航天大型薄壁结构件质量信息管理系统研究与实现

刘海江，徐清清

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

航天工业技术是我国先进制造业的重要组成部分，也是国家科技创新的重要应用领域和牵引力量，体现着一个国家利用空间和发展空间技术的能力，是国家综合国力的象征。目前航天型号研制、发射任务繁重，产品生产制造过程离散，产品质量主要依赖于人员技能和经验、波动较大，航天产品研制过程精细化管理要求提高，对影响产品质量的资源信息的分配与共享要求不断提升是现代航天产品制造面临的重要问题之一[1]。文献[2]提出并归纳了质量信息规范化的管理对提高航天产品质量的促进作用。文献[3]提出了全质量管理体系模型架构，构建了基于产品全生命周期的制造业全质量管理系统，实现了企业质量管理全过程有效的集成管理，最终为企业整体质量管理能力的提高提供了研究基础。文献[4]对航空产品协同研制中所涉及的制造资源的分类和制造资源数据库的总体结构进行了研究，确定了制造资源数据库应用系统的基本功能和数据库的数据范围，给出了数据库的应用场景和应用方式。管理系统需要数据支撑，而数据库建设已成为了信息化建设的基础，基于数据库的管理系统设计和应用就是数据库系统的应用实例。当今信息化已成为发展经济、提高综合竞争力的重要手段。基于数据库的管理系统已经成为我们生活中的必备工具。文献[5]首先分析了数据库系统三个发展阶段，其次，分析了基于数据库的管理系统设计特点，具有一定的参考价值。文献[6]根据质量管理方面需要解决的主要问题，给出了面向质量管理的决策支持系统框架，利用数据仓库收集和存储决策与分析所需的历史数据，以克服传统数据库在该方面的不足，提供了利用随机分析法、确定样本容量法、灵敏度分析、多元线性回归分析和模糊评判矩阵法等为决策者提供决策支持的方法。

本文在分析航天大型薄壁结构件的加工工艺的基础上，构建了质量信息的数据库模型，使用高级语言开发了一套质量信息资源管理系统。本文中提到的质量信息主要是指产品的设计、制造、使用和维护环节中涉及到会影响产品质量的资源信息，并且由于加工制造环节是决定产品使用之前最重要的环节，所以本文侧重点在于对制造环节各类资源信息的管理。本文构建的质量信息管理系统使得产品质量信息达到了数据信息共享和数据的一致性，减小了传统信息管理数据的冗余性，为航天产品制造模式从数量规模型到质量效益型的转变提供一定的参考价值。

1 航天大型薄壁结构件的工艺研究

本文研究的航天大型薄壁结构件，是某运载火箭的二级燃料贮箱，它是一种大尺寸、薄壁高强铝合金焊接结构，具有大尺寸、轻质、薄壁、复杂等典型特征，是直接影响航天产品安全性和可靠性的关键部件。它作为一种机加工产品，其最终质量受工件、设备、环境等众多生产要素影响，作为焊接件，其制造存在材料的焊接性能较差、质量要求高、焊缝长、焊接装配精度不易保证和尺寸精度要求高等难点，作为铆接件，要求被铆接件接缝处具有高度的密封性能。作为装配件，应该达到装配之前的加工尺寸、精度等要求。

航天大型薄壁结构件的生产制造过程是较为离散的，缺乏全过程制造中加工过程优化、质量缺陷诊断、产品性能预测信息的统筹管理，无法形成集成知识体系。航天器大型薄壁结构件为运载火箭的主承力结构，是主体结构中体积最大的结构部件，直接影响航天器安全性和可靠性，故对于航天大型薄壁结构件的工艺研究分析非常必要。

航天大型薄壁结构件的工艺基本都是经过机加工、焊接、铆接和装配等工艺环节，加工制造过程复杂，工序信息繁多，各类数据信息联系弱，不利于分析使用，严重影响质量的追溯、预测。图1是某航天大型薄壁结构件组成示意图，它是一种大尺寸、薄壁高强铝合金焊接结构，它由箱底（瓜瓣、法兰、顶盖、型材框拼焊而成）和筒段（壁板拼焊而成）装焊而成。

