面向航空发动机装配的残余扭力扳手无线传输MES系统集成研究

面向航空发动机装配的残余扭力扳手无线传输MES系统集成研究

——基于JD-CSC系列成都精炬达电子科技有限公司产品应用

一、研究背景与问题提出

航空发动机作为航空装备的核心部件，其装配精度直接决定了发动机的运行可靠性、使用寿命与安全性能，被称为航空工业上的明珠"。在航空发动机装配过程中，螺纹连接是应用广泛的装配工艺之一，超过60%的装配工序涉及螺纹紧固件的扭力控制，而残余扭力作为螺纹连接最终装配质量的核心指标，是判断螺纹连接是否满足设计要求、是否存在预紧力不足或过载失效风险的关键参数。传统航空发动机装配过程中，残余扭力检测主要依赖人工手持机械扭力扳手或数显扭力扳手完成，数据由操作人员人工记录后再手工录入制造执行系统（MES），这一模式存在三大核心痛点：第一，数据误差风险高，人工记录和录入过程中容易出现错记、漏记，数据准确率不足95%，不符合航空发动机装配全流程可追溯的质量管理要求；第二，数据传输滞后，操作人员完成检测后需要批量录入数据，MES系统无法实时获取装配现场的残余扭力数据，导致生产调度和质量管控滞后，无法及时发现装配质量异常；第三，追溯体系不完整，当后续出现质量问题时，无法快速定位到具体工序、具体操作人员和具体扭力数据，不符合航空航天领域AS9100质量管理体系对全生命周期追溯的要求。

成都精炬达电子科技有限公司针对工业现场扭力检测数据无线传输需求，推出了JD-CSC系列无线数显残余扭力扳手传输模块，该模块支持多通道扭力数据采集、低功耗蓝牙与WiFi双模传输、工业级抗干扰设计，能够适配绝大多数品牌的数显残余扭力扳手，为解决航空发动机装配现场残余扭力数据无线传输与MES系统集成提供了硬件基础。在此背景下，本文围绕面向航空发动机装配的残余扭力扳手无线传输MES系统集成开展研究，结合JD-CSC系列产品的实际应用案例，梳理集成架构、关键技术与应用效果，为航空发动机制造企业实现装配扭力数据的数字化管控提供参考。

二、核心需求分析

2.1 航空发动机装配行业特殊需求

航空发动机装配对残余扭力数据管控的要求远高于一般机械制造行业，具体体现为四个方面：第一，全数据可追溯，要求每一个螺纹连接点的残余扭力检测数据都必须绑定工件编号、工序编号、操作人员编号、检测时间，存储周期不低于发动机全生命周期，满足航空监管部门的审计要求；第二，实时数据交互，要求残余扭力检测完成后1秒内将数据上传至MES系统，MES系统能够实时判断数据是否合格，若不合格立即触发工序锁止，避免不合格工件流入下一道工序；第三，强抗干扰能力，航空发动机装配车间存在大量电磁设备、金属结构，对无线信号的衰减和干扰较强，要求无线传输模块具备工业级抗干扰能力，数据传输丢包率低于0.1%；第四，兼容性要求，航空发动机装配车间通常同时在用多个品牌、多个型号的残余扭力扳手，要求传输模块能够兼容不同通信协议、不同输出接口的扭力扳手，降低企业改造升级的成本。

2.2 MES系统集成功能需求

残余扭力扳手无线传输系统与MES系统集成需要满足五大核心功能需求：一是数据自动采集与上传，能够自动读取残余扭力扳手的检测数据，无需人工干预，自动完成数据打包加密后传输至MES系统；二是双向指令交互，MES系统能够向扭力传输终端下发工序任务、合格扭力范围等参数，终端在现场提示操作人员，避免操作出错；三是异常数据告警，当检测数据超出MES系统预设的合格范围时，终端现场声光告警，同时立即向MES系统发送异常告警信息，触发质量管控流程；四是离线缓存功能，当车间无线网络出现临时中断时，终端能够本地缓存检测数据，网络恢复后自动补传，避免数据丢失；五是统一协议转换，能够将不同品牌扭力扳手的私有协议转换为MES系统统一识别的标准协议，实现多设备的统一接入管控。

