船體平面分段智能制造流水線工藝裝備技術

朱 蘇， 叢煥武， 劉 鵬， 李肖艷

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 201306)

0 引 言

海洋裝備制造業是現代經濟主體部分之一，在新的產業競爭條件下，科技創新能力、技術能力、管理實力和造船及其相關配套等全產業鏈的軟硬實力對競爭力的影響更為突出，競爭要素的變化推動我國船舶工業產業發展的重心由追求規模速度轉向追求質量效益的轉變。

船體建造以分段為基本建造單元，一艘船由數百個平直分段或曲面分段組成，對于大型民用船舶而言，平面分段占據70%以上[1]。為提高船舶建造質量，我國少數骨干造船企業由國外引進一些平面分段流水線裝備，用于平直分段生產。這些用于拼板、縱骨、肋板的裝焊制造設備及連接生產的傳送裝置，雖然部分實現半自動化生產，但大部分焊接工作需要人工完成，很難保證穩定的焊接質量，生產效率較低，人工成本較高。機器人焊接代替人工焊接是發展趨勢，進行國產船體平面分段智能制造流水線技術研究及推廣是在新形勢下船舶制造提質、降本、增效的重要途徑。

1 船體平面分段智能制造流水線研究總體路線

通過調研行業內多家船廠船體平面分段生產需求，同時考察國外先進的生產工藝和技術裝備，明確生產對象，進行有針對性的智能生產線設計，開展相關核心裝備技術研究，并經過大量工藝試驗，最終形成基于我國船舶生產工藝工序的船體平面分段智能制造流水線工藝裝備技術。船體平面分段智能制造流水線研究總體路線如圖1所示。

圖1 船體平面分段智能制造流水線研究總體路線

2 工位布局

船體平面分段智能制造流水線工位劃分取決于生產節拍，根據生產節奏協調、廠房條件、裝焊工藝等因素設計流水線工位布局。船體平面分段加工生產線擬采用h形布局，分A、B兩線設計，四跨部分為A線，三跨部分為B線。A線包含完整的流水線功能，自橫移工位后由1條線變為2條線(即A線為完整線，B線自橫移工位后開始布置)。A線主要功能包括：拼板、單面焊、劃線修補兼緩沖、縱骨安裝(旋轉)、縱骨焊接、橫移、肋板安裝、肋板焊接、預舾裝、頂升運出等；B線主要功能包括：緩存、橫移、肋板安裝、肋板焊接、預舾裝、頂升運出等。流水線主要工位(見圖2)包括：拼板裝焊工位、縱骨裝焊工位、橫移工位、肋板裝焊工位和頂升運出工位。

圖2 船體平面分段智能制造流水線工位

2.1 拼板裝焊工位

該工位主要研究鋼板拼接、定位焊及引弧板與熄弧板的安裝等焊接工作，目前較高效的焊接工藝為單面焊雙面成型的焊劑銅襯墊(Flux Copper Backing，FCB)焊接方法。焊接電源、焊接小車等焊接裝置均安裝在固定的焊接門架上，焊接操作由觸摸屏輸入，具備預置、儲存、自動采集、收集等功能。反面襯墊裝置的銅板具有上下可彎曲性，保證鋼板的緊貼度，從而確保在單面焊接時鋼板背面成型良好。

拼板定位焊工序設計主要完成拼板定位焊及引弧板與熄弧板的裝焊工作，鋼板輸送由升降滾輪和輸送鏈完成。整套升降滾輪由板式滾輪和鋼結構升降支架構成，板式滾輪放置在升降支架上，升降支架由液壓缸驅動可實現升降滾輪支架的上升和下降。升降滾輪支架在升起時可支撐鋼板，由板式輸送鏈推拉鋼板實現鋼板的輸送。其間設置拼板對齊機構，主要由鋼板前后左右調整機構、拼板定位機構、摩擦輪傳送機構、拼板固定機構、支撐梁支承機構、液壓系統、電氣系統等組成。在出現板厚差需要拼板時，使用該對齊機構進行表面對正，升降采用無級變速，可通過升降狀態液晶屏顯示，升降行程為±20.0 mm，鋼板前后左右調整行程均≥300.0 mm。該對齊機構安裝在拼板點焊工位的滾輪支撐平臺下面，主要通過液壓動力實現各部位定位對齊。然后，使用手推方式正面對平機下壓實現工件表面對齊，由手持式CO2氣體保護焊機完成點焊拼裝。最后，通過FCB焊接方法完成鋼板拼接焊接工作。