其制造过程主要涉及机加工、焊接、铆接和装配工艺，其主要加工过程为：

图1 某航天大型薄壁结构件结构示意图

（1）从毛坯到瓜瓣、法兰、壁板等的机加工；

（2）使用法兰环缝自动焊接装备将瓜瓣和法兰焊接在一起，然后使用箱底自动焊接设备将六个瓜瓣焊接成箱底。

（3）将壁板进行滚弯，并通过数控切铣高速加工装备实现壁板网格铣削，再通过筒段纵缝自动焊接设备将四块壁板焊接为一个筒段。

（4）利用环缝自动焊接设备将箱底和筒段焊接为最终产品。

（5）利用智能化的高速加工装备和自动钻铆装备进行铆接舱段的制造。

（6）每一工步加工结束后均采用智能化检测设备对加工过程进行质量检测。

2 质量信息系统研究分析

2.1 系统研究分析

根据上述对航天大型薄壁结构件的工艺分析和对质量资源管理系统的研究，可以得出整个航天大型薄壁结构件质量管理系统会涉及到的研究内容如图2所示，主要是从产品的设计、制造、使用和维护等各个阶段来考虑各个阶段影响质量的信息有哪些，然后根据每个阶段的具体内容，再提取出核心的质量信息，本文主要研究的是制造过程中的质量信息管理。

图2 主要研究内容

在保证航天大型薄壁结构件产品质量零缺陷时，如何管理使用工艺资源、信息是非常重要的一个部分。目前某航天大型薄壁结构件制造所零件的设计、制造、使用和维护数据都是离散的，数据文件存在纸质和存储介质中，资源信息不集中，数据不能被同时共享，数据存在不一致性，数据更新困难，数据资源利用率低、数据联系弱（poor data relationship）的问题。对于数据的管理思想，管理手段相对落后，要实现基本检索、使用和更新操作没有统一的管理平台。数据资源信息的协调、沟通还处于人工阶段，控制和保证产品质量主要依赖于人员技能和经验、质量波动较大。为了消除目前生产制造的局限性，应用计算机技术和软件技术，设计和开发一套航天大型薄壁结构件的质量资源信息管理系统，把零件设计、制造、使用和维护环节的数据信息组织、存储、检索、管理和使用。具体来说，本文设计开发的产品质量管理系统主要实现以下功能：①存储各类资源数据信息，用于用户的检索查询和使用；②实现数据的共享性，不同系统或者程序共用数据库，实现数据的一致性；③减小系统数据的冗余性；④建立三大数据库，零件基本信息库、制造资源信息库、工艺知识库；⑤实现不同模块的整合，包括数据采集模块、数据处理分析模块、数据库管理模块、质量功能模块等。

2.2 系统技术方案

根据对航天大型薄壁结构件的研究分析，提出以Visio studio为开发平台，以零件信息数据库，制造资源数据库和工艺信息库为基础，以各个功能模块需求为工具，提高产品质量信息的利用率，集中率和数据信息的一致性为目的建立航天大型薄壁结构件质量管理系统的技术方案。质量信息管理系统如图3所示。

图3 系统总体架构技术方案

考虑到系统设计的层次性，系统逻辑上使用三层架构设计，界面层（User Interface layer）、业务逻辑层（Business Logic Layer）、数据访问层（Data access layer），在这里三层架构模式指的是逻辑上的三层体系，并非物理上的三层。逻辑三层架构主要具有以下优点：①有利于标准化；②利于各层逻辑的复用；③结构更加的明确；④在后期维护的时候，极大地降低了维护成本和维护时间。由于质量管理系统最终需要实现各种功能模块，如数据处理分析模块，需要进行大量的数据处理，质量功能模块的质量评估、质量追溯和设备诊断会涉及到大量计算和图形图像处理运算。而系统物理上采用C/S模式，目的是充分发挥客户端PC的处理能力，实现大量运算在客户端处理后再提交给服务器，客户端响应速度快，为质量的及时反馈和控制提供物理条件。

