基于Unity3D的郵船薄板平面分段流水線作業仿真

呂建軍, 黃斌斌, 徐仁桐, 陳依凡, 李志球, 馮立新

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.森松(蘇州)生命科技有限公司 武漢分公司，湖北 武漢 430070；3.中國船舶集團有限公司，上海 200011)

0 引 言

郵船產業是近年興起的高技術制造產業。大型郵船對船廠的設計建造能力、資源整合能力、項目管理能力、系統集成能力和安全質量控制能力等均具有較高要求，通過郵船的承建可拉動我國船舶工業相關配套行業共同發展[1]。與常規船舶相比，豪華郵船具有型寬較大、型深較小、上層建筑多、甲板層多的特點，由于大量使用薄板減輕結構質量，因此平面分段結構占比較大[2]。

當前，我國船舶制造業仍處于數字化制造起步階段，在智能車間的管理和技術方面，如智能車間布局、設備選型及節拍設計、智能設備間信息集成等，均需要在實際使用中獲取經驗，無法提前對智能車間的總體布局和工藝流程進行驗證[3]。虛擬仿真技術在船舶建造工藝領域得到廣泛應用，整個仿真作業過程不僅可遠離危險工作場地，而且可真實模擬實際建造過程。

1 薄板平面分段流水線工位設計

薄板平面分段車間工位是在普通船舶平面分段建造的基礎上，針對薄板材料特點進行薄板生產線的車間改造。薄板材料板厚度僅為4.0～25.0 mm，厚度區間較大，且在郵船艙室區域占比較大，需求量與焊接量大，需要嚴格控制其變形，對車間工位的制造工藝及設備要求較高[4]。薄板平面分段流水線工位組成如圖1所示，包括上料工位、拼板激光復合焊工位、片段打磨/劃線/噴碼/切割工位、型材裝焊工位、橫移工位、T材裝配工位、T材焊接工位、圍壁裝焊工位和下線運出工位。整條流水線包含型鋼加工生產線、T材制作生產線、圍壁制作生產線和部件制作生產線等，配備完善的輔助生產線，主要設置在車間主生產線的相鄰跨中。

圖1 薄板平面分段流水線工位組成

2 薄板平面分段流水線環境實現

2.1 Unity3D

Unity3D是由Unity Technologies公司研發的一款專業級虛擬仿真開發平臺，使用者可方便地進行虛擬現實環境的開發應用。Unity3D的應用場景包括沉浸式環境漫游、交互式作業模擬和施工3D動畫展示等。Unity3D具有多種設備兼容性，對產品發布種類更具有多樣性選擇。

2.2 模型構建關鍵技術

利用3Ds Max建模軟件構建3D虛擬薄板平面分段車間模型。在建模軟件中捕捉對象在x軸、y軸和z軸的結構數據，進行車間模型及內部工位模型的形狀建模，對于首頂點、頂角、倒角和模型面數進行焊接與封口處理，在轉化為可編輯多邊形后進行減面優化處理。優化處理的目的是在保證模型可用性的前提下，減少模型的繁雜面，為后續的仿真實現進行性能優化。處理方式主要是減少模型總面數，刪除實體模型看不到的零部件，刪除對模型成型影響不大的細節部分。將車間模型的功能點進行分組，分為靜態模型與動態作業模型[5]。模型貼圖與烘焙在虛擬仿真中對場景光影烘焙效果的實現較為重要。基于Unity3D技術的虛擬仿真環境采用光照貼圖和法線貼圖等技術，將場景中不動的設備設置為Lightmap靜態，并在Light組件中將Mode選擇為Baked，選擇適合環境的烘焙參數，即可進行設備模型烘焙。

2.3 車間環境構建

2.3.1 車間環境構建流程

基于Unity3D進行薄板平面分段車間仿真，根據車間工藝流程分析設計車間空間布局形式。設定可加工的薄板分段最大尺寸(長×寬)為36 m×16 m，車間基本尺寸為500 m×110 m，分為3跨，其中，薄板平面分段流水線跨度為40 m，型材預備生產線與T材裝焊區域跨度為36 m，部件切割與圍壁制作區域跨度為34 m。車間環境構建流程如圖2所示。

圖2 車間環境構建流程

2.3.2 車間廠房環境構建

利用3D建模軟件實現廠房構建任務，為保證環境真實性，同時添加模型材質貼圖，將完成的廠房模型導入Unity3D，在添加燈光后進行整體環境的烘焙。

2.3.3 車間環境構建

建立薄板生產線各工位設備、連接工位的地面運輸系統及輔助生產線(型鋼預備生產線)的3D模型。車間環境如圖3所示。

圖3 車間環境

(1)薄板上料工位。該工位構建桁架式平臺，平臺設置滾輪，可減少薄板在工位上移動時的表面摩擦力。

(2)拼板激光復合焊工位。該工位構建薄板的壓板運輸設備與琴鍵式液壓壓板設備，并構建用于薄板邊緣打磨的移動銑邊裝置，創建激光復合焊接頭。根據復合焊接特性，結合郵船船型特點，將其應用于薄板平面分段的拼板裝配，替代原來的CO2氣體保護焊等工藝，可解決薄板焊接熱變形過大的難題[6]。

