面向船舶智能制造的工藝數字化管理技術

喻天祥，王冬梅，祁 超，沈建龍

(上海船舶工藝研究所，上海 200130)

0 引 言

在當前錯綜復雜的國際形勢下，中美貿易摩擦存在升級的態勢，美國主張的美國優先的貿易政策正在破壞著世界經濟。世界經濟的低迷對航運市場和造船市場產生了深遠的影響，我國的造船行業面臨接單難、盈利難的巨大壓力。智能制造是船舶行業發展的必由之路，隨著全球船舶市場的深度調整，我國船舶行業必須加快結構調整和轉型升級。越來越多的企業開始意識到信息化建設與智能制造升級的重要性，必須加快推動智能化技術與船舶制造技術融合，通過廣泛應用智能加工裝備，加快提升船舶建造效率，降低資源消耗，最終達到降低成本、提升競爭力的目標。通過智能化的創新，融合信息技術、先進制造技術、自動化技術和人工智能技術建立智能生產線，最終構建智能車間、智慧工場。

1 工藝數據管理技術

1.1 工藝數據管理需求分析

2018年12月29日，工業和信息化部聯合交通運輸部、國防科工局編制印發了《智能船舶發展行動計劃(2019-2021年)》，該計劃分析了我國船舶工業的發展現狀和形勢，提出了總體要求和重點任務，并輔之以保障措施，以突破關鍵技術和智能制造裝備技術，形成智能制造標準和平臺，建成智能制造單元、智能生產線和智能化車間為主要目標。具體包括：突破總體、設計、工藝、管控和決策等5類船舶智能制造關鍵技術；攻克船體零部件智能理料、船體零部件自由邊智能打磨、小組立智能焊接、中組立智能焊接、分段外板智能噴涂、管件智能加工等6種船舶智能制造短板裝備的相關技術。

工藝作為需重點突破的智能制造關鍵技術之一，同時又是6種智能制造短板裝備的重要運行支撐，非常重要。船舶行業需要從設計源開始進行工藝數據的智能化設計、提取處理，將船體構件切割和成型工藝、復雜構件焊接工藝、船體分段涂裝工藝、船體結構裝配工藝、管子裝配焊接工藝、舾裝件精準安裝工藝進行提取和重組，形成船舶工藝知識庫，構建面向智能裝備的工藝數據管理支撐平臺，服務于打磨、焊接、涂裝、管子加工等智能制造裝備。

1.2 工藝數據分類和管理內容

根據短板裝備的研制及工程應用要求，面向智能制造的工藝數據管理主要側重于分段制造階段工藝數據的處理，重點研究面向智能制造的船體構件加工成型工藝、中小組立焊接工藝、船體分段外板涂裝工藝、管子法蘭焊接工藝等，通過對各類工藝數據的分類組織整理，形成面向智能制造裝備的工藝專家數據庫。

從數據特點來看，工藝數據可分為結構化的工藝數據和非結構化的工藝文件。例如：焊接工藝數據中的焊縫編號、焊接姿態、焊接類型、坡口代碼、關聯零件名稱、板厚等被稱之為結構化的數據，可通過模型接口，從設計軟件中進行抽取；另一類非結構化的工藝文件，諸如可視化的三維作業指導手冊、涂裝加工工藝卡、管子小票等，是現場施工過程中必不可少的指導性工藝文檔。

1.3 工藝數據處理關鍵技術

面向智能制造的工藝文件數字化管理的關鍵是要對工藝信息進行數字化，形成計算機可識別、可復用并相互關聯的數據及文件體系。分析船體構件加工成型、中小組立焊接、船體分段外板涂裝、管子法蘭焊接的工藝數據特點，根據最終短板裝備的數據應用要求，制訂較為通用的數據規范。針對不同的設計軟件開發相應的模型接口，進行數據的提取與重新組織。通過面向機器人應用的工藝規劃軟件，進行機器人作業的工藝、路徑規劃，或將工藝信息傳遞到數字化車間的智能加工裝備，驅動機器人運行。對于非結構化類的工藝文檔，建立數字化檔案庫，通過工藝文檔管理平臺進行工藝文件的統一歸檔、審簽、瀏覽和下發。

1.4 多源的數據規范要求

當前主流的船舶設計軟件有Tribon、AM、SPD、CATIA等，不同的CAD系統數據格式各不相同，多源數據的交互共享較為困難。需針對異構CAD系統的信息交換技術進行研究，提出面向多源數據的規范格式，建立一套通用的工藝數據結構，并據此開發工藝數據管理系統。基于中間文件建立不同CAD系統的零部件屬性與工藝數據管理系統的映射關系，實現異構CAD數據的智能抽取并轉換成統一數據格式。以中小組立焊接工藝數據為例，通過對不同設計軟件進行分析，可將中小組立的焊接工藝數據分為幾何信息、裝配信息、焊縫信息和零件屬性等4類：

