基于智能檢驗設備的發動機制造數據協同管理研究和實踐

夏春山 李蓉 劉揚 黃哲 陳琦 喬建明

一、引言

航空發動機是知識、技術和資金高度密集的高科技產品，是典型的集成多學科、跨領域、跨企業和跨階段的復雜產品協同研發。中國航發在發動機產品研制過程中的典型特征就是多所聯合設計、多所多廠聯合試制、多廠多單位的協作配套以及多所多廠分級驗證。面對這樣復雜多變的制造環境，如何在發動機研制的整個生命周期過程中加強質量控制，實現質量問題的可分析、可追溯和可解決，提高發動機的可靠性、穩定性，是一個巨大的挑戰。

近些年來，隨著數字化、網絡化和智能化制造技術的不斷發展和應用，采用基于模型MBD技術，遵循數據閉環和數據驅動的新業務模式，以數字化產品模型為載體，建立發動機總體零件BOM，并以此為核心實現對發動機設計數據、制造數據、質量數據和試驗數據等研制過程完整信息的有機關聯和統一管理，最終形成發動機實物電子卷宗，全面追溯發動機技術狀態。通過發動機實物電子卷宗，可以構建基于模型的發動機全生命周期質量管理體系，全面支持相關制造數據的追溯性、共享性和協同性，實現質量的閉環管理，從而為簡化發動機研制過程提供有力支撐。

當前，國際領先的航空發動機公司已經普遍通過搭建全球化的設計和制造一體化集成協同平臺，構建跨組織、跨平臺及跨地域的協同研制環境，在全球范圍內部署其業務協同系統，加強對數據源的統一管理，努力提升發動機產品一次通過率及質量。中國航發集團經過多年的建設，也已經逐步構建起了發動機工程數據中心和數據協同平臺，為發動機研發、制造和維護過程各環節業務和數據的集成和協同提供了基礎平臺。在此基礎上，未來還需要在具體業務開展和基礎數據的夯實、驗證和拓展方面繼續開展工作，其中，加強集團和各單位對生產制造環節質量數據的集中管理，尤其是尺寸檢驗數據，是重點關注的一項工作，也是瓶頸所在，急需建立相應的制造質量數據記錄、反饋以及追溯機制。

為促進制造數據閉環管理，本文結合公司智能檢驗設備的應用，開展了現場制造數據獲取和管理、制造數據與設計數據的關聯以及制造數據與集團數據中心的協同等幾個方面的研究和應用工作，主要包括以下內容：對智能制造背景下制造數據管理的分析、制造數據協同管理的方案設計、關鍵技術實現和應用實踐效果。

二、智能制造背景下的制造數據管理

借助基于模型MBD/MBE、CPS、大數據以及工業互聯網等關鍵構成要素，智能制造模式重點關注的業務優化方向是數據閉環和數據驅動。通過在產品整個生命周期中建立雙向數據流動，全面提升、優化產品全過程實現能力，數據閉環和數據流動示意圖如圖1所示。

正向數據流動，采用數字化產品模型為統一的核心載體，建立產品單一數據源，貫通產品設計、工藝規劃、生產制造和使用維護整個過程，并形成產品數字化閉環信息流。逆向數據流動則關注各環節的實際物理數據，通過數據采集、處理、分析和反饋，可以和正向信息流進行比對，從而實際以實做數據驅動相關業務優化。

正向和逆向數據流可以通過產品數字孿生體進行融合。產品數字孿生體可以面向產品全生命周期，采用單一數據源對設計數據、工藝數據、制造數據和維護數據進行統一管理，支持物理空間和信息空間的雙向連接，建立數字化的產品全生命周期檔案，可以為全過程質量追溯和產品研發過程的持續改進提供支撐。

當前，產品數字孿生體在生產制造階段的研究與應用還比較少，需要加強針對制造數據的采集和關聯管理，包含制造BOM、質量數據（如實測尺寸、實測加工/配誤差以及實測變形）、技術狀態數據、產品檢測數據、生產進度數據和逆向過程數據等，從而為產品質量追溯和可靠性分析提供準確的模型和數據來源。

