胡 麗

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

郵輪型客滾船體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、船體建造精度要求高、配套范圍廣，因此對(duì)郵輪型客滾船建造過(guò)程有極高的要求，包括復(fù)雜的工程管理、預(yù)制艙室模塊、高精度的薄板加工焊接、分段總段建造和舾裝等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，郵輪型客滾裝船總重約50%～70%為薄板分段，能否高效精準(zhǔn)的完成薄板分段的制造過(guò)程，成為郵輪及郵輪型客滾船建造過(guò)程的重要挑戰(zhàn)。目前我國(guó)積極推進(jìn)薄板分段生產(chǎn)線的應(yīng)用，對(duì)設(shè)備設(shè)施的改造尤為重視，也取得了一定的成就，但在信息通信和車間可視化仿真等方面與日韓、歐美船廠還在存一定的差距。

隨著新一代信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化日益成為未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，世界主要造船國(guó)家紛紛加快智能制造步伐?？傮w上我國(guó)船舶制造業(yè)仍處于數(shù)字化制造起步階段，智能車間的管理和技術(shù)方面，如智能車間的布局、設(shè)備的選型和節(jié)拍設(shè)計(jì)、智能設(shè)備間的信息化集成等都需在建設(shè)后的實(shí)際使用中獲取經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法提前對(duì)智能車間的總體布局和工藝流程進(jìn)行驗(yàn)證[1]。

本文依托我單位承擔(dān)的工信部智能制造新模式項(xiàng)目和某型客郵輪型客滾船建造項(xiàng)目，開(kāi)展智能車間流程仿真研究，對(duì)智能車間各設(shè)備和薄板分段制作流程進(jìn)行可視化仿真，通過(guò)可視化仿真來(lái)驗(yàn)證工藝流程的合理性，分析智能車間的工作效率，為下一步智能車間的改造升級(jí)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 郵輪船體建造工藝流程設(shè)計(jì)

郵輪的建造在分段制作和搭載方面與普通民船產(chǎn)品存在很多相似的地方，同樣是遵循經(jīng)典的總裝造船模式。但郵輪建造有其具體的特殊要求，主要有以下二個(gè)方面：

1）郵輪薄板工藝：郵輪艙室區(qū)域甲板及內(nèi)部艙壁大部分板厚僅5 mm，5 mm～13 mm的薄板板架一般占郵輪船體板架結(jié)構(gòu)55%以上，薄板焊接量大、變形控制難。

2）艙室預(yù)制模塊建造：郵輪的建造除機(jī)艙設(shè)備區(qū)域以外盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化建造工藝，約占全船建造工作量2/3的艙室就采用預(yù)制模塊建造。

郵輪的船體建造工藝流程如圖1所示，主要包括：薄板堆場(chǎng)→薄板校平（部分薄板）→薄板預(yù)處理→薄板切割→零件加工→部件裝焊→薄板分段裝焊→薄板分段預(yù)舾裝→薄板分段涂裝（部分薄板分段無(wú)此步驟）→薄板分段總組→薄板總段預(yù)舾裝→船塢合攏→下水等[2]。

圖1 郵輪建造工藝流程

2 郵輪虛擬車間方案設(shè)計(jì)

依托郵輪建造流程，構(gòu)建虛擬車間如圖2所示，主要包括，薄板分段堆場(chǎng)區(qū)和薄板預(yù)處理區(qū)。薄板平面片體生產(chǎn)線用于船體平面片體的自動(dòng)拼板、縱骨和T排裝配和自動(dòng)焊接。生產(chǎn)線共設(shè)置有8個(gè)工位，分別為鋼板拼板正面焊接工位、鋼板翻身工位、鋼板拼板反面焊接工位、劃線噴碼工位、縱骨安裝工位、縱骨焊接工位、T排安裝工位和T排機(jī)器人焊接工位。

圖2 虛擬車間布局設(shè)計(jì)

配套的智能自動(dòng)輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)管理平臺(tái)和工位間物料傳送通過(guò)工作平臺(tái)、輥道升降裝置進(jìn)行，工件在平臺(tái)上進(jìn)行作業(yè)，采用升降輥道在工位間進(jìn)行輸送。

拼板采用琴鍵式液壓壓力架雙面成形焊接工藝，自動(dòng)劃線采用噴墨高速劃線，縱骨焊接采用多電極高速自動(dòng)化焊接，骨材角焊方式采用視覺(jué)圖像采集，智能雙機(jī)器人自動(dòng)焊接。

2.1 鋼材預(yù)處理工藝仿真設(shè)計(jì)

