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        深中通道沉管隧道鋼殼智能制造體系構(gòu)建與應(yīng)用

        2021-11-17 07:01:28芮偉國馮勝坤龍漢新謝義東
        廣東公路交通 2021年5期
        關(guān)鍵詞:片體鋼殼管節(jié)

        芮偉國,賈 驍,馮勝坤,龍漢新,謝義東

        (1.深中通道管理中心,廣東 中山 528400;2.廣船國際有限公司,廣州 511462)

        0 引言

        近年來,全球興起智能制造熱潮,制造業(yè)強國德國提出“工業(yè)4.0 戰(zhàn)略”,美國提出“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略”,2015年5月我國也推出了“中國制造2025”,提出了通過“三步走”實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標。船舶制造業(yè)是高端裝備制造業(yè)的重要組成,生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、企業(yè)資源計劃(ERP)等信息化工具以及包括工業(yè)機器人、新型傳感器、智能控制系統(tǒng)等智能制造共性技術(shù)在船舶制造中已得到應(yīng)用,但在互聯(lián)互通、信息集成等方面與先進生產(chǎn)模式相比仍有較大的差距??傮w上看,船舶制造業(yè)的自動化、智能化程度仍不夠高,“信息孤島”現(xiàn)象仍較為突出,綜合集成、協(xié)同及創(chuàng)新水平還未達到應(yīng)有的高度[1]。

        深中通道以“兩化融合”為基礎(chǔ),以“中國制造2025”為契機,以互聯(lián)網(wǎng)+BIM技術(shù)+智慧工程為抓手,在船企的工業(yè)基礎(chǔ)上研發(fā)鋼殼智能制造,提升船舶工業(yè)和交通制造業(yè)的技術(shù)水平。

        1 工程概況

        深中通道是繼港珠澳大橋之后又一集橋、島、隧及水下互通于一體的世界級超級工程[2],其中沉管隧道長5 035m,共32節(jié)沉管及1個最終接頭。標準管節(jié)長165m,曲線變寬管節(jié)長123.8m,管節(jié)的具體劃分為:123.8m+21×165m+2.2m+5×165m+5×123.8m=5035m,為國內(nèi)首次采用鋼-混凝土復(fù)合沉管隧道方案[3]。沉管隧道鋼殼制造是整個項目的關(guān)鍵工序之一,對控制項目總體進度具有關(guān)鍵作用。單個標準鋼殼管節(jié)長165m、寬46m、高10.6m,最大重量達1.25萬t,總用鋼量約32萬t,如圖1所示。

        圖1 深中通道鋼殼沉管隧道

        2 沉管鋼殼構(gòu)造與難點

        鋼殼主要由內(nèi)外面板、縱橫隔板、縱橫加勁肋及焊釘組成。內(nèi)外面板和縱橫隔板連接成為受力整體,形成混凝土澆筑獨立隔艙??v向加勁肋采用T型鋼與角鋼,與橫向扁肋共同作用增強面板剛度,同時縱向加勁肋與焊釘保證面板與混凝土的的有效連接,隔艙上預(yù)留澆筑孔和透氣孔,完成混凝土澆筑后再進行等強水密封堵,如圖2所示。

        圖2 鋼殼基本構(gòu)造

        鋼殼制造的難點:

        (1)體量大。單個標準管節(jié)用鋼量約1萬t,焊縫長度近300km。

        (2)沉管鋼殼結(jié)構(gòu)、制造工藝復(fù)雜。標準管節(jié)獨立隔倉數(shù)多達1 597個,縱橫隔板、連接件交錯,工藝孔達15 000個,國內(nèi)缺乏成熟的建造經(jīng)驗。

        (3)精度要求高。鋼殼精度要求遠高于造船行業(yè)及鋼箱梁制造的要求,同時由于大量應(yīng)用Q420高強度中厚鋼板,焊接變形控制難度大。

        (4)防腐要求高。隧址海水腐蝕嚴重,管節(jié)防腐采用“預(yù)留腐蝕厚度+重涂裝+犧牲陽極塊”三重防腐措施,其中涂裝采用玻璃鱗片漆,干膜厚度為700~1 000μm,涂裝施工質(zhì)量極其重要。

