面向智能制造的船舶小組立中間產品工藝路線

周榮富，梁 偉，汪 璇，楊 虎

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

國外先進船舶制造企業的小組立中間產品工藝路線較為先進，在歐洲、韓國和日本各造船企業中，小組立零部件機器人智能焊接的應用已經非常成熟[1]，小組立生產線工作人員大幅減少，生產效率大幅提高。在國內的船舶制造企業中，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，自動化程度不高[2]。目前，國內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 小組立中間產品概念

中間產品是根據成組技術的相似性原理定義的小組立制造階段的過程產品，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準，按照造船流程和制造邏輯鏈有序組合疊加形成最終產品(整船)的一種成品化產品。中間產品是設計、生產、管理一體化綜合數字設計的基本單元，是組織造船生產的物流、信息流、資金流的基本載體[1]。

船舶小組立中間產品的結構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、平包角作業和立包角作業，具有種類多樣、結構簡單等特點，在船舶建造過程中往往耗費大量的人力和物力。

圖1 典型船舶小組立

圖2 船舶小組立典型焊縫類型

2 傳統小組立制造工藝路線

傳統小組立制造工藝路線包括進料、理料、拼板、裝配、電焊、修補打磨、火工矯正、出料等工序，首先將鋼材在盤上展開，找出加強筋，然后開始劃線，把筋和板進行點焊裝配，接著焊接、背燒、打磨。我國多數造船廠在小組立生產過程中都采用手工焊接方式，自動化程度低，沒有形成流水作業，生產效率達不到現代造船企業的要求[3]。

3 小組立制造工藝路線的智能化改進

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，是指導制造單位按照規定的作業流程完成生產任務的手段[4]。構建面向智能制造的小組立中間產品工藝路線，首先需要將小組立殼舾涂作業在車間內合理布局，建立標準化的生產流程以提高生產效率，流水線各項作業均衡協調、緩沖量小，很少有大量中間產品堆積，同時基于計劃拉動的庫存和物流配送管理，建立以小組立中間產品為導向，擁有連續、均衡、節奏鮮明的標準化作業程序的生產線。可實行小組立船體物流分道、舾裝物流托盤化，形成包含生產圖紙、物資托盤、人員設備等信息并具有一定作業量的任務包，從而實現生產計劃對物資的拉動。唯有標準化的生產流程才能順利實現數據流的流轉貫通。

3.2 小組立智能生產線的功能及作業流程

通過研究小組立制造工藝流程，優化其工藝路線，提出直線型布局小組立智能生產線(見圖3)，實現小組立工件的智能焊接和自動背燒的功能，形成面向智能制造的小組立中間產品工藝路線。

圖3 小組立智能生產線示例

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、點焊及輸送等作業。具體作業流程如下：

(1) 操作工利用起吊設備將小組立工件運送至裝配平臺上。

(2) 操作工在裝配平臺上根據定位孔指示，將基板、筋板和肘板進行組對和人工點焊。

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

3.2.2 機器人焊接工位

該工位應用機器人焊接系統，可完成小組立工件的自動焊接，如圖4所示。

具體作業流程如下：

(1) 裝配完成后的小組立工件進入焊接工位。

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

圖4 機器人焊接工位示例

(3) 機器人門架從初始位置移動至另一端，過程中使用3D掃描設備對焊接工位內的工件進行初步掃描，確定焊縫的大體位置。

(4) 完成整個焊接區域的3D掃描后，焊接門架向初始位置運動。在返程過程中，2臺機械臂以3D掃描的大體位置信息為指導，分別移動至一條焊縫的兩端，使用機械臂前端的激光識別設備對焊縫的精確位置進行再次掃描，并共享位置信息。