目前已經有的相關研究和應用工作包括：何超等針對航空發動機質量數據采集、分類、傳遞、共享和集成管理，提出了質量數據分類和信息系統體系結構。喬東平等對面向過程的復雜產品制造數據管理進行了研究，提出了制造數據組織模型和管理平臺的構想。王振環對智能制造環境下的質量大數據特征和意義進行了分析。梁丹等面向航天產品質量保證，提出了數據驅動的總體設計方案，給出了基于BOM數據規劃及構建質量管理平臺的技術實現途徑。李楊梅等構建了船體分段車間制造過程數據模型，力求實現制造過程數據的規范化、結構化，從而支持實現數據共享、集成。徐紅艷從檔案管理角度出發，提出了基于實時建檔的方式將制造過程數據納入數字檔案館進行管理，以時間軸流線式歸檔，方便制造數據分析和追溯。

三、制造數據協同管理方案設計

本文作者借鑒智能制造背景下制造數據管理的思路和相關研究及應用工作，在分析航發集團、黎明公司制造數據管理現狀的基礎上，結合智能檢驗設備的使用，針對發動機尺寸檢驗類制造數據的協同管理，完成了方案規劃設計。

1、需求分析

目前，航發集團和黎明公司在制造數據管理業務存在的主要問題包括：

集團和黎明公司都還尚未實現基于發動機構型的數據統一管理、統計和綜合分析;

尺寸設計與制造互換能力和協調準確度在很大程度上依靠各種工藝裝備和制造人員經驗手工修配來保證;

尺寸信息在跨單位、跨部門之間傳遞時，如設計、制造與裝配，測量與檢定，分析與反饋環節是經常發生斷裂和脫節的，造成質量缺陷原因不可排查，質量問題不可有效追溯;

制造現場檢驗數據第一手載體以紙質居多，制造過程數據在存儲介質轉換、業務交接時會發生丟失、差錯，不便于結果記錄、分析，沒有建立與設計數據的有效關聯。

隨著黎明公司智能檢驗設備的使用，已經可在制造現場實時采集產品檢驗數據，并具備以數字化格式表征、回傳至管理平臺的數據交互能力。在此基礎上，開展制造數據協同管理方面的工作，希望實現：

統一定義檢驗數據的數據模型，包括數據類型、數據格式和屬性定義等，明確管理模式，支持集團內的發動機檢驗數據的統一定義和數據共享;

根據現場實時采集的分析檢驗結果數據，定義檢驗數據集成接口的具體數據傳遞格式、數據傳遞結構和數據傳遞方式，實現檢驗數據與發動機工程數據中心的集成;

在黎明公司PDM系統內，建立檢驗數據的查詢統計功能，可查詢產品制造數據，實現對制造現場檢驗結果數據的有效管理，實現與設計模型，工藝數據的關聯。

2、系統框架

依據制造數據管理的業務需求，基于黎明公司所用的Teamcenter平臺和航發集團工程數據中心基礎環境，構建制造數據協同管理系統框架，如圖2所示。

在智能檢驗設備端，依托智能檢驗設備及其硬件驅動接口，實現檢驗數據的采集和本地管理，通過定制開發提供檢驗記錄表模板選擇、檢驗記錄數據獲取與錄入、檢驗記錄數據保存和檢驗記錄數據分析等功能。

PDM管理平臺端，結合黎明公司檢驗數據格式標準和工程數據中心集成共享要求，開發實現制造數據定義與管理功能，并通過開發集成接口實現PDM平臺與智能檢驗設備檢驗記錄數據庫的集成，可以定時抓取相關零件號/工序號/批號檢驗信息，并與對應零組件對象設計數據、工藝數據進行關聯。

集團數據中心協同平臺端，在完善發動機實物BOM管理的基礎上，通過開發數據協同接口實現與黎明公司PDM平臺的集成，可將標準格式的制造數據上傳到集團發動機數據中心進行統一管理、共享。

3、業務場景

依據系統框架，實現的業務場景如圖3所示。

（1）智能檢驗設備數據管理。

檢驗人員依據檢驗任務，依托智能檢驗設備和檢驗數據管理系統，選定對應檢驗記錄表樣式，完成產品待測要素的檢驗，并將測量結果數據錄入/保存至檢驗數據管理系統。

依據實際需要，還可以根據件號/批號/工序號等信息，查詢/篩選歷史檢驗數據，針對產品某項測量數據的多次測量結果，執行統計和簡單分析。

具備檢驗模板、用戶和打印輸出管理功能。

依托數據庫服務，與PDM端展開檢驗數據交互。

（2）PDM管理平臺。

定期通過檢驗數據抓取/存儲服務，從檢驗記錄數據庫表中抓取檢驗類制造數據，并回傳存儲至PDM數據庫中（以數據集和表單形式）。

零件工藝人員在制定零件工藝規程時，通過檢驗類制造數據狀態查詢/分析功能，查看和參考相關零件的良品率、不合格原因，以便其參考后提升自身零件工藝編制的合理性和有效性。

