呂建軍, 黃斌斌, 徐仁桐, 陳依凡, 李志球, 馮立新

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.森松(蘇州)生命科技有限公司 武漢分公司，湖北 武漢 430070；3.中國船舶集團(tuán)有限公司，上海 200011)

0 引 言

郵船產(chǎn)業(yè)是近年興起的高技術(shù)制造產(chǎn)業(yè)。大型郵船對船廠的設(shè)計建造能力、資源整合能力、項目管理能力、系統(tǒng)集成能力和安全質(zhì)量控制能力等均具有較高要求，通過郵船的承建可拉動我國船舶工業(yè)相關(guān)配套行業(yè)共同發(fā)展[1]。與常規(guī)船舶相比，豪華郵船具有型寬較大、型深較小、上層建筑多、甲板層多的特點，由于大量使用薄板減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因此平面分段結(jié)構(gòu)占比較大[2]。

當(dāng)前，我國船舶制造業(yè)仍處于數(shù)字化制造起步階段，在智能車間的管理和技術(shù)方面，如智能車間布局、設(shè)備選型及節(jié)拍設(shè)計、智能設(shè)備間信息集成等，均需要在實際使用中獲取經(jīng)驗，無法提前對智能車間的總體布局和工藝流程進(jìn)行驗證[3]。虛擬仿真技術(shù)在船舶建造工藝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，整個仿真作業(yè)過程不僅可遠(yuǎn)離危險工作場地，而且可真實模擬實際建造過程。

1 薄板平面分段流水線工位設(shè)計

薄板平面分段車間工位是在普通船舶平面分段建造的基礎(chǔ)上，針對薄板材料特點進(jìn)行薄板生產(chǎn)線的車間改造。薄板材料板厚度僅為4.0～25.0 mm，厚度區(qū)間較大，且在郵船艙室區(qū)域占比較大，需求量與焊接量大，需要嚴(yán)格控制其變形，對車間工位的制造工藝及設(shè)備要求較高[4]。薄板平面分段流水線工位組成如圖1所示，包括上料工位、拼板激光復(fù)合焊工位、片段打磨/劃線/噴碼/切割工位、型材裝焊工位、橫移工位、T材裝配工位、T材焊接工位、圍壁裝焊工位和下線運出工位。整條流水線包含型鋼加工生產(chǎn)線、T材制作生產(chǎn)線、圍壁制作生產(chǎn)線和部件制作生產(chǎn)線等，配備完善的輔助生產(chǎn)線，主要設(shè)置在車間主生產(chǎn)線的相鄰跨中。

圖1 薄板平面分段流水線工位組成

2 薄板平面分段流水線環(huán)境實現(xiàn)

2.1 Unity3D

Unity3D是由Unity Technologies公司研發(fā)的一款專業(yè)級虛擬仿真開發(fā)平臺，使用者可方便地進(jìn)行虛擬現(xiàn)實環(huán)境的開發(fā)應(yīng)用。Unity3D的應(yīng)用場景包括沉浸式環(huán)境漫游、交互式作業(yè)模擬和施工3D動畫展示等。Unity3D具有多種設(shè)備兼容性，對產(chǎn)品發(fā)布種類更具有多樣性選擇。

2.2 模型構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

利用3Ds Max建模軟件構(gòu)建3D虛擬薄板平面分段車間模型。在建模軟件中捕捉對象在x軸、y軸和z軸的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)行車間模型及內(nèi)部工位模型的形狀建模，對于首頂點、頂角、倒角和模型面數(shù)進(jìn)行焊接與封口處理，在轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形后進(jìn)行減面優(yōu)化處理。優(yōu)化處理的目的是在保證模型可用性的前提下，減少模型的繁雜面，為后續(xù)的仿真實現(xiàn)進(jìn)行性能優(yōu)化。處理方式主要是減少模型總面數(shù)，刪除實體模型看不到的零部件，刪除對模型成型影響不大的細(xì)節(jié)部分。將車間模型的功能點進(jìn)行分組，分為靜態(tài)模型與動態(tài)作業(yè)模型[5]。模型貼圖與烘焙在虛擬仿真中對場景光影烘焙效果的實現(xiàn)較為重要?；赨nity3D技術(shù)的虛擬仿真環(huán)境采用光照貼圖和法線貼圖等技術(shù)，將場景中不動的設(shè)備設(shè)置為Lightmap靜態(tài)，并在Light組件中將Mode選擇為Baked，選擇適合環(huán)境的烘焙參數(shù)，即可進(jìn)行設(shè)備模型烘焙。

