別距離短；一旦打印出來后便不可更改，掃描讀取信息時，需要識讀器近距離的掃描讀取信息。并且，二維碼標(biāo)識技術(shù)雖然已經(jīng)在食品業(yè)以及農(nóng)業(yè)等得到了成功的應(yīng)用，但由于機械零部件在使用過程中很易磨損，若在零部件上貼二維碼標(biāo)簽，則二維碼標(biāo)簽容易脫落，因此目前二維碼技術(shù)在制造企業(yè)生產(chǎn)過程中尚未得到廣泛應(yīng)用。而在車間物流的方面，RFID標(biāo)簽與物料進行綁定后，利用RFID數(shù)據(jù)采集器和車間終端設(shè)備將數(shù)據(jù)信息上傳到服務(wù)器，可實現(xiàn)車間物流信息的實時跟蹤，同時在一批產(chǎn)品完工入庫后，RFID還可以回收重新使用，節(jié)省了生產(chǎn)成本。條形碼、二維碼、RFID的對比如表1所示。

表1 條形碼、二維碼、RFID的比較

為解決離散制造企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量追溯中對單個零件質(zhì)量問題無法溯源的問題，本文中引入了關(guān)重件[3]的概念，對于一批產(chǎn)品中的重要零部件要實現(xiàn)單獨的及時跟蹤與可追溯。因此，本文提出了將二維碼和RFID混合使用的數(shù)據(jù)采集方案。一方面，將RFID標(biāo)簽與物料的批次(生產(chǎn)流轉(zhuǎn)卡)進行關(guān)聯(lián)，利用每個工位上的RFID數(shù)據(jù)采集器對質(zhì)量數(shù)據(jù)和物流數(shù)據(jù)進行實時的采集。另一方面，對于單個物料批次中的關(guān)重件，利用激光雕刻技術(shù)在零件的非工作表面雕刻二維碼，對每一個關(guān)重件進行單獨關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)關(guān)重件在車間工序流轉(zhuǎn)過程中的獨立跟蹤與可追溯。對零件在跟蹤和流轉(zhuǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行整合后，建立起零件的加工日志[4]，實現(xiàn)關(guān)重件在出庫后的終身可追溯性。

針對電梯零部件在實際生成加工中的運作流程特點，根據(jù)企業(yè)的實際要求提出了基于二維碼和RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方案如圖1所示。

圖1 基于二維碼和RFID的數(shù)據(jù)采集方案

1.2 二維碼以及RFID標(biāo)簽的編碼規(guī)則

要將二維碼以及RFID技術(shù)引入到生產(chǎn)的跟蹤與管理中，首先要確立二維碼與RFID要存儲的信息。對于物料在車間的流轉(zhuǎn)過程中，采用將RFID標(biāo)簽與生產(chǎn)流轉(zhuǎn)卡上的批次號建立關(guān)聯(lián)的方法；而對于關(guān)重件則通過一個唯一的二維碼對零件進行標(biāo)識。RFID及二維碼內(nèi)的信息包括訂單號、零件名、零件代碼、檢驗結(jié)果、流水號以及關(guān)重件質(zhì)量追溯云平臺的URL地址等。RFID及二維碼與物料的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 RFID及二維碼與物料的關(guān)聯(lián)關(guān)系

根據(jù)上述編碼規(guī)則，設(shè)計編碼格式如下：

(1)RFID編碼格式

N1(1)N2(2)N3(3)N4(4)N5(5)N6(6)N7(7)各號碼對應(yīng)信息如下：①訂單號，②生產(chǎn)流轉(zhuǎn)卡單號，③零件名稱，④零件代碼，⑤負(fù)責(zé)人，⑥機床編號, ⑦物料所在車間代碼；例如：

PTDD16010001 16WO000001 P101015C250-01 16243601-01 11011 40220015 0103

(2)二維碼編碼格式

N1(1)N2(2)N3(3)N4(4)N5(5)N6(6)

各號碼對應(yīng)信息如下：①云平臺URL地址，②訂單號，③零件代碼，④零件描述，⑤追溯碼；例如：

http://192.168.1.59/zlzl/BM= PTDD16010001 16243601-01 電磁鐵組件——絕緣板 16WO000001-0001

2 質(zhì)量追溯系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 產(chǎn)品批次清單的建立

