面向智能制造的船舶小組立中間產(chǎn)品工藝路線

周榮富，梁 偉，汪 璇，楊 虎

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

國外先進(jìn)船舶制造企業(yè)的小組立中間產(chǎn)品工藝路線較為先進(jìn)，在歐洲、韓國和日本各造船企業(yè)中，小組立零部件機(jī)器人智能焊接的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟[1]，小組立生產(chǎn)線工作人員大幅減少，生產(chǎn)效率大幅提高。在國內(nèi)的船舶制造企業(yè)中，小組立焊接差距比較大，主要以人工為主，沒有形成智能化流水作業(yè)，自動(dòng)化程度不高[2]。目前，國內(nèi)骨干船廠正在建立小組立流水線，但尚未有較成熟的方案。

1 小組立中間產(chǎn)品概念

中間產(chǎn)品是根據(jù)成組技術(shù)的相似性原理定義的小組立制造階段的過程產(chǎn)品，是指在船舶建造過程中具有典型工藝特征和殼舾涂一體化完整性標(biāo)準(zhǔn)，按照造船流程和制造邏輯鏈有序組合疊加形成最終產(chǎn)品(整船)的一種成品化產(chǎn)品。中間產(chǎn)品是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化綜合數(shù)字設(shè)計(jì)的基本單元，是組織造船生產(chǎn)的物流、信息流、資金流的基本載體[1]。

船舶小組立中間產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)由一塊底板和一塊或若干塊交叉布置的肘板拼接而成，如圖1和圖2所示。在焊接過程中涉及平焊、立焊、平包角作業(yè)和立包角作業(yè)，具有種類多樣、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，在船舶建造過程中往往耗費(fèi)大量的人力和物力。

圖1 典型船舶小組立

圖2 船舶小組立典型焊縫類型

2 傳統(tǒng)小組立制造工藝路線

傳統(tǒng)小組立制造工藝路線包括進(jìn)料、理料、拼板、裝配、電焊、修補(bǔ)打磨、火工矯正、出料等工序，首先將鋼材在盤上展開，找出加強(qiáng)筋，然后開始劃線，把筋和板進(jìn)行點(diǎn)焊裝配，接著焊接、背燒、打磨。我國多數(shù)造船廠在小組立生產(chǎn)過程中都采用手工焊接方式，自動(dòng)化程度低，沒有形成流水作業(yè)，生產(chǎn)效率達(dá)不到現(xiàn)代造船企業(yè)的要求[3]。

3 小組立制造工藝路線的智能化改進(jìn)

3.1 原則和方法

工藝路線具體包含物料加工、零部件裝配的操作順序，是指導(dǎo)制造單位按照規(guī)定的作業(yè)流程完成生產(chǎn)任務(wù)的手段[4]。構(gòu)建面向智能制造的小組立中間產(chǎn)品工藝路線，首先需要將小組立殼舾涂作業(yè)在車間內(nèi)合理布局，建立標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)流程以提高生產(chǎn)效率，流水線各項(xiàng)作業(yè)均衡協(xié)調(diào)、緩沖量小，很少有大量中間產(chǎn)品堆積，同時(shí)基于計(jì)劃拉動(dòng)的庫存和物流配送管理，建立以小組立中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，擁有連續(xù)、均衡、節(jié)奏鮮明的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序的生產(chǎn)線?？蓪?shí)行小組立船體物流分道、舾裝物流托盤化，形成包含生產(chǎn)圖紙、物資托盤、人員設(shè)備等信息并具有一定作業(yè)量的任務(wù)包，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)物資的拉動(dòng)。唯有標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)流程才能順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的流轉(zhuǎn)貫通。

3.2 小組立智能生產(chǎn)線的功能及作業(yè)流程

通過研究小組立制造工藝流程，優(yōu)化其工藝路線，提出直線型布局小組立智能生產(chǎn)線(見圖3)，實(shí)現(xiàn)小組立工件的智能焊接和自動(dòng)背燒的功能，形成面向智能制造的小組立中間產(chǎn)品工藝路線。

