王明釗，戎文娟，王佳琳，康占賓，李冬冬

（1.北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司，北京 100083；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；3.武漢材料保護(hù)研究所有限公司，武漢 430030）

1 前言

船舶制造是典型的離散型生產(chǎn)，由于船廠空間尺度大、船舶建造周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、單件小批量、中間產(chǎn)品種類非標(biāo)件多、作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，因此對(duì)信息化、自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用提出了特殊的要求，也影響了船舶制造工業(yè)的信息化、自動(dòng)化和智能化的發(fā)展進(jìn)程。

目前國(guó)內(nèi)船舶制造領(lǐng)域智能化的研究，主要集中在船舶智能制造的技術(shù)探索、頂層設(shè)計(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)體系[1-3]等內(nèi)容。只有少數(shù)學(xué)者對(duì)船舶制造單個(gè)環(huán)節(jié)的智能化開(kāi)展研究，例如智能舾裝[4]、智能焊接[5]和智能小組立[6]等。

船舶制造依靠現(xiàn)有技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)整體智能化具有一定的難度，因此實(shí)現(xiàn)船舶制造智能化應(yīng)當(dāng)以關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能化為切入點(diǎn)，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)船舶制造工藝過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，再將每個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行級(jí)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶制造的整體智能化。同時(shí)，隨著智能化的推進(jìn)，傳統(tǒng)的工藝流程（見(jiàn)圖1）也將進(jìn)行改造，使之適應(yīng)智能化的發(fā)展。

圖1傳統(tǒng)的切割工藝過(guò)程

當(dāng)前船舶制造過(guò)程中，數(shù)字化和自動(dòng)化水平較高的工藝過(guò)程是切割工藝。在傳統(tǒng)切割工藝過(guò)程中，板材運(yùn)輸至切割工位環(huán)節(jié)只實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；板材切割和零件編碼環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化；而確認(rèn)板材、拷貝切割指令、板材定位環(huán)節(jié)均為人工操作。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)船舶制造的切割工藝只在部分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，距離切割工藝全過(guò)程的自動(dòng)化還有一定的距離。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)切割工藝全過(guò)程的信息化、自動(dòng)化和智能化，除了要配套相關(guān)的硬件設(shè)施，還要為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善的數(shù)據(jù)庫(kù)。在機(jī)械加工、鑄造、復(fù)合材料等領(lǐng)域，工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，并且基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)挖掘和分析、專家知識(shí)庫(kù)等研究也成果豐碩。但在船舶制造的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)的研究幾乎為空白，僅有物料數(shù)據(jù)庫(kù)[7]、工件質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)[8]、制造資源數(shù)據(jù)庫(kù)[9]等幾個(gè)方面的研究。

工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，為工藝數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、和查詢功能提供了基礎(chǔ)。更重要的是，利用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等前沿信息技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝數(shù)據(jù)的更深層次利用，對(duì)工藝結(jié)果分析、工藝過(guò)程優(yōu)化、提升傳統(tǒng)制造業(yè)的效率和水平、降低生產(chǎn)成本等方面具有重要的意義。

本文針對(duì)傳統(tǒng)船舶制造的切割工藝過(guò)程，基于智能制造提出了一套智能切割工藝流程及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，為切割工藝的信息化、自動(dòng)化和智能化提供基礎(chǔ)。

2 智能制造的切割工藝流程

2.1 工藝流程

基于智能制造，本文對(duì)切割工藝進(jìn)行了改造：將原有的6 個(gè)環(huán)節(jié)合并為3 個(gè)環(huán)節(jié)，并且增加管控平臺(tái)、檢測(cè)掃描環(huán)節(jié)，改裝后的工藝流程如圖2所示：

（1）板材輸送

管控平臺(tái)將板材位置和切割機(jī)工位位置發(fā)送給吊裝設(shè)備控制系統(tǒng)；吊裝設(shè)備控制系統(tǒng)根據(jù)板材位置信息吊裝板材，并按照切割機(jī)工位位置將板材運(yùn)輸至切割機(jī)工位。

（2）板材掃描

掃描系統(tǒng)對(duì)板材進(jìn)行掃描，并通過(guò)圖像處理技術(shù)獲取板材信息和板材精確位置；掃描完成后，將板材信息和位置信息返回至管控中心。

（3）板材切割

管控平臺(tái)根據(jù)上個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)送的板材信息確定板材切割方案，并將板材定位信息和經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的切割程序、噴碼程序發(fā)送至切割機(jī)系統(tǒng)；切割機(jī)在對(duì)板材進(jìn)行切割的過(guò)程中，將切割出來(lái)的零件進(jìn)行編碼。

圖 2 改造后的切割工藝流程

（4）掃描檢測(cè)

