中国教育网络 赵春华 张毅娜 胡恒星

　　摘要：随着互联网、物联网及工业机器人等技术的发展，传统制造业的生产与管理方式正发生着巨大的产业变革，因此在现阶段研究物联网环境下的制造过程监测方法对提升我国制造业的生产管理水平具有重要意义。本文首先分析了机械类产品装配生产的特点与装配过程监测的目标；其次设计了装配过程监测的总体方案，并简单介绍了监测过程中涉及到的数据类型；然后，基于RFID、传感器等物联网设备研究了装配过程中各类动态信息的采集方法；最后对机械类产品装配过程的监测系统进行了研究与设计。

　　目前中国己经将物联网技术列入国家智能制造发展与实施战略专项，在国家智能制造发展与实施战略的支撑下，射频识别、机器视觉、传感器网络等物联网关键技术已经在机械制造业得到广泛应用，并推动机械产品制造系统逐渐向“多维度、透明化、智能化”方向发展[1]。在当前形势下，研究如何运用物联网与互联网技术采集生产过程信息并实现信息化的制造过程监测，有利于相关管理人员便捷地实时掌握人员的考勤信息、设备的运转情况、物料的流动情况、产品关键工序的质量波动情况等信息。

　　机械类产品装配生产过程监测体系分析

　　1.装配生产过程的特点

　　制造业从生产的产品种类和制造的工艺上来看总体可分为两类，即流程制造与离散制造。而装配生产过程是以零件或零部件为原材料，按照“组件装配-部件装配-总装配”的流程进行，是典型的流水型生产[2]，具有离散性、复杂性、动态性特征。

　　2.装配过程监测的目标

　　制造业装配过程监测采用监测软件对现场实时数据进行采集、处理、储存以及可视化，最终产生相应的控制指令并返回监测系统，指导整个装配活动的进行与改善，从而构成一个循环控制回路[3]。

　　（1）监测目标：通过对现场各种生产状态进行实时的数据采集，对数据分析处理以及进一步的挖掘，并将最终的分析结果进行可视化处理，来反映生产过程的各种动态状况。

　　（2）监测对象：装配活动中生产车间与监控目标相关的客观实体，包括现场车间的工作人员、生产设施以及生产物料等。

　　装配过程监测总体方案设计

　　装配过程监测是以采集各种现场信息采集技术和现场信息分析处理技术为主要手段，实时监测机械产品装配过程中的员工、设备、物料流动等信息，达到在一定程度上对整体实现有效监控的目的。针对不同装配过程信息的类型，需要运用不同的设计和信息采集策略，目前国内外的研究主要考虑运用RFID标签和读写器采集装配过程中的物料与在制品流动情况以及操作人员的信息[4]，运用振动传感器、温度传感器等采集加工设备的状态信息，通过采集机床的振动信号判断机床的主轴、轴承、齿轮箱等关键部件的运行状态信息，通过游标卡尺、千分表、三坐标测量仪等检测装置采集关键工序的装配质量信息[5]。

　　由于运用到的物联网设备接口的通讯协议都不尽相同，有学者考虑对不同接口的类型数据进行整合，统一在数据传输链路层运用TCP/IP协议，从而简化数据传输网络的结构[6]。目前的IPv4已经无法满足物联网本身海量的智能设备在接入互联网时对IP地址的大量需求，而IPv6的地址空间正好可以解决此问题[7]。随着互联网的发展，IP网络的可扩展性、稳定性和通用性已经得到了肯定，因此IPv6将是物联网发展的最佳方向[8]。从可持续发展的眼光来看，可以预见未来制造业物联网的应用标准也会朝着IPv6的方向发展，因此本文提出了一种IPv6网络下的装配车间信息采集方案，其中感知层传感器节点与RFID读卡器均支持6LoWPAN（IPv6overIEEE802.15.4，基于IPv6的低功耗无线个域网）网络，6LoWPAN相对于传统的Zigbee网络有以下几个优点[9]：更好的互操作性、更大的封包负载数据空间、更高的安全性。在采集了各类数据后，除了需要将采集到的生产信息可视化地显示在车间管理层终端上，还需要根据采集到的装配过程数据信息分析装配过程的稳定性，以便工人在车间管理层的终端处做出相应的判断及操作。