(5) 2臺機械臂從焊縫兩側分別開始實施焊接作業，單槍完成包角焊接。

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

(7) 實施焊槍清理。

(8) 機器人向生產線控制站發送焊接完成的狀態指令，輥道將工件運出焊接工位。

(9) 下一批裝配完成的小組立工件進入焊接工位。

3.2.3 檢查修補工位

該工位由操作工完成對焊接后小組立工件的焊渣清理、焊縫檢驗及修補打磨等作業。

3.2.4 自動背燒工位

該工位在進入端安裝光電開關，在縱向固定位置配備火工背燒設備，如圖5所示。

圖5 背燒工位設備布置

具體作業流程如下：

(1) 控制系統將上料裝配工位基準筋板位置信息傳送至自動背燒工位，自動調節基準槍頭位置。

(2) 控制系統根據焊接工位3D掃描測得的筋板間距，自動調節可移動槍頭至背燒位置。

(3) 檢查修補完成的小組立工件通過輥道運送至光電開關位置，筋板或肘板前端觸發光電開關，背燒裝置開始工作(點火)。

(4) 背燒完成后，筋板末端離開光電開關時，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將小組立工件從生產線卸至托盤上。

3.3 小組立智能生產線的關鍵技術

3.3.1 生產線管控技術

生產線管控系統主要由上位機、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、焊接控制柜組成，配備機器人、焊機、輥道、背燒裝置等執行機構和光電開關等傳感器，如圖6所示。

3.3.2 機器人焊接實現技術

機器人焊接實現技術包括基于模型的離線編程技術及基于視覺識別的在線編程技術。

(1) 基于模型的離線編程技術是指應用工藝信息提取軟件、離線編程軟件及機器人焊接集成控制平臺，實現工件焊縫的自動識別和智能焊接。

(2) 基于視覺識別的在線編程技術是指應用三維激光掃描處理軟件、焊接路徑規劃系統及機器人焊接集成控制平臺，實現工件焊縫的自動識別和智能焊接。

圖6 小組立智能生產線管控系統

3.3.3 小組立焊接工藝數據庫技術

通過焊接工藝數據庫，開展焊接工藝試驗，記錄焊接電流電壓、焊接速度等一系列焊接工藝參數，不斷完善升級小組立焊接工藝數據庫。

3.3.4 焊接工藝專家支持技術

在已經積累大量焊接工藝數據的基礎上，應用小組立焊接工藝專家支持系統，通過輸入板厚、焊腳高度，可自動匹配機器人焊接工藝參數信息，無需進行工藝試驗驗證。

3.3.5 工件自動背燒技術

在無需工件翻身的前提下，自動采集機器人焊接系統焊接的位置坐標信息，控制火焰槍頭的移動距離和點火時間，整個過程無需人工干預。

3.3.6 生產線故障診斷技術

小組立智能生產線設備多、控制對象多、任務處理多，故障概率比較大。建立設備故障診斷系統，目的在于保證生產線的正常運轉和快速排除故障[5]，主要由設備故障診斷系統、生產線診斷維護系統和遠程診斷系統組成。

3.3.7 生產過程實時監控技術

小組立制造車間內的管理系統/生產系統/物流系統采用LAN/BUS(網絡/總線)進行鏈接[6]，在小組立制造區域可實時監控工件來料、工位加工和物流運轉等信息，包括工序上的時間、生產人員等信息可實時監控，生產現場的生產進度、任務達成狀況、生產品質狀況等可實時呈現。集合車間視頻遠程監控系統，實現生產過程中的人、機、料、法、環等現場工作透明化。

4 結 論

開展面向智能制造的船舶小組立中間產品工藝路線研究，對構建小組立智能生產線具有十分重要的意義，結論如下：

(1) 構建面向智能制造的小組立中間產品工藝路線，打造小組立智能生產線，實施專業化流水線生產，實現各項作業均衡協調及小緩沖量，以標準化的工藝流程實現數據流的流轉貫通。

(2) 小組立智能生產線可實現小組立工件的智能焊接和自動背燒的功能。

(3) 通過應用相應的關鍵技術，可保證小組立生產的連續性及生產管控的智能化。