航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量信息管理系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

劉海江，徐清清

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

航天工業(yè)技術(shù)是我國先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，也是國家科技創(chuàng)新的重要應(yīng)用領(lǐng)域和牽引力量，體現(xiàn)著一個(gè)國家利用空間和發(fā)展空間技術(shù)的能力，是國家綜合國力的象征。目前航天型號(hào)研制、發(fā)射任務(wù)繁重，產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程離散，產(chǎn)品質(zhì)量主要依賴于人員技能和經(jīng)驗(yàn)、波動(dòng)較大，航天產(chǎn)品研制過程精細(xì)化管理要求提高，對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的資源信息的分配與共享要求不斷提升是現(xiàn)代航天產(chǎn)品制造面臨的重要問題之一[1]。文獻(xiàn)[2]提出并歸納了質(zhì)量信息規(guī)范化的管理對(duì)提高航天產(chǎn)品質(zhì)量的促進(jìn)作用。文獻(xiàn)[3]提出了全質(zhì)量管理體系模型架構(gòu)，構(gòu)建了基于產(chǎn)品全生命周期的制造業(yè)全質(zhì)量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)質(zhì)量管理全過程有效的集成管理，最終為企業(yè)整體質(zhì)量管理能力的提高提供了研究基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]對(duì)航空產(chǎn)品協(xié)同研制中所涉及的制造資源的分類和制造資源數(shù)據(jù)庫的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，確定了制造資源數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的基本功能和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)范圍，給出了數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用場景和應(yīng)用方式。管理系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)支撐，而數(shù)據(jù)庫建設(shè)已成為了信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，基于數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用就是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。當(dāng)今信息化已成為發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高綜合競爭力的重要手段?；跀?shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)已經(jīng)成為我們生活中的必備工具。文獻(xiàn)[5]首先分析了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三個(gè)發(fā)展階段，其次，分析了基于數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，具有一定的參考價(jià)值。文獻(xiàn)[6]根據(jù)質(zhì)量管理方面需要解決的主要問題，給出了面向質(zhì)量管理的決策支持系統(tǒng)框架，利用數(shù)據(jù)倉庫收集和存儲(chǔ)決策與分析所需的歷史數(shù)據(jù)，以克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在該方面的不足，提供了利用隨機(jī)分析法、確定樣本容量法、靈敏度分析、多元線性回歸分析和模糊評(píng)判矩陣法等為決策者提供決策支持的方法。

本文在分析航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的加工工藝的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)庫模型，使用高級(jí)語言開發(fā)了一套質(zhì)量信息資源管理系統(tǒng)。本文中提到的質(zhì)量信息主要是指產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)環(huán)節(jié)中涉及到會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的資源信息，并且由于加工制造環(huán)節(jié)是決定產(chǎn)品使用之前最重要的環(huán)節(jié)，所以本文側(cè)重點(diǎn)在于對(duì)制造環(huán)節(jié)各類資源信息的管理。本文構(gòu)建的質(zhì)量信息管理系統(tǒng)使得產(chǎn)品質(zhì)量信息達(dá)到了數(shù)據(jù)信息共享和數(shù)據(jù)的一致性，減小了傳統(tǒng)信息管理數(shù)據(jù)的冗余性，為航天產(chǎn)品制造模式從數(shù)量規(guī)模型到質(zhì)量效益型的轉(zhuǎn)變提供一定的參考價(jià)值。

1 航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝研究

本文研究的航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件，是某運(yùn)載火箭的二級(jí)燃料貯箱，它是一種大尺寸、薄壁高強(qiáng)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，具有大尺寸、輕質(zhì)、薄壁、復(fù)雜等典型特征，是直接影響航天產(chǎn)品安全性和可靠性的關(guān)鍵部件。它作為一種機(jī)加工產(chǎn)品，其最終質(zhì)量受工件、設(shè)備、環(huán)境等眾多生產(chǎn)要素影響，作為焊接件，其制造存在材料的焊接性能較差、質(zhì)量要求高、焊縫長、焊接裝配精度不易保證和尺寸精度要求高等難點(diǎn)，作為鉚接件，要求被鉚接件接縫處具有高度的密封性能。作為裝配件，應(yīng)該達(dá)到裝配之前的加工尺寸、精度等要求。

航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造過程是較為離散的，缺乏全過程制造中加工過程優(yōu)化、質(zhì)量缺陷診斷、產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)信息的統(tǒng)籌管理，無法形成集成知識(shí)體系。航天器大型薄壁結(jié)構(gòu)件為運(yùn)載火箭的主承力結(jié)構(gòu)，是主體結(jié)構(gòu)中體積最大的結(jié)構(gòu)部件，直接影響航天器安全性和可靠性，故對(duì)于航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝研究分析非常必要。

航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝基本都是經(jīng)過機(jī)加工、焊接、鉚接和裝配等工藝環(huán)節(jié)，加工制造過程復(fù)雜，工序信息繁多，各類數(shù)據(jù)信息聯(lián)系弱，不利于分析使用，嚴(yán)重影響質(zhì)量的追溯、預(yù)測(cè)。圖1是某航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件組成示意圖，它是一種大尺寸、薄壁高強(qiáng)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，它由箱底（瓜瓣、法蘭、頂蓋、型材框拼焊而成）和筒段（壁板拼焊而成）裝焊而成。