　　综上所述，可设计出如图1所示的物联网环境下的装配过程监测体系结构。在图1中，感知层由支持6LoWPAN的传感器节点和RFID读卡器、及其他物联网感知设备构成，前者通过支持IPv6的边界路由器通过无线的方式传输到服务器，后者则通过应用网关的方式，将其他不支持IPv6网络协议的设备经应用网关将信息通过IPv6网络传输到服务器中。

　　装配过程的生产数据分析和采集方法研究

　　本文将装配过程生产信息分为以下五大类[10]：产品及工艺信息、作业计划与车间物流信息、制造资源信息、装配过程信息和产品履历信息。

　　1.人员与物料信息采集方法

　　人员、物料及在制品的信息均可以运用现在比较盛行的RFID技术[11]来采集，为避免车间内读取两种标签时产生干扰，人员的标签使用低频标签和固定在工位上的近距离读写器，物料和在制品标签使用高频标签和手持终端进行读写标签的操作。

　　2.加工设备的装配信息采集方法

　　运用振动传感器、温度传感器等采集加工设备的状态信息，通过采集机床的振动信号判断机床的主轴、轴承、齿轮箱等关键部件的运行状态信息，并将测量的信号运用信号处理的方法进行分析，将得到的相关参数传输到检测系统，使设备的信息从本地上传到服务器，以便管理层和设备维护人员对加工设备的可视化监测[12]。

　　3.生产环境信息的采集方法

　　生产环境的监测主要包括对车间内温度、湿度、噪音的监测。为了使车间的环境适合工人的工作，并保证不影响工人的工作效率，车间的噪音不应超过85分贝；为保证加工和装配过程的精度不受环境影响，车间的温度应保持在18℃～28℃；另外车间的湿度应低于75%，以保证各类加工设备不受影响。在选择传感器时，可基于德州仪器的CC2538开发套件板设计不同功能的传感器，可通过6LoWPAN将信息实时传输到应用层进行显示。

　　装配过程监测的系统设计

　　1.监测系统功能设计

　　在开发监测软件前，需要对系统的功能需求进行分析，这是开发系统的前提。本节根据装配过程监测需求，将装配过程监测系统的功能分为以下4个部分：（1）数据管理模块：包括产品的物料清单、装配工序、生产计划、装配线各类资源信息。此模块除了提供录入信息的交互界面，还应具备更新和删除数据库中相关信息的功能。（2）装配过程信息显示模块：负责将运用各类物联网设备感知到的数据以可视化的方式展现出来，此部分的数据主要为动态数据，包括对员工、设备状态的显示、物料配送提示功能、生产环境信息的显示与报警、各工位在制品库存情况、订单完成情况。（3）质量数据分析模块：此模块负责将装配过程的平行度数据绘成控制图并运用KPCA-GA-SVM的方法[13-14]进行分析处理，根据识别的异常结果显示对应的可能原因和解决方案。（4）产品履历管理模块：主要用于后期产品的质量追溯，将录入的静态信息和部分动态信息和产品ID对应并存储到数据库，可实现根据产品ID查询到产品的装配人员、加工设备、关键部件和关键质量信息。

　　根据上述功能模块介绍可得如图2所示的系统功能结构图。

　　2.监测系统交互界面设计

　　根据监测系统功能的结构，可设计开发出装配过程的监测系统软件界面。系统基于LabVIEW2014开发，以SQLServer2014数据库作为监测系统的主数据库和备份数据库[15]，整个系统包括数据管理、装配过程信息显示、质量数据在线分析和产品履历管理四个模块。