2.3 車間環(huán)境構(gòu)建

2.3.1 車間環(huán)境構(gòu)建流程

基于Unity3D進(jìn)行薄板平面分段車間仿真，根據(jù)車間工藝流程分析設(shè)計車間空間布局形式。設(shè)定可加工的薄板分段最大尺寸(長×寬)為36 m×16 m，車間基本尺寸為500 m×110 m，分為3跨，其中，薄板平面分段流水線跨度為40 m，型材預(yù)備生產(chǎn)線與T材裝焊區(qū)域跨度為36 m，部件切割與圍壁制作區(qū)域跨度為34 m。車間環(huán)境構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 車間環(huán)境構(gòu)建流程

2.3.2 車間廠房環(huán)境構(gòu)建

利用3D建模軟件實現(xiàn)廠房構(gòu)建任務(wù)，為保證環(huán)境真實性，同時添加模型材質(zhì)貼圖，將完成的廠房模型導(dǎo)入Unity3D，在添加燈光后進(jìn)行整體環(huán)境的烘焙。

2.3.3 車間環(huán)境構(gòu)建

建立薄板生產(chǎn)線各工位設(shè)備、連接工位的地面運輸系統(tǒng)及輔助生產(chǎn)線(型鋼預(yù)備生產(chǎn)線)的3D模型。車間環(huán)境如圖3所示。

圖3 車間環(huán)境

(1)薄板上料工位。該工位構(gòu)建桁架式平臺，平臺設(shè)置滾輪，可減少薄板在工位上移動時的表面摩擦力。

(2)拼板激光復(fù)合焊工位。該工位構(gòu)建薄板的壓板運輸設(shè)備與琴鍵式液壓壓板設(shè)備，并構(gòu)建用于薄板邊緣打磨的移動銑邊裝置，創(chuàng)建激光復(fù)合焊接頭。根據(jù)復(fù)合焊接特性，結(jié)合郵船船型特點，將其應(yīng)用于薄板平面分段的拼板裝配，替代原來的CO2氣體保護(hù)焊等工藝，可解決薄板焊接熱變形過大的難題[6]。

(3)片段打磨/劃線/噴碼/切割工位。該工位自動對完成拼板的板列進(jìn)行打磨、噴碼劃線和切割。門架包含1個打磨頭、1個噴碼劃線頭和1個等離子切割頭。

(4)型鋼裝焊工位。該工位采用激光復(fù)合焊工藝，自動完成縱向型材焊接。設(shè)備主要包括進(jìn)料裝置、進(jìn)料門架、裝焊門架和反變形裝置。

(5)T材裝配工位。該工位配置2個裝配門架對T材進(jìn)行裝配，裝配門架配置工具車，可吊裝T材。

(6)T材焊接工位。該工位配置2個機(jī)器人焊接門架，每個門架配置2個機(jī)器人焊接單元。

(7)圍壁裝焊工位。該工位主要為手工裝配和焊接，圍壁等部件在該工位完成裝配和焊接。每條生產(chǎn)線配置3個圍壁裝焊工位，每個工位配置1個圍壁裝焊門架。

(8)分段移出工位。該工位將完成的分段通過液壓系統(tǒng)和頂升梁進(jìn)行頂升，便于平板車進(jìn)入分段底部將分段運出。

(9)輔助生產(chǎn)線(型鋼預(yù)備生產(chǎn)線)。該生產(chǎn)線對縱骨裝焊工位所需要的型材零件進(jìn)行矯直、銑邊、拋丸、切割和分揀，通過輥道輸送裝置將型鋼托盤輸送至縱骨裝焊主生產(chǎn)線工位。

(10)地面運輸系統(tǒng)。工位之間配備地面運輸系統(tǒng)，包括輥道、升降圓盤平臺、搬運臺車、鏈條和側(cè)邊夾板機(jī)等，對分段中間產(chǎn)品進(jìn)行傳遞操作。

3 薄板平面分段流水線仿真實現(xiàn)

