基于Petri 網(wǎng)的機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程中的質(zhì)量門(mén)控制方法

楊苑凌，趙賀金，葛茂根，張銘鑫

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車學(xué)院，合肥 230009；2.安徽江淮汽車股份有限公司 技術(shù)中心，合肥 230601）

0 引言

機(jī)械產(chǎn)品是由以千萬(wàn)計(jì)的各類零、部件組成的，其裝配過(guò)程是按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程制定的精度要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組裝成部件、產(chǎn)品等，經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)格的測(cè)試過(guò)程，確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)的工藝流程。由于裝配過(guò)程受多種因素的影響，如果不能對(duì)這些因素進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)控，就難以保證整個(gè)裝配工序鏈的質(zhì)量穩(wěn)定性，為糾正前一工序/過(guò)程的偏差或缺陷所采取的措施成本呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了解決上述問(wèn)題，做到及時(shí)診斷出裝配過(guò)程中質(zhì)量的偏差或缺陷并防止其傳遞至下游工序，以達(dá)到減少裝配環(huán)節(jié)質(zhì)量損失并降低成本的目的，本文提出了產(chǎn)品裝配過(guò)程中基于面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)的質(zhì)量門(mén)控制方法。

隨著建模的對(duì)象已經(jīng)變?yōu)樵絹?lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)，其形態(tài)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出層次化、多樣化特點(diǎn)，而Petri-Nets 是過(guò)程建模領(lǐng)域的常用工具，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)具體的工程背景和系統(tǒng)特點(diǎn)，將其他學(xué)科的相關(guān)知識(shí)與Petri-Nets 相融合，相繼對(duì)賦時(shí)Petri-Nets［1］、著色Petri-Nets［2－3］、模糊Petri-Nets［4］以及面向?qū)ο驪etri-Nets［5－6］進(jìn)行了深入研究。

由于裝配系統(tǒng)包含的裝配資源對(duì)象種類多、數(shù)量大，各對(duì)象間交互關(guān)系與系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行邏輯也日漸復(fù)雜，為了更簡(jiǎn)潔地描述系統(tǒng)的行為，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)（Object Oriented Modeling，OOM）與Petri-Nets 相結(jié)合的方式，形成面向?qū)ο驪etri-Nets（OOPN）進(jìn)行系統(tǒng)建模［7－9］，利用其較好的封裝性、繼承性等特點(diǎn)，使模型避免了Petri-Nets 自身可能出現(xiàn)的單個(gè)模型過(guò)大等缺點(diǎn)，具有模塊化和可重用的特點(diǎn)，有效地縮減了模型規(guī)模和復(fù)雜程度。

1 質(zhì)量門(mén)控制概述

質(zhì)量門(mén)是設(shè)置在產(chǎn)品裝配過(guò)程中的一系列質(zhì)量控制點(diǎn)。這里的“門(mén)”是借用邏輯門(mén)的概念，質(zhì)量門(mén)采用“邏輯與門(mén)”的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)控制監(jiān)控中的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖1 所示，輸入條件即為裝配過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)質(zhì)量門(mén)中預(yù)置的校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)判斷在制品的裝配質(zhì)量；輸出事件即為在制品裝配合格，允許通過(guò)；當(dāng)質(zhì)量門(mén)的所有輸入條件都滿足時(shí)，即裝配過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到所有校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，輸出事件（產(chǎn)品流轉(zhuǎn)至下游工序）才發(fā)生。

要建立面向機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程中質(zhì)量門(mén)控制體系，首先對(duì)影響產(chǎn)品裝配過(guò)程質(zhì)量因素進(jìn)行分析，從中選取質(zhì)量門(mén)的控制參數(shù)和校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)械產(chǎn)品的裝配工藝可以描述為，產(chǎn)品的裝配質(zhì)量是由線上的操作人員（Man），在一定的裝配操作環(huán)境（Environment）中，運(yùn)用固定的機(jī)器設(shè)備（Machine），按照設(shè)計(jì)階段規(guī)定的操作方法（Method）對(duì)原材料（Material）加工制造出來(lái)的［10］，所以對(duì)在制品的裝配質(zhì)量的影響因素主要可以分為4M1E 這5 種，本文將它們作為選取質(zhì)量門(mén)的控制參數(shù)和校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1）人員。人員是裝配過(guò)程的執(zhí)行者，在影響裝配過(guò)程質(zhì)量特性的所有因素中，人是最活躍、不確定性最大的因素，所以操作人員的缺陷和疏忽是質(zhì)量門(mén)所監(jiān)控的首要因素，包括人員能力水平、工作時(shí)間、人員到崗率、誤操作率、漏檢率、合格率和返修率等信息，這些標(biāo)準(zhǔn)記做H=｛H1，H2，…，Hi，…｝。

