基于船舶智能制造的切割工藝流程與數據庫設計

王明釗，戎文娟，王佳琳，康占賓，李冬冬

（1.北京機科國創輕量化科學研究院有限公司，北京 100083；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；3.武漢材料保護研究所有限公司，武漢 430030）

1 前言

船舶制造是典型的離散型生產，由于船廠空間尺度大、船舶建造周期長、工藝復雜、單件小批量、中間產品種類非標件多、作業環境相對惡劣，因此對信息化、自動化、智能化技術應用提出了特殊的要求，也影響了船舶制造工業的信息化、自動化和智能化的發展進程。

目前國內船舶制造領域智能化的研究，主要集中在船舶智能制造的技術探索、頂層設計以及標準體系[1-3]等內容。只有少數學者對船舶制造單個環節的智能化開展研究，例如智能舾裝[4]、智能焊接[5]和智能小組立[6]等。

船舶制造依靠現有技術水平實現整體智能化具有一定的難度，因此實現船舶制造智能化應當以關鍵環節的智能化為切入點，逐個實現船舶制造工藝過程的自動化、智能化，再將每個工藝過程進行級聯，進而實現船舶制造的整體智能化。同時，隨著智能化的推進，傳統的工藝流程（見圖1）也將進行改造，使之適應智能化的發展。

圖1傳統的切割工藝過程

當前船舶制造過程中，數字化和自動化水平較高的工藝過程是切割工藝。在傳統切割工藝過程中，板材運輸至切割工位環節只實現了機械化；板材切割和零件編碼環節實現了自動化；而確認板材、拷貝切割指令、板材定位環節均為人工操作。由此可見，傳統船舶制造的切割工藝只在部分環節實現了自動化，距離切割工藝全過程的自動化還有一定的距離。

為了能夠實現切割工藝全過程的信息化、自動化和智能化，除了要配套相關的硬件設施，還要為整個系統設計完善的數據庫。在機械加工、鑄造、復合材料等領域，工藝數據庫的應用已經相當廣泛，并且基于數據庫的數據挖掘和分析、專家知識庫等研究也成果豐碩。但在船舶制造的工藝數據庫領域，目前國內的研究幾乎為空白，僅有物料數據庫[7]、工件質量數據庫[8]、制造資源數據庫[9]等幾個方面的研究。

工藝數據庫的建立，為工藝數據的采集、存儲、和查詢功能提供了基礎。更重要的是，利用大數據、數據挖掘等前沿信息技術，可以實現對工藝數據的更深層次利用，對工藝結果分析、工藝過程優化、提升傳統制造業的效率和水平、降低生產成本等方面具有重要的意義。

本文針對傳統船舶制造的切割工藝過程，基于智能制造提出了一套智能切割工藝流程及數據庫設計，為切割工藝的信息化、自動化和智能化提供基礎。

2 智能制造的切割工藝流程

2.1 工藝流程

基于智能制造，本文對切割工藝進行了改造：將原有的6 個環節合并為3 個環節，并且增加管控平臺、檢測掃描環節，改裝后的工藝流程如圖2所示：

（1）板材輸送

管控平臺將板材位置和切割機工位位置發送給吊裝設備控制系統；吊裝設備控制系統根據板材位置信息吊裝板材，并按照切割機工位位置將板材運輸至切割機工位。

（2）板材掃描

掃描系統對板材進行掃描，并通過圖像處理技術獲取板材信息和板材精確位置；掃描完成后，將板材信息和位置信息返回至管控中心。

（3）板材切割

管控平臺根據上個環節發送的板材信息確定板材切割方案，并將板材定位信息和經過優化設計后的切割程序、噴碼程序發送至切割機系統；切割機在對板材進行切割的過程中，將切割出來的零件進行編碼。

圖 2 改造后的切割工藝流程

（4）掃描檢測

掃描系統對切割出的零件進行三維掃描，通過圖像處理技術獲得零件的尺寸精度和坡口信息等數據。

2.2 工藝流程的可行性分析

改造后的智能切割系統，包括了1個平臺和3套系統：管控平臺；吊裝系統、掃描系統和切割系統。其中，吊裝系統和切割系統為現有系統，管控平臺和掃描系統為新增系統。為了實現上述智能切割工藝流程，吊裝系統和切割系統需要進行相應的升級改造。平臺與系統之間關系，如圖3 所示。

圖3 平臺與系統之間的關系

（1）吊裝系統

吊裝系統需要開放接口，接收管控平臺發送的工作指令（起始位置、結束位置等），完成操作后需要將執行結果發送回管控平臺。

（2）切割系統

切割系統需要開放接口，接收管控平臺發送的切割指令（板材位置、切割指令、零件編碼等），然后將切割結果（生成順序、零件編碼等）反饋給管控平臺；同時，切割系統需要將移動機構的實時位置發送給掃描系統，以便掃描系統完成對板材的掃描過程。

（3）掃描系統

新增的掃描系統主要有3個功能：板材確認、板材定位、掃描檢測。掃描系統通過切割系統的移動機構，實現對板材（或零件）的整體掃描；利用圖像識別技術，實現板材確認（編號或二維碼）和零件檢測功能；利用掃描系統坐標系與切割系統坐標系的轉換，實現板材定位功能。

（4）管控平臺

新增的管控平臺是整個系統的控制中心，負責整個系統的任務分配和調度工作：管控平臺將板材位置、切割機位置發送給吊裝系統；吊裝系統反饋執行結果后；管控平臺將將掃描指令發送給掃描系統，掃描系統將板材身份和位置反饋給管控平臺，管控平臺確認板材身份和位置后，將板材位置、切割程序等信息發送給切割系統，切割系統開始執行切割過程。

