面向船舶智能制造的工藝數(shù)字化管理技術(shù)

喻天祥，王冬梅，祁 超，沈建龍

(上海船舶工藝研究所，上海 200130)

0 引 言

在當(dāng)前錯(cuò)綜復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)下，中美貿(mào)易摩擦存在升級(jí)的態(tài)勢(shì)，美國(guó)主張的美國(guó)優(yōu)先的貿(mào)易政策正在破壞著世界經(jīng)濟(jì)。世界經(jīng)濟(jì)的低迷對(duì)航運(yùn)市場(chǎng)和造船市場(chǎng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，我國(guó)的造船行業(yè)面臨接單難、盈利難的巨大壓力。智能制造是船舶行業(yè)發(fā)展的必由之路，隨著全球船舶市場(chǎng)的深度調(diào)整，我國(guó)船舶行業(yè)必須加快結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)。越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始意識(shí)到信息化建設(shè)與智能制造升級(jí)的重要性，必須加快推動(dòng)智能化技術(shù)與船舶制造技術(shù)融合，通過(guò)廣泛應(yīng)用智能加工裝備，加快提升船舶建造效率，降低資源消耗，最終達(dá)到降低成本、提升競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。通過(guò)智能化的創(chuàng)新，融合信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和人工智能技術(shù)建立智能生產(chǎn)線，最終構(gòu)建智能車間、智慧工場(chǎng)。

1 工藝數(shù)據(jù)管理技術(shù)

1.1 工藝數(shù)據(jù)管理需求分析

2018年12月29日，工業(yè)和信息化部聯(lián)合交通運(yùn)輸部、國(guó)防科工局編制印發(fā)了《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019-2021年)》，該計(jì)劃分析了我國(guó)船舶工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和形勢(shì)，提出了總體要求和重點(diǎn)任務(wù)，并輔之以保障措施，以突破關(guān)鍵技術(shù)和智能制造裝備技術(shù)，形成智能制造標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)，建成智能制造單元、智能生產(chǎn)線和智能化車間為主要目標(biāo)。具體包括：突破總體、設(shè)計(jì)、工藝、管控和決策等5類船舶智能制造關(guān)鍵技術(shù)；攻克船體零部件智能理料、船體零部件自由邊智能打磨、小組立智能焊接、中組立智能焊接、分段外板智能噴涂、管件智能加工等6種船舶智能制造短板裝備的相關(guān)技術(shù)。

工藝作為需重點(diǎn)突破的智能制造關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)又是6種智能制造短板裝備的重要運(yùn)行支撐，非常重要。船舶行業(yè)需要從設(shè)計(jì)源開(kāi)始進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)的智能化設(shè)計(jì)、提取處理，將船體構(gòu)件切割和成型工藝、復(fù)雜構(gòu)件焊接工藝、船體分段涂裝工藝、船體結(jié)構(gòu)裝配工藝、管子裝配焊接工藝、舾裝件精準(zhǔn)安裝工藝進(jìn)行提取和重組，形成船舶工藝知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建面向智能裝備的工藝數(shù)據(jù)管理支撐平臺(tái)，服務(wù)于打磨、焊接、涂裝、管子加工等智能制造裝備。

1.2 工藝數(shù)據(jù)分類和管理內(nèi)容

根據(jù)短板裝備的研制及工程應(yīng)用要求，面向智能制造的工藝數(shù)據(jù)管理主要側(cè)重于分段制造階段工藝數(shù)據(jù)的處理，重點(diǎn)研究面向智能制造的船體構(gòu)件加工成型工藝、中小組立焊接工藝、船體分段外板涂裝工藝、管子法蘭焊接工藝等，通過(guò)對(duì)各類工藝數(shù)據(jù)的分類組織整理，形成面向智能制造裝備的工藝專家數(shù)據(jù)庫(kù)。

從數(shù)據(jù)特點(diǎn)來(lái)看，工藝數(shù)據(jù)可分為結(jié)構(gòu)化的工藝數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化的工藝文件。例如：焊接工藝數(shù)據(jù)中的焊縫編號(hào)、焊接姿態(tài)、焊接類型、坡口代碼、關(guān)聯(lián)零件名稱、板厚等被稱之為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，可通過(guò)模型接口，從設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行抽取；另一類非結(jié)構(gòu)化的工藝文件，諸如可視化的三維作業(yè)指導(dǎo)手冊(cè)、涂裝加工工藝卡、管子小票等，是現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中必不可少的指導(dǎo)性工藝文檔。