(3)片段打磨/劃線/噴碼/切割工位。該工位自動對完成拼板的板列進行打磨、噴碼劃線和切割。門架包含1個打磨頭、1個噴碼劃線頭和1個等離子切割頭。

(4)型鋼裝焊工位。該工位采用激光復合焊工藝，自動完成縱向型材焊接。設備主要包括進料裝置、進料門架、裝焊門架和反變形裝置。

(5)T材裝配工位。該工位配置2個裝配門架對T材進行裝配，裝配門架配置工具車，可吊裝T材。

(6)T材焊接工位。該工位配置2個機器人焊接門架，每個門架配置2個機器人焊接單元。

(7)圍壁裝焊工位。該工位主要為手工裝配和焊接，圍壁等部件在該工位完成裝配和焊接。每條生產線配置3個圍壁裝焊工位，每個工位配置1個圍壁裝焊門架。

(8)分段移出工位。該工位將完成的分段通過液壓系統和頂升梁進行頂升，便于平板車進入分段底部將分段運出。

(9)輔助生產線(型鋼預備生產線)。該生產線對縱骨裝焊工位所需要的型材零件進行矯直、銑邊、拋丸、切割和分揀，通過輥道輸送裝置將型鋼托盤輸送至縱骨裝焊主生產線工位。

(10)地面運輸系統。工位之間配備地面運輸系統，包括輥道、升降圓盤平臺、搬運臺車、鏈條和側邊夾板機等，對分段中間產品進行傳遞操作。

3 薄板平面分段流水線仿真實現

3.1 薄板平面分段流水線仿真交互

薄板平面分段車間交互內容包括場景漫游交互與工位作業交互。場景漫游交互采用鼠標控制視角轉換，鍵盤控制位置空間移動，在整個車間范圍內進行場景瀏覽，為薄板生產線的車間布局設計提供指導，同時檢驗薄板生產作業時的部件物流合理性。工位作業交互主要是按建造流程仿真薄板生產線各工位的作業內容，為實際生產中的工藝細節提供參考。薄板平面分段流水線仿真作業順序如下：

(1)操作門式起重機抓取薄板，門式起重機在薄板的一定范圍內實現自動對接功能，并自動吸取吊起薄板，以手動方式進行上料操作。

(2)在拼板激光復合焊接前采用夾緊設備將薄板運輸至琴鍵式液壓壓板設備下，通過視覺相機測量板材位置以計算焊縫對中，而仿真則采用碰撞體組件，在觸發后停留指定位置。

(3)具有激光復合焊要求的鋼板拼縫間隙應≤0.5 mm，常規的等離子和火焰切割無法滿足精度要求，在拼板工位上配置銑邊單元，通過銑刀和液壓夾緊門架，對鋼板焊接邊進行銑削加工。對銑削完成的2張鋼板進行激光復合焊接，循環完成所有拼縫焊接，拼板完成的板列通過出料門架和地面運輸系統傳輸至片段打磨/劃線/噴碼/切割工位。

(4)打磨采用噴丸工藝，主要去除縱骨裝焊位置的底漆，滿足后面的激光復合焊接要求。劃線/噴碼采用噴墨形式，為縱骨和T材安裝位置劃出參考線和基準線。切割采用干式等離子工藝，預留切割裕量，在分段運出車間后對切除的材料進行清理。完成切割的板列通過側邊夾持小車自動移至型鋼裝焊工位。

(5)型鋼裝焊工位的進料門架從托盤中吸取型鋼運至裝配點。在裝配中需要與薄板的劃線吻合，啟動反變形裝置，4臺激光復合焊小車同時對縱骨進行焊接，循環完成整個片段型鋼的裝焊。裝焊結束，通過側邊夾持小車和地面輥道單元輸出至橫移臺車。

(6)橫移臺車通過專用的夾持設備和輸送鏈條將前道完成的片段移至后道的T材裝配工位。

(7)通過裝配門架將托盤中的T材部件逐個吊運至T材裝配工位，并裝配點焊。

(8)點焊完成進入T材焊接工位，焊接機器人通過離線編程可自動進行焊接操作，大幅提高作業效率。

(9)通過裝配門架將圍壁吊運至圍壁裝焊工位，并裝配焊接。

(10)通過液壓系統和頂升梁進行頂升，通過平板車將完成的薄板分段移出車間。

3.2 型鋼預備生產線仿真實現

由于縱骨裝焊采用激光復合焊工藝，對型材與板列的間隙要求≤0.3 mm，因此型鋼預備生產線的仿真需要對型材底邊進行銑削加工。為保證焊接質量，焊接位置的底漆必須去除，因此需要對底部進行噴丸除漆。型材的端切主要采用等離子切割工藝，切割完成的型材通過自動分揀裝置，分揀至縱骨裝焊的緩存裝置，等待型材的裝配作業。型鋼處理流程如圖4所示。

圖4 型鋼處理流程

4 結 語

與一般傳統建造相比，郵船薄板平面分段流水線采用大量的自動化工位設備，同時針對薄板材料特點，采用激光復合焊接方式，減少焊接后的材料變形問題，可提高作業效率，降低人工成本。郵船薄板平面分段流水線作業仿真以現實車間為雛形，根據流水線工位布局樣式，結合輔助生產線，在作業流程驅動下與部件生產線進行互聯，使相鄰跨之間的聯系更加緊密，可提高物料運轉效率。