石 琎, 駱曉萌, 寧海燕, 韋乃琨,3, 成宇韜,楊 帥, 鄭菊艷, 郭蘇琪

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.船舶智能制造國(guó)家工程研究中心，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；4.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司，上海 200011)

0 引 言

船用薄板在豪華郵船和水面船舶的甲板、壁板、平臺(tái)、上層建筑結(jié)構(gòu)等部位大量應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)主流船廠(chǎng)普遍采用埋弧焊和半自動(dòng)氣體保護(hù)焊兩類(lèi)比較成熟的焊接方法完成船用薄板焊接，但這兩類(lèi)傳統(tǒng)焊接方法導(dǎo)致薄板焊接變形大、效率低、焊接質(zhì)量控制難度高等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足大量薄板制造的精度和周期要求[2-3]。激光復(fù)合焊接速度快、效率高、靈活性好、熱輸入小、熔透能力強(qiáng)，焊縫深寬比最高可達(dá)10∶1以上，對(duì)于14 mm以下厚度的薄板結(jié)構(gòu)，焊接邊緣通常采用I字形或小角度坡口，在焊接時(shí)工件無(wú)須翻身進(jìn)行封底焊接，僅需要單道焊接即可獲得良好的單面焊雙面成型焊接接頭[4-7]。對(duì)于可透過(guò)石英玻璃的光纖激光和釔鋁石榴石激光(Yttrium Aluminum Garnet laser，YAG laser)而言，可與焊接機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)柔性焊接，大幅提高激光焊接的靈活性和空間適應(yīng)性，并減少焊工的人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響[8-9]。焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)是縮短機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本的重要應(yīng)用手段[10]。

針對(duì)船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接過(guò)程的工藝參數(shù)復(fù)雜性、多因素性和焊接工藝數(shù)據(jù)未能高效合理化管理等問(wèn)題，分析焊接工藝數(shù)據(jù)管理的具體需求，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)適合船廠(chǎng)和研究機(jī)構(gòu)需求的船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 船用薄板機(jī)器人焊接業(yè)務(wù)分析

薄板平面分段流水線(xiàn)由鋼板進(jìn)料門(mén)架、板列出料門(mén)架、鋼板夾緊門(mén)架、銑邊單元、激光復(fù)合焊接單元和操作控制系統(tǒng)組成。拼板和縱骨激光復(fù)合焊接工位是薄板平面分段流水線(xiàn)的重要組成部分，采用激光填絲焊、激光復(fù)合焊、激光復(fù)合焊打底+熔化極活性氣體(Metal Active Gas，MAG)保護(hù)焊/熔化極惰性氣體(Metal Inert Gas，MIG)保護(hù)焊的焊接方式。船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝流程如圖1所示。船廠(chǎng)的焊接研究室根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)提出的加工需求，結(jié)合以往的數(shù)據(jù)累積開(kāi)展初步的工藝方案設(shè)計(jì)并形成預(yù)焊接工藝規(guī)程(Preliminary Welding Procedure Specification，PWPS)。根據(jù)PWPS開(kāi)展工藝評(píng)定，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)加工人員的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)初步工藝方案進(jìn)行調(diào)節(jié)，在工藝方案優(yōu)化后確定合理的焊接工藝參數(shù)范圍，提交船級(jí)社認(rèn)證，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)和理化分析并形成焊接工藝評(píng)定報(bào)告(Welding Procedure Qualification Report，WPQR)。在工藝評(píng)定通過(guò)后，生成焊接工藝規(guī)程(Welding Procedure Specification，WPS)，最終生產(chǎn)加工部門(mén)根據(jù)WPS規(guī)定的工藝參數(shù)完成訂單任務(wù)。

圖1 船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝流程

針對(duì)船廠(chǎng)相關(guān)工藝數(shù)據(jù)記錄情況開(kāi)展調(diào)研，發(fā)現(xiàn)船廠(chǎng)焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)以人工表格記錄管理為主，缺少專(zhuān)業(yè)的工藝數(shù)據(jù)管理軟件，不利于數(shù)據(jù)累積和數(shù)據(jù)挖掘；針對(duì)激光復(fù)合新型焊接工藝開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，缺乏前期累積，依賴(lài)國(guó)外專(zhuān)家提供的工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，不具備自主可控能力，需要進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)；工藝試驗(yàn)中的質(zhì)量與工藝參數(shù)之間缺乏完整的關(guān)聯(lián)關(guān)系，工藝參數(shù)推理缺少科學(xué)依據(jù)，重復(fù)大量的基礎(chǔ)工作，耗費(fèi)時(shí)間多。在焊接作業(yè)過(guò)程中所運(yùn)用的工藝知識(shí)和工藝經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)于工藝人員腦中，沒(méi)有以統(tǒng)一化規(guī)范性的形式呈現(xiàn)。有必要將船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝數(shù)據(jù)引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，支持焊接作業(yè)過(guò)程中的信息存儲(chǔ)和讀取，并輔助工藝方案推理與驗(yàn)證。

