朱 蘇， 叢煥武， 劉 鵬， 李肖艷

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 201306)

0 引 言

海洋裝備制造業(yè)是現(xiàn)代經(jīng)濟主體部分之一，在新的產(chǎn)業(yè)競爭條件下，科技創(chuàng)新能力、技術(shù)能力、管理實力和造船及其相關(guān)配套等全產(chǎn)業(yè)鏈的軟硬實力對競爭力的影響更為突出，競爭要素的變化推動我國船舶工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重心由追求規(guī)模速度轉(zhuǎn)向追求質(zhì)量效益的轉(zhuǎn)變。

船體建造以分段為基本建造單元，一艘船由數(shù)百個平直分段或曲面分段組成，對于大型民用船舶而言，平面分段占據(jù)70%以上[1]。為提高船舶建造質(zhì)量，我國少數(shù)骨干造船企業(yè)由國外引進一些平面分段流水線裝備，用于平直分段生產(chǎn)。這些用于拼板、縱骨、肋板的裝焊制造設(shè)備及連接生產(chǎn)的傳送裝置，雖然部分實現(xiàn)半自動化生產(chǎn)，但大部分焊接工作需要人工完成，很難保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，生產(chǎn)效率較低，人工成本較高。機器人焊接代替人工焊接是發(fā)展趨勢，進行國產(chǎn)船體平面分段智能制造流水線技術(shù)研究及推廣是在新形勢下船舶制造提質(zhì)、降本、增效的重要途徑。

1 船體平面分段智能制造流水線研究總體路線

通過調(diào)研行業(yè)內(nèi)多家船廠船體平面分段生產(chǎn)需求，同時考察國外先進的生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備，明確生產(chǎn)對象，進行有針對性的智能生產(chǎn)線設(shè)計，開展相關(guān)核心裝備技術(shù)研究，并經(jīng)過大量工藝試驗，最終形成基于我國船舶生產(chǎn)工藝工序的船體平面分段智能制造流水線工藝裝備技術(shù)。船體平面分段智能制造流水線研究總體路線如圖1所示。

圖1 船體平面分段智能制造流水線研究總體路線

2 工位布局

船體平面分段智能制造流水線工位劃分取決于生產(chǎn)節(jié)拍，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏協(xié)調(diào)、廠房條件、裝焊工藝等因素設(shè)計流水線工位布局。船體平面分段加工生產(chǎn)線擬采用h形布局，分A、B兩線設(shè)計，四跨部分為A線，三跨部分為B線。A線包含完整的流水線功能，自橫移工位后由1條線變?yōu)?條線(即A線為完整線，B線自橫移工位后開始布置)。A線主要功能包括：拼板、單面焊、劃線修補兼緩沖、縱骨安裝(旋轉(zhuǎn))、縱骨焊接、橫移、肋板安裝、肋板焊接、預(yù)舾裝、頂升運出等；B線主要功能包括：緩存、橫移、肋板安裝、肋板焊接、預(yù)舾裝、頂升運出等。流水線主要工位(見圖2)包括：拼板裝焊工位、縱骨裝焊工位、橫移工位、肋板裝焊工位和頂升運出工位。

圖2 船體平面分段智能制造流水線工位

2.1 拼板裝焊工位

該工位主要研究鋼板拼接、定位焊及引弧板與熄弧板的安裝等焊接工作，目前較高效的焊接工藝為單面焊雙面成型的焊劑銅襯墊(Flux Copper Backing，F(xiàn)CB)焊接方法。焊接電源、焊接小車等焊接裝置均安裝在固定的焊接門架上，焊接操作由觸摸屏輸入，具備預(yù)置、儲存、自動采集、收集等功能。反面襯墊裝置的銅板具有上下可彎曲性，保證鋼板的緊貼度，從而確保在單面焊接時鋼板背面成型良好。

拼板定位焊工序設(shè)計主要完成拼板定位焊及引弧板與熄弧板的裝焊工作，鋼板輸送由升降滾輪和輸送鏈完成。整套升降滾輪由板式滾輪和鋼結(jié)構(gòu)升降支架構(gòu)成，板式滾輪放置在升降支架上，升降支架由液壓缸驅(qū)動可實現(xiàn)升降滾輪支架的上升和下降。升降滾輪支架在升起時可支撐鋼板，由板式輸送鏈推拉鋼板實現(xiàn)鋼板的輸送。其間設(shè)置拼板對齊機構(gòu)，主要由鋼板前后左右調(diào)整機構(gòu)、拼板定位機構(gòu)、摩擦輪傳送機構(gòu)、拼板固定機構(gòu)、支撐梁支承機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。在出現(xiàn)板厚差需要拼板時，使用該對齊機構(gòu)進行表面對正，升降采用無級變速，可通過升降狀態(tài)液晶屏顯示，升降行程為±20.0 mm，鋼板前后左右調(diào)整行程均≥300.0 mm。該對齊機構(gòu)安裝在拼板點焊工位的滾輪支撐平臺下面，主要通過液壓動力實現(xiàn)各部位定位對齊。然后，使用手推方式正面對平機下壓實現(xiàn)工件表面對齊，由手持式CO2氣體保護焊機完成點焊拼裝。最后，通過FCB焊接方法完成鋼板拼接焊接工作。

