中圖分類(lèi)號(hào)：U673.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Discussion on Automation Transformation Scheme for Marine Pipe Shops

LI Hongbo， YE Zaifu， LIN Xiaoping， LU Jianbing（CSSCHuangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，Guangzhou 510725，China）

Abstract：To address low production efciency caused by discrete manufacturing in marine pipe fabrication， this study proposes an automation transformation scheme implementing the \"weld-before-bend\" process.By establishing QR code-based process traceability， intellgent fanging marking workstations，small-bore automated production lines，and full-auto tube benders with data compensation algorithms，fully automated production of small pipelines is achieved， providing references for smart transformation in shipbuilding workshops.

Key words： intelligent manufacturing; marine pipe production; automated production line; transformation

1 引言

隨著我國(guó)持續(xù)加大智能制造推進(jìn)力度，傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)在國(guó)內(nèi)掀起熱潮，國(guó)家將“推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”列為重要任務(wù)，船舶行業(yè)也從傳統(tǒng)制造路線逐步向數(shù)字化造船轉(zhuǎn)型，由數(shù)字化造船加入數(shù)字孿生五維模型的概念衍生向智能化造船的發(fā)展。相關(guān)研究顯示，數(shù)字孿生初期主要面向軍工及航空航天領(lǐng)域需求，近年逐步向民用領(lǐng)域拓展[。本文將進(jìn)一步探索研究傳統(tǒng)造船模式與現(xiàn)代化造船模式及數(shù)字化造船模式，與智能制造在船舶制造業(yè)的關(guān)系，運(yùn)用數(shù)字化轉(zhuǎn)型與現(xiàn)代造船理念更深入為智能造船服務(wù)。船舶行業(yè)建造的產(chǎn)品多為定制類(lèi)型，建造周期長(zhǎng)、物量多、工序復(fù)雜，船舶制造的零部件主要有船體零件、管子零件等。管子零件生產(chǎn)是典型的按圖單件生產(chǎn)，且數(shù)量龐大，制造、加工復(fù)雜，大多數(shù)船廠管子加工車(chē)間擁有超過(guò)6條生產(chǎn)線、80多個(gè)工位。正是這樣，管子制造是船舶制造過(guò)程典型的一種高度離散型制造[2]

經(jīng)考察，國(guó)內(nèi)船廠多是勞動(dòng)密集型重工業(yè)，其自動(dòng)化程度相對(duì)日韓自動(dòng)化程度較低，機(jī)器人的覆蓋比例也較日韓要少，在船舶建造的工藝過(guò)程中，自動(dòng)化＼智能化的研究難度，從車(chē)間零部件下料加工向制造、分段作業(yè)、船塢作業(yè)、碼頭調(diào)試作業(yè)依次遞增。本文從車(chē)間制造開(kāi)始入手研究智能化生產(chǎn)解決方案，取某管子車(chē)間小管線作為研究對(duì)象，探尋一種管子加工車(chē)間智能化生產(chǎn)方案，以實(shí)現(xiàn)先焊后彎、自動(dòng)化生產(chǎn)線為手段，以大幅度提高生產(chǎn)效率、縮短管子制作周期為目標(biāo)，提升公司在管子加工領(lǐng)域的智能制造水平。

2 研究過(guò)程

2.1前期調(diào)研

研究期間，先后前往國(guó)內(nèi)外先進(jìn)船廠進(jìn)行學(xué)習(xí)調(diào)研，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、新工藝、先進(jìn)工藝、機(jī)械設(shè)備、車(chē)間布置等進(jìn)行學(xué)習(xí)及調(diào)研，同時(shí)，結(jié)合公司自身?xiàng)l件進(jìn)行技術(shù)技術(shù)可行性分析和研究方向確定。

1）公司管子加工車(chē)間的成組技術(shù)應(yīng)用及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理生產(chǎn)已經(jīng)近20年，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)零件級(jí)顆粒度的生產(chǎn)流程管理及工時(shí)管理，在國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位，并積累了大量經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)。

2）我司已開(kāi)展過(guò)先焊后彎工藝技術(shù)研究，取得一些經(jīng)驗(yàn)。但因投入不足，生產(chǎn)裝備硬件不能支撐先焊后彎工藝的實(shí)施，如引入可支持先焊后彎彎管機(jī)以及自動(dòng)化小管線的研制，可持續(xù)深人研究并落地應(yīng)用。

3）前期開(kāi)展對(duì)國(guó)內(nèi)先進(jìn)船廣管子加工車(chē)間的調(diào)研，及與設(shè)備廠商的廣泛溝通探討，對(duì)行業(yè)技術(shù)有深入了解，對(duì)管子加工車(chē)間數(shù)字化智能化改進(jìn)已經(jīng)形成思路。

