郵輪薄板分段智能車間可視化仿真

胡 麗

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

郵輪型客滾船體積巨大、結(jié)構(gòu)復雜、船體建造精度要求高、配套范圍廣，因此對郵輪型客滾船建造過程有極高的要求，包括復雜的工程管理、預制艙室模塊、高精度的薄板加工焊接、分段總段建造和舾裝等。據(jù)統(tǒng)計，郵輪型客滾裝船總重約50%～70%為薄板分段，能否高效精準的完成薄板分段的制造過程，成為郵輪及郵輪型客滾船建造過程的重要挑戰(zhàn)。目前我國積極推進薄板分段生產(chǎn)線的應用，對設備設施的改造尤為重視，也取得了一定的成就，但在信息通信和車間可視化仿真等方面與日韓、歐美船廠還在存一定的差距。

隨著新一代信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化日益成為未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢，世界主要造船國家紛紛加快智能制造步伐?？傮w上我國船舶制造業(yè)仍處于數(shù)字化制造起步階段，智能車間的管理和技術(shù)方面，如智能車間的布局、設備的選型和節(jié)拍設計、智能設備間的信息化集成等都需在建設后的實際使用中獲取經(jīng)驗，無法提前對智能車間的總體布局和工藝流程進行驗證[1]。

本文依托我單位承擔的工信部智能制造新模式項目和某型客郵輪型客滾船建造項目，開展智能車間流程仿真研究，對智能車間各設備和薄板分段制作流程進行可視化仿真，通過可視化仿真來驗證工藝流程的合理性，分析智能車間的工作效率，為下一步智能車間的改造升級提供設計依據(jù)。

1 郵輪船體建造工藝流程設計

郵輪的建造在分段制作和搭載方面與普通民船產(chǎn)品存在很多相似的地方，同樣是遵循經(jīng)典的總裝造船模式。但郵輪建造有其具體的特殊要求，主要有以下二個方面：

1）郵輪薄板工藝：郵輪艙室區(qū)域甲板及內(nèi)部艙壁大部分板厚僅5 mm，5 mm～13 mm的薄板板架一般占郵輪船體板架結(jié)構(gòu)55%以上，薄板焊接量大、變形控制難。

2）艙室預制模塊建造：郵輪的建造除機艙設備區(qū)域以外盡量采用標準化建造工藝，約占全船建造工作量2/3的艙室就采用預制模塊建造。

郵輪的船體建造工藝流程如圖1所示，主要包括：薄板堆場→薄板校平（部分薄板）→薄板預處理→薄板切割→零件加工→部件裝焊→薄板分段裝焊→薄板分段預舾裝→薄板分段涂裝（部分薄板分段無此步驟）→薄板分段總組→薄板總段預舾裝→船塢合攏→下水等[2]。

圖1 郵輪建造工藝流程

2 郵輪虛擬車間方案設計

依托郵輪建造流程，構(gòu)建虛擬車間如圖2所示，主要包括，薄板分段堆場區(qū)和薄板預處理區(qū)。薄板平面片體生產(chǎn)線用于船體平面片體的自動拼板、縱骨和T排裝配和自動焊接。生產(chǎn)線共設置有8個工位，分別為鋼板拼板正面焊接工位、鋼板翻身工位、鋼板拼板反面焊接工位、劃線噴碼工位、縱骨安裝工位、縱骨焊接工位、T排安裝工位和T排機器人焊接工位。

圖2 虛擬車間布局設計

配套的智能自動輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)管理平臺和工位間物料傳送通過工作平臺、輥道升降裝置進行，工件在平臺上進行作業(yè)，采用升降輥道在工位間進行輸送。