PDM管理人員在制定信息化管理制度和策略時，通過制造數據狀態查詢/分析功能，查看和參考相關零件的檢驗類制造數據匯總信息，以便為制造現場提供出精準、貼切的信息化服務。

（3）制造數據與工程數據中心協同。

本地制造數據管理人員，填寫制造數據上傳/下載申請單，發起“制造數據上傳/下載審批流程”。

工程數據中心管理人員提交審核流程，確定該數據是否符合入庫/出庫要求，并執行相應的入庫/出庫操作。

四、關鍵技術實現

在系統實現過程中，涉及到的關鍵技術包括：檢驗數據定義與管理、檢驗數據采集和分析、檢驗數據與設計數據關聯以及檢驗數據協同管理。

1、檢驗數據定義與管理

全面梳理黎明公司檢驗需求、流程、資源、知識和業務，對檢驗數據模型進行統一規范化定義和管理，包括定義檢驗數據類型以及相關屬性和表單、規范化檢驗流程，建立檢驗工作流程模板，如圖4所示。

2、檢驗數據采集、分析

利用現場智能檢驗設備實時采集被檢測零件的尺寸信息，通過檢驗數據表格模板對檢測數據進行預處理，經過預處理的檢驗數據通過現場檢驗數據管理系統數據存儲模塊，可以靈活將離線本地存儲和在線實時傳輸到檢驗數據庫，實現檢驗數據的傳輸和存儲。在現場檢驗數據管理系統可以再進一步對檢驗數據加以分析、渲染、處理和呈現，如圖5所示。

3、檢驗數據與設計數據關聯

黎明公司PDM系統定期從開放的數據庫端口訪問并抓取檢驗記錄數據庫中的相關檢驗類制造數據，并回傳到PDM系統創建檢驗數據對象（Item、Form和Dataset等），并可通過零件號、工序號和批號等信息建立與相關零組件的關聯，實現在PDM系統內檢驗制造數據的有效收集、存儲和管理，如圖6所示。

4、檢驗數據協同

通過黎明公司PDM系統與航發集團工程數據中心的集成接口，實現采用標準格式的檢驗數據、檢驗流程模板以及檢驗知識數據在黎明公和工程數據中心間雙向協同傳遞，可以支持檢驗數據的完整性校驗和狀態監控。

（1）檢驗數據集完整性校驗

將需要協同的檢驗數據對象放入協同共享區，并設置相關協同參數，發送前檢查并形成詳細清單，協同過程中系統定時輪詢觸發“數據比對驗證”服務，自動逐行比對校驗接收后的數據，對比信息記錄到數據協同報錯數據庫表中，供管理員查看和處理。

（2）檢驗數據交互狀態監控。

可以通過“查看數據交互狀態”，顯示該檢驗數據對象在各站點間的數據交互狀態。

五、應用驗證

目前，圍繞尺寸類檢驗制造數據協同管理的系統平臺已經搭建完成，黎明公司開展了應用驗證工作，主要包括：

組建驗證團隊，包括技術中心、生產廠和檢驗中心等相關技術人員;

選定發動機某型號及某典型零部件，準備各項檢驗數據、資源數據;

制定驗證工作的檢驗業務流程，涵蓋檢驗數據獲取、存儲、分析和集成應用等;

開展檢驗數據的協同，實現與集團工程數據中心數據傳遞。

驗證結果表明，各項既定檢驗數據管理業務需求的覆蓋度和符合度都達到了應用要求。

六、結論

本文面向發動機設計、制造和維護過程中對制造數據進行統一管理以及開展質量追溯的需求，結合黎明公司智能檢驗設備的使用，主要圍繞尺寸檢驗類制造數據的采集、分析和協同管理開展了研究與應用工作。在此基礎上，未來還需要進一步分析相關的業務機制和數據支撐關聯關系，建立和健全一個基于協同共享、全樣本記錄并分析的基于大數據思想的制造現場數據閉環管理體系和系統平臺，將相關的設計更改、工藝變更、加工調整、尺寸差異、質量波動和最終結果都彼此關聯記錄在同一個平臺中，最大限度的滿足發動機研制過程中制造數據的共享、協同、追溯和分析，以提升發動機質量管控水平。