基于船舶智能制造的切割工藝流程與數(shù)據(jù)庫設計

王明釗，戎文娟，王佳琳，康占賓，李冬冬

（1.北京機科國創(chuàng)輕量化科學研究院有限公司，北京 100083；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；3.武漢材料保護研究所有限公司，武漢 430030）

1 前言

船舶制造是典型的離散型生產(chǎn)，由于船廠空間尺度大、船舶建造周期長、工藝復雜、單件小批量、中間產(chǎn)品種類非標件多、作業(yè)環(huán)境相對惡劣，因此對信息化、自動化、智能化技術應用提出了特殊的要求，也影響了船舶制造工業(yè)的信息化、自動化和智能化的發(fā)展進程。

目前國內(nèi)船舶制造領域智能化的研究，主要集中在船舶智能制造的技術探索、頂層設計以及標準體系[1-3]等內(nèi)容。只有少數(shù)學者對船舶制造單個環(huán)節(jié)的智能化開展研究，例如智能舾裝[4]、智能焊接[5]和智能小組立[6]等。

船舶制造依靠現(xiàn)有技術水平實現(xiàn)整體智能化具有一定的難度，因此實現(xiàn)船舶制造智能化應當以關鍵環(huán)節(jié)的智能化為切入點，逐個實現(xiàn)船舶制造工藝過程的自動化、智能化，再將每個工藝過程進行級聯(lián)，進而實現(xiàn)船舶制造的整體智能化。同時，隨著智能化的推進，傳統(tǒng)的工藝流程（見圖1）也將進行改造，使之適應智能化的發(fā)展。

圖1傳統(tǒng)的切割工藝過程

當前船舶制造過程中，數(shù)字化和自動化水平較高的工藝過程是切割工藝。在傳統(tǒng)切割工藝過程中，板材運輸至切割工位環(huán)節(jié)只實現(xiàn)了機械化；板材切割和零件編碼環(huán)節(jié)實現(xiàn)了自動化；而確認板材、拷貝切割指令、板材定位環(huán)節(jié)均為人工操作。由此可見，傳統(tǒng)船舶制造的切割工藝只在部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)了自動化，距離切割工藝全過程的自動化還有一定的距離。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)切割工藝全過程的信息化、自動化和智能化，除了要配套相關的硬件設施，還要為整個系統(tǒng)設計完善的數(shù)據(jù)庫。在機械加工、鑄造、復合材料等領域，工藝數(shù)據(jù)庫的應用已經(jīng)相當廣泛，并且基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘和分析、專家知識庫等研究也成果豐碩。但在船舶制造的工藝數(shù)據(jù)庫領域，目前國內(nèi)的研究幾乎為空白，僅有物料數(shù)據(jù)庫[7]、工件質(zhì)量數(shù)據(jù)庫[8]、制造資源數(shù)據(jù)庫[9]等幾個方面的研究。

工藝數(shù)據(jù)庫的建立，為工藝數(shù)據(jù)的采集、存儲、和查詢功能提供了基礎。更重要的是，利用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等前沿信息技術，可以實現(xiàn)對工藝數(shù)據(jù)的更深層次利用，對工藝結果分析、工藝過程優(yōu)化、提升傳統(tǒng)制造業(yè)的效率和水平、降低生產(chǎn)成本等方面具有重要的意義。

本文針對傳統(tǒng)船舶制造的切割工藝過程，基于智能制造提出了一套智能切割工藝流程及數(shù)據(jù)庫設計，為切割工藝的信息化、自動化和智能化提供基礎。

2 智能制造的切割工藝流程

2.1 工藝流程

基于智能制造，本文對切割工藝進行了改造：將原有的6 個環(huán)節(jié)合并為3 個環(huán)節(jié)，并且增加管控平臺、檢測掃描環(huán)節(jié)，改裝后的工藝流程如圖2所示：

（1）板材輸送

管控平臺將板材位置和切割機工位位置發(fā)送給吊裝設備控制系統(tǒng)；吊裝設備控制系統(tǒng)根據(jù)板材位置信息吊裝板材，并按照切割機工位位置將板材運輸至切割機工位。

（2）板材掃描

掃描系統(tǒng)對板材進行掃描，并通過圖像處理技術獲取板材信息和板材精確位置；掃描完成后，將板材信息和位置信息返回至管控中心。

（3）板材切割

管控平臺根據(jù)上個環(huán)節(jié)發(fā)送的板材信息確定板材切割方案，并將板材定位信息和經(jīng)過優(yōu)化設計后的切割程序、噴碼程序發(fā)送至切割機系統(tǒng)；切割機在對板材進行切割的過程中，將切割出來的零件進行編碼。