3 数据库的构建与系统实现

3.1 建立实体与实体之间的联系

数据库技术作为重要的数据处理技术，信息系统的开发基本都会用到数据库技术，数据库管理系统是一般信息管理系统平台的组成基础。本文根据对航天大型薄壁结构件的工艺研究分析和对质量信息管理系统的需求分析，可知航天大型薄壁结构件的工艺复杂，系统需求功能繁多，管理复杂，故需要设计数据库各类质量信息的层次结构，便于管理、查询、检索和分类等功能。如图4所示，主要针对三大基础库进行树形管理，将资源有序、分类在一起，这种树形管理主要体现在系统平台的用户操作界面中，逻辑清晰，便于理解与操作。

图4 数据库质量信息的层次结构

数据库的设计分为很多阶段，其中核心的是数据库的概念模型设计阶段。该阶段首先需要根据需求找出对应的实体，本文中的实体包括：产品基本信息、设备、刀具、工装夹具、人员、材料、工艺、工序等不同的实体，然后根据实体列出实体具有的属性，建立了数据库的概念模型。数据库的概念模型就是实体-联系图（Entity Relationship Diagram），即E-R模型。E-R模型设计采用的是Visio的数据库模型模块设计的，主要体现系统数据库的数据结构以及实体数据表之间的关系。具体E-R图如图5所示。

图5 数据库模型

根据E-R模型图和数据库层次图，建立产品数据库、制造资源数据库、工艺信息库、产品知识库等。考虑到系统的规模性，航天大型薄壁结构件质量信息管理系统最终属于企业级的管理系统，故选择Oracle 11g作为后台数据库管理软件，Oracle适用于企业级的数据库管理。

3.2 系统的设计与实现

基于系统开发的难易程度、安全性、稳定性和通用性考虑，本文选择Visio studio 2013为开发平台，Oracle 11g为数据库服务器作为系统支撑环境，使用面向对象语言C#作为编程语言，采用目前成熟的客户端/服务器端（C/S）模式实现了系统的人机交互。整个系统功能模块包括用户信息管理模块、数据处理与分析模块、数据库管理模块、质量功能模块、智能标签模块、质量DNA编码模块、DNA知识库模块。

以其中的数据库管理模块中为例，数据库的管理主要包括产品信息库、制造资源库和工艺信息库。其中以制造资源库为例，主要包括设备、刀具、工装夹具、人员和材料信息，用户可以通过人机交互界面实现制造资源的增加、删除、修改和查询功能。具体实施界面如图6所示。

4 结束语

图6 制造资源数据库管理模块示意图

随着工业技术和制造水平的发展和变革，集成计算机质量信息管理系统必将成为以后质量管理的发展趋势。本文设计了航天大型薄壁结构件的质量管理系统平台，系统平台立足于我国航天制造业的实际应用背景，充分利用计算机网络技术、数据库技术及构件技术，建立了基本的产品信息库、制造资源信息库和工艺信息库等，实现了质量信息的检索、管理、再生和应用。为质量功能模块的质量评估、设备状态诊断和质量追溯奠定了良好的信息和数据基础，最终系统形成了质量信息知识管理系统。解决了传统资源信息不集中，数据信息联系弱，纸质存储数据不能被共享，数据不一致等问题。而且对已有的质量信息进行总结和提炼，为其他系统开发提供便利性，为现代企业质量信息管理系统的研究引入了方法和手段。

[1] 周 凯，贾纯锋，孙 薇.航天产品生产制造风险要素的梳理[J].航天工业管理，2016，（7）：36-39.

[2] 赵文静，王晓丽，王波兰，等.质量信息规范化管理对提高航天产品质量的促进作用[J].上海航天，2014，（S1）：113-115.

[3] 王宇凡，梁工谦，张淑娟.基于产品生命周期的制造业全质量管理系统研究[J].制造业自动化，2011，（7）：1-4+37.

[4] 王湘念，符 刚，杨 威，等.制造资源数据库结构设计及在航空产品协同研制中的应用[J].航空制造技术，2013，（10）：66-70.

[5] 万 芳.基于数据库的管理系统设计和应用[J].制造业自动化，2012，（5）：22-24.

[6] 慕春棣，刘 学，何文波.面向生产质量管理的决策支持系统框架[J].计算机集成制造系统-CIMS，1998，（2）：7-11.