圖3 小組立智能生產(chǎn)線示例

3.2.1 上料裝配工位

該工位可完成小組立托盤堆放、小組立工件組對(duì)、點(diǎn)焊及輸送等作業(yè)。具體作業(yè)流程如下：

(1) 操作工利用起吊設(shè)備將小組立工件運(yùn)送至裝配平臺(tái)上。

(2) 操作工在裝配平臺(tái)上根據(jù)定位孔指示，將基板、筋板和肘板進(jìn)行組對(duì)和人工點(diǎn)焊。

(3) 裝配完成后，操作工通過掃碼方式錄入工件工程代碼，啟動(dòng)上料裝配工位輥道，在裝配平臺(tái)下的輸送輪升起，將工件輸送至機(jī)器人焊接工位。

3.2.2 機(jī)器人焊接工位

該工位應(yīng)用機(jī)器人焊接系統(tǒng)，可完成小組立工件的自動(dòng)焊接，如圖4所示。

具體作業(yè)流程如下：

(1) 裝配完成后的小組立工件進(jìn)入焊接工位。

(2) 在位于初始位置(距離上料裝配工位遠(yuǎn)端)的焊接門架探測(cè)到小組立工件到位時(shí)，自動(dòng)控制輥道停止。

圖4 機(jī)器人焊接工位示例

(3) 機(jī)器人門架從初始位置移動(dòng)至另一端，過程中使用3D掃描設(shè)備對(duì)焊接工位內(nèi)的工件進(jìn)行初步掃描，確定焊縫的大體位置。

(4) 完成整個(gè)焊接區(qū)域的3D掃描后，焊接門架向初始位置運(yùn)動(dòng)。在返程過程中，2臺(tái)機(jī)械臂以3D掃描的大體位置信息為指導(dǎo)，分別移動(dòng)至一條焊縫的兩端，使用機(jī)械臂前端的激光識(shí)別設(shè)備對(duì)焊縫的精確位置進(jìn)行再次掃描，并共享位置信息。

(5) 2臺(tái)機(jī)械臂從焊縫兩側(cè)分別開始實(shí)施焊接作業(yè)，單槍完成包角焊接。

(6) 重復(fù)第4、第5步驟，完成焊接區(qū)域中每條焊縫的精確定位和焊接作業(yè)，焊接門架返回初始位置。

(7) 實(shí)施焊槍清理。

(8) 機(jī)器人向生產(chǎn)線控制站發(fā)送焊接完成的狀態(tài)指令，輥道將工件運(yùn)出焊接工位。

(9) 下一批裝配完成的小組立工件進(jìn)入焊接工位。

3.2.3 檢查修補(bǔ)工位

該工位由操作工完成對(duì)焊接后小組立工件的焊渣清理、焊縫檢驗(yàn)及修補(bǔ)打磨等作業(yè)。

3.2.4 自動(dòng)背燒工位

該工位在進(jìn)入端安裝光電開關(guān)，在縱向固定位置配備火工背燒設(shè)備，如圖5所示。

圖5 背燒工位設(shè)備布置

具體作業(yè)流程如下：

(1) 控制系統(tǒng)將上料裝配工位基準(zhǔn)筋板位置信息傳送至自動(dòng)背燒工位，自動(dòng)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)槍頭位置。

(2) 控制系統(tǒng)根據(jù)焊接工位3D掃描測(cè)得的筋板間距，自動(dòng)調(diào)節(jié)可移動(dòng)槍頭至背燒位置。

(3) 檢查修補(bǔ)完成的小組立工件通過輥道運(yùn)送至光電開關(guān)位置，筋板或肘板前端觸發(fā)光電開關(guān)，背燒裝置開始工作(點(diǎn)火)。

(4) 背燒完成后，筋板末端離開光電開關(guān)時(shí)，背燒裝置停止工作(熄火)。

3.2.5 卸料工位

該工位由操作工利用橋式起重機(jī)將小組立工件從生產(chǎn)線卸至托盤上。

3.3 小組立智能生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 生產(chǎn)線管控技術(shù)