電梯零部件是一種典型的小批量、多品種的制造方式，一般以批次為生產(chǎn)單元進行生產(chǎn)。每一個批次對應(yīng)一個唯一的批次號，達到標(biāo)識物料及其相關(guān)信息的目的，為產(chǎn)品的可追溯性打下基礎(chǔ)。產(chǎn)品及零部件的批次主要包括原材料批次、零部件批次、部件批次、成品批次等。如上文中所述的，在每一個批次的形成過程中，采用RFID標(biāo)簽與批次號進行關(guān)聯(lián)的方法對產(chǎn)品的批次進行唯一的關(guān)聯(lián)，同時利用二維碼對工序流轉(zhuǎn)中的關(guān)重件進行單獨標(biāo)識，達到多層次的追溯結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品批次的形成過程如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品批次形成過程

在記錄了產(chǎn)品及其零部件的批次信息后，就可以根據(jù)這些信息對產(chǎn)品進行關(guān)聯(lián)查詢。當(dāng)對問題產(chǎn)品進行質(zhì)量追溯時，還需要查詢到該與該產(chǎn)品有關(guān)聯(lián)的零部件信息，才能夠?qū)υ搯栴}產(chǎn)品的整個訂單批次進行前向跟蹤和后向溯源，這就需要對產(chǎn)品批次進行展開。對于產(chǎn)品批次展開，本文引入了批次清單(Bill of Lots，BOL)的概念[5]，目的在于定義產(chǎn)品的批次構(gòu)成，包括目標(biāo)產(chǎn)品的所有子部件(原材料，半成品，零部件)，并且包括所有子部件所對于的批次號。BOL是一種樹狀結(jié)構(gòu)，意義是在于通過將產(chǎn)品從頂層展開后，確立最終產(chǎn)品批次與他所組成的各成分的批次之間的關(guān)系，為實現(xiàn)批量化生產(chǎn)中的產(chǎn)品可追溯性提供一種手段，如圖4所示是產(chǎn)品A的批次清單。

圖4 產(chǎn)品A的批次清單

2.2 質(zhì)量追溯模型的建立

根據(jù)上節(jié)所述，將BOL引入到產(chǎn)品的質(zhì)量追溯當(dāng)中，通過BOL追溯缺陷產(chǎn)品的相關(guān)批次以及裝配了這些部件和零件的產(chǎn)品的批次，達到雙向追溯的目的。追溯的原理如圖5所示。

如圖5所示，為BOL在質(zhì)量追溯中的實際應(yīng)用，包括前向和后向追溯。追溯線如：當(dāng)發(fā)現(xiàn)批號為a010的產(chǎn)品A出現(xiàn)質(zhì)量問題時，通過查詢批次定位到產(chǎn)品A中批次號為a0201的零件E的缺陷導(dǎo)致了質(zhì)量問題，此為前向追溯；在通過查詢發(fā)現(xiàn)該批次的零件E還構(gòu)成了批次號為a021的部件B和批次號為a011的產(chǎn)品A，此為后向追溯，這樣就完成了整個追溯過程。

圖5 基于BOL的產(chǎn)品質(zhì)量追溯原理

上文中提出將RFID以及二維碼技術(shù)引入到產(chǎn)品的生產(chǎn)過程及質(zhì)量數(shù)據(jù)采集當(dāng)中，并結(jié)合BOL方法，建立起產(chǎn)品的車間生產(chǎn)管理與質(zhì)量追溯系統(tǒng)，在一定程度上解決了產(chǎn)品全生命周期[6]的跟蹤與追溯能力不足、信息不共享等問題，但目前大部分企業(yè)的對物料的跟蹤與追溯過程大都是從原材料的下發(fā)開始到成品的出庫時結(jié)束。當(dāng)產(chǎn)品出庫后，一旦客戶在產(chǎn)品的使用過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問題并向生產(chǎn)廠家尋求解決方案的時候；若只是普通的零部件，企業(yè)只需派發(fā)更換用的零部件即可；而對于制造成本較高的關(guān)重件，企業(yè)往往需要將缺陷產(chǎn)品進行回收，回收后再根據(jù)缺陷產(chǎn)品的批次，對該產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程進行溯源，以分析產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生的原因，整個過程中需要大量的人力和物力的投入，大大增加了質(zhì)量追溯的成本。所以本文中提出了將關(guān)重件的非加工表面刻印二維碼以達到唯一標(biāo)識的方法，同時提出了建立基于二維碼的電梯零部件質(zhì)量追溯云平臺[7]系統(tǒng)。當(dāng)關(guān)重件在使用過程中發(fā)生問題后，客戶只需使用手機web或微信的掃一掃功能，就可以查詢到該關(guān)重件的名稱、批次、生產(chǎn)廠家、加工日志、出廠時間等等信息。隨后就可以第一時間向企業(yè)描述出問題零部件的具體信息，企業(yè)內(nèi)部也可以根據(jù)相關(guān)的信息，快速定位問題零部件的批次及相關(guān)負(fù)責(zé)人員，同時及時的作出相應(yīng)的解決方案?；诙S碼和云平臺的質(zhì)量追溯系統(tǒng)如圖6所示。最后結(jié)合BOL的原理以及云平臺技術(shù)，將產(chǎn)品質(zhì)量追溯的流程表示見圖7。