2.2 縱骨裝焊工位

該工位可完成縱骨的安裝定位工序和焊接工序。首先，型材通過型材輸送線運送至型材定位輸送系統(tǒng)進料輥道，型材定位輸送系統(tǒng)的長度測量裝置負責定位功能，將型材通過輥道運送至指定位置，位于輥道間隔中的翻身裝置負責將型材翻轉(zhuǎn)90°垂直豎立，并完成對齊和壓緊。接著，縱骨焊接門架焊接小車開始焊接，同時啟動預(yù)熱系統(tǒng)，用CO2氣體保護焊機實施人工定位焊接，所有焊槍隨小車運動完成多根縱骨焊接。最后，完成縱骨定位焊接工作。

2.3 橫移工位

完成縱骨焊接后，平面分段設(shè)計由此分開為AB兩條線，使用橫移臺車完成分段的橫向運送。在分段需要橫移時，A線兩列電動液壓升降車同時承載分段、同時行駛至橫移工位，液壓升降車升降梁下降，將分段放置在鋼結(jié)構(gòu)臺架上，電動液壓升降車駛離橫移工位，兩列橫移運輸臺車行駛至橫移分段下方，橫移運輸臺車升降梁升起，同時承載分段橫移至B線橫移工位或放置在緩沖位置。

2.4 肋板裝焊工位

該工位主要完成肋板的拼裝定位和焊接工作。由于該工位部件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，焊縫形式多種多樣，目前主要為人工焊接，效率較低。這是焊接智能化技術(shù)的研究要點。

以船體平面分段肋板的建造流程與制造工藝研究為基礎(chǔ)，針對船體平面分段肋板的典型板架結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場焊接作業(yè)特點，研發(fā)智能焊接裝備驗證試驗平臺和機器人工作站系統(tǒng)，集成六軸工業(yè)機器人、全數(shù)字化焊接系統(tǒng)、高精度協(xié)同運動系統(tǒng)、焊接過程智能控制等技術(shù)和裝備，實現(xiàn)平面分段優(yōu)質(zhì)、高效、靈活的焊接作業(yè)。

機器人焊接系統(tǒng)集成自尋位、焊縫跟蹤等功能，可實現(xiàn)機器人自動尋找焊縫、無須示教，適應(yīng)船體平面分段的生產(chǎn)特點，可大幅節(jié)省生產(chǎn)時間，并在焊接過程中根據(jù)焊接實際自動糾偏，保證焊接軌跡精準度。

2.5 頂升運出工位

該工位位于船體平面分段智能制造流水線主線工位末端，對完成的鋼結(jié)構(gòu)分段進行頂升運出。

3 焊接工藝

中組立焊接從屬于船體平面分段肋板裝焊工位，將智能化焊接裝備技術(shù)應(yīng)用于中組立構(gòu)件生產(chǎn)中，可實現(xiàn)船體中組立部件的智能化焊接。主要開展核心裝備的總體方案設(shè)計、門架機械設(shè)計及制造、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計集成、智能焊接系統(tǒng)專用工藝規(guī)劃軟件平臺開發(fā)、激光掃描識別定位系統(tǒng)開發(fā)、機器人焊接激光尋位系統(tǒng)開發(fā)、智能裝備系統(tǒng)集成調(diào)試等具體研制工作，并進行焊接工藝研究。

3.1 焊縫自適應(yīng)尋位

在船體平面分段生產(chǎn)過程中，由于裝配、焊接變形等導(dǎo)致焊縫位置偏差，因此在機器人焊接中需要根據(jù)焊接工件的實際情況，研究適合工件焊接的焊縫自適應(yīng)尋位技術(shù)[2]。為保證機器人焊接效率，機器人焊接過程中的焊接路徑需要根據(jù)焊縫實際情況進行自動調(diào)整。在激光掃描獲得實際焊縫位置信息后，上位機對規(guī)劃焊槍運動信息與實際接縫位置信息進行對比運算，通過計算焊槍規(guī)劃位置與實際焊縫位置的數(shù)據(jù)偏差量，得到需要對規(guī)劃焊槍位置輸入的補償量，將補償量傳至機器人，機器人獲得實際焊縫位置，基于機器智能指導(dǎo)規(guī)劃焊槍的軌跡與姿態(tài)。

