船舶管子加工智能車間研究與應(yīng)用

饒 靖， 于 航， 周同明， 陳好楠

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

在船舶及海工裝備建造中，車間內(nèi)管子加工是整個建造工程中的一個重要環(huán)節(jié)，工作量約占全船管子加工及安裝工作量的30%，其制作進(jìn)度和質(zhì)量直接影響船舶建造過程中各大節(jié)點(diǎn)的順利推進(jìn)[1]。

管子加工車間是提供船舶與海工裝備所需管子的生產(chǎn)加工車間，其基本任務(wù)是按照設(shè)計(jì)和工藝要求，在車間內(nèi)將原料管通過特定工序進(jìn)行加工，高效、及時地制作完成高質(zhì)量的管段[2]。

近年來，部分船舶制造企業(yè)管子加工車間在應(yīng)用成組技術(shù)的基礎(chǔ)上引進(jìn)了先進(jìn)的彎管機(jī)、自動焊接機(jī)等設(shè)備，在一定程度上提高了車間的生產(chǎn)效率。但是，我國大部分船舶制造企業(yè)的管子加工車間仍處于傳統(tǒng)生產(chǎn)制造模式，沒有應(yīng)用管子無余量下料和“先焊后彎”加工工藝，精益化水平較低，產(chǎn)品與國際上造船強(qiáng)國的先進(jìn)制造技術(shù)相比有較大差距。目前國內(nèi)船廠對于產(chǎn)品質(zhì)量的提升需求越來越迫切，因此建立面向智能制造的船舶與海工行業(yè)管子加工車間的研究愈發(fā)重要[3]。

1 管子加工智能車間概述

管子加工智能車間是指：在數(shù)字化車間的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、設(shè)備監(jiān)控技術(shù)等加強(qiáng)信息和數(shù)據(jù)的通信，提升生產(chǎn)過程的可控性；即時、準(zhǔn)確地采集生產(chǎn)線以及設(shè)備數(shù)據(jù)，運(yùn)用物理系統(tǒng)數(shù)字孿生及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，合理編排生產(chǎn)計(jì)劃與控制生產(chǎn)進(jìn)度；研究應(yīng)用智能識別、先焊后彎、焊接同步等技術(shù)，研制管子加工智能生產(chǎn)線、附件集配系統(tǒng)等先進(jìn)裝備，減少生產(chǎn)線上的人工干預(yù)、實(shí)現(xiàn)智能車間的自感知、自決策、自執(zhí)行，最終達(dá)到最優(yōu)生產(chǎn)、最佳效益、動態(tài)平衡的目標(biāo)[4]。

1.1 管子加工智能車間總體架構(gòu)

管子加工智能車間總體架構(gòu)可分為基礎(chǔ)設(shè)施層、設(shè)備層、控制層、執(zhí)行層、決策層共5個層面，如圖1所示，各層相關(guān)描述如下。

圖1 管子加工智能車間總體架構(gòu)圖

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施層。管子加工智能車間的基礎(chǔ)設(shè)施層由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、工位一體機(jī)、車間大屏、安防監(jiān)控、綜合布線等組成，保證車間各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、安全地進(jìn)行傳輸。

(2) 設(shè)備層。管子加工智能車間的設(shè)備層包括由立體倉庫、切割打磨設(shè)備、法蘭裝配焊接設(shè)備、彎管設(shè)備等組成的管子智能加工生產(chǎn)線，以及附件庫、短管焊接設(shè)備、三通焊接設(shè)備等。車間加工設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)加工數(shù)據(jù)、工藝信息的網(wǎng)絡(luò)化傳遞、數(shù)字化控制和智能化加工。

(3) 控制層。管子加工智能車間的控制層包括設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、管子智能加工生產(chǎn)線管控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)等。通過設(shè)置統(tǒng)一的SCADA，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時監(jiān)控，加工和檢測數(shù)據(jù)實(shí)時采集，達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時感知、分析和處理的動態(tài)管理等目的。管子在加工過程中采用統(tǒng)一編碼標(biāo)識，便于對其加工全過程進(jìn)行跟蹤和追溯。

