基于“先焊后彎”的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線設(shè)計與應(yīng)用

韋 剛，李秀文，沙新明

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言

《推進船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動計劃（2019—2021）》和《智能發(fā)展船舶行動計劃（2019—2021）》明確提出我國船舶行業(yè)應(yīng)迅速提升船舶先進建造技術(shù)與裝備，逐步推進船舶建造信息化、數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型升級。

管子制作是船舶建造過程的重要環(huán)節(jié)，是影響船舶建造進度的重要因素之一。管子加工車間是船舶與海洋工程管子的生產(chǎn)加工車間，需要按照管系的設(shè)計和工藝要求，將原料管通過特定的工序進行加工，保證高效、及時地制作高質(zhì)量管段。近年來，部分船舶建造企業(yè)管子加工車間在應(yīng)用成組技術(shù)的基礎(chǔ)上，引進了自動彎管機、校管機、自動焊接機等設(shè)備，在一定程度上提高了管子的生產(chǎn)效率。但是，設(shè)備不成產(chǎn)線、工藝技術(shù)不配套、關(guān)鍵瓶頸問題沒有解決、生產(chǎn)流程不暢，導(dǎo)致管子的生產(chǎn)沒有流動起來，大部分船舶建造企業(yè)的管子加工車間仍處于傳統(tǒng)的托盤式生產(chǎn)制造模式，效率低，質(zhì)量也得不到保證。

目前國內(nèi)船舶管加工車間生產(chǎn)的管子種類很多，但相對較為集中的是直管-法蘭焊接數(shù)量最多，而空間彎管-法蘭焊接、規(guī)則支管-法蘭焊接、非規(guī)則支管-法蘭焊接數(shù)量較少，并且其中一部分又可以通過直管-法蘭焊接后得到的直管工件，再通過彎管機空間折彎加工而得到。但是由于我國大部分船舶建造企業(yè)的管子加工車間仍處于傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式，沒有管子無余量下料和“先焊后彎”加工等先進工藝技術(shù)與裝備，精益化水平較低，產(chǎn)品與造船強國的先進制造技術(shù)相比有較大差距[1]。隨著國內(nèi)船舶建造企業(yè)對于產(chǎn)品效率和質(zhì)量的提升需求越來越迫切，建立面向數(shù)字化信息化制造的船舶與海工行業(yè)管子加工車間的先進技術(shù)與裝備的研究也愈發(fā)重要，研發(fā)和應(yīng)用基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線具有重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的“先彎后焊”管子生產(chǎn)模式存在的弊端：一般采用“先彎后焊”的生產(chǎn)流程，也就是根據(jù)管子零件的加工圖，或者根據(jù)樣棒所提供的管子的各項參數(shù)，先在彎管機上將管子彎曲成形，然后在人工校管平臺上進行管子-法蘭的定位點焊。在根據(jù)管子零件加工圖或樣棒來確定直管段的下料長度時，還要考慮彎管時的誤差和回彈量，下料長度一般要放一定的工藝余量，管子在裝配時還需要進行二次切割，浪費原材料，降低生產(chǎn)效率。由于管子是空間彎曲的，無法在校管機上進行裝配，法蘭需要在彎曲管上進行人工裝配，校管效率低，質(zhì)量差。法蘭的焊接也需要在彎曲管上進行，無法使用自動法蘭焊接機，只能通過手工方式進行焊接，工人施工條件差，勞動強度大，安全性差，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量得不到保證?？梢妭鹘y(tǒng)的“先彎后焊”管子生產(chǎn)模式步驟多、加工工藝落后、無法使用自動化設(shè)備、工序重復(fù)、浪費材料、生產(chǎn)效率低下，而且各工藝步驟的累積誤差會直接影響管子的制作質(zhì)量[2]，無法滿足管系生產(chǎn)流水線對生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求，因此解決管系生產(chǎn)的重要瓶頸問題，對落后制作工藝技術(shù)和生產(chǎn)流程的變革，采用基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線是我國船廠管子生產(chǎn)工藝技術(shù)和流程再造的方向[3]。

1 基于“先焊后彎”新工藝的管系生產(chǎn)線的設(shè)計思路

針對傳統(tǒng)的“先彎后焊”管子生產(chǎn)技術(shù)模式和流程的不足，設(shè)計基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線，如圖1所示，解決管子“先焊后彎”關(guān)鍵工藝技術(shù)。