3.1 薄板平面分段流水線仿真交互

薄板平面分段車間交互內(nèi)容包括場景漫游交互與工位作業(yè)交互。場景漫游交互采用鼠標(biāo)控制視角轉(zhuǎn)換，鍵盤控制位置空間移動，在整個車間范圍內(nèi)進(jìn)行場景瀏覽，為薄板生產(chǎn)線的車間布局設(shè)計提供指導(dǎo)，同時檢驗薄板生產(chǎn)作業(yè)時的部件物流合理性。工位作業(yè)交互主要是按建造流程仿真薄板生產(chǎn)線各工位的作業(yè)內(nèi)容，為實際生產(chǎn)中的工藝細(xì)節(jié)提供參考。薄板平面分段流水線仿真作業(yè)順序如下：

(1)操作門式起重機(jī)抓取薄板，門式起重機(jī)在薄板的一定范圍內(nèi)實現(xiàn)自動對接功能，并自動吸取吊起薄板，以手動方式進(jìn)行上料操作。

(2)在拼板激光復(fù)合焊接前采用夾緊設(shè)備將薄板運輸至琴鍵式液壓壓板設(shè)備下，通過視覺相機(jī)測量板材位置以計算焊縫對中，而仿真則采用碰撞體組件，在觸發(fā)后停留指定位置。

(3)具有激光復(fù)合焊要求的鋼板拼縫間隙應(yīng)≤0.5 mm，常規(guī)的等離子和火焰切割無法滿足精度要求，在拼板工位上配置銑邊單元，通過銑刀和液壓夾緊門架，對鋼板焊接邊進(jìn)行銑削加工。對銑削完成的2張鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接，循環(huán)完成所有拼縫焊接，拼板完成的板列通過出料門架和地面運輸系統(tǒng)傳輸至片段打磨/劃線/噴碼/切割工位。

(4)打磨采用噴丸工藝，主要去除縱骨裝焊位置的底漆，滿足后面的激光復(fù)合焊接要求。劃線/噴碼采用噴墨形式，為縱骨和T材安裝位置劃出參考線和基準(zhǔn)線。切割采用干式等離子工藝，預(yù)留切割裕量，在分段運出車間后對切除的材料進(jìn)行清理。完成切割的板列通過側(cè)邊夾持小車自動移至型鋼裝焊工位。

(5)型鋼裝焊工位的進(jìn)料門架從托盤中吸取型鋼運至裝配點。在裝配中需要與薄板的劃線吻合，啟動反變形裝置，4臺激光復(fù)合焊小車同時對縱骨進(jìn)行焊接，循環(huán)完成整個片段型鋼的裝焊。裝焊結(jié)束，通過側(cè)邊夾持小車和地面輥道單元輸出至橫移臺車。

(6)橫移臺車通過專用的夾持設(shè)備和輸送鏈條將前道完成的片段移至后道的T材裝配工位。

(7)通過裝配門架將托盤中的T材部件逐個吊運至T材裝配工位，并裝配點焊。

(8)點焊完成進(jìn)入T材焊接工位，焊接機(jī)器人通過離線編程可自動進(jìn)行焊接操作，大幅提高作業(yè)效率。

(9)通過裝配門架將圍壁吊運至圍壁裝焊工位，并裝配焊接。

(10)通過液壓系統(tǒng)和頂升梁進(jìn)行頂升，通過平板車將完成的薄板分段移出車間。

3.2 型鋼預(yù)備生產(chǎn)線仿真實現(xiàn)

由于縱骨裝焊采用激光復(fù)合焊工藝，對型材與板列的間隙要求≤0.3 mm，因此型鋼預(yù)備生產(chǎn)線的仿真需要對型材底邊進(jìn)行銑削加工。為保證焊接質(zhì)量，焊接位置的底漆必須去除，因此需要對底部進(jìn)行噴丸除漆。型材的端切主要采用等離子切割工藝，切割完成的型材通過自動分揀裝置，分揀至縱骨裝焊的緩存裝置，等待型材的裝配作業(yè)。型鋼處理流程如圖4所示。

圖4 型鋼處理流程

4 結(jié) 語

與一般傳統(tǒng)建造相比，郵船薄板平面分段流水線采用大量的自動化工位設(shè)備，同時針對薄板材料特點，采用激光復(fù)合焊接方式，減少焊接后的材料變形問題，可提高作業(yè)效率，降低人工成本。郵船薄板平面分段流水線作業(yè)仿真以現(xiàn)實車間為雛形，根據(jù)流水線工位布局樣式，結(jié)合輔助生產(chǎn)線，在作業(yè)流程驅(qū)動下與部件生產(chǎn)線進(jìn)行互聯(lián)，使相鄰跨之間的聯(lián)系更加緊密，可提高物料運轉(zhuǎn)效率。