2）機(jī)器（設(shè)備）。機(jī)器設(shè)備指的是輔助人員高效裝配及檢測(cè)的工具，在裝配過(guò)程中，專用裝配設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備能提高裝配質(zhì)量和效率［11］。隨著生產(chǎn)過(guò)程的推移，設(shè)備的機(jī)械能力指數(shù)表現(xiàn)出一定的波動(dòng)，因此在裝配過(guò)程中需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)設(shè)備記錄的主要屬性有：加工時(shí)間、檢測(cè)值、設(shè)備稼動(dòng)率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）、平均無(wú)故障工作時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）等，這些標(biāo)準(zhǔn)記做E=｛E1，E2，…，Ei，…｝。

圖1 邏輯與門(mén)

3）物料。物料作為必需的裝配過(guò)程組成元素，必須要實(shí)現(xiàn)“在適當(dāng)準(zhǔn)確的條件下，在精確的時(shí)刻，按明確的數(shù)量，將正確的物料運(yùn)送到指定的地點(diǎn)，供對(duì)應(yīng)的用戶使用”［12］。因此，在產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，需要對(duì)物料的關(guān)鍵信息進(jìn)行校驗(yàn)，可控制的參數(shù)有：采集的關(guān)重件信息，包括數(shù)量、型號(hào)、裝配順序和物料配送的及時(shí)性與準(zhǔn)確性等，這些標(biāo)準(zhǔn)記做M=｛m1，m2，…，mi，…｝。

4）方法（工藝）。工藝是生產(chǎn)制造的依據(jù)，主要包括產(chǎn)品的裝配工藝流程、作業(yè)指導(dǎo)書(shū)和質(zhì)量檢測(cè)規(guī)范等。在裝配進(jìn)行中時(shí)，需要嚴(yán)格按照工藝中的零部件信息和質(zhì)量規(guī)范信息的要求，做到檢查上工序，做好本工序，服務(wù)下工序，這些標(biāo)準(zhǔn)記做Q=｛Q1，Q2，…，Qi，…｝。

5）環(huán)境。在機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程中，裝配車間的環(huán)境，例如車間的溫度、濕度、光照、噪聲等可能因素會(huì)對(duì)操作人員、機(jī)器設(shè)備和物料等造成影響。在通常情況下，這些環(huán)境因素對(duì)于裝配的影響并不明顯，所以在下文的裝配過(guò)程質(zhì)量控制中暫不考慮。

上述分析給出了質(zhì)量門(mén)校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，即為人、機(jī)、料、法等因素的集合，記做C（Criterion）=｛H，E，M，Q｝。

2 基于面向?qū)ο驪etri-Nets 的質(zhì)量門(mén)控制

2.1 質(zhì)量門(mén)控制策略

質(zhì)量門(mén)控制策略分為3 個(gè)階段：質(zhì)量數(shù)據(jù)感知階段、質(zhì)量數(shù)據(jù)校驗(yàn)階段和決策執(zhí)行階段。具體的控制策略如圖2 所示。

1）質(zhì)量數(shù)據(jù)感知。托盤(pán)到位，發(fā)出到位信號(hào)，觸發(fā)QG感知，QG 驅(qū)動(dòng)底層設(shè)備根據(jù)質(zhì)量門(mén)校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所定義的內(nèi)容，采集該質(zhì)量門(mén)監(jiān)控范圍內(nèi)所有工位的操作人員信息、加工設(shè)備信息、裝配零件信息、裝配工藝和質(zhì)量規(guī)范等數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)校驗(yàn)階段提供數(shù)據(jù)源。

2）質(zhì)量數(shù)據(jù)校驗(yàn)。通過(guò)訪問(wèn)基本數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)和診斷庫(kù)等，獲取已配置于該質(zhì)量門(mén)的校驗(yàn)項(xiàng)目。質(zhì)量門(mén)校驗(yàn)機(jī)制則結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中已裝配產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容C=｛H，E，M，Q｝，來(lái)校驗(yàn)當(dāng)前在制品的裝配質(zhì)量是否處于穩(wěn)態(tài)，為決策執(zhí)行的動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供依據(jù)。

3）決策執(zhí)行：根據(jù)質(zhì)量門(mén)對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)各工序校驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行決策。若檢測(cè)值都為合格狀態(tài)，則無(wú)條件放行；如果有某些指標(biāo)顯示為不合格狀態(tài)，或缺陷/誤差達(dá)到閾值，則根據(jù)決策庫(kù)中的判斷機(jī)理，給予警告或直接拒絕通過(guò)；當(dāng)顯示為警告或拒絕時(shí)，操作人員可使用現(xiàn)場(chǎng)呼叫安燈，以便管理人員迅速到現(xiàn)場(chǎng)解決質(zhì)量問(wèn)題；或者將產(chǎn)品直接轉(zhuǎn)入返修區(qū)，減少質(zhì)量問(wèn)題的流轉(zhuǎn)。