2.2研究方向

1）自動(dòng)化車(chē)間總體方案，工藝流程信息標(biāo)準(zhǔn)化。

2）先焊后彎數(shù)據(jù)處理軟件。

3）加工信息處理和無(wú)紙化方案。

4）生產(chǎn)流程改造及自動(dòng)化車(chē)間總體方案。

根據(jù)研究分析，對(duì)管子車(chē)間智能化生產(chǎn)的研究步驟由以上幾點(diǎn)組成。其中，2）、3）在論文《管子先焊后彎的程序修正和管子試彎測(cè)量》中有了相關(guān)闡述，本文著重對(duì)1）、4）切入分析。

2.3研究過(guò)程

1）自動(dòng)化車(chē)間總體方案的確定，工藝流程信息標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立。

依據(jù)生產(chǎn)車(chē)間當(dāng)前的條件，結(jié)合市場(chǎng)能夠提供和開(kāi)發(fā)的技術(shù)與裝備，在合理的資金投入策劃下，以實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)為目標(biāo)，完成管子生產(chǎn)車(chē)間生產(chǎn)線總體方案、工藝流程、工藝信息數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)體系的初建立。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的推敲，初步達(dá)成智能制作管子加工規(guī)劃方案。

管子加工的流程管理，實(shí)際上就是對(duì)管子零件的“組合、分解、組合、分解、分解”的過(guò)程。即：合并托盤(pán)（第一次組合）一劃分加工單元（第一次分解）—報(bào)驗(yàn)分批（第二次組合）—按報(bào)驗(yàn)批號(hào)報(bào)驗(yàn)（第二次分解）一按表處批號(hào)的表面處理（第三次分解）的過(guò)程。管子完工人庫(kù)后的集配則是另一次組合。通過(guò)管子加工工藝流程的再造，確定了車(chē)間智能化轉(zhuǎn)型的標(biāo)準(zhǔn)流程。

在現(xiàn)有的管子生產(chǎn)線中，運(yùn)用成熟的成組技術(shù)，推行先焊后彎工藝，推行小組立后二次組合技術(shù)，通過(guò)生產(chǎn)線的再分道準(zhǔn)則，具有相同加工流程，相同形式，相同焊接工藝，實(shí)施分道分解準(zhǔn)則，利用自動(dòng)化的設(shè)備，智能識(shí)別和運(yùn)輸生產(chǎn)線，和智能生產(chǎn)管理平臺(tái)，分道實(shí)現(xiàn)管子的全自動(dòng)加工，完成流程前道工序的加工流程，達(dá)到提升自動(dòng)化（智能化）生產(chǎn)的實(shí)施覆蓋率。

管子生產(chǎn)線一般分成兩類(lèi)：小管生產(chǎn)線和大管生產(chǎn)線。本文以小管線為例進(jìn)行研究，其中小管生產(chǎn)線分解為直管法蘭自動(dòng)裝焊生產(chǎn)模塊、直彎管組合法蘭自動(dòng)裝焊生產(chǎn)模塊、彎曲管自動(dòng)加工模塊和異型管生產(chǎn)模塊。

整體流程概述：

（1）管子由配套廠按圖紙尺寸供貨，每根管件對(duì)應(yīng)貼二維碼（條形碼），包含管件的分道加工信息、連接附件信息、報(bào)驗(yàn)分組信息和表面處理分組信息等；在此，貼碼也可以根據(jù)實(shí)際情況更改為噴碼，目前市場(chǎng)上有激光噴碼，墨粉噴碼多種形式，可根據(jù)實(shí)際的需求采用合適的方式給管端做好ID；

（2）建立標(biāo)準(zhǔn)法蘭（套管）等連接件庫(kù)，根據(jù)管段的加工信息反饋進(jìn)行連接件的抓取及打字碼；

（3）光身直管、光身彎管另外單獨(dú)走，不在此流程做展示。

從以上生產(chǎn)線路規(guī)劃來(lái)看，經(jīng)過(guò)實(shí)船數(shù)據(jù)分析，改造后整個(gè)管子制作車(chē)間的自動(dòng)化率覆蓋率可達(dá)到約4成。與當(dāng)前國(guó)際現(xiàn)代化車(chē)間相比，韓國(guó)車(chē)間自動(dòng)化率覆蓋率達(dá)到6成左右，改造后的車(chē)間進(jìn)一步接近先進(jìn)船企的自動(dòng)化覆蓋程度。

