在傳統(tǒng)概念里，檢測僅僅被認為是一種判斷產(chǎn)品合格與否的手段，但隨著現(xiàn)今制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型、處于大數(shù)據(jù)時代背景下的測量功能已發(fā)生了演化、拓展。本文以汽車制造企業(yè)為例，從測量功能的拓展對產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控水平的提升，和利用多種手段采集數(shù)據(jù)中提取的信息，作為企業(yè)智能化制造的重要環(huán)節(jié)等多個方面，闡述了大數(shù)據(jù)時代測量功能的演變對現(xiàn)代企業(yè)的深刻影響。
“十二五”期間，我國制造業(yè)的信息化工程得到了快速發(fā)展，而近年來大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)更有力地助推了國內(nèi)制造業(yè)水平的提高。隨著“中國制造2025”的推出，通過利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)過程，明確了同時實現(xiàn)三項目標：降低企業(yè)對勞動力的依賴、滿足用戶個性化需求，并降低流通成本。而所采取的戰(zhàn)略主要為“智慧工廠”、“智能化生產(chǎn)”和“智能化物流”，其特點是智能化生產(chǎn)。而實現(xiàn)這個過程的基礎(chǔ)就是信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的高度融合，網(wǎng)絡(luò)、計算機技術(shù)、軟件等與自動化技術(shù)的深度交織。
圖1 高性能曲軸磨床所配隨機主動量儀
傳統(tǒng)測量功能的拓展提升了產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控水平
圖2 發(fā)動機曲軸加工的高性能磨床隨機主動量儀
就以測量數(shù)據(jù)來講，為了能滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求、降低制造成本、適應(yīng)對汽車節(jié)能減排的強制性規(guī)定，半個多世紀以來發(fā)生了很大的變化。從早期的只設(shè)置最終檢驗、以對產(chǎn)品的實物質(zhì)量進行評介，擴展到：①上世紀50年代出現(xiàn)的隨機量儀可在加工過程中控制零件質(zhì)量，稱為in-process；②離線設(shè)置在工序間的檢測器具（稱為post-process），保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量提供了有效手段。這些在線檢測設(shè)備，多年來的單一控制線性尺寸參數(shù)的模式已突破，在融入了多種數(shù)字控制技術(shù)后，已經(jīng)具備了邊加工、邊對工件圓度進行實時監(jiān)測的功能。圖1所示即為國內(nèi)自行研制成功的配在發(fā)動機曲軸加工的高性能磨床的一款隨機主動量儀，可同時完成對工件所有主軸頸、連桿頸的直徑、圓度的監(jiān)測。其加工后的曲軸圓度可控制在2-3μm以內(nèi)。工序間檢測設(shè)備也同樣有很大的進展，從最早很簡單的通用手動量具，經(jīng)氣動量儀后又進入電子量儀普及的時代。圖2為自上世紀80年代起就風(fēng)行業(yè)界的電子柱量儀，迄今還廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外汽車廠的生產(chǎn)線工序間。而作為鮮明對比的是圖3中的一個實例，來自一新建發(fā)動機廠的車間現(xiàn)場。這是位于加工中心旁的一測量單元，包括一臺通用機器人和一臺高效車間型坐標測量機。圖3中只顯示一臺加工中心，若需要也可同時為多臺設(shè)備服務(wù)。
圖3 車間工序間檢測設(shè)備