圖 2 改造后的切割工藝流程

（4）掃描檢測

掃描系統(tǒng)對切割出的零件進行三維掃描，通過圖像處理技術獲得零件的尺寸精度和坡口信息等數(shù)據(jù)。

2.2 工藝流程的可行性分析

改造后的智能切割系統(tǒng)，包括了1個平臺和3套系統(tǒng)：管控平臺；吊裝系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和切割系統(tǒng)。其中，吊裝系統(tǒng)和切割系統(tǒng)為現(xiàn)有系統(tǒng)，管控平臺和掃描系統(tǒng)為新增系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述智能切割工藝流程，吊裝系統(tǒng)和切割系統(tǒng)需要進行相應的升級改造。平臺與系統(tǒng)之間關系，如圖3 所示。

圖3 平臺與系統(tǒng)之間的關系

（1）吊裝系統(tǒng)

吊裝系統(tǒng)需要開放接口，接收管控平臺發(fā)送的工作指令（起始位置、結束位置等），完成操作后需要將執(zhí)行結果發(fā)送回管控平臺。

（2）切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)需要開放接口，接收管控平臺發(fā)送的切割指令（板材位置、切割指令、零件編碼等），然后將切割結果（生成順序、零件編碼等）反饋給管控平臺；同時，切割系統(tǒng)需要將移動機構的實時位置發(fā)送給掃描系統(tǒng)，以便掃描系統(tǒng)完成對板材的掃描過程。

（3）掃描系統(tǒng)

新增的掃描系統(tǒng)主要有3個功能：板材確認、板材定位、掃描檢測。掃描系統(tǒng)通過切割系統(tǒng)的移動機構，實現(xiàn)對板材（或零件）的整體掃描；利用圖像識別技術，實現(xiàn)板材確認（編號或二維碼）和零件檢測功能；利用掃描系統(tǒng)坐標系與切割系統(tǒng)坐標系的轉換，實現(xiàn)板材定位功能。

（4）管控平臺

新增的管控平臺是整個系統(tǒng)的控制中心，負責整個系統(tǒng)的任務分配和調(diào)度工作：管控平臺將板材位置、切割機位置發(fā)送給吊裝系統(tǒng)；吊裝系統(tǒng)反饋執(zhí)行結果后；管控平臺將將掃描指令發(fā)送給掃描系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)將板材身份和位置反饋給管控平臺，管控平臺確認板材身份和位置后，將板材位置、切割程序等信息發(fā)送給切割系統(tǒng)，切割系統(tǒng)開始執(zhí)行切割過程。

3 工藝數(shù)據(jù)庫設計

船舶制造過程中傳統(tǒng)的切割工藝只實現(xiàn)了切割過程的自動化，并未實現(xiàn)切割工藝的整體自動化，因此并沒有一套完整的針對智能切割工藝的數(shù)據(jù)庫。切割工藝數(shù)據(jù)庫的建立，是切割工藝智能化的基礎，不僅為切割工藝提供了數(shù)據(jù)采集、存儲的容器，為智能切割系統(tǒng)提供運行數(shù)據(jù)庫，而且為工藝數(shù)據(jù)分析和挖掘提供了數(shù)據(jù)基礎。

切割工藝數(shù)據(jù)庫的設計流程，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫設計流程

受論文篇幅所限，本文只針對切割工藝數(shù)據(jù)庫設計的2 個核心問題（概念結構設計、工藝表設計）展開研究，其余工作按照數(shù)據(jù)庫設計的規(guī)范和方法即可完成。同時，由于本文研究重點是工藝分析，對于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶管理、系統(tǒng)管理等內(nèi)容，暫不作討論。

3.1 概念結構設計

通過對切割工藝的過程分析和流程該造，智能切割工藝的概念結構圖如圖5所示。圖5中：矩形框表示實體（數(shù)據(jù)表）；菱形框表示實體之間的關系；菱形框兩側數(shù)字表示兩個實體之間聯(lián)系類型（1:1、1:N、M:N）。

圖5 概念結構圖

工藝數(shù)據(jù)庫以切割工藝為核心展開設計。本文的研究重點是切割工藝的屬性及其相關的實體屬性，其余實體的屬性均可通過簡單的分析推理得出，在此不作詳細介紹。