3.2 焊縫自動跟蹤

在船體平面分段生產(chǎn)制造中，經(jīng)常會由于裝配間隙過大、工件尺寸不規(guī)則等情況而導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)偏差，并且較長焊縫也會在焊接過程中由于鋼板變形而導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)偏差。針對這些情況，在焊接過程中需要對焊接精度進行控制，采用焊接過程精度控制技術(shù)保證焊接路徑精準性，焊縫跟蹤采用擺動式電弧跟蹤系統(tǒng)[3]。在船舶板架結(jié)構(gòu)中，焊縫均屬于角焊縫，在進行第一層擺動焊接時，擺動電極產(chǎn)生電弧長度變化，通過采集焊接電流和電壓信號的變化，自動計算焊槍的高度和對中偏差程度，機器人在獲取偏差數(shù)據(jù)后，通過算法計算并發(fā)出對焊槍位置進行調(diào)整的糾偏值，解決由于鋼板裝配誤差或鋼板焊接過程中的過熱變形而導(dǎo)致的焊縫偏差問題。該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可靠性高。

3.3 機器人多位置焊接

針對船體不同焊縫形式搭建試驗件，開展典型焊縫接頭橫焊、立焊等多位置焊接工藝試驗研究。完善后的船體分段部件平角焊、立角焊、包角焊等焊接數(shù)據(jù)庫，可為裝配間隙和點固焊的尺寸大小、焊槍姿態(tài)及平角焊、立角焊等焊接工藝提供數(shù)據(jù)支持，以解決實際焊接問題。

4 控制系統(tǒng)

主要開展船體平面分段智能制造流水線信息流和數(shù)據(jù)流分析、企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)/產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)系統(tǒng)接口集成技術(shù)、車間作業(yè)管理(Shop Floor Control，SFC)信息集成技術(shù)、現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、可視化看板技術(shù)、分布式終端發(fā)布等研究，研發(fā)船體平面分段智能制造流水線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)船體平面分段智能制造流水線的全過程精準管控。針對該控制系統(tǒng)的組成和功能特點，研究各工位協(xié)同控制模式和控制方法，解決機械干涉、同步運動、協(xié)同操作及智能化焊接等控制難題，形成以機器人控制器、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和工控機協(xié)同的控制系統(tǒng)，滿足該控制系統(tǒng)有序、可靠、快速的作業(yè)要求。該控制系統(tǒng)研究路線如圖3所示。

圖3 船體平面分段智能制造流水線控制系統(tǒng)研究路線

5 技術(shù)指標

船體平面分段智能制造流水線主要技術(shù)指標如下：(1)拼板對接錯邊差≤0.5 mm，對接頭間≤1.0 mm；(2)縱骨安裝可調(diào)范圍：橫向±100.0 mm，縱向±100.0 mm；垂直±5°，旋轉(zhuǎn)90°；(3)縱骨焊接速度為0.25～2.50 m/min，焊縫最大長度為16 m；(4)頂升運出油缸、液壓搬運臺車同步精度：5.0 mm；(5)鏈條、管道輸送速度：0～6.00 m/min(可變頻調(diào)速)；搬運臺車運行速度：12.00 m/min(空載)；(6)生產(chǎn)效率提高1倍以上；(7)焊接質(zhì)量符合中國船級社相關(guān)規(guī)范要求；(8)機器人多軸運動系統(tǒng)與外部軸協(xié)同控制，機器人焊槍重復(fù)定位精度：0.5 mm；(9)單殼平面分段最大尺寸(長×寬×高)：16 m×16 m×8 m。

6 關(guān)鍵技術(shù)

通過對船廠船體平面分段生產(chǎn)制造智能化應(yīng)用體系的研究，針對造船復(fù)雜作業(yè)環(huán)境與高工藝要求，突破縱骨焊接多絲聯(lián)裝協(xié)調(diào)控制技術(shù)，基于視覺識別自適應(yīng)尋位技術(shù)、電弧實時感應(yīng)焊縫自動跟蹤技術(shù)及復(fù)雜環(huán)境集群式協(xié)同控制技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，完成船體平面分段智能制造流水線的研發(fā)及推廣應(yīng)用，提高船舶建造的整體技術(shù)水平。

6.1 縱骨焊接多絲聯(lián)裝協(xié)調(diào)控制技術(shù)

