(江南造船(集團)有限責任公司,上海 200011)

近年來，機器人焊接技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，但在國內(nèi)船舶制造業(yè)尚未應用普及[1-2]。絕大部分船舶企業(yè)中小組立仍采用傳統(tǒng)的人工焊接方式，焊接效率低、勞動強度大、質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)連續(xù)性差。智能焊接生產(chǎn)線的建設(shè)能夠有效提升船舶產(chǎn)品焊接效率，縮短生產(chǎn)周期，實現(xiàn)船舶產(chǎn)品規(guī)模化、高效化與批量化生產(chǎn)。

針對船企存在的中小組立類型多、數(shù)量龐大、裝配及焊接物量大，所有中小組立按分段混在同一片場地進行施工作業(yè)，未形成批量化生產(chǎn)，混合排產(chǎn)難度大，計劃、調(diào)度和管理困難，車間柔性化制造能力不足的問題，考慮以某型集裝箱船為例，結(jié)合智能焊接技術(shù)現(xiàn)狀，開展面向智能焊接生產(chǎn)線的船體中小組立特征分析，確定出適合使用焊接生產(chǎn)線制造的具體組立特征要求，開展生產(chǎn)線物量與產(chǎn)能的匹配性分析，為后續(xù)智能焊接生產(chǎn)線的建設(shè)提供參考。

1 組立成組分類

該船中小組立結(jié)構(gòu)類型眾多，尺寸各異，數(shù)量龐大,無法直接確定出適用焊接生產(chǎn)線制造的組立結(jié)構(gòu)，首先對現(xiàn)有中小組立進行分類。

1.1 流向劃分

按照船企船體結(jié)構(gòu)組立建造流程，組立是依據(jù)流向進行劃分的。在先行制造階段，船體結(jié)構(gòu)建造分為小組立、中組立、大組立3個流向階段。而中小組立在分段建造中數(shù)量最多，流向也較復雜。目前智能焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)對象僅考慮中小組立，故只對中小組立進行分析。

小組立分為部件組立(C)、復雜小組立(S)、T型材組立(T)3種類型。部件組立是最基本的組立，由1塊或2塊鋼板附加1個或幾個零件組成；復雜小組立是在基本組立上再加上1個或多個小組立或零件組成；T型材組立是由腹板加上面板組成。典型小組立類型見圖1。

圖1 典型小組立

中組立是由若干小組立和零件組合成的中型組立，又分為非拼板中組立(M)、拼板中組立(P)2種類型。2種類型的主要區(qū)別在于拼板中組立首先要完成基面板的拼板，再與組立或者零件組裝。典型中組立類型見圖2。

圖2 典型中組立

1.2 成組分類

對該型船所有分段的DAP建造方案和組立樹進行分析，根據(jù)流向劃分原則，提取全船所有分段的中小組立模型，并抽取中小組立數(shù)量，得到全船11 044個小組立、98個中組立[3]。根據(jù)船舶不同區(qū)域結(jié)構(gòu)特點，運用成組技術(shù)相似原理[4]，對所有中小組立進行成組分類，確定全船中小組立的結(jié)構(gòu)類型和數(shù)量，見表1。

表1 某型集裝箱船中小組立類型

2 組立特征

在考慮建設(shè)智能焊接生產(chǎn)線時，由于中小組立結(jié)構(gòu)類型眾多，尺寸各異，數(shù)量龐大，無法全部滿足在生產(chǎn)線上生產(chǎn)。為了適應目前的中小組立的生產(chǎn)需求，需綜合考慮焊接質(zhì)量、焊接物量、負荷能力、機器人焊接技術(shù)的局限性等因素[5]。

2.1 組立結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)智能焊接生產(chǎn)線的總體設(shè)計思路，生產(chǎn)線采用滾輪式輸送平臺，平臺上面板開矩形孔，下方安裝滾輪傳輸裝置可升降，輸送時滾輪升起，焊接時滾輪降下。根據(jù)平臺要求，上線工件必須具有基面板，且能夠穩(wěn)定平鋪在輸送平臺上，因此大部分T型材組立不滿足生產(chǎn)線要求。工件點固焊好流向視覺掃描區(qū)域，通過視覺掃描識別工件輪廓及擺放位置。由于部分零件焊接邊被結(jié)構(gòu)遮擋，視覺識別無法精準定位焊接邊，存在掃描盲區(qū)，所以大部分T形材及部分復雜中小組立不滿足生產(chǎn)線要求。通過調(diào)查小組立機器人相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)焊接機器人對圓弧筋板不可焊。綜合考慮設(shè)備功能、物流輸送方式、專用設(shè)備的功能、機器人焊接技術(shù)的局限性等因素，確定適用智能焊接流水線的組立結(jié)構(gòu)形式。生產(chǎn)線典型組立結(jié)構(gòu)形式見表2。