2）生產(chǎn)流程改造及自動(dòng)化車(chē)間總體方案

根據(jù)項(xiàng)目的策劃，對(duì)管子生產(chǎn)車(chē)間小管自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行改造。小管自動(dòng)化生產(chǎn)線分為法蘭打碼區(qū)域和小管自動(dòng)化生產(chǎn)線區(qū)域進(jìn)行部署；總體布局策劃圖如圖1所示。

3 確定改造建設(shè)方案

根據(jù)上述的生產(chǎn)線，研究與之匹配的車(chē)間數(shù)字化轉(zhuǎn)型方案。該車(chē)間有長(zhǎng)達(dá)二十幾年的電算基礎(chǔ)，前期系統(tǒng)已具備讀取設(shè)計(jì)管子信息、生產(chǎn)管子的各類(lèi)數(shù)據(jù)并傳下輸?shù)焦茏由a(chǎn)管理系統(tǒng)的功能，可按照自動(dòng)化生產(chǎn)線整理所需要的各類(lèi)數(shù)據(jù)，包括管子賦碼料、管附件賦碼、裝配、焊接、彎管、分托等。二維碼的賦碼工作采用印刷/打嗎機(jī)，以及自動(dòng)讀取相關(guān)賦碼數(shù)據(jù)的軟硬件，根據(jù)調(diào)查分析，賦碼常用的有貼紙、二維碼墨粉噴涂、激光打碼，可結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的方案，配合完成ID賦碼工作。第一，管子賦碼，將自動(dòng)二維碼標(biāo)簽插件生產(chǎn)的標(biāo)簽張貼到對(duì)應(yīng)管件上，其賦碼帶有唯一性和標(biāo)準(zhǔn)性，以便產(chǎn)線上線時(shí)機(jī)器的自動(dòng)掃碼、測(cè)長(zhǎng)、較焊、焊接、彎管等工序的自動(dòng)識(shí)別及數(shù)據(jù)選用。第二，采用法蘭智能打碼工作站，對(duì)管身對(duì)應(yīng)的管附件采用柔性機(jī)械臂配合自動(dòng)打碼機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)打碼，并配合使用管附件自動(dòng)傳輸帶傳輸?shù)叫」芊ㄌm裝配工位上。第三，管子自動(dòng)生產(chǎn)線，自帶激光掃碼測(cè)長(zhǎng)功能，自動(dòng)篩選合格產(chǎn)品，使用自動(dòng)傳輸帶向下道工序傳輸，并采用自動(dòng)夾取裝置，將管附件和管子在較焊工位上，進(jìn)行管附件較焊，其中對(duì)于管附件兩端存在相對(duì)轉(zhuǎn)角的，使用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的電控按鈕，將法蘭雙眼相對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。第四，管子自動(dòng)焊接，采用無(wú)人值守機(jī)器人焊接，焊接完成后的管子使用自動(dòng)分流裝置，將管子進(jìn)行機(jī)械夾抓取以及自動(dòng)分流入托。第五，自動(dòng)彎管，選用智能處理后的彎管數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)先焊后彎的無(wú)余量下料以及保證產(chǎn)品的封閉尺寸。

通過(guò)以上研究確定管子車(chē)間智能化總體方案，并最終確定改造建設(shè)方案。

3.1法蘭智能打碼工作站

船舶管子附件多為標(biāo)準(zhǔn)法蘭及套管，管子附件刻印檢索碼的工作由機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)打碼作業(yè)具有可行性。打碼工作站實(shí)現(xiàn)法蘭和套管智能打碼工作，實(shí)現(xiàn)制定范圍內(nèi)的法蘭、套管打碼的智能化生產(chǎn)管理，具有法蘭與套管的自動(dòng)上料、打碼、下料與現(xiàn)場(chǎng)整體生產(chǎn)管理等功能，提高打碼效率，保障打碼質(zhì)量[4；可自動(dòng)調(diào)用管子生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)法蘭、套管自動(dòng)打碼、自動(dòng)分揀、帶有柔性機(jī)械臂、管附件自動(dòng)調(diào)料架、氣動(dòng)打碼機(jī)、管附件小托車(chē)等關(guān)鍵元素。

3.2小直管自動(dòng)化生產(chǎn)線

小管自動(dòng)化生產(chǎn)線可將小直管與法蘭或套管進(jìn)行裝配和焊接，并進(jìn)行彎管或分流作業(yè)，多個(gè)模塊依次開(kāi)展作業(yè)，包括直管上料、法蘭上料和套管上料、裝配點(diǎn)焊、直管焊接、直彎分流、彎管等，該生產(chǎn)線具備半成品管子自動(dòng)送料、激光掃碼自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)等功能。