圖6 基于二維碼和云平臺的電梯零部件質(zhì)量追溯系統(tǒng)

圖7 產(chǎn)品質(zhì)量追溯流程

3 電梯零部件制造過程質(zhì)量追溯系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于上述的思想，本文的設(shè)計中采用了PowerBuilder11.5作為開發(fā)工具開發(fā)了基于二維碼和RFID的車間生產(chǎn)管理與質(zhì)量追溯系統(tǒng)，采用Eclipse開發(fā)了基于二維碼的企業(yè)質(zhì)量追溯網(wǎng)站，采用SQL Server2008作為后臺支撐數(shù)據(jù)庫。RFID讀寫器方面采用了STC89S52單片機板開發(fā)，RFID芯片采用了MF522，可識別標(biāo)準(zhǔn)的M1卡片。利用MSComm.ocx控件進行計算機與讀寫器的串口通信。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)企業(yè)的實際情況及生產(chǎn)要求，本文設(shè)計的電梯零部件質(zhì)量追溯系統(tǒng)主要的功能模塊包括：生產(chǎn)任務(wù)管理、質(zhì)量追溯、RFID和二維碼的錄入與打印。輔助功能模塊包括：用戶管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、庫存信息管理。系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 電梯零部件質(zhì)量追溯系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

部分功能模塊描述：車間計劃通過MES系統(tǒng)下達后，到達車間流轉(zhuǎn)流程，工人通過設(shè)置在機床旁的車間終端設(shè)備上的RFID讀寫機進行掃卡(與生產(chǎn)流轉(zhuǎn)卡綁定的RFID標(biāo)簽卡片)操作，即可接受訂單并開始加工，工序完工后再掃卡確認(rèn)完工，該批次零部件自動轉(zhuǎn)移至下一道工序，工人需將RFID卡與零部件交與下一道工序的工人手中(如圖9所示)。

圖9 系統(tǒng)車間流轉(zhuǎn)界面截圖

加工時，每個零件在工序完成后送往激光雕刻機在非加工表面雕刻二維碼(若在上道工序中已完成二維碼刻印，則不重復(fù)該操作)，二維碼刻印后，該關(guān)重件便可在質(zhì)量追溯云平臺網(wǎng)站上進行生產(chǎn)過程跟蹤與追溯，如圖10所示。

圖10 質(zhì)量追溯云平臺截圖

4 結(jié)束語

針對電梯零部件對生產(chǎn)監(jiān)控以及質(zhì)量追溯的要求，本文提出了基于RFID以及二維碼技術(shù)的電梯零部件生產(chǎn)流程管理的架構(gòu)模式。運用RFID技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)物料過程中對零部件的實時監(jiān)控，并提出了采用二維碼對關(guān)重件進行雙重標(biāo)識的方案，實現(xiàn)了對特定零件的質(zhì)量信息追溯。

本文所設(shè)計的系統(tǒng)在生產(chǎn)物流方面采用RFID技術(shù)，實現(xiàn)了零部件質(zhì)量信息的自動采集，提升了生產(chǎn)過程中的監(jiān)控調(diào)度與流程管理水平。在質(zhì)量追溯方面，采用二維碼及云平臺技術(shù)，使得系統(tǒng)既能夠?qū)δ骋粋€特定零件進行質(zhì)量追溯，又能夠?qū)Π搨€零件的產(chǎn)品批次進行追溯。提高了質(zhì)量追溯的快速性與精準(zhǔn)性，為多品種、小批量生產(chǎn)模式的電梯零部件制造企業(yè)的質(zhì)量追溯提供了一套高效可行的方案。有效的克服了此前電梯零部件生產(chǎn)車間存在的數(shù)據(jù)采集效率低、質(zhì)量追溯不及時、追溯信息不準(zhǔn)確的問題，提高了車間的自動化程度與生產(chǎn)效率。

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