拼板采用琴鍵式液壓壓力架雙面成形焊接工藝，自動劃線采用噴墨高速劃線，縱骨焊接采用多電極高速自動化焊接，骨材角焊方式采用視覺圖像采集，智能雙機器人自動焊接。

2.1 鋼材預處理工藝仿真設計

鋼材在進入智能車間之前必須進行處理，除去表面的氧化皮和銹蝕并噴涂底漆，確保在后續(xù)的工位上加工時不會繼續(xù)腐蝕。在鋼材運輸?shù)倪^程或在堆料區(qū)域經(jīng)過長期的堆積后會產(chǎn)生形變，會在小組里加工時影響加工精度，如果不處理的話將影響船體的線型，所以首先在預處理工位設計時應當考慮的是校平工位。在校平后需要對鋼材進行升溫，除去表面水分和部分的油污，也利于后續(xù)噴漆后的干燥。預熱后進入拋丸及磨料工序，目的是清除鋼材表面的氧化皮及銹蝕，并使鋼材產(chǎn)生一定的粗糙度。拋丸處理后的鋼材表面需立即涂覆車間底漆。所以鋼材預處理整合工位的仿真設計中包含了校平工位、預熱工位、拋丸及磨料工位、噴漆工位及烘干工位[5]。如圖3和圖4所示。

圖3 薄板分段堆場

圖4 鋼材預處理工位

2.2 薄板分段生產(chǎn)線工藝與仿真

薄板分段生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)基于我單位薄板加工生產(chǎn)線場景為研究對象，運用三維建模軟件對車間進行三維場景建模。用虛擬模型來代替造船廠組立車間里的實物，為造船廠工作者提供了自主學習、研究的平臺[3]。

以薄板加工流水線場景為研究對象，通過在我單位加工車間多次對設備尺寸進行測量，使用 3ds MAX軟件對薄板加工流水線各個設備進行三維實景建模，將各個設備整合為完整的處理場景，并且對模型進行了優(yōu)化和材質(zhì)的渲染。最后將其他已經(jīng)優(yōu)化和材質(zhì)渲染完成的多種工位或設備的模型進行組合，形成了一個完整的薄板加工流水線的模型。薄板分段生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)包含：薄板處理運輸線板（圖5），材矯平工位、激光切割工位、翻身工位、正面拼板工位、反面拼板工位、劃線工位、縱骨拼裝和焊接工位、T排拼裝和焊接工位等多種工位或設備組成的建模及設備實時場景仿真，形成一個完整的薄板加工流水線的模型（圖6）。

圖5 薄板處理運輸線

圖6 薄板加工流水線模型

3 車間生產(chǎn)實時虛擬展示

對生產(chǎn)線的作業(yè)進行深度剖析，采用.NET架構(gòu)，第一級為網(wǎng)絡層，通過實現(xiàn)兩個端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務使傳輸層不需要了解網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸和交換技術(shù)；第二級為傳輸層，系統(tǒng)通過與MES系統(tǒng)對接提取虛擬仿真需要的作業(yè)設備相關(guān)數(shù)據(jù)信息，為實景漫游中提供實時參數(shù)顯示；第三級為應用層，通過實景的建模與仿真，與MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)完整的車間虛擬仿真漫游展示，展示分段生產(chǎn)過程的實時信息[3]。

1）網(wǎng)絡層：通過網(wǎng)址連接到服務端，如圖7所示。

圖7 判斷是否連接服務端

2）傳輸層：通過設備編號，MES系統(tǒng)以WEB SERVICE接口方式提供虛擬仿真需要的作業(yè)設備相關(guān)數(shù)據(jù)信息，如圖8和圖9所示。其中包含的設備信息包括設備工位、設備編號和設備描述；設備運行狀態(tài)包括運行和停機；作業(yè)信息包括工程編號、作業(yè)分段和組件編號。

圖8 獲取設備信息與運行狀態(tài)

圖9 獲取作業(yè)信息

3）應用層：薄板分段流水仿真系統(tǒng)為車間的規(guī)劃管理提供了最直觀、形象的表現(xiàn)形式，用戶足不出戶，即可進入虛擬車間場景，了解車間的布局方位以及各設備的運作模式、分析車間運行效率，如圖10所示。

圖10 生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)視

4 結(jié)論

本文設計對接國家智能制造標準體系，針對郵輪建造的特點構(gòu)建船舶智能虛擬車間。按照急用先行原則，著重圍繞船舶分段建造的需求，從智能車間設計、智能工藝實施和生產(chǎn)過程智能管理等方面推進智能車間建設，初步實現(xiàn)生產(chǎn)過程工藝仿真和生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)實時展示，為行業(yè)內(nèi)船舶分段建造車間的智能化改造提供有益的參考[1]。