掃描系統(tǒng)對(duì)切割出的零件進(jìn)行三維掃描，通過(guò)圖像處理技術(shù)獲得零件的尺寸精度和坡口信息等數(shù)據(jù)。

2.2 工藝流程的可行性分析

改造后的智能切割系統(tǒng)，包括了1個(gè)平臺(tái)和3套系統(tǒng)：管控平臺(tái)；吊裝系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和切割系統(tǒng)。其中，吊裝系統(tǒng)和切割系統(tǒng)為現(xiàn)有系統(tǒng)，管控平臺(tái)和掃描系統(tǒng)為新增系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述智能切割工藝流程，吊裝系統(tǒng)和切割系統(tǒng)需要進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)改造。平臺(tái)與系統(tǒng)之間關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 平臺(tái)與系統(tǒng)之間的關(guān)系

（1）吊裝系統(tǒng)

吊裝系統(tǒng)需要開(kāi)放接口，接收管控平臺(tái)發(fā)送的工作指令（起始位置、結(jié)束位置等），完成操作后需要將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送回管控平臺(tái)。

（2）切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)需要開(kāi)放接口，接收管控平臺(tái)發(fā)送的切割指令（板材位置、切割指令、零件編碼等），然后將切割結(jié)果（生成順序、零件編碼等）反饋給管控平臺(tái)；同時(shí)，切割系統(tǒng)需要將移動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置發(fā)送給掃描系統(tǒng)，以便掃描系統(tǒng)完成對(duì)板材的掃描過(guò)程。

（3）掃描系統(tǒng)

新增的掃描系統(tǒng)主要有3個(gè)功能：板材確認(rèn)、板材定位、掃描檢測(cè)。掃描系統(tǒng)通過(guò)切割系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材（或零件）的整體掃描；利用圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)板材確認(rèn)（編號(hào)或二維碼）和零件檢測(cè)功能；利用掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系與切割系統(tǒng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)板材定位功能。

（4）管控平臺(tái)

新增的管控平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)分配和調(diào)度工作：管控平臺(tái)將板材位置、切割機(jī)位置發(fā)送給吊裝系統(tǒng)；吊裝系統(tǒng)反饋執(zhí)行結(jié)果后；管控平臺(tái)將將掃描指令發(fā)送給掃描系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)將板材身份和位置反饋給管控平臺(tái)，管控平臺(tái)確認(rèn)板材身份和位置后，將板材位置、切割程序等信息發(fā)送給切割系統(tǒng)，切割系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行切割過(guò)程。

3 工藝數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

船舶制造過(guò)程中傳統(tǒng)的切割工藝只實(shí)現(xiàn)了切割過(guò)程的自動(dòng)化，并未實(shí)現(xiàn)切割工藝的整體自動(dòng)化，因此并沒(méi)有一套完整的針對(duì)智能切割工藝的數(shù)據(jù)庫(kù)。切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，是切割工藝智能化的基礎(chǔ)，不僅為切割工藝提供了數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)的容器，為智能切割系統(tǒng)提供運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，而且為工藝數(shù)據(jù)分析和挖掘提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)流程，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)流程

受論文篇幅所限，本文只針對(duì)切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的2 個(gè)核心問(wèn)題（概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝表設(shè)計(jì)）展開(kāi)研究，其余工作按照數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的規(guī)范和方法即可完成。同時(shí)，由于本文研究重點(diǎn)是工藝分析，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的用戶管理、系統(tǒng)管理等內(nèi)容，暫不作討論。

3.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)切割工藝的過(guò)程分析和流程該造，智能切割工藝的概念結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5中：矩形框表示實(shí)體（數(shù)據(jù)表）；菱形框表示實(shí)體之間的關(guān)系；菱形框兩側(cè)數(shù)字表示兩個(gè)實(shí)體之間聯(lián)系類型（1:1、1:N、M:N）。

圖5 概念結(jié)構(gòu)圖

工藝數(shù)據(jù)庫(kù)以切割工藝為核心展開(kāi)設(shè)計(jì)。本文的研究重點(diǎn)是切割工藝的屬性及其相關(guān)的實(shí)體屬性，其余實(shí)體的屬性均可通過(guò)簡(jiǎn)單的分析推理得出，在此不作詳細(xì)介紹。

3.2 工藝表設(shè)計(jì)

本文提出了一種工藝分析的方法，并以切割工藝為例，設(shè)計(jì)了切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的核心——切割工藝表。

工藝分析方法將影響工藝的因素分為八個(gè)要素：原料、產(chǎn)品、規(guī)范、環(huán)境、人員、設(shè)備、方法和時(shí)間，如圖6 所示。

圖6 工藝分析八個(gè)要素

切割工藝表設(shè)計(jì)，如表1所示。

（1）原料

包括對(duì)象和屬性。對(duì)象是指參與該工藝的輸入資源；屬性是指能夠影響該工藝過(guò)程的屬性。如表1所示，原料為板材，板材字段為外鍵索引，可以由板材表獲得原料的屬性（材質(zhì)、長(zhǎng)度、寬度、厚度等）。

