引言
随着《“十四五”智能制造发展规划》的印发，加快产品高质量发展，推进智能制造，加速构建以数据为基础的知识驱动型智能制造系统，已成为我国制造业发展的必然趋势。汽车制造业作为制造业实体经济的中流砥柱，在推动我国向现代化制造强国迈进中占有举足轻重的地位，自主创新和质量控制仍然是制约汽车制造业发展的重要环节[1]。装配过程作为汽车整个制造过程中至关重要的一环，装配质量在很大程度上决定了整车品质的好坏。而变速箱作为汽车的核心组成部分之一，如何提高其装配过程的质量，是汽车制造行业非常关心的问题。随着计算机技术和大数据分析技术的快速发展，工业数据的采集技术和工业数据的利用率得到了空前的发展，使得利用大量的工业数据对变速箱装配过程质量进行在线实时预测的目标得以实现[2]。变速箱在装配过程中，控制其装配过程质量具有较高的稳定性与一致性是十分重要的[3]，同时对装配过程进行科学有效的质量管控，对提高生产效率、降低企业制造过程成本具有极为重要的意义。杨成赫等[4]提出了一种复杂机械产品装配过程质量在线控制的概念，主要是解决复杂机械精密产品在装配过程中出现的装配质量问题，最终开发出装配过程质量在线控制系统，并验证了该系统的可行性。刘明周等[5]在对再制造产品装配过程特点及其装配过程质量问题进行分析之后，提出一种动态工序质量控制模式，然后开发设计了一套动态工序质量系统，并对其有效性和可行性进行了验证。张彦如等[6]为了使变速箱装配的质量得到提升，在对变速箱的装配工艺进行分析之后，构建了变速箱装配质量动态控制与预测系统，在实际车间中进行了系统的应用，并得到了良好的应用反馈。刘明周等[7]为了实现复杂机械产品在装配过程中质量控制点公差带的在线优化，构建了基于最短路径的模型。王宏颖等[8]针对机械产品装配质量难以全局控制、装配线集成存在困难等问题，研究开发了面向装配过程的在线质量控制系统。
1质量控制系统设计
1.1质量控制业务流程
质量控制业务流程如图1所示，在变速箱装配过程中，首先对基础信息进行配置（如对各个工位、产线进行配置），其次对需要采集的过程数据进行配置（包括产品的质量项及作业指导书等），然后布置现场的数据采集程序，用来实时采集数据信息。一方面将采集到的各种质量数据用于看板管理，实时地把现场的质量数据和装配过程进行图表化展示；另一方面把采集到的实时数据应用于质量检测模块，通过质量检测模块里面的各种算法对变速箱的装配过程质量进行预测，当预测可能出现变速箱装配过程质量问题时，把预测结果输入质量控制模块，通过质量控制模块中知识图谱技术给出合理的控制方法与决策方案。
1.2系统功能需求
变速箱制造企业需要在装配过程中保持较高的合格率及装配过程的一致性和稳定性。在变速箱装配过程中要满足企业的上述需求，就离不开变速箱装配过程质量控制系统的支持。通过对变速箱制造企业业务需求的分析，其对质量控制系统的功能需求如下：1）实时性。为了实现变速箱装配过程的在线控制，系统需要准确、实时、有效地采集变速箱装配过程中产生的过程数据，这是实现对过程质量数据分析的前提。2）灵活性。变速箱装配线往往会生产多种型号的产品，不同型号的产品在实际装配过程中有不同的装配工艺与质量检测项，为高效地应对装配现场不断发生的变化，对变速箱装配过程质量控制系统的灵活性提出了更高的要求。3）开放性。企业中有众多系统，变速箱装配过程质量控制系统只是其中的一个，需要与其他系统进行信息交互与数据传输，因此需要保证系统具有较好的开放性。4）稳定性。要为变速箱装配过程质量保驾护航，就需要系统有较强的抗干扰能力，对安装环境的要求不要较高，同时需要系统在外界环境发生细微变化时仍可以稳定运行。5）可视化。变速箱装配过程中操作人员需要根据可视化的操作流程和工艺要求进行工作，同时需要可视化的检测项来对关重件进行检查，当现场出现装配质量问题时能提供可视化的解决方案；管理人员需要可视化的界面来快速地了解现场出现的问题、现场的工作进度和各个设备的工作状态。
1.3系统功能设计
结合现场的实际情况及业务需求，变速箱装配过程质量控制系统整体功能结构规划共分为以下几个模块：1）基础信息管理。主要是对工厂实际运行中基础资源信息进行增、删、改、查、数据的导入或导出等维护，主要包括人员、产线、工位、地址等多个模块。2）产品质量项管理模块。主要是对各种过程参数管理及对数据采集内容配置，质量数据管理包括变速箱基本信息管理、产品关重件管理、产品质量项管理及标准作业指导书。3）数据采集模块。数据采集模块是整个装配过程控制系统的核心，可通过在上层配置需要采集的质量检测项的相关信息，并通过在现场工控机布置数据采集程序实现实时数据采集。4）质量预测模块。主要功能是实现对变速箱装配过程质量是否合格及不合格类型的预测，质量预测模块是以变速箱装配过程中产生的大量工业数据为基础。通过质量预测功能，对正在进行装配的变速箱进行预测，得到预测的结果，为后面进行变速箱装配的事前控制提供依据。5）质量控制模块。变速箱装配过程质量控制模块是该系统非常重要的模块，其主要功能是基于质量预测结果对出现装配质量异常结果给出相应的方法推荐。6）看板管理。看板管理采用图表化方式动态地显示生产过程中生产计划、产品、设备的实时状态，发现异常时快速响应。