(1) 焊縫幾何信息：描述焊縫路徑的幾何數據/文件，可用于面向機器人應用的工藝規劃軟件，進行機器人路徑的規劃；

(2) 裝配信息：包括裝配名稱、建造方向等，體現船體結構件之間的拓撲關系；

(3) 焊縫信息：包括焊縫名、焊縫長度、焊接姿態、焊接類型、坡口代碼等；

(4) 零件信息：包括零件內部名、零件外部名、板厚、材質、零件位置、零件開孔等。

基于這4類信息形成規范化的中小組立焊接工藝數據描述結構，不同的設計軟件將基于此規范結構開發相應的工藝模型處理接口，抽取數據并形成標準化的工藝文件信息。其他類別的工藝信息經梳理也可形成類似的標準化工藝數據格式，此處不再贅述。

1.5 工藝數據組織及集成技術

采用產品工藝模型數據交互規范，實現將不同CAD系統的產品模型轉換為工藝數據管理系統可識別的數據格式，進行集中統一存儲。基于可擴展標記語言(XML)建立CAD系統的零部件屬性與產品數據管理系統的映射關系。通過對設計CAD抽取的零部件設計屬性、零件結構、裝配信息、工藝信息進行重新組織，重新構建零部件的工藝結構樹，實現產品零部件信息的集中展示與瀏覽。在構建工藝結構樹的過程中，需要根據智能車間作業特征進行生產工藝數據組織，比如需要考慮車間內作業的工藝流程、零部件的流向以及車間作業的計劃。工藝結構樹將為車間智能管控平臺、智能化裝備提供工藝數據支撐。

研究面向服務的數據集成方式，基于面向服務的架構(Service-Oriented Architecture, SOA)的數據集成，開發集成接口，通過這些接口進行系統間的數據交互[1]，實現工藝數據管理系統中的瀏覽器對象模型數據向車間智能管控系統、車間智能加工生產線數據的傳遞。工藝數據組織與集成如圖1所示。

圖1 工藝數據組織與集成示例

1.6 非結構化工藝文檔管理技術

推行船舶加工的智能制造對設計工藝信息的需求更加迫切。工藝設計的交付物中必然有大量非結構化的工藝文檔，針對船舶設計過程中工藝文檔數量大、需流程化審簽、版本多等管理方面的困難，需研究船舶工藝設計文檔的集中化管理，實現工藝文檔的電子化審批流程管理技術、工藝文檔更改管理技術、多視圖設計任務反饋技術、多維度工藝文檔安全控制管理技術和打印信息跟蹤管理技術，形成覆蓋工藝文檔設計計劃、設繪、審核、歸檔、打印、發放等過程的管理方法，開發船舶設計工藝文檔信息管理軟件，為面向智能制造的工藝文件數字化管理技術提供有效支撐。工藝文檔管理框架如圖2所示。

圖2 工藝文檔管理框架

1.7 面向智能制造的工藝數據應用

船廠在進行智能制造方面的建設時，構建車間制造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)和建設智能生產線是其中的重點核心工作。針對MES和智能生產線的運行，需要設計源頭的大量工藝數據作為支撐。

對于船廠典型的設計CAD系統，建立異構CAD接口，通過接口將船體焊接工藝設計數據、船體裝配工藝設計數據、管系工藝設計數據、舾裝物量數據、涂裝工藝設計數據等服務于智能車間的工藝物量數據發布到面向智能制造的產品數據庫，在產品數據管理系統中對工藝物量數據進行重構組織。根據MES、智能車間相關工裝設備的數據輸入要求，生成船體物料清單(Bill of Material, BOM)、管子BOM、舾裝BOM、涂裝BOM，并通過基于SOA的服務接口發布到車間MES或相關裝備的應用軟件。

車間MES可基于工藝物量信息進行車間計劃編排、量化派工、質量管理、勞務結算等。車間智能制造裝備基于工藝信息進行工藝規劃，以中小組立智能焊接生產線為例，針對船廠的中小組立焊接生產線運行需求，根據設計源頭的三維模型及焊縫數據，進行每條焊縫的機器人路徑規劃和工藝規劃[2]，生成焊接程序，下發到焊接生產線指導焊接作業。圖3為基于焊接工藝數據的機器人應用實例。

圖3 基于焊接工藝數據的機器人應用實例

2 結 語

研究工藝信息數字化管理技術是船舶企業推進智能制造建設落地的重要環節之一。要做好這項工作，需要理清智能車間制造執行系統或智能加工生產線對工藝數據的需求，突破工藝數據數字化管理的關鍵技術，形成多源數據的規范要求，并基于數據規范進行數據的提取與組織，解決數據的應用問題。通過工藝信息的數字化管理，最終實現車間制造執行系統的更好應用，支撐船舶加工智能制造裝備進行高效、連續、均衡地生產。