(4) 執(zhí)行層。執(zhí)行層是管子加工智能車間總體架構(gòu)的核心層，主要包括車間生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行、工藝執(zhí)行與管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量管理、生產(chǎn)物流管理、車間設(shè)備管理等功能模塊。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，從上層系統(tǒng)接收管子加工的生產(chǎn)任務(wù)，經(jīng)過分解處理后向下層系統(tǒng)發(fā)出生產(chǎn)指令及工藝技術(shù)文件，實(shí)現(xiàn)管子加工車間生產(chǎn)計(jì)劃、工藝文件、設(shè)備等制造資源的智能化管理。

(5) 決策層。決策層包括數(shù)據(jù)中心、決策分析平臺、生產(chǎn)仿真中心、移動終端應(yīng)用等模塊。數(shù)據(jù)中心主要應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測性分析以及具備數(shù)據(jù)倉儲的功能；決策分析平臺利用數(shù)據(jù)中心分析預(yù)測的結(jié)論形成可視化的“領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙”；生產(chǎn)仿真中心基于三維虛擬車間建模與仿真，利用數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能車間虛擬呈現(xiàn)與漫游以及智能車間多視圖展示；移動終端應(yīng)用可將設(shè)備狀態(tài)、能耗狀態(tài)、計(jì)劃派工、生產(chǎn)績效、生產(chǎn)異常等信息顯示在手機(jī)或者平臺上，與決策分析平臺同步，并給出決策指令，實(shí)現(xiàn)管子加工車間的自決策。

1.2 管子加工智能車間數(shù)據(jù)流通機(jī)制

管子加工智能車間以網(wǎng)絡(luò)傳輸加工數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)設(shè)備為基礎(chǔ)，管件采用條形碼、二維碼、RFID或法蘭打碼等標(biāo)識技術(shù)記錄并傳遞信息。

管子加工智能車間數(shù)據(jù)流通機(jī)制如圖2所示。從企業(yè)資源管理(ERP)、設(shè)計(jì)部門、質(zhì)量部門接收管子加工的生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝信息和質(zhì)量要求及標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過執(zhí)行層分解處理后，向控制層及設(shè)備層發(fā)出生產(chǎn)指令及工藝技術(shù)文件；與此同時，從控制層接收生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時生產(chǎn)進(jìn)度、物料、質(zhì)量和設(shè)備信息等數(shù)據(jù)，對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行及時加工和處理，并向上層系統(tǒng)反饋生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行結(jié)果，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、物料、質(zhì)量、工藝技術(shù)文件和制造資源的數(shù)字化有效管理和制造過程監(jiān)控[5]。

圖2 車間管理數(shù)據(jù)流通機(jī)制

2 管子加工智能車間總體布局設(shè)計(jì)

2.1 管子加工智能車間總體布局技術(shù)

2.1.1 中間產(chǎn)品分類成組

船舶管系數(shù)量多、規(guī)格復(fù)雜、工藝多樣。常用管子按材料可分為碳鋼管、不銹鋼管、有色金屬管和非金屬管；按直徑大體可分為3種，即小徑管、中徑管、大徑管；按加工特征可分為直管、彎管、帶支管管等；按表面處理可分為鍍鋅處理、酸洗處理、磷化處理等；按內(nèi)外表面涂裝可分為涂漆、內(nèi)涂塑等；根據(jù)試驗(yàn)要求可分為拍片、密封性等。

在實(shí)際加工過程中，碳鋼管、不銹鋼管、有色金屬管、非金屬管分區(qū)加工，碳鋼管加工區(qū)域按照小、中、大徑管分區(qū)加工。為提高管子加工效率，管子應(yīng)參照設(shè)計(jì)加工特征和相似性原理劃分，把具有相同工藝過程的相似管件歸為一個管件族，從而提高設(shè)備的利用率。碳鋼管管件族分類如表1所示。

2.1.2 中間產(chǎn)品工藝流程重組

傳統(tǒng)管子加工采用先彎后焊工藝，使用單機(jī)的、信息和控制均處于孤島型運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備，不能形成生產(chǎn)線。管子加工智能車間中徑管加工采用先焊后彎工藝，應(yīng)用管子無余量下料、管子測量技術(shù)、自動化焊接和數(shù)控彎管技術(shù)，最大限度地實(shí)現(xiàn)管子先焊后彎加工流程，提高管子加工效率和質(zhì)量。