以上所述還只涉及檢測的“作業(yè)”層面的變化和發(fā)展，事實上，自上世紀80年代起，基于休哈特理論的統(tǒng)計過程控制（SPC）在以汽車制造業(yè)為代表的批量生產(chǎn)工廠已獲得了成功的、越來越普遍的應(yīng)用。尤其是在融入了q-DAS公司性能優(yōu)異、豐富的統(tǒng)計分析軟件后，利用所采集的大量數(shù)據(jù)，挖掘其背后隱藏的信息。如加工趨勢、切削刀具的磨損規(guī)律等。圖4就是刀具磨損的一個案例，從圖中可清楚地看出，即使批量方式生產(chǎn)的工件均還處于合格的范圍，但是其變化的趨勢表明，為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，極需提前發(fā)出更換刀具的預(yù)警。此類性能的實施將明顯提高對生產(chǎn)過程的監(jiān)控水平?？梢姟皽y量”早已跨越了多年前的“產(chǎn)品實物質(zhì)量檢驗”時期，在經(jīng)歷了“生產(chǎn)過程實時監(jiān)控”等階段后，已真正成為現(xiàn)代企業(yè)中質(zhì)量體系的重要環(huán)節(jié)，更是成為進入智能化制造時代的不可或缺的手段。
數(shù)據(jù)內(nèi)涵的演變推進企業(yè)信息化水平
一般來說，生產(chǎn)型企業(yè)中涉及到的數(shù)據(jù)包括二大塊，其一是那些被稱為傳統(tǒng)性的數(shù)據(jù)，如與企業(yè)基本狀況相關(guān)的信息和類似于生產(chǎn)計劃，及銷售、原料（半成品）、產(chǎn)品庫存等企業(yè)管理方面的數(shù)據(jù)；其二則是由傳感器件采集的信息，包含各種測量數(shù)據(jù)，以及用于實時反映制造過程狀態(tài)的信息，其中既有與工序相關(guān)的、又有即時反映設(shè)備運行狀態(tài)等。近年來，制造的方式已逐漸從產(chǎn)品零部件規(guī)模化生產(chǎn)，經(jīng)歷了按市場的實際需求轉(zhuǎn)為中、小批量的生產(chǎn)方式，并最后會發(fā)展成基于社會上個人需求的定制化生產(chǎn)模式。據(jù)此在生產(chǎn)之前就務(wù)必要預(yù)先確定( ERP系統(tǒng) )，并將包括部件生產(chǎn)所需的全部信息事先存于虛擬現(xiàn)實中（PLM或PDM系統(tǒng)），至于所有其他相關(guān)的部件也要在虛擬環(huán)境中進行規(guī)劃，這些部件均有自己的“名稱”和“地址”，具備各自的身份信息。因此，這些部件“知道”什么時候，那條生產(chǎn)線或那個工藝工程需要它們，通過這種方式，它們才得以協(xié)商確定各自在數(shù)字化工廠中的運動路徑。然后再認真地解決在制造過程中和作業(yè)完成后，工件的識別問題，期間，控制系統(tǒng)還會實時調(diào)用生產(chǎn)設(shè)備自身和相應(yīng)的加工信息（MES系統(tǒng)）。此外，在生產(chǎn)過程中以及在該零部件完成后，還設(shè)置了用于拮取、采集與產(chǎn)品制造質(zhì)量相關(guān)信息的數(shù)量、種類眾多的檢測、傳感器件。
圖4 對工件在加工過程中刀具磨損的監(jiān)控
事實上，現(xiàn)今所采集到數(shù)據(jù)的職能已遠遠超出了評判產(chǎn)品的“窄義”用途，無論從信息采集的角度還是在當今企業(yè)中所能發(fā)揮到的作用，“廣義”數(shù)據(jù)已成為智能化工廠現(xiàn)代管理體系的基礎(chǔ)。譬如，為了提升生產(chǎn)過程中相關(guān)信息的存儲、記錄和傳輸水平，自上世紀90年代以來，自動識別在經(jīng)歷了條形碼、二維碼技術(shù)后，又進入了基于FRID射頻技術(shù)的電子數(shù)據(jù)芯片系統(tǒng)，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程無需人工干預(yù)，可適用于各種現(xiàn)場環(huán)境。系統(tǒng)由電子數(shù)據(jù)芯片、讀寫裝置及控制管理軟件組成，芯片是附著在零件上標識目標對象的一種數(shù)據(jù)載體，通常以螺紋緊固方式安裝在被加工的工件上，圖5即為一實例。讀寫裝置是可以將信息讀取、寫入電子數(shù)據(jù)芯片中的一種裝置，當后者進入到工作磁場后，便能接受到讀寫裝置發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息。同樣，由讀寫裝置發(fā)出的射頻信號中帶有載波，能夠?qū)⑿畔懭腚娮訑?shù)據(jù)芯片中?？刂乒芾碥浖墓δ苁菍㈦娮訑?shù)據(jù)芯片、讀寫裝置、機床設(shè)備及服務(wù)器等連接成一個系統(tǒng)，實現(xiàn)并具備了包括對產(chǎn)品的精確追溯在內(nèi)的，與生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)讀寫、傳輸、控制和統(tǒng)計分析等相關(guān)的各項功能。顯然，這些都將大大提升生產(chǎn)企業(yè)的整體信息化水平。
圖5 工件在上料時安裝電子芯片