圖1 基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線布置圖

船舶管系生產(chǎn)線主要包括法蘭-套管組對裝焊一體機、上下料小車、自動數(shù)控彎管機、自動化排產(chǎn)、自動化物流輸送等先進工藝技術(shù)和裝備，由數(shù)字化信息化控制軟件進行設(shè)備和管系物料的管理和控制。

新工藝布局結(jié)合產(chǎn)量要求，進行生產(chǎn)工藝和流程的合理配置。一方面，考慮了自動化設(shè)備和物流輸送環(huán)節(jié)，確保生產(chǎn)線的柔性和多產(chǎn)品的適用性；另一方面，生產(chǎn)線的管理和控制軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)管系自動排產(chǎn)和任務(wù)自動調(diào)度，具有生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)管理、進度反饋、質(zhì)量跟蹤等功能，實現(xiàn)管子的全生產(chǎn)周期管理。

2 基于“先焊后彎”的管系生產(chǎn)線工藝流程

如圖2所示，基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線的主要工藝流程為：

圖2 基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線示例[4]

1）管子首先通過MES管理系統(tǒng)自動排產(chǎn)，如果一部分管子切割完成后需要進行自動化對接焊，這部分管子就由物流輥道自動輸送到自動化對接焊接機的緩存平臺上，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)將需要焊接的管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令發(fā)送到自動對接焊設(shè)備的上位機上，進行管子的自動化對接焊接。

2）如果一部分管子切割完成后需要進行平法蘭或套管與管子的裝配，然后進行法蘭或套管與管子的角焊縫焊接，這部分管子則由物流輥道自動輸送到法蘭、套管組對裝焊一體機的緩存平臺上，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)將管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動發(fā)送到法蘭、套管組對焊接設(shè)備的上位機上。法蘭、套管和管子可以采用半自動、自動方式進行組對，實現(xiàn)自動化定位焊以及自動化法蘭、套管焊接。

3）管子和法蘭裝焊完成后，如果需要進行彎管，則這部分管子由物流輥道系統(tǒng)自動輸送到自動數(shù)控彎管機的緩存平臺上，生產(chǎn)線系統(tǒng)將管子的各種相關(guān)生產(chǎn)信息及指令自動發(fā)送到數(shù)控彎管機的上位機上，彎管機在操作人員的監(jiān)控下，實現(xiàn)法蘭或套管焊接后的管子自動彎管。

基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線實現(xiàn)了人、控制系統(tǒng)和設(shè)備之間的互補與協(xié)作，集成了工藝數(shù)據(jù)流、加工信息流及物流系統(tǒng)，大幅減少人工數(shù)量，大幅提升設(shè)備在有效時間內(nèi)的工作效率和原材料的利用率，其工藝方法的優(yōu)點為：

1）法蘭或套管的裝焊是在直管時進行的，因此可以在水平狀態(tài)下操作，安全性好，勞動強度小，焊接效率高，有利于使用自動焊接或半自動焊接，提高管子的裝焊質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2）可以實現(xiàn)管子無余量下料，通過定長一次下料切割可以減少管子加工工序，縮短工藝流程，大大提高管子生產(chǎn)效率，有效降低生產(chǎn)成本。

3）法蘭或套管與管子焊接后再進行彎管，管子制造質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)在于控制彎管精度，也就是控制兩端法蘭在管子彎曲成形后的空間相對位置，這需要進行大量的彎管試驗，積累不同管子生產(chǎn)廠家和管子規(guī)格的大量彎管數(shù)據(jù)，主要是彎曲成形力、管截面扁平化、最小彎曲半徑、起皺及彎管旋拉彎成形過程中的回彈量與成形缺陷等，其中最重要參數(shù)的是管子回彈量。

3 基于“先焊后彎”的管系數(shù)字化信息化的構(gòu)建

數(shù)字化信息化的構(gòu)建使用西門子WinCC組態(tài)軟件為核心，通信連接快速，開發(fā)高效，診斷和維護方便，與SIMATIC S7系列的PLC連接方便，并且提供廣泛的通信通道選件和附加功能件，方便實現(xiàn)非西門子PLC系統(tǒng)連接。數(shù)據(jù)記錄使用Microsoft SQL Server 2005作為組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫，可以使用多種數(shù)據(jù)訪問方法，方便訪問歸檔數(shù)據(jù)，還可以使用多種方法顯示數(shù)據(jù)，如趨勢曲線圖等，也可以導(dǎo)出到Excel文件中，還能進行采集、顯示和歸檔運行信息，并由過程數(shù)據(jù)狀態(tài)產(chǎn)生超過閾值的報警信息。過程歸檔功能具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，并可以在歸檔管理中靈活控制歸檔的動作和內(nèi)容，通過調(diào)用集成打印功能，可以實現(xiàn)所見即所得的打印輸出。