1）專(zhuān)用管子傳送帶將對(duì)應(yīng)的管子按長(zhǎng)度篩查后，自動(dòng)傳送到下一步裝配工位。

2）裝配工位旁配置一條安裝管附件全自動(dòng)配送帶，輸送管子生產(chǎn)所需的端部附件，操作人員負(fù)責(zé)將管附件安裝到管端上。3）經(jīng)過(guò)裝配后，管子自動(dòng)輸送到下一個(gè)焊接工位，該工位設(shè)有兩個(gè)柔性自動(dòng)焊接機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。4）焊接結(jié)束后，管子經(jīng)傳送帶來(lái)到分流工位，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)給出指令實(shí)現(xiàn)分流功能，將管子自動(dòng)入托到不同的物流斗里。5）彎管工位采用可彎帶法蘭管子的彎管機(jī)，可自動(dòng)獲取生產(chǎn)系統(tǒng)里經(jīng)過(guò)先焊后彎數(shù)據(jù)處理的工藝數(shù)據(jù)，推算出一套回彈及延伸修正數(shù)據(jù)，使管子的成型精度進(jìn)一步貼近設(shè)計(jì)管子數(shù)據(jù)。

3.3先焊后彎全自動(dòng)彎管機(jī)改造

彎管機(jī)需修編一套能與本公司設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)交互彎管數(shù)據(jù)的彎管控制軟件，軟件能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)修正后的彎管數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)小票圖等功能。

在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過(guò)程管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型完善的基礎(chǔ)上，對(duì)全自動(dòng)生產(chǎn)車(chē)間的硬件進(jìn)行投入，形成自動(dòng)化生產(chǎn)車(chē)間總體方案。聯(lián)合信息部門(mén)自主開(kāi)發(fā)自動(dòng)化生產(chǎn)車(chē)間無(wú)紙化生產(chǎn)，形成無(wú)紙化生產(chǎn)的實(shí)施步驟和方法，為智能車(chē)間提供硬件、信息、數(shù)據(jù)支撐。

4結(jié)語(yǔ)

4.1總結(jié)

本研究通過(guò)構(gòu)建船用管子車(chē)間自動(dòng)化改造體系，實(shí)現(xiàn)了三大核心突破。

1）工藝創(chuàng)新：在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn) Φ22mm 小管徑全流程自動(dòng)化生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)“先焊后彎”工藝與數(shù)據(jù)補(bǔ)償算法，使管件成型精度達(dá)到 ±0.5mm （較傳統(tǒng)工藝提升 40% ）。

2）產(chǎn)線重構(gòu)：建成含智能打碼工作站，無(wú)人焊接工位，自適應(yīng)彎管機(jī)的自動(dòng)化產(chǎn)線，人員配置由6人／班縮減至4人/班，生產(chǎn)效率提升 33% 。

3）數(shù)據(jù)貫通：建立基于二維碼的MES-PLM數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息追溯完整率 98.2% ，較改造前紙質(zhì)單據(jù)管理模式節(jié)約工時(shí) 32% O

小管生產(chǎn)線效率提升 70% ，焊接煙塵收集系統(tǒng)使車(chē)間PM2.5濃度下降至 8mg/m³ （低于國(guó)標(biāo) 15mg/m³ 限值）。方案已成功應(yīng)用于公司1900TEU集裝箱船建造，為同類(lèi)型車(chē)間改造提供可復(fù)制模板。

4.2展望

該方案結(jié)合國(guó)內(nèi)主流自動(dòng)化生產(chǎn)車(chē)間模式和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，探索出一套適合中小管徑管子加工車(chē)間自動(dòng)化生產(chǎn)方案，為船廠智能車(chē)間生產(chǎn)的深耕提供鋪墊。由于當(dāng)時(shí)各設(shè)備系統(tǒng)異構(gòu)兼容性問(wèn)題，后續(xù)將重點(diǎn)開(kāi)展：1）基于數(shù)字孿生理念開(kāi)發(fā)的工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)功能；2）多型號(hào)機(jī)器人協(xié)同控制協(xié)議開(kāi)發(fā)；3）智能分揀系統(tǒng)與立體倉(cāng)庫(kù)的集成應(yīng)用力圖達(dá)到全流程數(shù)字主線構(gòu)建完整落地。

參考文獻(xiàn)

[1]陶飛，劉蔚然，張萌，等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（1）：1-18.

[2]林洪山.智能造船要提防“大而全”[J].廣東造船，2022，41（4）：11-12.

[3]劉聯(lián)紅，盧健兵，江海燕，等.管子先焊后彎的程序修正和管子試彎測(cè)量[J].廣東造船，2021，40（6）： 64-67+63

[4]藍(lán)初廣，盧健兵，江海燕，等.法蘭和套管智能打碼工作站研制[J].廣東造船，2022，41（6）： 77-79+99