船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)流程如圖2所示，其中，E-R(Entity-Relationship)為實(shí)體-聯(lián)系。具體分析數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)功能，依據(jù)具體需求逐步開(kāi)展概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)，即完成概要設(shè)計(jì)。系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)采用模塊化理念，明確數(shù)據(jù)庫(kù)各部分的具體表達(dá)功能和相互之間的關(guān)系模型。在完成數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的理論工作后，選擇最佳的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程語(yǔ)言，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)各部分進(jìn)行代碼編程和調(diào)試驗(yàn)證。在完成所有模塊構(gòu)建后，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)整體進(jìn)行測(cè)試，排查可能的系統(tǒng)錯(cuò)誤并修復(fù)，完善數(shù)據(jù)邏輯功能，經(jīng)不斷優(yōu)化完成數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。

圖2 船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)流程

2 數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)如圖3所示，面向船舶制造的焊接工藝設(shè)計(jì)、焊接工藝評(píng)定和焊接生產(chǎn)加工等3個(gè)場(chǎng)景提供知識(shí)共享。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)

(1)焊接工藝設(shè)計(jì)場(chǎng)景：主要面向焊接研究室的工藝設(shè)計(jì)人員，基于生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案提出的焊接需求，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案新建，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的工藝定義、工藝設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)查詢(xún)、實(shí)例檢索推理和數(shù)值模擬驗(yàn)證等功能，制定初步方案。

(2)焊接工藝評(píng)定場(chǎng)景：主要面向焊接研究室的工藝評(píng)定人員，基于工藝設(shè)計(jì)制定的初步方案，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的工藝試驗(yàn)、工藝評(píng)定反饋、標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)查詢(xún)、實(shí)例檢索推理和數(shù)值模擬驗(yàn)證等功能，記錄和優(yōu)化工藝試驗(yàn)過(guò)程，生成WPQR質(zhì)量記錄，確定工藝優(yōu)化方案，經(jīng)船級(jí)社評(píng)定，輸出WPS。

(3)焊接生產(chǎn)加工場(chǎng)景：主要面向加工車(chē)間的生產(chǎn)加工人員，基于新生成或已有的WPS，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的工藝規(guī)程導(dǎo)入、工藝參數(shù)轉(zhuǎn)化、工藝參數(shù)發(fā)布(為手工焊參數(shù)查詢(xún)、自動(dòng)焊參數(shù)導(dǎo)入、機(jī)器人焊接在線(xiàn)/離線(xiàn)編程提供數(shù)據(jù)支撐)、生產(chǎn)工藝反饋和質(zhì)量追溯等功能進(jìn)行生產(chǎn)加工，最終完成訂單。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的需求，數(shù)據(jù)庫(kù)分為7個(gè)功能模塊，如圖4所示。

圖4 薄板拼板激光復(fù)合焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊

(1)數(shù)據(jù)信息管理：構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)焊接工藝定義：根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)制定的工藝要求，分析焊接工藝信息構(gòu)成，對(duì)母材材質(zhì)、板厚和焊接材料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，焊接方法、接頭型式和坡口型式等工藝規(guī)則，激光功率、電弧電壓、焊接速度和焊槍姿態(tài)等焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行數(shù)字化、固化和標(biāo)準(zhǔn)化定義，為數(shù)據(jù)庫(kù)提供基礎(chǔ)支持。

(3)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)查詢(xún)：通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，分析并縮小合理工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)范圍。

(4)實(shí)例檢索推理：針對(duì)焊接需求，查詢(xún)相應(yīng)的焊接實(shí)例；若無(wú)一致，則判斷是否符合相似參數(shù)推理的流程；若焊接需求與實(shí)例之間的差別在可接受范圍內(nèi)，則進(jìn)行相似參數(shù)推理，最終輸出工藝參數(shù)推理報(bào)告。

(5)數(shù)值模擬驗(yàn)證：在相似焊接實(shí)例偏差較大、無(wú)法滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)要求時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證，得出符合焊接標(biāo)準(zhǔn)的模擬工藝參數(shù)，為工藝評(píng)定和生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供參考工藝參數(shù)。

(6)WPS制定：基于標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)查詢(xún)、實(shí)例檢索推理和數(shù)值模擬驗(yàn)證等綜合得出的工藝參數(shù)，制定WPS，發(fā)布相關(guān)工藝參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)提供操作輔助。

(7)焊接工藝反饋：輸入焊接質(zhì)量，進(jìn)行工藝評(píng)定，形成工藝反饋，并實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量追溯。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)船廠(chǎng)焊接研究室工藝設(shè)計(jì)、工藝評(píng)定和車(chē)間生產(chǎn)加工人員等對(duì)焊接工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與使用需求，設(shè)計(jì)船用薄板機(jī)器人激光復(fù)合焊接工藝數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)焊接工藝數(shù)據(jù)的安全與高效管理。數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的審查和驗(yàn)證，并應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)各家船廠(chǎng)焊接設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不斷更新數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和軟件功能設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)功能可滿(mǎn)足不同客戶(hù)需求。