1.3 工藝數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

面向智能制造的工藝文件數(shù)字化管理的關(guān)鍵是要對(duì)工藝信息進(jìn)行數(shù)字化，形成計(jì)算機(jī)可識(shí)別、可復(fù)用并相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)及文件體系。分析船體構(gòu)件加工成型、中小組立焊接、船體分段外板涂裝、管子法蘭焊接的工藝數(shù)據(jù)特點(diǎn)，根據(jù)最終短板裝備的數(shù)據(jù)應(yīng)用要求，制訂較為通用的數(shù)據(jù)規(guī)范。針對(duì)不同的設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)相應(yīng)的模型接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取與重新組織。通過(guò)面向機(jī)器人應(yīng)用的工藝規(guī)劃軟件，進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)的工藝、路徑規(guī)劃，或?qū)⒐に囆畔鬟f到數(shù)字化車間的智能加工裝備，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行。對(duì)于非結(jié)構(gòu)化類的工藝文檔，建立數(shù)字化檔案庫(kù)，通過(guò)工藝文檔管理平臺(tái)進(jìn)行工藝文件的統(tǒng)一歸檔、審簽、瀏覽和下發(fā)。

1.4 多源的數(shù)據(jù)規(guī)范要求

當(dāng)前主流的船舶設(shè)計(jì)軟件有Tribon、AM、SPD、CATIA等，不同的CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式各不相同，多源數(shù)據(jù)的交互共享較為困難。需針對(duì)異構(gòu)CAD系統(tǒng)的信息交換技術(shù)進(jìn)行研究，提出面向多源數(shù)據(jù)的規(guī)范格式，建立一套通用的工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并據(jù)此開(kāi)發(fā)工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。基于中間文件建立不同CAD系統(tǒng)的零部件屬性與工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD數(shù)據(jù)的智能抽取并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。以中小組立焊接工藝數(shù)據(jù)為例，通過(guò)對(duì)不同設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析，可將中小組立的焊接工藝數(shù)據(jù)分為幾何信息、裝配信息、焊縫信息和零件屬性等4類：

(1) 焊縫幾何信息：描述焊縫路徑的幾何數(shù)據(jù)/文件，可用于面向機(jī)器人應(yīng)用的工藝規(guī)劃軟件，進(jìn)行機(jī)器人路徑的規(guī)劃；

(2) 裝配信息：包括裝配名稱、建造方向等，體現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)件之間的拓?fù)潢P(guān)系；

(3) 焊縫信息：包括焊縫名、焊縫長(zhǎng)度、焊接姿態(tài)、焊接類型、坡口代碼等；

(4) 零件信息：包括零件內(nèi)部名、零件外部名、板厚、材質(zhì)、零件位置、零件開(kāi)孔等。

基于這4類信息形成規(guī)范化的中小組立焊接工藝數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)，不同的設(shè)計(jì)軟件將基于此規(guī)范結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工藝模型處理接口，抽取數(shù)據(jù)并形成標(biāo)準(zhǔn)化的工藝文件信息。其他類別的工藝信息經(jīng)梳理也可形成類似的標(biāo)準(zhǔn)化工藝數(shù)據(jù)格式，此處不再贅述。

1.5 工藝數(shù)據(jù)組織及集成技術(shù)

采用產(chǎn)品工藝模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范，實(shí)現(xiàn)將不同CAD系統(tǒng)的產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換為工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行集中統(tǒng)一存儲(chǔ)?；诳蓴U(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)建立CAD系統(tǒng)的零部件屬性與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的映射關(guān)系。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)CAD抽取的零部件設(shè)計(jì)屬性、零件結(jié)構(gòu)、裝配信息、工藝信息進(jìn)行重新組織，重新構(gòu)建零部件的工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零部件信息的集中展示與瀏覽。在構(gòu)建工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)的過(guò)程中，需要根據(jù)智能車間作業(yè)特征進(jìn)行生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)組織，比如需要考慮車間內(nèi)作業(yè)的工藝流程、零部件的流向以及車間作業(yè)的計(jì)劃。工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)將為車間智能管控平臺(tái)、智能化裝備提供工藝數(shù)據(jù)支撐。