其制造過程主要涉及機(jī)加工、焊接、鉚接和裝配工藝，其主要加工過程為：

圖1 某航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖

（1）從毛坯到瓜瓣、法蘭、壁板等的機(jī)加工；

（2）使用法蘭環(huán)縫自動(dòng)焊接裝備將瓜瓣和法蘭焊接在一起，然后使用箱底自動(dòng)焊接設(shè)備將六個(gè)瓜瓣焊接成箱底。

（3）將壁板進(jìn)行滾彎，并通過數(shù)控切銑高速加工裝備實(shí)現(xiàn)壁板網(wǎng)格銑削，再通過筒段縱縫自動(dòng)焊接設(shè)備將四塊壁板焊接為一個(gè)筒段。

（4）利用環(huán)縫自動(dòng)焊接設(shè)備將箱底和筒段焊接為最終產(chǎn)品。

（5）利用智能化的高速加工裝備和自動(dòng)鉆鉚裝備進(jìn)行鉚接艙段的制造。

（6）每一工步加工結(jié)束后均采用智能化檢測(cè)設(shè)備對(duì)加工過程進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

2 質(zhì)量信息系統(tǒng)研究分析

2.1 系統(tǒng)研究分析

根據(jù)上述對(duì)航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝分析和對(duì)質(zhì)量資源管理系統(tǒng)的研究，可以得出整個(gè)航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量管理系統(tǒng)會(huì)涉及到的研究內(nèi)容如圖2所示，主要是從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)等各個(gè)階段來考慮各個(gè)階段影響質(zhì)量的信息有哪些，然后根據(jù)每個(gè)階段的具體內(nèi)容，再提取出核心的質(zhì)量信息，本文主要研究的是制造過程中的質(zhì)量信息管理。

圖2 主要研究內(nèi)容

在保證航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量零缺陷時(shí)，如何管理使用工藝資源、信息是非常重要的一個(gè)部分。目前某航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件制造所零件的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)都是離散的，數(shù)據(jù)文件存在紙質(zhì)和存儲(chǔ)介質(zhì)中，資源信息不集中，數(shù)據(jù)不能被同時(shí)共享，數(shù)據(jù)存在不一致性，數(shù)據(jù)更新困難，數(shù)據(jù)資源利用率低、數(shù)據(jù)聯(lián)系弱（poor data relationship）的問題。對(duì)于數(shù)據(jù)的管理思想，管理手段相對(duì)落后，要實(shí)現(xiàn)基本檢索、使用和更新操作沒有統(tǒng)一的管理平臺(tái)。數(shù)據(jù)資源信息的協(xié)調(diào)、溝通還處于人工階段，控制和保證產(chǎn)品質(zhì)量主要依賴于人員技能和經(jīng)驗(yàn)、質(zhì)量波動(dòng)較大。為了消除目前生產(chǎn)制造的局限性，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)一套航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量資源信息管理系統(tǒng)，把零件設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息組織、存儲(chǔ)、檢索、管理和使用。具體來說，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①存儲(chǔ)各類資源數(shù)據(jù)信息，用于用戶的檢索查詢和使用；②實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享性，不同系統(tǒng)或者程序共用數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性；③減小系統(tǒng)數(shù)據(jù)的冗余性；④建立三大數(shù)據(jù)庫，零件基本信息庫、制造資源信息庫、工藝知識(shí)庫；⑤實(shí)現(xiàn)不同模塊的整合，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、質(zhì)量功能模塊等。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

根據(jù)對(duì)航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的研究分析，提出以Visio studio為開發(fā)平臺(tái)，以零件信息數(shù)據(jù)庫，制造資源數(shù)據(jù)庫和工藝信息庫為基礎(chǔ)，以各個(gè)功能模塊需求為工具，提高產(chǎn)品質(zhì)量信息的利用率，集中率和數(shù)據(jù)信息的一致性為目的建立航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量管理系統(tǒng)的技術(shù)方案。質(zhì)量信息管理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)技術(shù)方案

考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層次性，系統(tǒng)邏輯上使用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，界面層（User Interface layer）、業(yè)務(wù)邏輯層（Business Logic Layer）、數(shù)據(jù)訪問層（Data access layer），在這里三層架構(gòu)模式指的是邏輯上的三層體系，并非物理上的三層。邏輯三層架構(gòu)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：①有利于標(biāo)準(zhǔn)化；②利于各層邏輯的復(fù)用；③結(jié)構(gòu)更加的明確；④在后期維護(hù)的時(shí)候，極大地降低了維護(hù)成本和維護(hù)時(shí)間。由于質(zhì)量管理系統(tǒng)最終需要實(shí)現(xiàn)各種功能模塊，如數(shù)據(jù)處理分析模塊，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，質(zhì)量功能模塊的質(zhì)量評(píng)估、質(zhì)量追溯和設(shè)備診斷會(huì)涉及到大量計(jì)算和圖形圖像處理運(yùn)算。而系統(tǒng)物理上采用C/S模式，目的是充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，實(shí)現(xiàn)大量運(yùn)算在客戶端處理后再提交給服務(wù)器，客戶端響應(yīng)速度快，為質(zhì)量的及時(shí)反饋和控制提供物理?xiàng)l件。