表2 生產(chǎn)線典型組立結(jié)構(gòu)形式

1)扁鐵與底板的T形接頭的雙面角焊縫。

2)球扁鋼與底板的T形接頭的雙面角焊縫。

3)部分T形鋼，角鋼與底板的T形接頭的雙面角焊縫。

4)底板上包含多條扁鐵、球扁鋼，且排布成一定角度的雙面角焊縫的焊接。

5)部分簡易立角焊縫的焊接。

6)底板任何一邊不得有側(cè)面板，即不需要雙面焊接的小組立件。

2.2 組立結(jié)構(gòu)尺寸與重量范圍

考慮到生產(chǎn)線的布局特點及搬運機器人電磁抓手的吸附能力，在確定生產(chǎn)線的組立結(jié)構(gòu)形式后，還需考慮組立結(jié)構(gòu)尺寸與重量范圍。一般中小組立結(jié)構(gòu)基面板零件都超過長600 mm、寬450 mm，所以排除尺寸小于此范圍內(nèi)的零件，同時排除不符合要求的T型材組立、存在掃描盲區(qū)的中小組立，對剩余中小組立零件進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析。對所有滿足要求的組立零件進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計，整體描述見表3。

通過零件長寬尺度分布散點圖與三維尺度分布圖，利用回歸分析法分別對零件長、寬及面積分布密度進行分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)上線產(chǎn)品數(shù)量受長度變量影響較少，因此限定零件的最小寬度為450 mm。對最小長度進行統(tǒng)計分析，考慮輥子間距影響，最終確定上線產(chǎn)品的最小尺寸規(guī)格為1 200×450 mm，上線率為84.43%。根據(jù)吸附能力，重量范圍控制在為0.013～10.021 t，基本能覆蓋目前上線產(chǎn)品。最小寬度450 mm，不同長度產(chǎn)品上線比例見圖3。

表3 產(chǎn)品主尺度及相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計

圖3 最小寬度為450 mm時不同長度產(chǎn)品的上線比例

2.3 其他特征

2.3.1 材質(zhì)種類

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，鋼板材質(zhì)的不同，其使用的焊接材料和焊接工藝也不相同，不同材質(zhì)鋼板間的角焊縫需使用較高要求的焊接材料和焊接工藝要求。焊接材料和焊接工藝的選用情況與焊接機器人的程序設(shè)置相關(guān)，能夠通過材質(zhì)信息合理匹配。

2.3.2 焊腳范圍

通常角焊縫的焊腳尺寸為

式中：Tp為兩連接件中薄板的厚度；雙面連續(xù)角焊縫d/s=1；C為焊接系數(shù),C的取值為0.10～0.27及0.34，0.44。

根據(jù)上線的中小組立結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)統(tǒng)計，較薄板厚度范圍為6～16 mm。僅當兩強力構(gòu)件連接處C取值0.44，屬于大型中組立或者大組立階段焊接，不能上線。經(jīng)統(tǒng)計，C取值為0.34且板厚大于14 mm的情況極少，約占比0.42%，可以作為例外情況。其他情況下，焊腳尺寸W≤7 mm。考慮到焊接機器人的穩(wěn)定性，剔除掉過高焊腳，選取7 mm以下焊腳高度較為合適。

3 物量與產(chǎn)能匹配性分析

該型小組立焊縫總長約為35 100 m[6-7]，以往由12名焊工每天每人焊接約65 m焊縫，45 d才可焊接完成所有的小組立件。經(jīng)過篩選，該船符合智能焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)條件的小組立焊縫長度約為17 000 m，未能上線組立結(jié)構(gòu)的焊縫長度約為18 100 m。為適應切割物量輸出，對未能上線組立結(jié)構(gòu)的焊接物量派工進行重組，使用6名焊工約需46 d可焊接完成無法上線的小組立結(jié)構(gòu)。估算生產(chǎn)線設(shè)備每天焊接約375 m，需45 d完成所有目標件，增加部分大型調(diào)試檢修時間1 d。當生產(chǎn)線投入生產(chǎn)后，為平衡設(shè)備每天運作時間與生產(chǎn)能力，同時匹配其他工位的人工生產(chǎn)，設(shè)計單龍門雙機器人系統(tǒng)即可同步生產(chǎn)，同時足以同步其他工位生產(chǎn)。物量與產(chǎn)能分析表明，基本能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)計劃、物量與生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力相匹配，達到供需平衡。