三、系统总体集成架构设计

基于JD-CSC系列无线传输模块的系统集成架构采用分层设计思路，从下到上依次分为终端感知层、网络传输层、协议转换层、MES应用层四个层级，各层级功能清晰，耦合度低，便于扩展和维护，具体架构如下：

3.1 终端感知层

终端感知层由改装后的残余扭力扳手、JD-CSC系列无线传输模块组成，每一台残余扭力扳手加装一个JD-CSC模块，模块通过RS485、USB或TTL接口与扭力扳手的主控板连接，实时读取扭力检测数据、设备状态信息。JD-CSC系列模块支持1~4通道数据采集，能够适配单头和多头扭力扳手，模块内置1500mAh锂电池，一次充电可连续工作超过7天，满足装配车间一班制生产的需求，同时支持低功耗休眠模式，闲置时自动进入低功耗状态延长续航。针对航空发动机装配车间的操作习惯，JD-CSC模块配备了物理确认按键，操作人员完成检测后按键确认上传，避免误上传未稳定的检测数据，同时配备LED指示灯，显示当前连接状态、数据传输状态和数据合格状态，操作人员无需查看手机或其他终端即可快速知晓结果。

3.2 网络传输层

网络传输层采用JD-CSC系列模块的双模无线传输方案，支持WiFi和蓝牙BLE5.0两种传输模式，企业可根据车间实际网络情况选择：对于已经完成车间WiFi全覆盖的企业，直接采用WiFi传输模式，JD-CSC模块直接连接车间WiFi，将数据传输至部署在企业内网的协议转换网关；对于WiFi信号覆盖不佳、电磁干扰强的区域，采用蓝牙传输模式，通过部署在车间的蓝牙网关接收数据后再转发至企业内网，蓝牙传输模式传输距离可达100米，支持多节点接入，单网关可同时接入超过100台扭力扳手，满足大型装配车间的需求。两种传输模式都采用AES-128加密算法对传输数据进行加密，避免数据被窃取或篡改，满足航空制造企业数据安全的要求。

3.3 协议转换层

协议转换层部署在企业内网的边缘网关或应用服务器上，核心功能是实现数据协议的统一转换，解决不同品牌扭力扳手私有协议不兼容的问题。JD-CSC系列产品配套提供协议转换SDK，支持主流品牌数显扭力扳手的协议解析，能够将不同格式的扭力数据转换为符合MES系统要求的JSON格式或XML格式数据，同时提供OPC UA、Modbus TCP、RESTful API等多种标准接口，支持对接绝大多数主流MES系统，包括SAP MES、用友MES、金蝶MES以及航空制造企业自主开发的MES系统。协议转换层还具备数据校验、数据缓存、断点续传功能，对接收的数据进行完整性校验，若数据不完整则请求终端重发，若网络临时中断则缓存数据，网络恢复后按顺序补传，确保数据不丢失、不重复。

3.4 MES应用层

MES应用层是集成系统的最终应用层面，在原有MES系统的基础上扩展了残余扭力数据管控功能，具体包括：工序任务下发、扭力数据实时存储、合格性判断、异常告警处理、质量追溯查询、统计分析报表六大功能模块。其中，工序任务下发模块根据生产计划将当前装配工位的所有螺纹连接点的预设扭力范围、检测要求下发到对应终端，操作人员按照终端提示完成检测；合格性判断模块在数据上传后立即对比预设范围，自动判断是否合格，若不合格立即触发工位告警；质量追溯查询模块支持通过工件编号、发动机编号查询任意一个螺纹连接点的残余扭力数据、检测人员、检测时间，实现全流程可追溯；统计分析报表模块能够对不合格数据进行统计分析，找出高频不合格的工序或紧固件规格，为工艺优化提供数据支撑。