        3 智能制造體系構(gòu)建

        按項目總工期控制要求,沉管隧道鋼殼制造單位需滿足每月生產(chǎn)一個管節(jié)的能力。鑒于鋼殼制造的難點,采用傳統(tǒng)工藝技術(shù)難以滿足高質(zhì)量建造的需求,因此必須進行沉管隧道鋼殼智能制造研究應(yīng)用,為本項目按期保質(zhì)完成提供保障。

        3.1 鋼殼建造工藝流程

        為滿足鋼殼智能制造工藝需求,將165m長的標準節(jié)段按長度方向劃分為11個15m長的大節(jié)段,然后寬度方向以左右對稱劃分的原則,將標準節(jié)段劃分為22個小節(jié)段(圖3)。

        根據(jù)小節(jié)段結(jié)構(gòu)特點,每個小節(jié)段劃分為4個平面塊體,分為底板塊體、中墻塊體、邊墻塊體及頂板塊體,再根據(jù)塊體的結(jié)構(gòu)特點,將其分為若干個片體。鋼殼建造主要工藝流程如圖4所示。

        圖4 沉管鋼殼結(jié)構(gòu)主要工藝流程

        3.2 智能制造體系構(gòu)建

        綜合考慮鋼殼結(jié)構(gòu)的建造流程和現(xiàn)有智能制造裝備技術(shù)水平,對鋼殼結(jié)構(gòu)建造生產(chǎn)中的切割下料、片體制作、塊體制作、小節(jié)段涂裝等施工工序進行研究,根據(jù)作業(yè)內(nèi)容和類型特點,分為智能切割生產(chǎn)線、片體智能焊接生產(chǎn)線、塊體智能焊接生產(chǎn)線、小節(jié)段智能涂裝生產(chǎn)線及車間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)(MES)五大板塊。據(jù)此研發(fā)鋼殼智能制造“四線一系統(tǒng)”,使用機器人及流水線進行智能化生產(chǎn)。

        3.3 “四線一系統(tǒng)”功能與技術(shù)指標設(shè)計

        3.3.1 智能切割生產(chǎn)線

        鋼殼制作單位原有的數(shù)條板/型材數(shù)控切割生產(chǎn)線應(yīng)用已較為成熟,但每條生產(chǎn)線切割設(shè)備相互獨立,各臺設(shè)備任務(wù)分配及完成生產(chǎn)物量均需人工分配和統(tǒng)計,生產(chǎn)效率受到較大制約。鑒于此,需要通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成技術(shù),對原有數(shù)控切割生產(chǎn)線進行聯(lián)網(wǎng)管控智能化改造,實現(xiàn)智能切割,如圖5所示。

        圖5 鋼材智能切割生產(chǎn)線框架

        主要技術(shù)指標:(1)實現(xiàn)數(shù)控切割機和型材切割流水線與車間 MES 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。(2)實現(xiàn)數(shù)控切割機、型材切割流水線數(shù)據(jù)實時采集與反饋。(3)可反饋加工過程的數(shù)據(jù)包括切割鋼材爐批號、切割零件號、切割時間等信息到信息管理系統(tǒng)。

        3.3.2 片體智能焊接生產(chǎn)線

        鋼殼結(jié)構(gòu)存在大量較為簡單的片體零件,具備流水線生產(chǎn)的條件,在人工裝配后可通過3D在線掃描,自動生成焊接程序,機器人接收指令后自動焊接作業(yè)。片體智能焊接生產(chǎn)線主要包括零件上料、裝配、自動掃描識別焊縫、機器人自動焊接、自動背燒、卸料等工位組成(圖6)。