2.2 縱骨裝焊工位

該工位可完成縱骨的安裝定位工序和焊接工序。首先，型材通過型材輸送線運送至型材定位輸送系統進料輥道，型材定位輸送系統的長度測量裝置負責定位功能，將型材通過輥道運送至指定位置，位于輥道間隔中的翻身裝置負責將型材翻轉90°垂直豎立，并完成對齊和壓緊。接著，縱骨焊接門架焊接小車開始焊接，同時啟動預熱系統，用CO2氣體保護焊機實施人工定位焊接，所有焊槍隨小車運動完成多根縱骨焊接。最后，完成縱骨定位焊接工作。

2.3 橫移工位

完成縱骨焊接后，平面分段設計由此分開為AB兩條線，使用橫移臺車完成分段的橫向運送。在分段需要橫移時，A線兩列電動液壓升降車同時承載分段、同時行駛至橫移工位，液壓升降車升降梁下降，將分段放置在鋼結構臺架上，電動液壓升降車駛離橫移工位，兩列橫移運輸臺車行駛至橫移分段下方，橫移運輸臺車升降梁升起，同時承載分段橫移至B線橫移工位或放置在緩沖位置。

2.4 肋板裝焊工位

該工位主要完成肋板的拼裝定位和焊接工作。由于該工位部件結構較為復雜，焊縫形式多種多樣，目前主要為人工焊接，效率較低。這是焊接智能化技術的研究要點。

以船體平面分段肋板的建造流程與制造工藝研究為基礎，針對船體平面分段肋板的典型板架結構及現場焊接作業特點，研發智能焊接裝備驗證試驗平臺和機器人工作站系統，集成六軸工業機器人、全數字化焊接系統、高精度協同運動系統、焊接過程智能控制等技術和裝備，實現平面分段優質、高效、靈活的焊接作業。

機器人焊接系統集成自尋位、焊縫跟蹤等功能，可實現機器人自動尋找焊縫、無須示教，適應船體平面分段的生產特點，可大幅節省生產時間，并在焊接過程中根據焊接實際自動糾偏，保證焊接軌跡精準度。

2.5 頂升運出工位

該工位位于船體平面分段智能制造流水線主線工位末端，對完成的鋼結構分段進行頂升運出。

3 焊接工藝

中組立焊接從屬于船體平面分段肋板裝焊工位，將智能化焊接裝備技術應用于中組立構件生產中，可實現船體中組立部件的智能化焊接。主要開展核心裝備的總體方案設計、門架機械設計及制造、電氣控制系統設計集成、智能焊接系統專用工藝規劃軟件平臺開發、激光掃描識別定位系統開發、機器人焊接激光尋位系統開發、智能裝備系統集成調試等具體研制工作，并進行焊接工藝研究。

3.1 焊縫自適應尋位

在船體平面分段生產過程中，由于裝配、焊接變形等導致焊縫位置偏差，因此在機器人焊接中需要根據焊接工件的實際情況，研究適合工件焊接的焊縫自適應尋位技術[2]。為保證機器人焊接效率，機器人焊接過程中的焊接路徑需要根據焊縫實際情況進行自動調整。在激光掃描獲得實際焊縫位置信息后，上位機對規劃焊槍運動信息與實際接縫位置信息進行對比運算，通過計算焊槍規劃位置與實際焊縫位置的數據偏差量，得到需要對規劃焊槍位置輸入的補償量，將補償量傳至機器人，機器人獲得實際焊縫位置，基于機器智能指導規劃焊槍的軌跡與姿態。