研究面向服務(wù)的數(shù)據(jù)集成方式，基于面向服務(wù)的架構(gòu)(Service-Oriented Architecture, SOA)的數(shù)據(jù)集成，開(kāi)發(fā)集成接口，通過(guò)這些接口進(jìn)行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互[1]，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的瀏覽器對(duì)象模型數(shù)據(jù)向車間智能管控系統(tǒng)、車間智能加工生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的傳遞。工藝數(shù)據(jù)組織與集成如圖1所示。

圖1 工藝數(shù)據(jù)組織與集成示例

1.6 非結(jié)構(gòu)化工藝文檔管理技術(shù)

推行船舶加工的智能制造對(duì)設(shè)計(jì)工藝信息的需求更加迫切。工藝設(shè)計(jì)的交付物中必然有大量非結(jié)構(gòu)化的工藝文檔，針對(duì)船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中工藝文檔數(shù)量大、需流程化審簽、版本多等管理方面的困難，需研究船舶工藝設(shè)計(jì)文檔的集中化管理，實(shí)現(xiàn)工藝文檔的電子化審批流程管理技術(shù)、工藝文檔更改管理技術(shù)、多視圖設(shè)計(jì)任務(wù)反饋技術(shù)、多維度工藝文檔安全控制管理技術(shù)和打印信息跟蹤管理技術(shù)，形成覆蓋工藝文檔設(shè)計(jì)計(jì)劃、設(shè)繪、審核、歸檔、打印、發(fā)放等過(guò)程的管理方法，開(kāi)發(fā)船舶設(shè)計(jì)工藝文檔信息管理軟件，為面向智能制造的工藝文件數(shù)字化管理技術(shù)提供有效支撐。工藝文檔管理框架如圖2所示。

圖2 工藝文檔管理框架

1.7 面向智能制造的工藝數(shù)據(jù)應(yīng)用

船廠在進(jìn)行智能制造方面的建設(shè)時(shí)，構(gòu)建車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)和建設(shè)智能生產(chǎn)線是其中的重點(diǎn)核心工作。針對(duì)MES和智能生產(chǎn)線的運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)源頭的大量工藝數(shù)據(jù)作為支撐。

對(duì)于船廠典型的設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)，建立異構(gòu)CAD接口，通過(guò)接口將船體焊接工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、船體裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、管系工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、舾裝物量數(shù)據(jù)、涂裝工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等服務(wù)于智能車間的工藝物量數(shù)據(jù)發(fā)布到面向智能制造的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中對(duì)工藝物量數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)組織。根據(jù)MES、智能車間相關(guān)工裝設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入要求，生成船體物料清單(Bill of Material, BOM)、管子BOM、舾裝BOM、涂裝BOM，并通過(guò)基于SOA的服務(wù)接口發(fā)布到車間MES或相關(guān)裝備的應(yīng)用軟件。

車間MES可基于工藝物量信息進(jìn)行車間計(jì)劃編排、量化派工、質(zhì)量管理、勞務(wù)結(jié)算等。車間智能制造裝備基于工藝信息進(jìn)行工藝規(guī)劃，以中小組立智能焊接生產(chǎn)線為例，針對(duì)船廠的中小組立焊接生產(chǎn)線運(yùn)行需求，根據(jù)設(shè)計(jì)源頭的三維模型及焊縫數(shù)據(jù)，進(jìn)行每條焊縫的機(jī)器人路徑規(guī)劃和工藝規(guī)劃[2]，生成焊接程序，下發(fā)到焊接生產(chǎn)線指導(dǎo)焊接作業(yè)。圖3為基于焊接工藝數(shù)據(jù)的機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例。

圖3 基于焊接工藝數(shù)據(jù)的機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例

2 結(jié) 語(yǔ)

研究工藝信息數(shù)字化管理技術(shù)是船舶企業(yè)推進(jìn)智能制造建設(shè)落地的重要環(huán)節(jié)之一。要做好這項(xiàng)工作，需要理清智能車間制造執(zhí)行系統(tǒng)或智能加工生產(chǎn)線對(duì)工藝數(shù)據(jù)的需求，突破工藝數(shù)據(jù)數(shù)字化管理的關(guān)鍵技術(shù)，形成多源數(shù)據(jù)的規(guī)范要求，并基于數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取與組織，解決數(shù)據(jù)的應(yīng)用問(wèn)題。通過(guò)工藝信息的數(shù)字化管理，最終實(shí)現(xiàn)車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的更好應(yīng)用，支撐船舶加工智能制造裝備進(jìn)行高效、連續(xù)、均衡地生產(chǎn)。