面向智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)的船體中小組立特征分析

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司,上海 200011)

近年來(lái)，機(jī)器人焊接技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，但在國(guó)內(nèi)船舶制造業(yè)尚未應(yīng)用普及[1-2]。絕大部分船舶企業(yè)中小組立仍采用傳統(tǒng)的人工焊接方式，焊接效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)連續(xù)性差。智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)能夠有效提升船舶產(chǎn)品焊接效率，縮短生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)船舶產(chǎn)品規(guī)?；?、高效化與批量化生產(chǎn)。

針對(duì)船企存在的中小組立類(lèi)型多、數(shù)量龐大、裝配及焊接物量大，所有中小組立按分段混在同一片場(chǎng)地進(jìn)行施工作業(yè)，未形成批量化生產(chǎn)，混合排產(chǎn)難度大，計(jì)劃、調(diào)度和管理困難，車(chē)間柔性化制造能力不足的問(wèn)題，考慮以某型集裝箱船為例，結(jié)合智能焊接技術(shù)現(xiàn)狀，開(kāi)展面向智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)的船體中小組立特征分析，確定出適合使用焊接生產(chǎn)線(xiàn)制造的具體組立特征要求，開(kāi)展生產(chǎn)線(xiàn)物量與產(chǎn)能的匹配性分析，為后續(xù)智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)提供參考。

1 組立成組分類(lèi)

該船中小組立結(jié)構(gòu)類(lèi)型眾多，尺寸各異，數(shù)量龐大,無(wú)法直接確定出適用焊接生產(chǎn)線(xiàn)制造的組立結(jié)構(gòu)，首先對(duì)現(xiàn)有中小組立進(jìn)行分類(lèi)。

1.1 流向劃分

按照船企船體結(jié)構(gòu)組立建造流程，組立是依據(jù)流向進(jìn)行劃分的。在先行制造階段，船體結(jié)構(gòu)建造分為小組立、中組立、大組立3個(gè)流向階段。而中小組立在分段建造中數(shù)量最多，流向也較復(fù)雜。目前智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)對(duì)象僅考慮中小組立，故只對(duì)中小組立進(jìn)行分析。

小組立分為部件組立(C)、復(fù)雜小組立(S)、T型材組立(T)3種類(lèi)型。部件組立是最基本的組立，由1塊或2塊鋼板附加1個(gè)或幾個(gè)零件組成；復(fù)雜小組立是在基本組立上再加上1個(gè)或多個(gè)小組立或零件組成；T型材組立是由腹板加上面板組成。典型小組立類(lèi)型見(jiàn)圖1。

圖1 典型小組立

中組立是由若干小組立和零件組合成的中型組立，又分為非拼板中組立(M)、拼板中組立(P)2種類(lèi)型。2種類(lèi)型的主要區(qū)別在于拼板中組立首先要完成基面板的拼板，再與組立或者零件組裝。典型中組立類(lèi)型見(jiàn)圖2。

圖2 典型中組立

1.2 成組分類(lèi)

對(duì)該型船所有分段的DAP建造方案和組立樹(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)流向劃分原則，提取全船所有分段的中小組立模型，并抽取中小組立數(shù)量，得到全船11 044個(gè)小組立、98個(gè)中組立[3]。根據(jù)船舶不同區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用成組技術(shù)相似原理[4]，對(duì)所有中小組立進(jìn)行成組分類(lèi)，確定全船中小組立的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和數(shù)量，見(jiàn)表1。

表1 某型集裝箱船中小組立類(lèi)型

2 組立特征

在考慮建設(shè)智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，由于中小組立結(jié)構(gòu)類(lèi)型眾多，尺寸各異，數(shù)量龐大，無(wú)法全部滿(mǎn)足在生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)。為了適應(yīng)目前的中小組立的生產(chǎn)需求，需綜合考慮焊接質(zhì)量、焊接物量、負(fù)荷能力、機(jī)器人焊接技術(shù)的局限性等因素[5]。

2.1 組立結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)的總體設(shè)計(jì)思路，生產(chǎn)線(xiàn)采用滾輪式輸送平臺(tái)，平臺(tái)上面板開(kāi)矩形孔，下方安裝滾輪傳輸裝置可升降，輸送時(shí)滾輪升起，焊接時(shí)滾輪降下。根據(jù)平臺(tái)要求，上線(xiàn)工件必須具有基面板，且能夠穩(wěn)定平鋪在輸送平臺(tái)上，因此大部分T型材組立不滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)要求。工件點(diǎn)固焊好流向視覺(jué)掃描區(qū)域，通過(guò)視覺(jué)掃描識(shí)別工件輪廓及擺放位置。由于部分零件焊接邊被結(jié)構(gòu)遮擋，視覺(jué)識(shí)別無(wú)法精準(zhǔn)定位焊接邊，存在掃描盲區(qū)，所以大部分T形材及部分復(fù)雜中小組立不滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)要求。通過(guò)調(diào)查小組立機(jī)器人相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)焊接機(jī)器人對(duì)圓弧筋板不可焊。綜合考慮設(shè)備功能、物流輸送方式、專(zhuān)用設(shè)備的功能、機(jī)器人焊接技術(shù)的局限性等因素，確定適用智能焊接流水線(xiàn)的組立結(jié)構(gòu)形式。生產(chǎn)線(xiàn)典型組立結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表2。