3.2 焊縫自動跟蹤

在船體平面分段生產制造中，經常會由于裝配間隙過大、工件尺寸不規則等情況而導致焊縫出現偏差，并且較長焊縫也會在焊接過程中由于鋼板變形而導致焊縫出現偏差。針對這些情況，在焊接過程中需要對焊接精度進行控制，采用焊接過程精度控制技術保證焊接路徑精準性，焊縫跟蹤采用擺動式電弧跟蹤系統[3]。在船舶板架結構中，焊縫均屬于角焊縫，在進行第一層擺動焊接時，擺動電極產生電弧長度變化，通過采集焊接電流和電壓信號的變化，自動計算焊槍的高度和對中偏差程度，機器人在獲取偏差數據后，通過算法計算并發出對焊槍位置進行調整的糾偏值，解決由于鋼板裝配誤差或鋼板焊接過程中的過熱變形而導致的焊縫偏差問題。該系統響應速度快、可靠性高。

3.3 機器人多位置焊接

針對船體不同焊縫形式搭建試驗件，開展典型焊縫接頭橫焊、立焊等多位置焊接工藝試驗研究。完善后的船體分段部件平角焊、立角焊、包角焊等焊接數據庫，可為裝配間隙和點固焊的尺寸大小、焊槍姿態及平角焊、立角焊等焊接工藝提供數據支持，以解決實際焊接問題。

4 控制系統

主要開展船體平面分段智能制造流水線信息流和數據流分析、企業資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)/產品數據管理(Product Data Management，PDM)系統接口集成技術、車間作業管理(Shop Floor Control，SFC)信息集成技術、現場動態數據采集技術、可視化看板技術、分布式終端發布等研究，研發船體平面分段智能制造流水線控制系統，實現船體平面分段智能制造流水線的全過程精準管控。針對該控制系統的組成和功能特點，研究各工位協同控制模式和控制方法，解決機械干涉、同步運動、協同操作及智能化焊接等控制難題，形成以機器人控制器、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和工控機協同的控制系統，滿足該控制系統有序、可靠、快速的作業要求。該控制系統研究路線如圖3所示。

圖3 船體平面分段智能制造流水線控制系統研究路線

5 技術指標

船體平面分段智能制造流水線主要技術指標如下：(1)拼板對接錯邊差≤0.5 mm，對接頭間≤1.0 mm；(2)縱骨安裝可調范圍：橫向±100.0 mm，縱向±100.0 mm；垂直±5°，旋轉90°；(3)縱骨焊接速度為0.25～2.50 m/min，焊縫最大長度為16 m；(4)頂升運出油缸、液壓搬運臺車同步精度：5.0 mm；(5)鏈條、管道輸送速度：0～6.00 m/min(可變頻調速)；搬運臺車運行速度：12.00 m/min(空載)；(6)生產效率提高1倍以上；(7)焊接質量符合中國船級社相關規范要求；(8)機器人多軸運動系統與外部軸協同控制，機器人焊槍重復定位精度：0.5 mm；(9)單殼平面分段最大尺寸(長×寬×高)：16 m×16 m×8 m。

6 關鍵技術

通過對船廠船體平面分段生產制造智能化應用體系的研究，針對造船復雜作業環境與高工藝要求，突破縱骨焊接多絲聯裝協調控制技術，基于視覺識別自適應尋位技術、電弧實時感應焊縫自動跟蹤技術及復雜環境集群式協同控制技術等多項關鍵技術，完成船體平面分段智能制造流水線的研發及推廣應用，提高船舶建造的整體技術水平。