2.2 基于面向?qū)ο驪etri-Nets 的質(zhì)量門(mén)控制

1）定義1 QGCS-OPN=（OBJ，R）。

OBJ=｛obji|i=1，2，…，n｝，obji是將復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程中的具體裝配工序作為對(duì)象描述，n 表示整個(gè)多級(jí)裝配作業(yè)活動(dòng)由n 道工序組成；R=｛rij|i，j=1，2，…，m，i≠j｝為裝配過(guò)程中的質(zhì)量門(mén)所需要校驗(yàn)的數(shù)據(jù)鏈傳遞過(guò)程，描述了兩個(gè)對(duì)象，即裝配工序之間的質(zhì)量數(shù)據(jù)信息的交互過(guò)程。

圖2 質(zhì)量門(mén)控制策略

2）定 義 2 obji=｛Pij，Tij，F(xiàn)，d，ti｝。

Pij為 第i 個(gè)裝配工序?qū)ο髈bji包含的庫(kù)所集合；Pij＝｛SPij｝，其中，SPij表示狀態(tài)庫(kù)所，即裝配工序?qū)ο蟮膸?kù)所狀態(tài)，用來(lái)表征處在第i個(gè)裝配工序?qū)ο蟮脑谥破返臓顟B(tài)。Pij中可以包含托肯（token），同時(shí)給對(duì)象設(shè)定一個(gè)整數(shù)值，該值就是庫(kù)所可以包含的托肯數(shù)目的最大值。

Tij為第i 個(gè)裝配工序單元對(duì)象obji包含的變遷的集合；Tij＝｛NTia，DTis，KTiz｝。式中：NTia為普通變遷，意為裝配活動(dòng)正常進(jìn)行；DTis為決策變遷，根據(jù)某些規(guī)則的判決后，決定托肯所應(yīng)該流向的庫(kù)所；KTiz為知識(shí)變遷，存儲(chǔ)裝配工藝知識(shí)用以指導(dǎo)裝配作業(yè)，除了產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)制定的工藝信息，由決策變遷所得到的決策結(jié)果也作為知識(shí)存儲(chǔ)。

F＝（P×T）∪（T×P）為連接庫(kù)所和變遷的有向弧集合。

D=｛DT｝為與變遷相關(guān)的知識(shí)集合［13］。通過(guò)在知識(shí)規(guī)則與相應(yīng)變遷之間建立映射關(guān)系，使模型的決策變遷能夠根據(jù)實(shí)時(shí)裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)反映的問(wèn)題做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。

ti={Int_Pro_ti}為托肯集合。托肯表示在裝配過(guò)程中參與活動(dòng)的對(duì)象集。Int_Pro_ti表示第i 個(gè)裝配工序?qū)ο髈bji的庫(kù)所內(nèi)的中間裝配體。

3）定義3 rij=｛IMi，OMi，Iij，Oij，Gij｝。

IMi表示對(duì)象obji的輸入接口庫(kù)所的有限集合。當(dāng)對(duì)象obji存在不止一個(gè)的輸入或輸出庫(kù)所時(shí)，下標(biāo)采用i（v）的方式進(jìn)行區(qū)分，v 為對(duì)象obji的第obji個(gè)輸入或輸出接口庫(kù)所；

OMi表示對(duì)象obji的輸出接口庫(kù)所的有限集合；

Iij（OMi，Ti_j）表示從輸出接口庫(kù)IMi所到變遷Ti_j的輸入映射；Oij（IMj，Ti_j）表示變遷Ti_j到輸入接口庫(kù)所IMj的輸出映射。模型中各類符號(hào)如圖3 所示。

圖3 QGCS-OPN 模型圖例

3 實(shí)例驗(yàn)證

以某型號(hào)主減速器中的主錐總成裝配過(guò)程為例，驗(yàn)證所提出的質(zhì)量門(mén)校驗(yàn)數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)樹(shù)模型和質(zhì)量門(mén)控制策略建模方法。

主錐總成裝配區(qū)域中各主要工位的操作內(nèi)容如表1所示（省略了非關(guān)鍵工位，如上線工位等）。

為了詳細(xì)描述質(zhì)量門(mén)對(duì)中間裝配體裝配質(zhì)量的控制，選擇了一個(gè)具體工序單元的控制行為進(jìn)行建模，構(gòu)建了基于面向?qū)ο驪etri-Nets 的質(zhì)量門(mén)控制策略模型（Quality Gates Control Strategy based on Object Petri Nets，QGCS-OPN）。

