王世利，毛祖杰，韋乃琨，雷雨雨，孔 寧，劉雨田

（1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 上海船舶工藝研究所，上海 200032；3. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

郵輪產(chǎn)業(yè)作為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，具有國(guó)家戰(zhàn)略利益與企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益的疊加、國(guó)防工業(yè)發(fā)展需求與郵輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求疊加的雙重優(yōu)勢(shì)，對(duì)消費(fèi)與就業(yè)有較強(qiáng)的直接拉動(dòng)力，能帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。大型郵輪被譽(yù)為“海上流動(dòng)的城市”，集觀光、旅游、休閑、娛樂(lè)等功能于一體，是國(guó)際造船業(yè)公認(rèn)的高技術(shù)、高附加值、高可靠性的“三高”船舶，具有船體超大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、舾裝考究等特點(diǎn)，因其設(shè)計(jì)建造的難度和造價(jià)高，被譽(yù)為世界造船界皇冠上的明珠。作為我國(guó)船舶工業(yè)唯一沒(méi)有建造業(yè)績(jī)的船舶類型，建造大型郵輪，填補(bǔ)我國(guó)在這一船型領(lǐng)域的空白，有利于帶動(dòng)我國(guó)船舶設(shè)計(jì)建造整體技術(shù)水平的提升，推動(dòng)我國(guó)船舶工業(yè)從中低端向中高端發(fā)展。大型郵輪設(shè)計(jì)建造對(duì)于船廠的設(shè)計(jì)建造能力、資源整合能力、項(xiàng)目管理能力、系統(tǒng)集成能力和安全質(zhì)量控制能力等將會(huì)有質(zhì)的提升，并通過(guò)郵輪的承建可拉動(dòng)我國(guó)船舶工業(yè)相關(guān)配套行業(yè)共同發(fā)展。目前，我國(guó)大型豪華郵輪工程已進(jìn)入正式實(shí)施階段，首艘大型郵輪船型為13.55萬(wàn)總噸VISTA級(jí)，總長(zhǎng)為323.6 m，型寬為37.2 m，最大容納乘客量為5 246人，總客房2 125間，入英國(guó)勞氏船級(jí)社和中國(guó)船級(jí)社，掛巴拿馬旗，由上海外高橋造船有限公司（簡(jiǎn)稱：外高橋船廠）承建。

大型郵輪設(shè)計(jì)建造是龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，建造難在體系。大型郵輪在設(shè)計(jì)、供應(yīng)鏈管理、項(xiàng)目管理和建造方面難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通商船，復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、苛刻的建造工藝、多元化的供應(yīng)鏈管理、巨型的供應(yīng)商管控、超大量的舾裝作業(yè)、超大量的多系統(tǒng)交叉作業(yè)和施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變等各方面工作均是一種新的挑戰(zhàn)和新的認(rèn)知。因此，這對(duì)薄板車間的總體建造能力提出了更高要求。同時(shí)，豪華郵輪結(jié)構(gòu)具有型寬大、型深小、上層建筑長(zhǎng)、甲板層數(shù)多等特點(diǎn)，為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高航速、降低船舶重心等，豪華郵輪薄板使用比例大，通常會(huì)大量使用僅有4 mm～5 mm的薄板來(lái)進(jìn)行建造，平面分段占有率較高。結(jié)合大型豪華郵輪建造特點(diǎn)，為提升整體建造效率，改善作業(yè)環(huán)境，有效控制板架變形和分段精度，外高橋船廠正在建設(shè)采用國(guó)際先進(jìn)大功率激光焊工藝的薄板平面分段流水線（簡(jiǎn)稱：薄板線）。

1 薄板線主要工藝流程

薄板線建設(shè)在薄板中心車間內(nèi)，車間總占地面積約為50 000 m，共3跨。薄板線由單條片段線、2條分段線，包括激光復(fù)合自動(dòng)化焊接、數(shù)控打磨劃線切割、縱骨自動(dòng)裝配焊接、型鋼自動(dòng)化切割加工、T-Beam機(jī)器人焊接、圍壁裝配焊接等關(guān)鍵工位，如圖1所示。薄板線的主要生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 單條片段線/2條分段線示意及實(shí)景圖

表1 薄板平面分段流水線主要技術(shù)參數(shù)