鋼材在進(jìn)入智能車間之前必須進(jìn)行處理，除去表面的氧化皮和銹蝕并噴涂底漆，確保在后續(xù)的工位上加工時(shí)不會(huì)繼續(xù)腐蝕。在鋼材運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程或在堆料區(qū)域經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的堆積后會(huì)產(chǎn)生形變，會(huì)在小組里加工時(shí)影響加工精度，如果不處理的話將影響船體的線型，所以首先在預(yù)處理工位設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的是校平工位。在校平后需要對(duì)鋼材進(jìn)行升溫，除去表面水分和部分的油污，也利于后續(xù)噴漆后的干燥。預(yù)熱后進(jìn)入拋丸及磨料工序，目的是清除鋼材表面的氧化皮及銹蝕，并使鋼材產(chǎn)生一定的粗糙度。拋丸處理后的鋼材表面需立即涂覆車間底漆。所以鋼材預(yù)處理整合工位的仿真設(shè)計(jì)中包含了校平工位、預(yù)熱工位、拋丸及磨料工位、噴漆工位及烘干工位[5]。如圖3和圖4所示。

圖3 薄板分段堆場(chǎng)

圖4 鋼材預(yù)處理工位

2.2 薄板分段生產(chǎn)線工藝與仿真

薄板分段生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)基于我單位薄板加工生產(chǎn)線場(chǎng)景為研究對(duì)象，運(yùn)用三維建模軟件對(duì)車間進(jìn)行三維場(chǎng)景建模。用虛擬模型來(lái)代替造船廠組立車間里的實(shí)物，為造船廠工作者提供了自主學(xué)習(xí)、研究的平臺(tái)[3]。

以薄板加工流水線場(chǎng)景為研究對(duì)象，通過(guò)在我單位加工車間多次對(duì)設(shè)備尺寸進(jìn)行測(cè)量，使用 3ds MAX軟件對(duì)薄板加工流水線各個(gè)設(shè)備進(jìn)行三維實(shí)景建模，將各個(gè)設(shè)備整合為完整的處理場(chǎng)景，并且對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化和材質(zhì)的渲染。最后將其他已經(jīng)優(yōu)化和材質(zhì)渲染完成的多種工位或設(shè)備的模型進(jìn)行組合，形成了一個(gè)完整的薄板加工流水線的模型。薄板分段生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)包含：薄板處理運(yùn)輸線板（圖5），材矯平工位、激光切割工位、翻身工位、正面拼板工位、反面拼板工位、劃線工位、縱骨拼裝和焊接工位、T排拼裝和焊接工位等多種工位或設(shè)備組成的建模及設(shè)備實(shí)時(shí)場(chǎng)景仿真，形成一個(gè)完整的薄板加工流水線的模型（圖6）。

圖5 薄板處理運(yùn)輸線

圖6 薄板加工流水線模型

3 車間生產(chǎn)實(shí)時(shí)虛擬展示

對(duì)生產(chǎn)線的作業(yè)進(jìn)行深度剖析，采用.NET架構(gòu)，第一級(jí)為網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務(wù)使傳輸層不需要了解網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸和交換技術(shù)；第二級(jí)為傳輸層，系統(tǒng)通過(guò)與MES系統(tǒng)對(duì)接提取虛擬仿真需要的作業(yè)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息，為實(shí)景漫游中提供實(shí)時(shí)參數(shù)顯示；第三級(jí)為應(yīng)用層，通過(guò)實(shí)景的建模與仿真，與MES系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)完整的車間虛擬仿真漫游展示，展示分段生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)信息[3]。

1）網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)網(wǎng)址連接到服務(wù)端，如圖7所示。

圖7 判斷是否連接服務(wù)端

2）傳輸層：通過(guò)設(shè)備編號(hào)，MES系統(tǒng)以WEB SERVICE接口方式提供虛擬仿真需要的作業(yè)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息，如圖8和圖9所示。其中包含的設(shè)備信息包括設(shè)備工位、設(shè)備編號(hào)和設(shè)備描述；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)包括運(yùn)行和停機(jī)；作業(yè)信息包括工程編號(hào)、作業(yè)分段和組件編號(hào)。

圖8 獲取設(shè)備信息與運(yùn)行狀態(tài)

圖9 獲取作業(yè)信息

3）應(yīng)用層：薄板分段流水仿真系統(tǒng)為車間的規(guī)劃管理提供了最直觀、形象的表現(xiàn)形式，用戶足不出戶，即可進(jìn)入虛擬車間場(chǎng)景，了解車間的布局方位以及各設(shè)備的運(yùn)作模式、分析車間運(yùn)行效率，如圖10所示。

圖10 生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)視

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)對(duì)接國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，針對(duì)郵輪建造的特點(diǎn)構(gòu)建船舶智能虛擬車間。按照急用先行原則，著重圍繞船舶分段建造的需求，從智能車間設(shè)計(jì)、智能工藝實(shí)施和生產(chǎn)過(guò)程智能管理等方面推進(jìn)智能車間建設(shè)，初步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程工藝仿真和生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示，為行業(yè)內(nèi)船舶分段建造車間的智能化改造提供有益的參考[1]。