主錐裝配過(guò)程有兩個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量控制對(duì)象：圓錐滾子軸承預(yù)緊力和主齒螺母擰緊轉(zhuǎn)矩，這里將軸承預(yù)緊力的控制為目標(biāo)。如果預(yù)緊力太小，則將影響到主動(dòng)齒輪的傳動(dòng)精度；如果預(yù)緊力太大，則會(huì)加速軸承磨損［14］，所以在選墊工位OPZ-20 必須選出準(zhǔn)確的墊片以保證主錐總成的軸承預(yù)緊力。如果墊片厚度不合適，繼續(xù)轉(zhuǎn)入下游工位就會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的不合格或增加返工的概率和成本。

以主錐總成裝配線的OPZ-20 工序?yàn)槔确治鯫PZ-20 工序的作業(yè)流程，如圖4 所示，在此基礎(chǔ)上建立QGCSOPN 模型，如圖5 所示。由于選墊主要依靠選墊設(shè)備給出測(cè)量值，所以該工位的操作質(zhì)量對(duì)設(shè)備的依賴性較高，且沒(méi)有關(guān)重件的裝配操作，所以為簡(jiǎn)化模型，在這個(gè)工位選取了設(shè)備數(shù)據(jù)校驗(yàn)和工藝數(shù)據(jù)校驗(yàn)（如前道工序留到本道工序的中間裝配體的合格狀態(tài)等）。

表1 主錐總成裝配工序與相應(yīng)操作描述

表2 中給出了模型中輸入接口庫(kù)所和輸出接口庫(kù)所的具體含義。模型運(yùn)行行為推理過(guò)程如下：托盤(pán)到位，輸入接口庫(kù)所IM2收到表示中間裝配體的托肯后，決策變遷DT21提取以數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)樹(shù)模型儲(chǔ)存于托肯內(nèi)的質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)（包括人員、設(shè)備、物料和質(zhì)量規(guī)范等數(shù)據(jù)，此處分析設(shè)備和工藝數(shù)據(jù)），將其分配給SP21和SP22庫(kù)所，分別代表待校驗(yàn)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品裝配質(zhì)量的狀態(tài)數(shù)。決策變遷DT22和DT23對(duì)托肯中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)決策后決定選墊設(shè)備和在制品的狀態(tài)是否合格，由于（SP23，SP24）和（SP25，SP26）分別是沖突關(guān)系，所以各有一種庫(kù)所中能獲取到校驗(yàn)結(jié)果（合格/不合格）。由于（SP24，SP25）是同步關(guān)系，所以只有當(dāng)SP24和SP25中都有托肯時(shí)，決策變遷DT24才會(huì)觸發(fā)，否則將經(jīng)過(guò)NT21和NT22變遷將托肯放入消息庫(kù)所OM2，意為設(shè)設(shè)備存在故障或中間裝配體的質(zhì)量狀態(tài)為不合格，不能繼續(xù)流轉(zhuǎn)，應(yīng)當(dāng)中斷當(dāng)前的選墊操作。當(dāng)DT24觸發(fā)SP27時(shí)，表示當(dāng)前質(zhì)量門(mén)校驗(yàn)結(jié)果為合格狀態(tài)，可以進(jìn)行選墊，觸發(fā)NT21變遷進(jìn)行選墊；選墊后，得出測(cè)量值，流入SP28進(jìn)行復(fù)測(cè)，通過(guò)知識(shí)變遷KT21按照Arraylist 類對(duì)象中攜帶的選墊值的結(jié)果計(jì)算方式以及歷史選墊方案，判斷選墊值是否滿足后續(xù)工藝要求，如果合格，則完成選墊；不合格則重新進(jìn)行選墊；為了避免多次循環(huán)選墊始終為不合格狀態(tài)而導(dǎo)致無(wú)法放行的現(xiàn)象，為KT21賦予計(jì)數(shù)器，閾值為3，即該變遷執(zhí)行3 次后則托肯自動(dòng)流入OM9消息庫(kù)所。

圖4 OPZ-20 的作業(yè)流程

圖5 OPZ-20 的質(zhì)量門(mén)控制模型

表2 OPZ-20 工序的QGCS-OPN 符號(hào)與功能描述

4 結(jié)論

本文為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程中的在線質(zhì)量控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷品，減少返修成本，構(gòu)建了一種面向機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程的質(zhì)量門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)。將人、機(jī)、料、法和產(chǎn)品自身等都列入質(zhì)量門(mén)校驗(yàn)范圍，更加全面地監(jiān)控產(chǎn)品的裝配質(zhì)量；通過(guò)構(gòu)建基于面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)的質(zhì)量控制模型，實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量控制，滿足企業(yè)“不制造、不接受、不傳遞”有缺陷的產(chǎn)品的需求。同時(shí)該方法的推演結(jié)果可以作為系統(tǒng)可達(dá)性分析的依據(jù)并為之后的在線質(zhì)量控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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