四、关键技术实现

4.1 工业强干扰环境下无线传输稳定技术

航空发动机装配车间存在大量铝合金、钛合金等金属结构，会对无线信号产生严重的衰减和多径效应，同时车间内的起重设备、数控加工设备会产生电磁干扰，容易导致数据传输丢包。针对这一问题，JD-CSC系列模块采用了三项关键技术提升传输稳定性：第一，跳频抗干扰技术，WiFi模式支持自适应跳频，当某一信道干扰较强时自动切换到空闲信道，蓝牙模式采用自适应跳频扩频（AFH）技术，自动避开被干扰的频段，降低丢包率；第二，重传机制优化，模块对每个数据包添加序号和校验码，接收端收到数据包后校验，若校验失败则返回重传请求，最多支持3次重传，既保证了数据完整性，又避免了无限重传导致的网络阻塞；第三，功率自适应调整，模块能够根据接收端的信号强度自动调整发射功率，当信号强度较强时降低发射功率减少干扰和能耗，当信号强度较弱时提高发射功率保证传输稳定。通过上述技术，在车间典型强干扰环境下，JD-CSC系列模块的数据传输丢包率可控制在0.05%以下，满足工业现场的使用要求。

4.2 多协议兼容与快速集成技术

为了兼容不同品牌的残余扭力扳手和不同架构的MES系统，集成系统采用了模块化的协议适配设计，针对不同品牌的扭力扳手开发独立的协议解析插件，不需要修改核心程序即可快速添加新的设备品牌，企业新增扭力扳手时只需要加载对应的插件即可完成接入，不需要对系统进行二次开发。针对MES系统的集成，提供两种集成模式供企业选择：第一种是无侵入式集成，对于已经上线运行的MES系统，不需要修改MES系统的核心代码，只需要通过MES系统提供的开放接口写入数据，开发周期短，对现有生产影响小，适合已有MES系统的改造升级项目；第二种是深度集成模式，对于新建的MES系统或者需要实现双向交互的场景，将协议转换层的接口直接对接到MES系统的核心数据库，实现更快的数据交互和更丰富的功能，适合新厂房建设或者系统整体升级项目。

4.3 离线缓存与断点续传技术

针对车间无线网络可能出现的临时中断问题，JD-CSC系列模块内置8MB本地存储，最多可缓存超过10万条检测数据，当网络断开时，操作人员仍然可以正常开展检测工作，检测数据自动存储在模块本地，不会丢失，当网络恢复连接后，模块按照检测时间顺序自动将缓存的数据上传到服务器，完成断点续传，保证数据的完整性和时序性。为了避免缓存数据出现冲突，模块对每一条缓存数据添加标识和时间戳，服务器接收后自动去重，不会出现重复数据录入MES系统的问题。

五、实际应用案例

5.1 案例背景

某航空发动机制造企业承担国内新一代商用航空发动机的装配任务，原有装配过程中残余扭力检测采用人工记录、手工录入MES系统的模式，存在数据准确率低、追溯困难等问题，不符合商用航空发动机的质量管理要求，因此企业启动了装配车间数字化改造项目，对现有126台数显残余扭力扳手进行无线传输改造，实现与企业自主开发的MES系统集成。项目要求改造后数据准确率不低于99.9%，传输延迟不超过1秒，丢包率不超过0.1%，并且不能更换原有扭力扳手，降低改造成本。

5.2 方案实施

项目采用成都精炬达电子JD-CSC系列无线传输模块进行改造，具体实施过程如下：

第一步：设备适配改造，对企业现有126台不同品牌的数显扭力扳手进行接口适配，每台扳手加装一个JD-CSC-201单通道无线传输模块，针对不同品牌的扭力扳手定制接口转接线，不需要修改扭力扳手原有结构，改造单台设备的时间不超过30分钟，改造过程不影响正常生产，利用车间午休和下班时间分批完成改造。

第二步：网络部署，企业车间已经完成全覆盖WiFi，因此采用WiFi直连模式，所有JD-CSC模块直接连接车间WiFi，在企业内网部署一台协议转换网关，安装协议转换软件，完成所有设备的接入管理。