3 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 建立實(shí)體與實(shí)體之間的聯(lián)系

數(shù)據(jù)庫技術(shù)作為重要的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，信息系統(tǒng)的開發(fā)基本都會(huì)用到數(shù)據(jù)庫技術(shù)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一般信息管理系統(tǒng)平臺(tái)的組成基礎(chǔ)。本文根據(jù)對(duì)航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝研究分析和對(duì)質(zhì)量信息管理系統(tǒng)的需求分析，可知航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的工藝復(fù)雜，系統(tǒng)需求功能繁多，管理復(fù)雜，故需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫各類質(zhì)量信息的層次結(jié)構(gòu)，便于管理、查詢、檢索和分類等功能。如圖4所示，主要針對(duì)三大基礎(chǔ)庫進(jìn)行樹形管理，將資源有序、分類在一起，這種樹形管理主要體現(xiàn)在系統(tǒng)平臺(tái)的用戶操作界面中，邏輯清晰，便于理解與操作。

圖4 數(shù)據(jù)庫質(zhì)量信息的層次結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)分為很多階段，其中核心的是數(shù)據(jù)庫的概念模型設(shè)計(jì)階段。該階段首先需要根據(jù)需求找出對(duì)應(yīng)的實(shí)體，本文中的實(shí)體包括：產(chǎn)品基本信息、設(shè)備、刀具、工裝夾具、人員、材料、工藝、工序等不同的實(shí)體，然后根據(jù)實(shí)體列出實(shí)體具有的屬性，建立了數(shù)據(jù)庫的概念模型。數(shù)據(jù)庫的概念模型就是實(shí)體-聯(lián)系圖（Entity Relationship Diagram），即E-R模型。E-R模型設(shè)計(jì)采用的是Visio的數(shù)據(jù)庫模型模塊設(shè)計(jì)的，主要體現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及實(shí)體數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系。具體E-R圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫模型

根據(jù)E-R模型圖和數(shù)據(jù)庫層次圖，建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、制造資源數(shù)據(jù)庫、工藝信息庫、產(chǎn)品知識(shí)庫等?？紤]到系統(tǒng)的規(guī)模性，航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量信息管理系統(tǒng)最終屬于企業(yè)級(jí)的管理系統(tǒng)，故選擇Oracle 11g作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理軟件，Oracle適用于企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)庫管理。

3.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于系統(tǒng)開發(fā)的難易程度、安全性、穩(wěn)定性和通用性考慮，本文選擇Visio studio 2013為開發(fā)平臺(tái)，Oracle 11g為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為系統(tǒng)支撐環(huán)境，使用面向?qū)ο笳Z言C#作為編程語言，采用目前成熟的客戶端/服務(wù)器端（C/S）模式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的人機(jī)交互。整個(gè)系統(tǒng)功能模塊包括用戶信息管理模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、質(zhì)量功能模塊、智能標(biāo)簽?zāi)K、質(zhì)量DNA編碼模塊、DNA知識(shí)庫模塊。

以其中的數(shù)據(jù)庫管理模塊中為例，數(shù)據(jù)庫的管理主要包括產(chǎn)品信息庫、制造資源庫和工藝信息庫。其中以制造資源庫為例，主要包括設(shè)備、刀具、工裝夾具、人員和材料信息，用戶可以通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)制造資源的增加、刪除、修改和查詢功能。具體實(shí)施界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

圖6 制造資源數(shù)據(jù)庫管理模塊示意圖

隨著工業(yè)技術(shù)和制造水平的發(fā)展和變革，集成計(jì)算機(jī)質(zhì)量信息管理系統(tǒng)必將成為以后質(zhì)量管理的發(fā)展趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了航天大型薄壁結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量管理系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)平臺(tái)立足于我國航天制造業(yè)的實(shí)際應(yīng)用背景，充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及構(gòu)件技術(shù)，建立了基本的產(chǎn)品信息庫、制造資源信息庫和工藝信息庫等，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量信息的檢索、管理、再生和應(yīng)用。為質(zhì)量功能模塊的質(zhì)量評(píng)估、設(shè)備狀態(tài)診斷和質(zhì)量追溯奠定了良好的信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，最終系統(tǒng)形成了質(zhì)量信息知識(shí)管理系統(tǒng)。解決了傳統(tǒng)資源信息不集中，數(shù)據(jù)信息聯(lián)系弱，紙質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不能被共享，數(shù)據(jù)不一致等問題。而且對(duì)已有的質(zhì)量信息進(jìn)行總結(jié)和提煉，為其他系統(tǒng)開發(fā)提供便利性，為現(xiàn)代企業(yè)質(zhì)量信息管理系統(tǒng)的研究引入了方法和手段。

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