由于目前大部分的彎管機缺乏系統(tǒng)、全面的彎管工藝設(shè)計系統(tǒng)，彎管工藝參數(shù)的確定主要依靠操作人員的傳統(tǒng)經(jīng)驗，造成彎管工藝文件的預(yù)見性和可繼承性差，指導(dǎo)性不強，因此需要通過大量的試驗來修正工藝文件。傳統(tǒng)彎管加工工藝設(shè)計中，由于存在著理論分析與實際加工情況的偏差，管材回彈、拉伸數(shù)據(jù)的獲取是在彎管測量機上通過樣件多次測量校正實現(xiàn)的，需要實現(xiàn)這類工藝參數(shù)的數(shù)字化支持，構(gòu)建基于“先焊后彎”的管系數(shù)字化信息化的體系結(jié)構(gòu)。該體系分為用戶界面層，事務(wù)處理、控制、通信、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)處理層等3層實施，實現(xiàn)彎管的設(shè)計制造一體化，完成彎管數(shù)字化制造的信息共享和交換，提高彎管的加工質(zhì)量和數(shù)控彎管機的加工效率，滿足精度造船和現(xiàn)代造船模式對船舶管系的制作要求。

構(gòu)建基于“先焊后彎”的管系數(shù)字化信息化的體系結(jié)構(gòu)，主要研發(fā)數(shù)字化彎管系統(tǒng)的總體集成模式與體系結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計、運行設(shè)計等，通過對數(shù)字化彎管系統(tǒng)總體規(guī)劃設(shè)計，研究彎管三維建模與展開技術(shù)，研究彎管的快速建模和彎管的理論展開與修正展開技術(shù)，研究增量彎管程序的編制與管形檢測修正技術(shù)，研究修正增量管形數(shù)據(jù)得到增量彎管程序的方法，研究數(shù)控彎管知識庫和功能模型等。

4 基于“先焊后彎”的管系管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線的應(yīng)用

2020年8月，招商局重工（江蘇）有限公司基本建成了基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線，并進行試生產(chǎn)應(yīng)用，已生產(chǎn)“先焊后彎”管子約5 000根，經(jīng)測算與原先傳統(tǒng)的“先彎后焊”管子生產(chǎn)相比，生產(chǎn)效率提升約50%，質(zhì)量提升約40%，數(shù)控彎管的精度與理論線形相比達到±1 mm，滿足管系生產(chǎn)流水線對生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求，為公司降低直接和間接成本數(shù)十萬元。圖3為“先焊后彎”自動化數(shù)控彎管機，圖4為“先焊后彎”管子小票示意圖。

圖3 “先焊后彎”自動化數(shù)控彎管機

圖4 “先焊后彎”管子小票示意圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計基于“先焊后彎”新工藝的船舶管系數(shù)字化信息化生產(chǎn)線，可以實現(xiàn)法蘭和管子在直管狀態(tài)下自動裝配和焊接，然后使用自動彎管機進行空間折彎，集成了法蘭或套管與管子的組對裝焊一體機、上下料小車、自動數(shù)控彎管機、自動化排產(chǎn)、自動化物流輸送等先進工藝技術(shù)和裝備，由數(shù)字化信息化控制軟件進行設(shè)備和管系物料的管理和控制，實現(xiàn)法蘭或套管與管子的自動化定位和裝配、法蘭或套管與管子的自動化焊接、帶法蘭或套管的管子的自動化數(shù)控彎管。通過大量的彎管試驗，積累不同管子生產(chǎn)廠家和管子規(guī)格的大量彎管數(shù)據(jù)，攻克“先焊后彎”核心工藝技術(shù)難題，實現(xiàn)管子無余量下料（定長一次切割），減少管子加工工序，縮短工藝流程，有效降低生產(chǎn)成本，大大提高管子的裝焊質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是我國船廠管子生產(chǎn)工藝技術(shù)和流程再造的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景，對提升我國船舶先進建造技術(shù)與裝備、推進船舶建造信息化、數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型升級具有重要的參考價值。