薄板線主要工藝流程為原材預(yù)處理→原材切邊→銑邊/拼板→打磨/劃線/切割→型材裝焊→T-Beam焊接→圍壁部件裝焊。根據(jù)中間產(chǎn)品形式可分為板材（plate）、拼板（sub-panel）、板架（panel）、片段（section）、分段（block）等階段，如圖2所示。

圖2 薄板線主要工序/中間產(chǎn)品示意及實(shí)景圖

2 薄板線信息化技術(shù)

薄板線信息化建設(shè)目標(biāo)是在模型數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)流水線各管理對(duì)象間的互通互聯(lián)、快速響應(yīng)。開(kāi)展生產(chǎn)車間及自動(dòng)化裝備的建設(shè)，提升平面分段關(guān)鍵部件生產(chǎn)自動(dòng)化水平，聯(lián)通自動(dòng)化裝備、制作對(duì)象、作業(yè)人員、工藝數(shù)據(jù)和物流信息等生產(chǎn)要素，突破關(guān)鍵部件協(xié)同管控技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)平面分段數(shù)字化制造。薄板線信息化建設(shè)內(nèi)容包含自動(dòng)化裝備、制作對(duì)象、作業(yè)人員、工藝數(shù)據(jù)和物流信息等生產(chǎn)要素，突破計(jì)劃任務(wù)、關(guān)鍵部件協(xié)同管控技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)薄板平面分段的數(shù)字化制造。充分滿足流水線設(shè)備制造執(zhí)行和數(shù)據(jù)集成信息化要求，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)、敏捷生產(chǎn)和智能制造。如圖3所示，薄板線信息化建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖3 薄板線信息化建設(shè)整體架構(gòu)

1）生產(chǎn)線管理平臺(tái)提供機(jī)器指令轉(zhuǎn)換（套料）、離線編程、任務(wù)下發(fā)、異常報(bào)警、生產(chǎn)進(jìn)度和設(shè)備狀態(tài)等服務(wù)，提供鷹圖和Tribon M3設(shè)計(jì)系統(tǒng)三維模型、圖紙、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入接口；

2）集中控制室具有集中管控功能，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反應(yīng)流水線生產(chǎn)情況，直觀反映各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警信息，通過(guò)部署工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及硬件，車間網(wǎng)絡(luò)與各流水線設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信與集成，可對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。

3 生產(chǎn)指令轉(zhuǎn)換技術(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下發(fā)的分段三維模型、組立信息、零部件加工板圖，通過(guò)自主研發(fā)的NC轉(zhuǎn)換接口，生成銑邊拼板指令、劃線切割指令、縱骨裝焊指令、T-Beam機(jī)器人離線編程指令等，下發(fā)到各工位實(shí)現(xiàn)拼板、切割、縱骨裝焊、T-Beam裝焊等自動(dòng)化生產(chǎn)，如圖4所示。

圖4 模型指令轉(zhuǎn)換流程示意圖

1）銑邊拼板指令轉(zhuǎn)換接口。將板材加工文件（如xml、gen等格式）導(dǎo)入NC轉(zhuǎn)換程序，可轉(zhuǎn)換為銑邊/拼板設(shè)備指令文件（txt格式）。如圖5所示。

圖5 銑邊拼板指令轉(zhuǎn)換接口軟件界面

2）打磨劃線切割指令轉(zhuǎn)換接口。將板架切割板圖（如xml、gen等格式）導(dǎo)入管理平臺(tái)，可轉(zhuǎn)換為打磨、劃線和切割機(jī)器指令（mpg格式）。如圖6所示。

圖6 打磨/劃線/切割指令轉(zhuǎn)換接口軟件界面

3）縱骨自動(dòng)焊接指令轉(zhuǎn)換接口。將片體加工文件（如xml、gen等格式）導(dǎo)入管理平臺(tái)，可轉(zhuǎn)換為縱骨自動(dòng)焊接機(jī)器指令文件（txt格式）。如圖7所示。

圖7 縱骨自動(dòng)焊接指令轉(zhuǎn)換接口軟件界面

4）T-Beam機(jī)器人焊接指令轉(zhuǎn)換接口。將片體三維模型（如igs、atx格式）導(dǎo)入管理平臺(tái)離線編程軟件，進(jìn)行路徑規(guī)劃和焊接工藝匹配，可生成機(jī)器人焊接指令（prg格式），如圖8所示為離線編程軟件界面。