生產(chǎn)線管控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、焊接控制柜組成，配備機(jī)器人、焊機(jī)、輥道、背燒裝置等執(zhí)行機(jī)構(gòu)和光電開關(guān)等傳感器，如圖6所示。

3.3.2 機(jī)器人焊接實(shí)現(xiàn)技術(shù)

機(jī)器人焊接實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括基于模型的離線編程技術(shù)及基于視覺識(shí)別的在線編程技術(shù)。

(1) 基于模型的離線編程技術(shù)是指應(yīng)用工藝信息提取軟件、離線編程軟件及機(jī)器人焊接集成控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工件焊縫的自動(dòng)識(shí)別和智能焊接。

(2) 基于視覺識(shí)別的在線編程技術(shù)是指應(yīng)用三維激光掃描處理軟件、焊接路徑規(guī)劃系統(tǒng)及機(jī)器人焊接集成控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工件焊縫的自動(dòng)識(shí)別和智能焊接。

圖6 小組立智能生產(chǎn)線管控系統(tǒng)

3.3.3 小組立焊接工藝數(shù)據(jù)庫技術(shù)

通過焊接工藝數(shù)據(jù)庫，開展焊接工藝試驗(yàn)，記錄焊接電流電壓、焊接速度等一系列焊接工藝參數(shù)，不斷完善升級(jí)小組立焊接工藝數(shù)據(jù)庫。

3.3.4 焊接工藝專家支持技術(shù)

在已經(jīng)積累大量焊接工藝數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用小組立焊接工藝專家支持系統(tǒng)，通過輸入板厚、焊腳高度，可自動(dòng)匹配機(jī)器人焊接工藝參數(shù)信息，無需進(jìn)行工藝試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3.5 工件自動(dòng)背燒技術(shù)

在無需工件翻身的前提下，自動(dòng)采集機(jī)器人焊接系統(tǒng)焊接的位置坐標(biāo)信息，控制火焰槍頭的移動(dòng)距離和點(diǎn)火時(shí)間，整個(gè)過程無需人工干預(yù)。

3.3.6 生產(chǎn)線故障診斷技術(shù)

小組立智能生產(chǎn)線設(shè)備多、控制對(duì)象多、任務(wù)處理多，故障概率比較大。建立設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，目的在于保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和快速排除故障[5]，主要由設(shè)備故障診斷系統(tǒng)、生產(chǎn)線診斷維護(hù)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)組成。

3.3.7 生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

小組立制造車間內(nèi)的管理系統(tǒng)/生產(chǎn)系統(tǒng)/物流系統(tǒng)采用LAN/BUS(網(wǎng)絡(luò)/總線)進(jìn)行鏈接[6]，在小組立制造區(qū)域可實(shí)時(shí)監(jiān)控工件來料、工位加工和物流運(yùn)轉(zhuǎn)等信息，包括工序上的時(shí)間、生產(chǎn)人員等信息可實(shí)時(shí)監(jiān)控，生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)進(jìn)度、任務(wù)達(dá)成狀況、生產(chǎn)品質(zhì)狀況等可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。集合車間視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)等現(xiàn)場工作透明化。

4 結(jié) 論

開展面向智能制造的船舶小組立中間產(chǎn)品工藝路線研究，對(duì)構(gòu)建小組立智能生產(chǎn)線具有十分重要的意義，結(jié)論如下：

(1) 構(gòu)建面向智能制造的小組立中間產(chǎn)品工藝路線，打造小組立智能生產(chǎn)線，實(shí)施專業(yè)化流水線生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)作業(yè)均衡協(xié)調(diào)及小緩沖量，以標(biāo)準(zhǔn)化的工藝流程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的流轉(zhuǎn)貫通。

(2) 小組立智能生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)小組立工件的智能焊接和自動(dòng)背燒的功能。

(3) 通過應(yīng)用相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，可保證小組立生產(chǎn)的連續(xù)性及生產(chǎn)管控的智能化。