先焊后彎的工藝流程是指管子在彎曲加工前，先將管子附件(如法蘭)裝焊在直段管子上，然后再進(jìn)行彎曲[6]。小徑管和中徑管加工工藝路線如圖3所示，大徑管加工工藝路線如圖4所示。

表1 碳鋼管管件族分類

圖3 小徑管和中徑管加工工藝路線(“先焊后彎”工藝路線)

圖4 大徑管加工工藝路線(“先彎后焊”工藝路線)

2.2 管子加工智能車間總體布局方案

2.2.1 車間總體布局方案

車間生產(chǎn)布局的合理規(guī)劃已經(jīng)成為制造企業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，直接影響整個車間的總體性能和運(yùn)行效率。采用科學(xué)、合理的車間布局可大幅提升車間的資源投放效率，減少物料的無效搬運(yùn)，提高物料的加工與運(yùn)輸效率[4]。

在管子加工智能車間中，碳鋼管、不銹鋼管、有色金屬管的加工場地在物理上應(yīng)完全隔離開來。以某船廠碳鋼管加工車間為例，簡述管子加工智能車間的布局設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 管子加工智能車間總體布局示例

管子加工智能車間大體分為5個區(qū)域：位于車間前道的原料管堆場，沿車間橫向分別為小徑管智能加工區(qū)、中徑管智能加工區(qū)、大徑管智能加工區(qū)，后道為分揀與試壓區(qū)。另一獨(dú)立車間為管子表面處理區(qū)。車間布局體現(xiàn)了分類成組原理，實(shí)現(xiàn)按管子口徑空間上分道進(jìn)行生產(chǎn)。其中，中徑管智能加工區(qū)可采用管子加工智能生產(chǎn)線作業(yè)形式，小、大徑管采用離散作業(yè)方式生產(chǎn)。

2.2.2 中徑管智能加工區(qū)

中徑管智能加工區(qū)采用管子加工智能生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線由立體倉庫工位、切割工位、裝配焊接工位、彎管工位以及人工操作工位組成，如圖6所示。其具有自動下料，定長切割，自動切割馬鞍口和相貫線，自動坡口處理，直管與法蘭自動裝配焊接，自動彎管，短管法蘭自動裝配焊接，直管與彎頭、三通自動焊接等功能。

圖6 管子加工智能生產(chǎn)線示例

2.2.3 小、大徑管智能加工區(qū)

小、大徑管采用離散作業(yè)方式生產(chǎn)，配置切割機(jī)、焊接機(jī)、大管徑組對機(jī)等單機(jī)設(shè)備，采用傳感器將單機(jī)設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與工件的互聯(lián)，實(shí)時感知管件的加工狀態(tài)及位置信息。

3 管子智能加工生產(chǎn)線

3.1 管子智能加工生產(chǎn)線工位

3.1.1 原料管及附件庫工位

原料管及附件庫工位分為原料管立體倉庫和附件庫兩部分內(nèi)容。

在立體倉庫工位中，管子按規(guī)格自動上料，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)管子自動取料，高8 m的立體庫可存儲300根原料管，可同時存放6 m及12 m長的原料管，如圖7所示。

圖7 立體倉庫工位示例

附件庫工位根據(jù)法蘭直徑、厚度分類放置在分揀區(qū)，可采用視覺識別系統(tǒng)進(jìn)行自動分揀，如圖8所示。碼垛機(jī)器人將法蘭放在托盤上，沿軌道可運(yùn)送到直管法蘭裝配焊接工位、短管法蘭裝配焊接工位。

圖8 附件庫及法蘭理料工位示例

3.1.2 切割打磨工位

切割打磨工位具有自動套料、定長切割、自動開坡口功能，實(shí)現(xiàn)余料及廢料分理，實(shí)現(xiàn)馬鞍口及相貫線的切割，實(shí)現(xiàn)兩端坡口處理，如圖9所示。

圖9 切割打磨工位示例

3.1.3 附件裝配焊接工位

附件裝配焊接工位包括直管法蘭裝配焊接工位、短管法蘭裝配焊接工位以及直管與彎頭、三通焊接工位共3部分。

直管法蘭裝配焊接工位具有視覺識別系統(tǒng)，可識別法蘭和管子的位置(包括尺寸、中心點(diǎn)、螺栓孔、馬鞍口位置等)，可自動完成不同規(guī)格法蘭(或套管)的抓取、定位、點(diǎn)焊以及焊接操作，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)外圈同時焊接，時間約為6 min/根，如圖10所示。