        圖6 片體智能焊接生產(chǎn)線

        主要技術(shù)指標:(1)可滿足3.5~9.0mm平角焊、包角焊。(2)能夠?qū)附舆M行精確定位,自動獲取工件信息和生成焊接程序。(3)實現(xiàn)縱、橫隔板單元加勁角焊縫智能焊接。(4)可處理的片體尺寸范圍為長1 500~4 500mm、寬1 500~4 500mm。(5)實現(xiàn)生產(chǎn)線與車間MES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),具備在線編程功能。

        3.3.3 塊體智能焊接生產(chǎn)線

        塊體智能焊接生產(chǎn)線主要用于深中通道敞開式塊體結(jié)構(gòu)的機器人自動化焊接,依次由上料、FCB拼板、縱骨裝焊、塊體智能機器人焊接、修補、預(yù)舾裝、出胎等工位組成,其中塊體機器人焊接系統(tǒng)由移動式焊接門架、橫梁式行走臺車和焊接機器人(含豎直升降系統(tǒng))組成,如圖7所示。

        圖7 塊體機器人焊接系統(tǒng)

        主要技術(shù)指標:(1)能夠?qū)缚p進行精確定位,自動獲取工件信息,并自動生成焊接程序。(2)可實現(xiàn)縱、橫隔板與頂?shù)装宓冉Y(jié)構(gòu)智能焊接。(3)實現(xiàn)塊體智能焊接生產(chǎn)線與MES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),具備離線編程功能。(4)可滿足5~12mm焊腳高度的平角焊、立角焊、包角焊及不大于14mm板厚的深熔焊。

        3.3.4 智能涂裝生產(chǎn)線

        結(jié)合鋼殼小節(jié)段外部表面(頂面、底面、側(cè)面)平整、面積大、表面舾裝件少等特點,采用機器人進行打砂、噴涂具有較大的優(yōu)勢。通過引用噴砂、噴漆機器人及遠程控制系統(tǒng),實現(xiàn)鋼殼小節(jié)段智能化涂裝。智能噴砂、噴漆車間如圖8及圖9所示。

        圖8 智能噴砂車間

        圖9 智能噴涂車間

        主要技術(shù)指標:(1)可處理的小節(jié)段尺寸范圍:15m×(23~28m)×10.6m(長×寬×高)。(2)具備離線編程、在線監(jiān)測功能,并可在使用過程中優(yōu)化升級。(3)實現(xiàn)智能涂裝生產(chǎn)線與車間MES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

        3.3.5 車間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)

        在BIM技術(shù)管理體系框架下,面向BIM技術(shù)開發(fā)車間制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件。該軟件以數(shù)字化車間綜合管理系統(tǒng)(MES)為核心,參考BIM技術(shù)數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一標準,通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、工程計劃智能編排模塊、胎架布置模塊、塊體運輸管理模塊、質(zhì)量管理模塊、設(shè)備管理模塊、狀態(tài)看板管理模塊等,實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的信息化管控,并通過開發(fā)與智能生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,最終與BIM平臺實現(xiàn)無縫銜接,實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的智能管控如圖10所示。

        圖10 數(shù)字化車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)功能結(jié)構(gòu)

        主要技術(shù)指標:(1)在生產(chǎn)車間部署有線或無線網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到各生產(chǎn)工位。(2)通過對設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集,實現(xiàn)對各生產(chǎn)線運行狀態(tài)的監(jiān)控。通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口,將相關(guān)信息導(dǎo)入專用的管理信息平臺。(3)實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的信息化管控,并通過開通與下料加工智能生產(chǎn)線、片體智能焊接線、塊體智能生產(chǎn)線、智能涂裝生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。(4)與專用管理信息平臺無縫銜接,實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的智能管控。(5)具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、生產(chǎn)管理模塊、質(zhì)量管理模塊、資源管理模塊、狀態(tài)看板管理模塊等。(6)三維數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)計模型與圖紙按時完成與提交,實現(xiàn)MES系統(tǒng)與“四線”的集成與聯(lián)動、與專用管理信息平臺系統(tǒng)集成。

