基于三維體驗(yàn)平臺(tái)的雙層底分段工藝成組技術(shù)

樸香美，朱明華，單小芬

(江南造船(集團(tuán))責(zé)任有限公司，上海 201913)

船體分段裝配圖作為直接面向生產(chǎn)的一份基礎(chǔ)性圖紙，包含了大量的信息，其設(shè)計(jì)質(zhì)量將直接影響船舶建造速度與質(zhì)量[1]。目前，分段裝配工藝設(shè)計(jì)模式為，采用成組技術(shù)原理，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，實(shí)施船體分道，即將分段結(jié)構(gòu)裝配劃分為大組立、中組立、小組立過程。設(shè)計(jì)員在此過程，即劃分大中小組立及確定組立裝配工藝的過程中，需要翻閱大量的工藝文件，如建造方針、分段建造原則工藝、詳細(xì)組立要領(lǐng)、生產(chǎn)場(chǎng)地產(chǎn)能信息等，同時(shí)還需要依賴于設(shè)計(jì)員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，而這些知識(shí)要么分散在各個(gè)工藝文件中，要么掌握在個(gè)別老師傅或?qū)＜沂掷?，不利于知識(shí)共享和相似情況下的知識(shí)重用，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)水平因人而異，設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度低，增加了設(shè)計(jì)周期及成本，不能滿足現(xiàn)代工藝設(shè)計(jì)的需求。

這就迫切需求工藝設(shè)計(jì)模式上的創(chuàng)新，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、改進(jìn)設(shè)計(jì)模式、實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步。鑒于各船型雙層底分段結(jié)構(gòu)相似性較高的特點(diǎn)，對(duì)雙層底分段特有結(jié)構(gòu)的組立裝配知識(shí)和常見結(jié)構(gòu)的組立裝配共性知識(shí)等，根據(jù)成組技術(shù)進(jìn)行分類及梳理，以CAA(component application architecture)方式進(jìn)行3DEXP的二次開發(fā)，并將梳理的規(guī)則以知識(shí)工程語言(EKL)形式存儲(chǔ)于平臺(tái)工藝知識(shí)庫(kù)，形成結(jié)構(gòu)化的工藝成組規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)工藝成組技術(shù)規(guī)范化、自動(dòng)化、知識(shí)化的目標(biāo)。

1 雙層底分段工藝成組規(guī)則

結(jié)合成組技術(shù)[2-4]，以提高分段建造效率和質(zhì)量為原則，對(duì)已建船型進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合小組立智能制造生產(chǎn)線規(guī)劃等生產(chǎn)資源能力，并參考相關(guān)工藝文件，梳理分段工藝步驟、各細(xì)分類型的小組立與中組立、是否有曲面板架、組立基面等信息，以及各細(xì)分類型的小組立、中組立名稱、零部件編碼、工序要求和并聯(lián)工序等信息，從而確定雙層底分段工藝設(shè)計(jì)。

1.1 雙層底分段組立類別、命名規(guī)則及劃分原則

1)裝配階段細(xì)分類型梳理，即將裝配階段細(xì)分為小組立、中組立、大組立、一次總組、二次總組、搭載。

2)中組立細(xì)分類型梳理，即將中組立細(xì)分為內(nèi)底中組立、內(nèi)底片體中組立、外板片體中組立。

3)中大組散件細(xì)分類型梳理，即將零件細(xì)分為需拼接的板、不拼接的板、縱骨、加強(qiáng)筋、補(bǔ)板、肘板。

4)小組立細(xì)分類型梳理，即將小組立細(xì)分為縱桁、肋板、肘板。

5)命名規(guī)則梳理，即梳理各階段及零部件細(xì)分類型命名規(guī)則，搭載(003)、二次總組(002)、一次總組(001)、大組立(000)、內(nèi)底中組立(IB1A)、內(nèi)底片體中組立(IB1B)、外板片體中組立(BS1A)、縱桁(GR*)、肋板(FR*)、肘板(BK*)、需拼接的板(K*)、不拼接的板(A*)、縱骨(L*)、加強(qiáng)筋(S*)、補(bǔ)板(C*)、肘板(B*)。

6)各生產(chǎn)區(qū)域分段限制條件梳理，即生產(chǎn)一區(qū)分段長(zhǎng)度不超過12 m，生產(chǎn)二區(qū)分段長(zhǎng)度不超過21 m。

7)大組立建造方式梳理，即外板帶線型時(shí)，以內(nèi)底片體為基面，采用外板散裝的形式，而外板平直時(shí)，以外板片體組立為基面，采用內(nèi)底組立翻身到外板的形式[5]。