圖8 機(jī)器人焊接指令轉(zhuǎn)換接口軟件界面

薄板線機(jī)器人焊接工位生產(chǎn)方式包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和先進(jìn)視覺(jué)技術(shù)2種。第一種是提供配套的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟件包，使用船舶設(shè)計(jì)軟件輸出的工件設(shè)計(jì)信息（通用三維模型）進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)工件模型的信息，自動(dòng)分析模型數(shù)據(jù)推算出焊接軌跡和匹配的工藝參數(shù)，在焊接工位的三維數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速離線編程；第二種是通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)獲得工件的三維數(shù)據(jù)和工件位置信息后，利用提供的三維視覺(jué)系統(tǒng)軟件包自動(dòng)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，并自動(dòng)匹配焊接工藝參數(shù)，再通過(guò)激光視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行焊縫尋位和焊接過(guò)程的自動(dòng)跟蹤，無(wú)須示教和編程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。

如圖9所示，針對(duì)焊接對(duì)象的材質(zhì)、厚度、形式、焊材、焊腳以及裝配間隙等信息，依據(jù)焊接工藝規(guī)范，建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的焊接電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規(guī)程信息進(jìn)行匹配，離線系統(tǒng)在生成焊接軌跡的過(guò)程中自動(dòng)匹配相應(yīng)的焊接工藝數(shù)據(jù)。在薄板線后續(xù)使用過(guò)程中持續(xù)配合完成焊接數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，允許根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況及焊接工藝情況自主進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

圖9 焊接工藝專家?guī)燔浖缑?/p>

4 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，薄板線將薄板分段制造流程中的大量基本作業(yè)單元用流水線的方式進(jìn)行組織，使生產(chǎn)過(guò)程更加連續(xù)，大幅提高薄板分段的制作效率；引入大量自動(dòng)化設(shè)備和先進(jìn)工藝，輔助流水線生產(chǎn)，有效降低生產(chǎn)成本；生產(chǎn)的輸入、輸出都可以通過(guò)平面分段流水線進(jìn)行控制，間接提高物流配套準(zhǔn)確性，對(duì)企業(yè)物流系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)也起到推進(jìn)作用；采用裝配線作業(yè)，設(shè)備、人員更加穩(wěn)定，有利于提高平面分段制作質(zhì)量，推動(dòng)全面質(zhì)量管理的實(shí)施。

2）薄板線將打造新一代分段智能車間，在模型數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)流水線各管理對(duì)象間的互通互聯(lián)、快速響應(yīng)。鋼材（板材、型材）數(shù)字化劃線切割、拼板自動(dòng)化激光焊接、型材自動(dòng)化裝配焊接和T-Beam自動(dòng)化焊接等制造單元智能化能力建設(shè)，提升豪華郵輪關(guān)鍵部件生產(chǎn)智能化水平。

構(gòu)筑車間網(wǎng)絡(luò)和信息化設(shè)備，聯(lián)通自動(dòng)化裝備、制作對(duì)象、作業(yè)人員、工藝數(shù)據(jù)、物流信息、質(zhì)量信息等生產(chǎn)要素；突破高級(jí)排程及計(jì)劃協(xié)同管控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造，充分滿足流水線設(shè)備制造執(zhí)行和數(shù)據(jù)集成信息化要求，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)、敏捷生產(chǎn)、智能制造。

數(shù)字驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用在薄板分段生產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)薄板線主線工位數(shù)字模型指令驅(qū)動(dòng)，減少生產(chǎn)過(guò)程中人為介入及出錯(cuò)，節(jié)約人工，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。薄板線的建成投產(chǎn)有助于加快引領(lǐng)外高橋造船廠智能制造改造升級(jí)，滿足特種船舶建造需求，提升船舶建造質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推進(jìn)造船數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。結(jié)合船廠推進(jìn)“殼、舾、涂一體化”、“數(shù)字化造船”等方面積累的技術(shù)，未來(lái)將有更多數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用在薄板線實(shí)際生產(chǎn)中，助力國(guó)產(chǎn)大型豪華郵輪順利建造。