6.1 縱骨焊接多絲聯裝協調控制技術

針對船體平面分段生產線上的縱骨分布特點及多部小車同時焊接的同步性要求，研究在縱骨兩側各設置多把焊槍同時進行焊接的協調控制技術。一方面是多絲聯裝技術，在每部焊接小車上設置1個運動平臺，平臺上面設置焊接1根縱骨所需要的4套送絲機構、4把焊槍及相關微調機構，以保證在焊接時焊槍可運行至指定方位；另一方面是協調控制技術，協調縱骨自動焊接機上的多部焊接小車同時且步調一致的運動，協調所有焊槍同時自動先后起弧、熄弧、抬槍、停機等動作，協調處理多電極群焊電弧間干擾和磁偏吹控制技術，并自動設定終端條件，自動采集、保存及分析處理生產管理所必需的數據。

6.2 視覺識別自適應尋位技術

首先，采用離線編程規劃焊槍路徑、姿態，離線編程軟件經二次開發后可從格式轉換后的圖形數據中自動提取所需要的信息，并根據提取的信息自動進行焊接路徑規劃；然后進行模擬仿真以驗證碰撞。針對各種復雜焊縫的焊接路徑，將焊縫類型劃分為多種形式，與焊槍姿態進行結合，通過導入焊接模塊數據，形成機器人可識別的參數，完成焊接路徑優化；進行機器人焊接過程仿真，確認是否符合焊接工藝規劃設計，形成機器人實際焊接程序；導入機器人控制系統，機器人在就位后通過激光進行自動尋位，掃描焊縫實際位置數據，并與系統中的數據進行偏差補償計算，確定焊縫實際位置，開始焊接作業。

機器人在焊接過程中，焊槍運動模型主要涉及兩組數據：位置數據和姿態數據。機器人的焊接程序由焊縫上的1組特征點組成，每個焊縫特征點代表1個程序示教點，每個程序示教點包含6個數值：x值、y值、z值、w值、p值、r值，其中：x、y、z為機器人空間坐標；w、p、r為機器人在每個示教點的姿態，w為機器人繞x軸旋轉角度，p為機器人繞y軸旋轉角度，r為機器人繞z軸旋轉角度。

6.3 電弧實時感應焊縫自動跟蹤技術

焊槍在準備焊接時，控制焊絲在焊縫中間位置的干伸長與在焊縫兩邊時不同，焊絲干伸長的長短導致實際焊接電流與設定值不同，干伸長越短，實際電流值越大。電弧跟蹤軟件系統可實時處理檢測到的電流變化，控制焊槍所處位置，修正機器人焊接軌跡，保證焊縫中心線始終處于坡口中間位置并處于角焊縫的45°位置線上。工件的位置和外形偏差使本來示教的機器人焊接軌跡被修正，焊槍在焊接厚板或角焊縫時進行擺動以跟蹤實際焊縫。

6.4 復雜環境集群式協同控制技術

大型船體分段生產線運行過程非常復雜，智能控制系統需要對各種突發性信息做到協同動態調整。首先，進行協同作業動態調整策略分析，然后針對船體平面分段智能生產線中所有可能的作業信息，以各工位為單位進行分解，包括拼板裝焊、縱骨裝焊、橫移系統、智能焊接工位等各類工序的協同作業環境及作業內容，最后研究各工位不同裝備協同作業系統的運行資源需求和各類動態調整技術的應用可行性及資源需求優先度等，評估各類動態調整策略與企業生產效益權重的相關性，完成對船體平面分段智能生產線協同作業各種信息的實時動態調整工作。

7 結 語

船體平面分段建造作為船舶建造的重要組成部分，由于其建造工藝復雜、生產管理難度大，成為提升船廠整體建造水平的瓶頸。所研發的船體平面分段智能制造流水線將提高船廠船體平面分段的生產效率和智能化水平，可有效避免不必要的人工消耗，最終促進船舶行業由集成制造模式向敏捷制造、精細制造模式的本質轉變，形成空間和時間均可有序利用的智能化工藝生產流程，向智能化生產制造邁進。