數(shù)字化測量管理體系平臺的建立及其意義
首先，汽車制造企業(yè)都需遵循汽車行業(yè)質(zhì)量體系標準，即“ISO16496”或“TS16949”質(zhì)量體系，在TS16949中，APQP、FMEA、MSA、PPAP、SPC并稱為五大核心工具（見圖6），貫穿整個產(chǎn)品自研發(fā)起、至批量生產(chǎn)直到最終產(chǎn)品交付的全過程。而之前，5大核心工具的使用流程和表格太多，以至于企業(yè)在貫穿整個質(zhì)量體系流程時，花費了巨大的人力、物力，可是在FMEA分析環(huán)節(jié)所獲得的反饋信息卻遠遠不夠。
圖6 在“TS16949”質(zhì)量體系中五大核心工具
為此，知名的測量技術(shù)公司海克斯康及其合作伙伴IQS公司將質(zhì)量體系轉(zhuǎn)化為數(shù)字化體系平臺MMS，見圖6。在該數(shù)字化平臺上，可完成質(zhì)量體系中各種流程的跟蹤執(zhí)行，并將上百種質(zhì)量系統(tǒng)的管理圖表，變成數(shù)字化格式來管理、執(zhí)行。質(zhì)量體系中的FMEA、MSA、SPC都離不開數(shù)據(jù)作為支撐，未來的質(zhì)量系統(tǒng)應(yīng)該包含以下關(guān)鍵技術(shù)：①體系流程自動化與系統(tǒng)管理；②測量與傳感器網(wǎng)絡(luò)；③網(wǎng)絡(luò)化通訊基礎(chǔ)構(gòu)架；④自動化或在線測量系統(tǒng)；⑤嵌入式邏輯軟件；⑥統(tǒng)計大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。基于以上這些特點，?？怂箍祵⒃撓到y(tǒng)定義為MMS系統(tǒng)，即測量管理系統(tǒng)。這是從企業(yè)未來發(fā)展的構(gòu)架出發(fā)，通過MMS系統(tǒng)將用戶的ERP、PLM、MES系統(tǒng)進行對接，形成完成的PLM鏈條，以及符合產(chǎn)品質(zhì)量體系流程的PACD數(shù)字化軟件管理平臺。目前MMS系統(tǒng)大致可分為8個模塊單元（見圖7）。
圖7 MMS 系統(tǒng)大致可分為8 個模塊單元
通過配置以上模塊，用戶就可以實現(xiàn)：①進行定時、實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控，即可獲取豐富的質(zhì)量信息對周期數(shù)據(jù)的匯總；②通過全面的數(shù)據(jù)分析，可完成對SPC的過程能力分析，以及完成動態(tài)問題點的導(dǎo)入，以及質(zhì)量成本的監(jiān)控記錄，F(xiàn)MEA動態(tài)改善等；③建立完整的尺寸制造鏈監(jiān)控管理。打破了供應(yīng)的黑匣子生產(chǎn)，使供應(yīng)商的管理透明、可控、高效；④實現(xiàn)了對設(shè)備狀態(tài)/資源狀態(tài)（包括測量設(shè)備）運行狀態(tài)、周期維護管理提醒、檢驗周期及系統(tǒng)配置和應(yīng)用功能配置等要素的遠程監(jiān)控。
圖8 未來制造型企業(yè)質(zhì)量管理系統(tǒng)的構(gòu)想
通過網(wǎng)絡(luò)化的連接，能在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用、查看、監(jiān)控、執(zhí)行檢測設(shè)備、以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，從真正意義上實現(xiàn)了使質(zhì)量控制系統(tǒng)進入工業(yè)4.0時代。所以，能適應(yīng)未來制造型企業(yè)質(zhì)量管理系統(tǒng)的需求，為此而打造數(shù)據(jù)鏈質(zhì)量監(jiān)管與智慧數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，是極其重要的。鑒于該系統(tǒng)乃是以檢測設(shè)備及其傳感器所采集的產(chǎn)品質(zhì)量的大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，故必須打通不同設(shè)備和不同軟件之間的各個環(huán)節(jié)，通過統(tǒng)計分析等眾多專業(yè)的數(shù)據(jù)處理方式、快速反饋加工、以實現(xiàn)企業(yè)運轉(zhuǎn)過程中的高效決策，同時，也為未來的創(chuàng)新提供了真實而強有力的依據(jù)。