2制造执行系统实现
2.1系统硬件架构
系统硬件架构可将服务器、交换机等多种信息设备通过网络连接在一起，为整个控制系统提供硬件基础。整个系统硬件架构如图3所示。车间现场依据不同产线功能划分为多个区域，单个区域的网络信号由二级交换机控制，区域PLC监控设备状态并控制现场RFID读写器及信号灯的操作，现场工控机通过二级交换机与之相连，实现实时信息交换；同时部分区域二级交换机上连接着无线路由器，在车间提供无线信号，工业PAD通过无线连接进行相关流程的记录。多个二级交换机的网络信号最后通过核心交换机汇总到一起，核心交换机通过给二级交换机划分不同网段，使不同区域间的网络信号互不干扰；同时，核心交换机与多个服务器相连，将现场信息及时存储到对应服务器内，并通过服务器对现场信息进行集成控制。
2.2系统软件构架
在系统开发之前需要对其架构进行谨慎的规划，需要对系统主要的功能需求、实现目标、业务背景等信息进行全方位的考虑，从而使得开发出的系统在解决变速箱装配过程质量问题时有更强的针对性。结合变速箱厂实际情况，本文采用浏览器/服务器（B/S）和客户端/服务器（C/S）模式相结合来实现整体架构。在整体上主要包括信息接口层、人机交互层、数据采集层、质量控制层，系统软件架构如图4所示。
2.3系统实现
基于上述对系统的设计，以安徽某变速箱装配车间为例，在结合现场的实际情况及分析质量控制需求后，本文采用C#语言，基于.Net平台和SQLServer2014数据库及VisualStudio2015开发工具对系统进行实现。在变速箱装配过程中，该系统对变速箱装配车间进行了基础信息建模，地址基本信息配置如图5所示，产品质量项管理如图6所示。当上层系统中信息配置完成之后，便需通过装配现场数据采集模块进行实时数据采集。图7所示为OPC信息配置界面，当现场设备的工作状态发生变化时，OPC服务器、PLC和OPC客户端三者之间可以通过实时通信进行准确的监控和数据采集。在数据采集完成之后，系统会对采集到的变速箱装配过程质量数据进行数据预处理，然后基于选择出的变速箱装配过程关键质量特性的样本数据，使用Adam算法获取最优参数，通过构建完成的变速箱装配过程质量预测模型对最新采集到的关键质量特性样本数据进行预测，输出模型预测结果，质量预测的界面如图8所示。当预测出变速箱质量异常时，系统会把预测结果输入到知识图谱，然后点击不合格品，处置措施栏中会给出该质量问题的具体原因、应急方案及该质量问题的具体处理措施，在知识图谱里面可以清晰地看出与该问题相关的因素和处理措施，给相关人员提供了可视化界面，有较强的可解释性，同时可以实现对后面变速箱装配过程的事前控制，质量控制界面如图9所示。
3结语
为解决变速箱制造企业的装配过程质量数据利用率低和装配过程质量控制难的问题，设计并开发了变速箱装配过程质量控制系统，本文详细阐述了该系统的功能模块、系统硬件框架和系统软件框架，实现了基础信息配置、产品质量项管理、数据采集、质量预测、质量控制和看板管理等各个功能，并在生产过程中验证了该系统的有效性和可行性。
[参考文献]
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[2]李建明.对汽车零部件制造质量控制与优化的思考[J].汽车实用技术,2021,46(3):159-160,172.
[3]YAOL,GEZQ.CooperativeDeepDynamicFeatureExtractionandVariableTime-DelayEstimationforIndustrialQualityPrediction[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics,2021,17(6):3782-3792.
[4]杨成赫,叶建,徐弘扬.基于机器视觉的机械产品在线装配质量控制系统[J].计算机系统应用,2017,26(6):88-92.
[5]刘明周,王强,赵志彪,等.机械产品再制造装配过程动态工序质量控制系统[J].计算机集成制造系统,2014,20(4):817-824.
[6]张彦如,赵明志.变速箱装配质量控制方法研究[J].农业装备与车辆工程,2017,55(12):80-83.
[7]刘明周,赵志彪,凌先姣.基于最短路径的复杂机械产品装配过程质量控制点公差带在线优化方法[J].机械工程学报,2012,48(10):173-177.
[8]王宏颖.面向装配过程的在线质量控制系统研究[J].制造技术与机床,2020(9):127-131.
作者：王赞赞 单位：合肥工业大学机械工程学院