8)各生產(chǎn)區(qū)域小組立限制條件梳理，即生產(chǎn)一區(qū)組立寬度不超過4 m、高度不超過2 m、質(zhì)量不超過18 t，生產(chǎn)二區(qū)組立寬度不超過6 m、高度不超過2 m、重量不超過30 t，且生產(chǎn)二區(qū)的小組立寬度小于1.5 m狹長(zhǎng)型且直線度要求較高的部件，組立長(zhǎng)度不超過12 m。

1.2 雙層底分段工藝成組規(guī)則

1)分段組立工藝成組規(guī)則梳理，即梳理各細(xì)分類型的中組立及大組立的工序。安裝縱向、橫向構(gòu)件時(shí)，按照從中縱到兩側(cè)、從船艉至船艏的基本順序，再結(jié)合實(shí)際干涉情況進(jìn)一步調(diào)整裝配順序[6-7]。

2)中組立建造基面梳理，即定義內(nèi)底中組立以內(nèi)底片體中組立為基面建造、內(nèi)底片體中組立以內(nèi)底拼板為基面建造、外板片體中組立以外板拼板為基面建造。

3)在組立階段未規(guī)定小組、一次總組、二次總組及搭載階段的裝配順序。

2 分段裝配工藝工具開發(fā)

2.1 開發(fā)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、零部件主尺度、材質(zhì)、板架及型材類型等屬性，檢索及判斷組立工藝規(guī)則，獲取各組立階段的建造方法和建造策略，并結(jié)合分段工藝成組規(guī)則，總結(jié)以裝配體為節(jié)點(diǎn)單元的建造順序影響因素，最終提出船體結(jié)構(gòu)工藝成組技術(shù)自動(dòng)生成方法，工具功能設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 工具功能設(shè)計(jì)流程

1)點(diǎn)擊功能命令并選擇結(jié)構(gòu)樹中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，勾選同時(shí)或分別創(chuàng)建裝配結(jié)構(gòu)樹及工藝成組規(guī)則。

2)程序判斷分段長(zhǎng)度是否超過12 m，“否”選取一區(qū)工藝規(guī)則，“是”選取二區(qū)工藝規(guī)則。

3)程序判斷分段外板是否帶線型，“是”大組以內(nèi)底中組立為基面散裝外板，“否”以外板片體中組立為基面建造。

4)二區(qū)工藝規(guī)則下，程序判斷分段內(nèi)底板是否為低溫鋼材料，“是”增加內(nèi)底片體中組立，“否”內(nèi)底片體散裝。

5)二區(qū)規(guī)則下，程序判斷組立寬度是否超過6 m、高度是否超過2 m、質(zhì)量是否超過30 t，“否”作為小組立，“是”作為中組立。

6)二區(qū)規(guī)則下，小組立寬度小于1.5 m狹長(zhǎng)型且直線度要求較高的部件，程序判斷組立長(zhǎng)度是否超過12 m，“是”截?cái)酁閮蓚€(gè)組立，“否”形成一個(gè)組立。

7)一區(qū)規(guī)則下，程序判斷組立寬度是否超過4 m、高度是否超過2 m、質(zhì)量是否超過18 t，“否”作為小組立，“是”作為中組立。

8)程序讀取板架類型，根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)規(guī)則，生成各層級(jí)組立結(jié)構(gòu)。

9)程序根據(jù)補(bǔ)板、肘板等散件位置，將散件歸入相應(yīng)組立。

10)程序讀取零部件位置，根據(jù)工藝成組規(guī)則，生成從中縱至兩側(cè)、從船尾至船首的裝配順序。

11)程序根據(jù)組立命名規(guī)則，添加屬性信息，即在名稱欄寫入零部件或組立階段名稱。

12)裝配結(jié)構(gòu)及工藝成組結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展屬性類別，即擴(kuò)展組立類別、建造基面、零部件層級(jí)號(hào)、零部件工序號(hào)屬性。

13)程序根據(jù)組立劃分規(guī)則，添加屬性信息，即在組立類別欄，寫入中組立或小組立。

14)程序基于裝配結(jié)構(gòu)樹，根據(jù)工藝成組規(guī)則，添加屬性信息，即在建造基面屬性欄，寫入中大組立建造基面。

15)程序基于裝配結(jié)構(gòu)樹，根據(jù)工藝成組規(guī)則，添加屬性信息，即在零部件層級(jí)號(hào)屬性欄，寫入零部件在分段裝配過程中所屬層級(jí)。

16)程序基于裝配結(jié)構(gòu)樹，根據(jù)工藝成組規(guī)則，添加屬性信息，即在零部件工序號(hào)屬性欄，寫入零部件在所屬層級(jí)中安裝順序。

17)程序基于零部件層級(jí)號(hào)及工序號(hào)，可視化工藝成組結(jié)構(gòu)。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)工具