3 工藝數據庫設計

船舶制造過程中傳統的切割工藝只實現了切割過程的自動化，并未實現切割工藝的整體自動化，因此并沒有一套完整的針對智能切割工藝的數據庫。切割工藝數據庫的建立，是切割工藝智能化的基礎，不僅為切割工藝提供了數據采集、存儲的容器，為智能切割系統提供運行數據庫，而且為工藝數據分析和挖掘提供了數據基礎。

切割工藝數據庫的設計流程，如圖4 所示。

圖4 數據庫設計流程

受論文篇幅所限，本文只針對切割工藝數據庫設計的2 個核心問題（概念結構設計、工藝表設計）展開研究，其余工作按照數據庫設計的規范和方法即可完成。同時，由于本文研究重點是工藝分析，對于數據庫系統的用戶管理、系統管理等內容，暫不作討論。

3.1 概念結構設計

通過對切割工藝的過程分析和流程該造，智能切割工藝的概念結構圖如圖5所示。圖5中：矩形框表示實體（數據表）；菱形框表示實體之間的關系；菱形框兩側數字表示兩個實體之間聯系類型（1:1、1:N、M:N）。

圖5 概念結構圖

工藝數據庫以切割工藝為核心展開設計。本文的研究重點是切割工藝的屬性及其相關的實體屬性，其余實體的屬性均可通過簡單的分析推理得出，在此不作詳細介紹。

3.2 工藝表設計

本文提出了一種工藝分析的方法，并以切割工藝為例，設計了切割工藝數據庫的核心——切割工藝表。

工藝分析方法將影響工藝的因素分為八個要素：原料、產品、規范、環境、人員、設備、方法和時間，如圖6 所示。

圖6 工藝分析八個要素

切割工藝表設計，如表1所示。

（1）原料

包括對象和屬性。對象是指參與該工藝的輸入資源；屬性是指能夠影響該工藝過程的屬性。如表1所示，原料為板材，板材字段為外鍵索引，可以由板材表獲得原料的屬性（材質、長度、寬度、厚度等）。

表1 切割工藝表

（2）產品

指該工藝工程最終的輸出結果或產品。零件表的屬性中包含了切割工藝的序號，可標識零件與工藝過程之間的關系。

（3）規范

指執行該工藝過程參照的規范標準。

（4）環境

指在進行工藝過程中，可能對該工藝產生影響的環境因素。由于切割工藝過程受環境（溫度、濕度、氣壓等）因素影響較小，因此不考慮環境因素。

（5）人員

包括參與該工藝過程的設計人員和操作人員。

（6）設備

指該工藝過程中的相關執行設備，包括設備編號、控制參數和實時參數三個部分：設備編號標識了哪臺設備參與完成工藝過程；控制參數指在具體的某個工藝過程中設備進行了哪些具體的參數設置；實時參數指在進行該工藝過程中，設備的一些參數狀態的實時變化情況。

切割工藝過程中，切割機和設備參數方案字段，分別表示了設備編號和控制參數；利用工藝表中的開始時間和結束時間，對設備狀態表的數據進行篩選，可獲取對應工藝過程中所有的設備狀態情況。

（7）方法

指該工藝過程具體實施細節，包括方法類型、設計參數、操作順序：方法類型標識了采用了何種方式實現該工藝過程；設計參數是除設備控制參數外的一些相關的參數；操作順序是指該工藝過程中特定的工藝流程。

切割工藝過程中，方法類型選用激光切割、（等離子切割、火焰切割等方式）；設計參數包括套料卡、切割精度、是否有余料，其中套料卡為外鍵；套料表中包括切割長度、空程長度、劃線長度等；操作順序包括零件切割順序、本次切割工藝程度文件和整個切割的軌跡圖。

3.3 切割檢測表

在工藝分析中，檢測結果（切割檢測表）并沒有納入要素之中，因為檢測結果并不影響工藝過程，只能用來衡量工藝過程。

在某些工藝過程中，可能包含多個工藝階段，上一工藝階段的檢測結果會作為下一工藝階段的設計參數、設備參數等的依據。這類工藝過程表面上看，是與檢測結果相關，但實際上在執行過程中多次改變了設計參數、設備參數等因素，所以這類的工藝過程要分成多個小工藝過程，而拆分出的小工藝過程符合八要素分析法，其每個工藝過程不受當前工藝過程的檢測結果影響。

4 結論

本文設計了一種基于船舶智能制造的切割工藝流程，并分析了其可行性。盡管該工藝流程目前尚未完全實現智能化，但改造后的流程均采用了成熟技術和方案，具備一定的合理可行性。

對船舶智能制造，本文提出了一種工藝分析方法（不限于切割工藝），并利用這種方法設計了切割工藝數據庫及其核心工藝表。這種工藝分析方法擴展了原有工藝分析方法，不僅局限于物料和設備的狀態，還將人員、設計、環境等因素納入考慮范圍。這種分析方法不僅可應用于切割工藝環節，在船舶制造的裝配、焊接、涂裝等環節均可以應用，甚至可擴展至在機械加工、鑄造、材料等領域。基于智能切割工藝設計的切割工藝數據庫，為切割工藝的信息化提供了基礎，為工藝分析、數據挖掘等自動化、智能化研究提供了支撐。