表2 生產(chǎn)線(xiàn)典型組立結(jié)構(gòu)形式

1)扁鐵與底板的T形接頭的雙面角焊縫。

2)球扁鋼與底板的T形接頭的雙面角焊縫。

3)部分T形鋼，角鋼與底板的T形接頭的雙面角焊縫。

4)底板上包含多條扁鐵、球扁鋼，且排布成一定角度的雙面角焊縫的焊接。

5)部分簡(jiǎn)易立角焊縫的焊接。

6)底板任何一邊不得有側(cè)面板，即不需要雙面焊接的小組立件。

2.2 組立結(jié)構(gòu)尺寸與重量范圍

考慮到生產(chǎn)線(xiàn)的布局特點(diǎn)及搬運(yùn)機(jī)器人電磁抓手的吸附能力，在確定生產(chǎn)線(xiàn)的組立結(jié)構(gòu)形式后，還需考慮組立結(jié)構(gòu)尺寸與重量范圍。一般中小組立結(jié)構(gòu)基面板零件都超過(guò)長(zhǎng)600 mm、寬450 mm，所以排除尺寸小于此范圍內(nèi)的零件，同時(shí)排除不符合要求的T型材組立、存在掃描盲區(qū)的中小組立，對(duì)剩余中小組立零件進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析。對(duì)所有滿(mǎn)足要求的組立零件進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整體描述見(jiàn)表3。

通過(guò)零件長(zhǎng)寬尺度分布散點(diǎn)圖與三維尺度分布圖，利用回歸分析法分別對(duì)零件長(zhǎng)、寬及面積分布密度進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)上線(xiàn)產(chǎn)品數(shù)量受長(zhǎng)度變量影響較少，因此限定零件的最小寬度為450 mm。對(duì)最小長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，考慮輥?zhàn)娱g距影響，最終確定上線(xiàn)產(chǎn)品的最小尺寸規(guī)格為1 200×450 mm，上線(xiàn)率為84.43%。根據(jù)吸附能力，重量范圍控制在為0.013～10.021 t，基本能覆蓋目前上線(xiàn)產(chǎn)品。最小寬度450 mm，不同長(zhǎng)度產(chǎn)品上線(xiàn)比例見(jiàn)圖3。

表3 產(chǎn)品主尺度及相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3 最小寬度為450 mm時(shí)不同長(zhǎng)度產(chǎn)品的上線(xiàn)比例

2.3 其他特征

2.3.1 材質(zhì)種類(lèi)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，鋼板材質(zhì)的不同，其使用的焊接材料和焊接工藝也不相同，不同材質(zhì)鋼板間的角焊縫需使用較高要求的焊接材料和焊接工藝要求。焊接材料和焊接工藝的選用情況與焊接機(jī)器人的程序設(shè)置相關(guān)，能夠通過(guò)材質(zhì)信息合理匹配。

2.3.2 焊腳范圍

通常角焊縫的焊腳尺寸為

式中：Tp為兩連接件中薄板的厚度；雙面連續(xù)角焊縫d/s=1；C為焊接系數(shù),C的取值為0.10～0.27及0.34，0.44。

根據(jù)上線(xiàn)的中小組立結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，較薄板厚度范圍為6～16 mm。僅當(dāng)兩強(qiáng)力構(gòu)件連接處C取值0.44，屬于大型中組立或者大組立階段焊接，不能上線(xiàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，C取值為0.34且板厚大于14 mm的情況極少，約占比0.42%，可以作為例外情況。其他情況下，焊腳尺寸W≤7 mm?？紤]到焊接機(jī)器人的穩(wěn)定性，剔除掉過(guò)高焊腳，選取7 mm以下焊腳高度較為合適。

3 物量與產(chǎn)能匹配性分析

該型小組立焊縫總長(zhǎng)約為35 100 m[6-7]，以往由12名焊工每天每人焊接約65 m焊縫，45 d才可焊接完成所有的小組立件。經(jīng)過(guò)篩選，該船符合智能焊接生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)條件的小組立焊縫長(zhǎng)度約為17 000 m，未能上線(xiàn)組立結(jié)構(gòu)的焊縫長(zhǎng)度約為18 100 m。為適應(yīng)切割物量輸出，對(duì)未能上線(xiàn)組立結(jié)構(gòu)的焊接物量派工進(jìn)行重組，使用6名焊工約需46 d可焊接完成無(wú)法上線(xiàn)的小組立結(jié)構(gòu)。估算生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備每天焊接約375 m，需45 d完成所有目標(biāo)件，增加部分大型調(diào)試檢修時(shí)間1 d。當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)投入生產(chǎn)后，為平衡設(shè)備每天運(yùn)作時(shí)間與生產(chǎn)能力，同時(shí)匹配其他工位的人工生產(chǎn)，設(shè)計(jì)單龍門(mén)雙機(jī)器人系統(tǒng)即可同步生產(chǎn)，同時(shí)足以同步其他工位生產(chǎn)。物量與產(chǎn)能分析表明，基本能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、物量與生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)能力相匹配，達(dá)到供需平衡。