圖10 直管法蘭裝配焊接工位示例

短管法蘭裝配焊接工位可實(shí)現(xiàn)長100～600 mm的直管與法蘭自動裝配與焊接，操作步驟如下：

(1) 大機(jī)器人抓取管子并固定到卡盤結(jié)構(gòu)上；

(2) 大機(jī)器人抓取所需法蘭套入管子，采用小機(jī)器人點(diǎn)焊；

(3) 大機(jī)器人和小機(jī)器人同時焊接法蘭內(nèi)外圈；

(4) 如需焊接另一端法蘭，則由大機(jī)器人將點(diǎn)焊完成的管子取下，調(diào)轉(zhuǎn)方向再固定到卡盤結(jié)構(gòu)上，重復(fù)(2)～(4)步驟，如圖11所示。

圖11 短管法蘭裝配焊接工位示例

直管與彎頭、三通焊接工位可實(shí)現(xiàn)直管與彎頭或三通的焊接。該工位對于管長沒有特殊要求，其操作步驟分為兩種情況：

(1) 如果采用外部采購的彎頭或三通，其加工表面超差，不適合機(jī)器人裝配，需首先在人工工位進(jìn)行人工裝配，然后再由該工位的機(jī)器人進(jìn)行焊接。

(2) 如果彎頭或三通的表面不超差，則在該工位增加一臺小機(jī)器人，即能實(shí)現(xiàn)直管與彎頭、三通的機(jī)器人自動裝配焊接，如圖12所示。

圖12 直管與彎頭、三通焊接工位示例

3.1.4 彎管工位

在彎管工位中采用智能彎管機(jī)，其具備多管徑彎管、自動在線測量、無料報(bào)警等功能，通過自動上下料、數(shù)據(jù)庫提前設(shè)置補(bǔ)償量、系統(tǒng)通過讀取模型信息，智能切換彎模，達(dá)到柔性生產(chǎn)的目的，如圖13所示。

圖13 彎管工位示例

3.2 管子智能加工生產(chǎn)線管控系統(tǒng)功能

生產(chǎn)線管理控制系統(tǒng)的作用是建立管子車間MES與設(shè)備層之間的橋梁，可以對生產(chǎn)、品質(zhì)、設(shè)備的整體狀況進(jìn)行實(shí)時的過程控制。系統(tǒng)框架如圖14所示。

圖14 管子智能加工生產(chǎn)線管控系統(tǒng)框架圖

管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

(1) 分配工作任務(wù)；

(2) 監(jiān)視工作流程；

(3) 監(jiān)控工件和設(shè)備狀態(tài)；

(4) 材料可追溯。

4 結(jié) 論

對管子加工智能車間的定義、總體架構(gòu)及數(shù)據(jù)流通機(jī)制進(jìn)行簡要概述，應(yīng)用中間產(chǎn)品分類成組、中間產(chǎn)品流程重組技術(shù)對管子加工智能車間總體布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹管子智能加工生產(chǎn)線及管控系統(tǒng)，得到結(jié)論如下：

(1) 管子加工智能車間具有自感知、自決策、自執(zhí)行等特點(diǎn)。

(2) 管子加工智能車間總體架構(gòu)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、設(shè)備層、控制層、執(zhí)行層、決策層共5個層級。

(3) 建立以網(wǎng)絡(luò)傳輸加工數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)設(shè)備為基礎(chǔ)的管子車間的數(shù)據(jù)流通機(jī)制。

(4) 提出滿足中間產(chǎn)品分類成組、工藝流程重組的管子加工智能車間總體布局方案。

(5) 管子加工智能生產(chǎn)線具有自動下料，定長切割，自動切割馬鞍口和相貫線，自動坡口處理，直管與法蘭自動裝配焊接，自動彎管，短管與法蘭自動裝配焊接，直管與彎頭、三通自動焊接等功能。可有效提高中徑管的加工效率和質(zhì)量，降低人員及材料的成本。