表1 切割工藝表

（2）產(chǎn)品

指該工藝工程最終的輸出結(jié)果或產(chǎn)品。零件表的屬性中包含了切割工藝的序號(hào)，可標(biāo)識(shí)零件與工藝過(guò)程之間的關(guān)系。

（3）規(guī)范

指執(zhí)行該工藝過(guò)程參照的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

（4）環(huán)境

指在進(jìn)行工藝過(guò)程中，可能對(duì)該工藝產(chǎn)生影響的環(huán)境因素。由于切割工藝過(guò)程受環(huán)境（溫度、濕度、氣壓等）因素影響較小，因此不考慮環(huán)境因素。

（5）人員

包括參與該工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)人員和操作人員。

（6）設(shè)備

指該工藝過(guò)程中的相關(guān)執(zhí)行設(shè)備，包括設(shè)備編號(hào)、控制參數(shù)和實(shí)時(shí)參數(shù)三個(gè)部分：設(shè)備編號(hào)標(biāo)識(shí)了哪臺(tái)設(shè)備參與完成工藝過(guò)程；控制參數(shù)指在具體的某個(gè)工藝過(guò)程中設(shè)備進(jìn)行了哪些具體的參數(shù)設(shè)置；實(shí)時(shí)參數(shù)指在進(jìn)行該工藝過(guò)程中，設(shè)備的一些參數(shù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化情況。

切割工藝過(guò)程中，切割機(jī)和設(shè)備參數(shù)方案字段，分別表示了設(shè)備編號(hào)和控制參數(shù)；利用工藝表中的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，對(duì)設(shè)備狀態(tài)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，可獲取對(duì)應(yīng)工藝過(guò)程中所有的設(shè)備狀態(tài)情況。

（7）方法

指該工藝過(guò)程具體實(shí)施細(xì)節(jié)，包括方法類型、設(shè)計(jì)參數(shù)、操作順序：方法類型標(biāo)識(shí)了采用了何種方式實(shí)現(xiàn)該工藝過(guò)程；設(shè)計(jì)參數(shù)是除設(shè)備控制參數(shù)外的一些相關(guān)的參數(shù)；操作順序是指該工藝過(guò)程中特定的工藝流程。

切割工藝過(guò)程中，方法類型選用激光切割、（等離子切割、火焰切割等方式）；設(shè)計(jì)參數(shù)包括套料卡、切割精度、是否有余料，其中套料卡為外鍵；套料表中包括切割長(zhǎng)度、空程長(zhǎng)度、劃線長(zhǎng)度等；操作順序包括零件切割順序、本次切割工藝程度文件和整個(gè)切割的軌跡圖。

3.3 切割檢測(cè)表

在工藝分析中，檢測(cè)結(jié)果（切割檢測(cè)表）并沒(méi)有納入要素之中，因?yàn)闄z測(cè)結(jié)果并不影響工藝過(guò)程，只能用來(lái)衡量工藝過(guò)程。

在某些工藝過(guò)程中，可能包含多個(gè)工藝階段，上一工藝階段的檢測(cè)結(jié)果會(huì)作為下一工藝階段的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等的依據(jù)。這類工藝過(guò)程表面上看，是與檢測(cè)結(jié)果相關(guān)，但實(shí)際上在執(zhí)行過(guò)程中多次改變了設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等因素，所以這類的工藝過(guò)程要分成多個(gè)小工藝過(guò)程，而拆分出的小工藝過(guò)程符合八要素分析法，其每個(gè)工藝過(guò)程不受當(dāng)前工藝過(guò)程的檢測(cè)結(jié)果影響。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于船舶智能制造的切割工藝流程，并分析了其可行性。盡管該工藝流程目前尚未完全實(shí)現(xiàn)智能化，但改造后的流程均采用了成熟技術(shù)和方案，具備一定的合理可行性。

對(duì)船舶智能制造，本文提出了一種工藝分析方法（不限于切割工藝），并利用這種方法設(shè)計(jì)了切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)及其核心工藝表。這種工藝分析方法擴(kuò)展了原有工藝分析方法，不僅局限于物料和設(shè)備的狀態(tài)，還將人員、設(shè)計(jì)、環(huán)境等因素納入考慮范圍。這種分析方法不僅可應(yīng)用于切割工藝環(huán)節(jié)，在船舶制造的裝配、焊接、涂裝等環(huán)節(jié)均可以應(yīng)用，甚至可擴(kuò)展至在機(jī)械加工、鑄造、材料等領(lǐng)域?；谥悄芮懈罟に囋O(shè)計(jì)的切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，為切割工藝的信息化提供了基礎(chǔ)，為工藝分析、數(shù)據(jù)挖掘等自動(dòng)化、智能化研究提供了支撐。