        4 智能制造的工程應(yīng)用

        智能制造已在十余節(jié)鋼殼上應(yīng)用,從應(yīng)用情況來看,“四線一系統(tǒng)”運行良好,功能、制造質(zhì)量及效率達到預(yù)期目標。

        4.1 智能切割生產(chǎn)線

        鋼材智能切割生產(chǎn)線在基于原有自動化數(shù)控切割設(shè)備的基礎(chǔ)上,通過開發(fā)聯(lián)網(wǎng)管控軟件,布置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和現(xiàn)場工控機一體機,可自動接收設(shè)計系統(tǒng)生成的板材、型材切割NC指令,套料冊數(shù)據(jù),并將切割設(shè)備運行狀態(tài)信息及生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋上傳至MES,也可通過外網(wǎng)將生產(chǎn)過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)反饋到BIM系統(tǒng),形成了集管理、信息、監(jiān)控、預(yù)警、分析、報表、看板等模塊為一體的程序自動化、管理數(shù)據(jù)化、看板可視化、切割智能化的切割生產(chǎn)線。生產(chǎn)線最大切割長度鋼板為32m、型材為16m。

        該生產(chǎn)線的應(yīng)用,實現(xiàn)了數(shù)控切割生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)的全面實施,解決了切割生產(chǎn)線實時狀態(tài)遠程監(jiān)控、生產(chǎn)進度實時統(tǒng)計和設(shè)備故障報警分析等問題,創(chuàng)新性地提出了數(shù)控切割設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集與重現(xiàn)的解決方案,為實現(xiàn)智能切割生產(chǎn)線“數(shù)字孿生”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

        圖11 智能切割應(yīng)用

        4.2 片體智能焊接生產(chǎn)線

        片體智能焊接生產(chǎn)線應(yīng)用了機器視覺定性分析、焊接路徑自動規(guī)劃和全自動高效焊接等先進技術(shù)。采用線激光實時跟蹤焊縫,根據(jù)工件焊縫直線度偏差,自動調(diào)整焊接路徑,實現(xiàn)基于3D激光掃描自適應(yīng)編程方式進行焊接作業(yè)。

        圖12 片體智能焊接在鋼殼與船舶產(chǎn)品的應(yīng)用

        經(jīng)過前期測試調(diào)試及生產(chǎn)過程中不斷的適應(yīng)性測試,在鋼殼結(jié)構(gòu)隔板片體加勁肋的焊接上實現(xiàn)了3D掃描100%全覆蓋,100%全自動識別焊接,機器人焊接速度達0.42m/min,可驅(qū)動2臺機器人同步焊接1次成型;同時機器人焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊縫成型均勻良好且能夠?qū)崿F(xiàn)包角焊。片體智能焊接較大提高了生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量,在產(chǎn)能提升、降低人工成本、減少人工打磨工作量方面優(yōu)勢顯著。

        4.3 塊體智能焊接生產(chǎn)線

        塊體智能焊接生產(chǎn)線實現(xiàn)了由縱橫隔板、縱肋、底板構(gòu)成的復(fù)雜、狹小空間進行機器人自動識別及焊接,焊接類型覆蓋平角焊、立角焊、深熔焊等多種焊接種類,沉管鋼殼塊體實現(xiàn)了從拼板→FCB焊接→縱肋裝配→縱肋焊接→塊體組件裝配→塊體組件機器人智能焊接→出運整個流程的自動化和智能化流水線作業(yè)。

        圖13 塊體機器人在產(chǎn)品焊接的應(yīng)用

        塊體智能生產(chǎn)線通過利用離線編程、三維仿真和焊接機器人等先進技術(shù)與設(shè)備,驅(qū)動多臺焊接機器人全自動協(xié)同作業(yè),焊縫成型均勻,焊接質(zhì)量穩(wěn)定,焊縫一次探傷合格率可達99.9%,打磨修補工作量大幅下降,單個標準管節(jié)可減少打磨約225工時。對比以往人工焊接的生產(chǎn)模式,塊體智能焊接生產(chǎn)線在焊接時間比例和效率方面大幅提升,且大大減少因焊腳過大、缺陷修補等造成的焊材浪費。