3.2 工藝表設計

本文提出了一種工藝分析的方法，并以切割工藝為例，設計了切割工藝數(shù)據(jù)庫的核心——切割工藝表。

工藝分析方法將影響工藝的因素分為八個要素：原料、產(chǎn)品、規(guī)范、環(huán)境、人員、設備、方法和時間，如圖6 所示。

圖6 工藝分析八個要素

切割工藝表設計，如表1所示。

（1）原料

包括對象和屬性。對象是指參與該工藝的輸入資源；屬性是指能夠影響該工藝過程的屬性。如表1所示，原料為板材，板材字段為外鍵索引，可以由板材表獲得原料的屬性（材質(zhì)、長度、寬度、厚度等）。

表1 切割工藝表

（2）產(chǎn)品

指該工藝工程最終的輸出結果或產(chǎn)品。零件表的屬性中包含了切割工藝的序號，可標識零件與工藝過程之間的關系。

（3）規(guī)范

指執(zhí)行該工藝過程參照的規(guī)范標準。

（4）環(huán)境

指在進行工藝過程中，可能對該工藝產(chǎn)生影響的環(huán)境因素。由于切割工藝過程受環(huán)境（溫度、濕度、氣壓等）因素影響較小，因此不考慮環(huán)境因素。

（5）人員

包括參與該工藝過程的設計人員和操作人員。

（6）設備

指該工藝過程中的相關執(zhí)行設備，包括設備編號、控制參數(shù)和實時參數(shù)三個部分：設備編號標識了哪臺設備參與完成工藝過程；控制參數(shù)指在具體的某個工藝過程中設備進行了哪些具體的參數(shù)設置；實時參數(shù)指在進行該工藝過程中，設備的一些參數(shù)狀態(tài)的實時變化情況。

切割工藝過程中，切割機和設備參數(shù)方案字段，分別表示了設備編號和控制參數(shù)；利用工藝表中的開始時間和結束時間，對設備狀態(tài)表的數(shù)據(jù)進行篩選，可獲取對應工藝過程中所有的設備狀態(tài)情況。

（7）方法

指該工藝過程具體實施細節(jié)，包括方法類型、設計參數(shù)、操作順序：方法類型標識了采用了何種方式實現(xiàn)該工藝過程；設計參數(shù)是除設備控制參數(shù)外的一些相關的參數(shù)；操作順序是指該工藝過程中特定的工藝流程。

切割工藝過程中，方法類型選用激光切割、（等離子切割、火焰切割等方式）；設計參數(shù)包括套料卡、切割精度、是否有余料，其中套料卡為外鍵；套料表中包括切割長度、空程長度、劃線長度等；操作順序包括零件切割順序、本次切割工藝程度文件和整個切割的軌跡圖。

3.3 切割檢測表

在工藝分析中，檢測結果（切割檢測表）并沒有納入要素之中，因為檢測結果并不影響工藝過程，只能用來衡量工藝過程。

在某些工藝過程中，可能包含多個工藝階段，上一工藝階段的檢測結果會作為下一工藝階段的設計參數(shù)、設備參數(shù)等的依據(jù)。這類工藝過程表面上看，是與檢測結果相關，但實際上在執(zhí)行過程中多次改變了設計參數(shù)、設備參數(shù)等因素，所以這類的工藝過程要分成多個小工藝過程，而拆分出的小工藝過程符合八要素分析法，其每個工藝過程不受當前工藝過程的檢測結果影響。

4 結論

本文設計了一種基于船舶智能制造的切割工藝流程，并分析了其可行性。盡管該工藝流程目前尚未完全實現(xiàn)智能化，但改造后的流程均采用了成熟技術和方案，具備一定的合理可行性。

對船舶智能制造，本文提出了一種工藝分析方法（不限于切割工藝），并利用這種方法設計了切割工藝數(shù)據(jù)庫及其核心工藝表。這種工藝分析方法擴展了原有工藝分析方法，不僅局限于物料和設備的狀態(tài)，還將人員、設計、環(huán)境等因素納入考慮范圍。這種分析方法不僅可應用于切割工藝環(huán)節(jié)，在船舶制造的裝配、焊接、涂裝等環(huán)節(jié)均可以應用，甚至可擴展至在機械加工、鑄造、材料等領域?；谥悄芮懈罟に囋O計的切割工藝數(shù)據(jù)庫，為切割工藝的信息化提供了基礎，為工藝分析、數(shù)據(jù)挖掘等自動化、智能化研究提供了支撐。