第三步：MES系统集成，企业采用无侵入式集成方案，利用JD-CSC提供的RESTful API接口，将转换后的标准扭力数据对接到MES系统的装配质量数据库，开发双向交互功能，MES系统将工序任务和扭力范围下发到终端，终端检测完成后上传数据，MES自动判断合格性并返回结果，终端现场显示。

第四步：测试调试，对所有改造后的扭力扳手进行传输测试、精度测试和干扰测试，在车间电磁干扰较强的区域连续测试72小时，验证传输稳定性和数据准确性。

5.3 应用效果

项目完成后，经过6个月的实际运行，应用效果如下表所示：

改造后，该企业航空发动机装配残余扭力数据实现了100%自动采集、实时上传和全流程可追溯，满足了航空局对商用航空发动机的质量追溯要求，每年减少因数据错误导致的质量损失超过120万元，同时降低了操作人员的工作强度，提升了装配效率，获得了企业的高度认可。

规格选型

六、常见问题问答

Q1：JD-CSC系列无线传输模块能不能适配我现有品牌的残余扭力扳手？

A：JD-CSC系列模块支持绝大多数主流品牌的数显残余扭力扳手，包括诺霸、东日、史丹利、吉多瑞等品牌的数显扭力扳手，只要原有扭力扳手具备数据输出接口（RS485、USB、TTL等），都可以通过加装JD-CSC模块实现无线传输改造，不需要更换原有扭力扳手，大幅降低改造成本。对于特殊接口或私有协议的扭力扳手，成都精炬达电子可以提供协议定制开发服务，快速完成适配。

Q2：集成改造会不会影响原有MES系统的正常运行？

A：不会，本集成方案支持无侵入式集成，只需要通过MES系统提供的开放接口实现数据交互，不需要修改原有MES系统的核心代码，改造过程分批实施，不会影响车间的正常生产，对于已有MES系统的改造项目，一般1~2周即可完成开发和调试，上线周期短，风险低。

Q3：车间没有覆盖WiFi能不能用这个方案？

A：可以，JD-CSC系列模块支持蓝牙BLE5.0传输模式，只需要在车间部署一定数量的蓝牙网关，蓝牙网关接收扭力扳手的数据后再通过有线或无线网络传输到服务器，不需要覆盖全场WiFi，单蓝牙网关可覆盖半径50~100米的区域，支持接入100台以上扭力扳手，部署成本低。

Q4：数据传输的安全性怎么保证？会不会出现数据泄露或者篡改？

A：JD-CSC系列模块采用AES-128加密算法对所有传输数据进行加密，数据只在企业内部网络传输，不需要上传到公网云端，不会向外泄露企业的生产数据，同时每个数据包都带有校验码和设备标识，防止数据被篡改，满足航空制造企业的保密要求。

Q5：如果无线网络断网了，数据会不会丢失？

A：不会，JD-CSC系列模块内置大容量本地存储，支持离线缓存功能，断网情况下操作人员可以正常开展检测，数据自动存储在模块本地，最多可缓存10万条数据，网络恢复后自动按顺序补传，不会丢失数据，也不会出现重复数据的问题。

七、结论与展望

面向航空发动机装配的残余扭力扳手无线传输MES系统集成，是航空发动机装配数字化转型的重要组成部分，解决了传统人工记录模式存在的数据不准确、追溯困难、管控滞后等问题，满足了航空发动机装配对质量管控和全生命周期追溯的要求。基于成都精炬达电子JD-CSC系列模块的集成方案，采用分层架构设计，具备强抗干扰、多协议兼容、离线缓存等核心技术，改造成本低、实施周期短，适合航空制造企业现有车间的数字化改造升级，实际应用案例证明该方案能够显著提升数据准确率和生产效率，降低质量风险和改造成本，具备良好的推广应用价值。未来随着工业互联网技术在航空制造领域的进一步应用，残余扭力数据可以与设计工艺、供应链数据进行深度融合，通过大数据分析进一步优化螺纹连接工艺参数，提升航空发动机的装配质量和可靠性。

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