針對船體平面分段生產(chǎn)線上的縱骨分布特點及多部小車同時焊接的同步性要求，研究在縱骨兩側(cè)各設(shè)置多把焊槍同時進行焊接的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。一方面是多絲聯(lián)裝技術(shù)，在每部焊接小車上設(shè)置1個運動平臺，平臺上面設(shè)置焊接1根縱骨所需要的4套送絲機構(gòu)、4把焊槍及相關(guān)微調(diào)機構(gòu)，以保證在焊接時焊槍可運行至指定方位；另一方面是協(xié)調(diào)控制技術(shù)，協(xié)調(diào)縱骨自動焊接機上的多部焊接小車同時且步調(diào)一致的運動，協(xié)調(diào)所有焊槍同時自動先后起弧、熄弧、抬槍、停機等動作，協(xié)調(diào)處理多電極群焊電弧間干擾和磁偏吹控制技術(shù)，并自動設(shè)定終端條件，自動采集、保存及分析處理生產(chǎn)管理所必需的數(shù)據(jù)。

6.2 視覺識別自適應(yīng)尋位技術(shù)

首先，采用離線編程規(guī)劃焊槍路徑、姿態(tài)，離線編程軟件經(jīng)二次開發(fā)后可從格式轉(zhuǎn)換后的圖形數(shù)據(jù)中自動提取所需要的信息，并根據(jù)提取的信息自動進行焊接路徑規(guī)劃；然后進行模擬仿真以驗證碰撞。針對各種復(fù)雜焊縫的焊接路徑，將焊縫類型劃分為多種形式，與焊槍姿態(tài)進行結(jié)合，通過導(dǎo)入焊接模塊數(shù)據(jù)，形成機器人可識別的參數(shù)，完成焊接路徑優(yōu)化；進行機器人焊接過程仿真，確認是否符合焊接工藝規(guī)劃設(shè)計，形成機器人實際焊接程序；導(dǎo)入機器人控制系統(tǒng)，機器人在就位后通過激光進行自動尋位，掃描焊縫實際位置數(shù)據(jù)，并與系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行偏差補償計算，確定焊縫實際位置，開始焊接作業(yè)。

機器人在焊接過程中，焊槍運動模型主要涉及兩組數(shù)據(jù)：位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。機器人的焊接程序由焊縫上的1組特征點組成，每個焊縫特征點代表1個程序示教點，每個程序示教點包含6個數(shù)值：x值、y值、z值、w值、p值、r值，其中：x、y、z為機器人空間坐標；w、p、r為機器人在每個示教點的姿態(tài)，w為機器人繞x軸旋轉(zhuǎn)角度，p為機器人繞y軸旋轉(zhuǎn)角度，r為機器人繞z軸旋轉(zhuǎn)角度。

6.3 電弧實時感應(yīng)焊縫自動跟蹤技術(shù)

焊槍在準備焊接時，控制焊絲在焊縫中間位置的干伸長與在焊縫兩邊時不同，焊絲干伸長的長短導(dǎo)致實際焊接電流與設(shè)定值不同，干伸長越短，實際電流值越大。電弧跟蹤軟件系統(tǒng)可實時處理檢測到的電流變化，控制焊槍所處位置，修正機器人焊接軌跡，保證焊縫中心線始終處于坡口中間位置并處于角焊縫的45°位置線上。工件的位置和外形偏差使本來示教的機器人焊接軌跡被修正，焊槍在焊接厚板或角焊縫時進行擺動以跟蹤實際焊縫。

6.4 復(fù)雜環(huán)境集群式協(xié)同控制技術(shù)

大型船體分段生產(chǎn)線運行過程非常復(fù)雜，智能控制系統(tǒng)需要對各種突發(fā)性信息做到協(xié)同動態(tài)調(diào)整。首先，進行協(xié)同作業(yè)動態(tài)調(diào)整策略分析，然后針對船體平面分段智能生產(chǎn)線中所有可能的作業(yè)信息，以各工位為單位進行分解，包括拼板裝焊、縱骨裝焊、橫移系統(tǒng)、智能焊接工位等各類工序的協(xié)同作業(yè)環(huán)境及作業(yè)內(nèi)容，最后研究各工位不同裝備協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)的運行資源需求和各類動態(tài)調(diào)整技術(shù)的應(yīng)用可行性及資源需求優(yōu)先度等，評估各類動態(tài)調(diào)整策略與企業(yè)生產(chǎn)效益權(quán)重的相關(guān)性，完成對船體平面分段智能生產(chǎn)線協(xié)同作業(yè)各種信息的實時動態(tài)調(diào)整工作。

7 結(jié) 語

船體平面分段建造作為船舶建造的重要組成部分，由于其建造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)管理難度大，成為提升船廠整體建造水平的瓶頸。所研發(fā)的船體平面分段智能制造流水線將提高船廠船體平面分段的生產(chǎn)效率和智能化水平，可有效避免不必要的人工消耗，最終促進船舶行業(yè)由集成制造模式向敏捷制造、精細制造模式的本質(zhì)轉(zhuǎn)變，形成空間和時間均可有序利用的智能化工藝生產(chǎn)流程，向智能化生產(chǎn)制造邁進。