        4.4 智能涂裝生產(chǎn)線

        智能涂裝生產(chǎn)線通過多臺噴砂和涂裝機器人,全自動協(xié)同完成沉管鋼殼小節(jié)段的噴砂涂裝作業(yè)??赏ㄟ^中控系統(tǒng)遠程監(jiān)控整個涂裝作業(yè)的過程,具有故障報警、實時顯示涂裝作業(yè)工況動態(tài)信息及參數(shù)數(shù)據(jù)、智能數(shù)據(jù)采集及智能數(shù)據(jù)處理等功能,大大減少對作業(yè)人員身體傷害,為實現(xiàn)涂裝車間無人化作業(yè)做出了準備。

        圖14 智能涂裝應(yīng)用

        根據(jù)多個管節(jié)應(yīng)用的情況,噴砂機器人噴砂效率單槍達50m2/h以上,噴漆機器人噴漆效率單槍達150m2/h以上,較人工作業(yè)效率分別提升了約67%、25%以上,相比傳統(tǒng)的人工作業(yè),在質(zhì)量、節(jié)約人工等方面有較大提升。采用智能機器人噴涂,粗糙度、漆膜厚度均勻,一次性合格率高,同時也不再需要搭架,減少搭架工時。

        4.5 車間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)

        面向BIM技術(shù)的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES),應(yīng)用范圍涵蓋了鋼殼管節(jié)下料切割車間、片體及塊體場地、智能涂裝生產(chǎn)線等關(guān)鍵生產(chǎn)業(yè)務(wù)。通過在鋼殼制造區(qū)域部署網(wǎng)絡(luò)光纖,實現(xiàn)了加工數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)和智能生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控等功能,并將采集的數(shù)據(jù)接入MES系統(tǒng)平臺。通過開發(fā)MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口,對內(nèi)實現(xiàn)與設(shè)計系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等信息系統(tǒng)的無縫集成,對外能及時將鋼殼管節(jié)制造生產(chǎn)信息推送至深中通道BIM協(xié)同平臺,打通了上下游數(shù)據(jù)流通關(guān)口,解決了數(shù)據(jù)“孤島”問題,實現(xiàn)了鋼殼制造全過程的智能管控。

        圖15 智能生產(chǎn)線集成管理及BIM協(xié)同平臺

        通過開展面向BIM技術(shù)的各項研究,保證了項目策劃、實施和運行的高效銜接,實現(xiàn)船廠在鋼殼制造中所使用的設(shè)計系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等與 BIM系統(tǒng)的有機結(jié)合[4]。深中通道鋼殼制造已全面開展鋼殼智能制造及BIM信息化的相關(guān)工作,包括自建信息化平臺(面向BIM技術(shù)的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、焊縫三維地圖、BIM模型及WBS編碼等)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(車間網(wǎng)絡(luò)、工地視頻監(jiān)控等)和深中BIM協(xié)同管理平臺應(yīng)用等。通過BIM及信息化實施、過程改進和功能驗證,系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定,有效提升了鋼殼智能制造水平。

        5 結(jié)語

        通過開展鋼殼智能制造研究,推進“四線一系統(tǒng)”應(yīng)用,建立了鋼殼管節(jié)智能制造技術(shù)標準,開發(fā)了基于視覺識別的焊接機器人在線編程、大型鋼結(jié)構(gòu)塊體3D定位及焊縫點激光精確尋位一體化、大型鋼結(jié)構(gòu)的智能涂裝、面向BIM的系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)。智能生產(chǎn)線產(chǎn)能及工效滿足鋼殼制造進度需求,切割、焊接、涂裝質(zhì)量穩(wěn)定可靠,相比傳統(tǒng)的人工作業(yè)具有較大優(yōu)勢,為船舶工業(yè)和交通制造業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級起到先行示范的作用。

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