通過CAA及EKL 2種方式對(duì)3DEXP進(jìn)行二次開發(fā)[8]，使用EKL語言編寫工藝成組規(guī)則，并基于Microsoft Visual Studio2015，使用CAA在三維體驗(yàn)平臺(tái)(3DExperience Platform，3DEXP)界面添加工藝設(shè)計(jì)工具條及生成工藝成組技術(shù)功能按鈕。點(diǎn)擊功能按鈕，調(diào)用CAA判斷方向、測(cè)重、測(cè)距函數(shù)及EKL規(guī)則，快速生成雙層底工藝成組規(guī)則。

3 工具功能測(cè)試

3.1 規(guī)則調(diào)用

為測(cè)試規(guī)則的通用性，以包含雙層底主要結(jié)構(gòu)及生成工藝規(guī)則所需輸入條件的分段為對(duì)象進(jìn)行工藝成組技術(shù)驗(yàn)證，圖2為功能按鈕及工具主界面，工具使用過程如下。

1)使用測(cè)試用分段創(chuàng)建PPR(product-process-resource)節(jié)點(diǎn)、裝配結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及工藝成組規(guī)則頂層節(jié)點(diǎn)，并創(chuàng)建各節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)。

2)點(diǎn)擊功能鍵彈出工具界面，如圖2，選擇產(chǎn)品模型節(jié)點(diǎn)，并勾選同時(shí)或分別創(chuàng)建裝配結(jié)構(gòu)樹及工藝成組規(guī)則，程序通過判斷在“Knowledge Rules To Select”一欄中自動(dòng)選取適用的工藝知識(shí)規(guī)則。

圖2 工具按鈕及工具主界面

3)單擊OK，程序基于規(guī)則生成產(chǎn)品模型對(duì)應(yīng)的裝配結(jié)構(gòu)及工藝成組結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建兩者間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)均按規(guī)則自動(dòng)命名，且各節(jié)點(diǎn)基于規(guī)則完成物料的自動(dòng)分配。

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，程序執(zhí)行時(shí)調(diào)用的工藝知識(shí)規(guī)則為本功能的關(guān)鍵要素，這些規(guī)則由管理員在平臺(tái)中預(yù)定義，供程序調(diào)用。傳統(tǒng)模式需要設(shè)計(jì)員翻閱大量資料并將幾百甚至上千個(gè)零件按規(guī)則組織節(jié)點(diǎn)并生成順序，而這個(gè)過程中軟件響應(yīng)速度也非常影響工作效率，因此完成一個(gè)分段往往需要1 d或更長(zhǎng)時(shí)間。測(cè)試結(jié)果顯示，裝配結(jié)構(gòu)及工藝成組結(jié)構(gòu)生成結(jié)果基本符合前期梳理的規(guī)則，且相比傳統(tǒng)模式，大幅減少設(shè)計(jì)工時(shí)、自動(dòng)規(guī)避命名不規(guī)則等人為因素造成的錯(cuò)誤、信息表達(dá)更直觀清晰，且通過細(xì)化施工工序可加強(qiáng)設(shè)計(jì)深度，以下為測(cè)試結(jié)果。

1)通過簡(jiǎn)單操作調(diào)用規(guī)則后，39 s即可生成結(jié)果，見圖3。

圖3 裝配結(jié)構(gòu)樹

2)小組立結(jié)構(gòu)符合規(guī)則，生成縱桁、肋板、肘板節(jié)點(diǎn)。

3)中組立結(jié)構(gòu)符合規(guī)則，生成內(nèi)底中組立、內(nèi)底片體、外板片體節(jié)點(diǎn)。

4)裝配階段符合規(guī)則，生成小/中/大組立、一次/二次總組、搭載節(jié)點(diǎn)。

5)中大組散件符合規(guī)則，需拼接的板、不拼接的板、縱骨、加強(qiáng)筋、補(bǔ)板、肘板歸入相應(yīng)組立。

6)零部件命名符合組立及零件命名規(guī)則。

7)裝配結(jié)構(gòu)及工藝成組結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展屬性類別，生成組立類別、建造基面、零部件層級(jí)號(hào)、零部件工序號(hào)屬性欄，并正確寫入相關(guān)屬性信息。

7)組立成組結(jié)構(gòu)符合規(guī)則，且從簡(jiǎn)單文字描述的傳統(tǒng)方式，改為按詳細(xì)施工步驟分解模型顯示的模式，見圖4。

圖4 工藝成組結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

通過提出的基于3DEXP的雙層底分段工藝成組技術(shù)，可快速實(shí)現(xiàn)工藝成組規(guī)則的實(shí)例化，從而達(dá)到工藝規(guī)范化、自動(dòng)化、知識(shí)化的目的。

1)對(duì)552個(gè)零件進(jìn)行分段測(cè)試，用時(shí)不到1 min，縮減設(shè)計(jì)工時(shí)。

2)通過將大量工藝知識(shí)進(jìn)行梳理并形成規(guī)則，利于知識(shí)重用。

3)通過規(guī)則自動(dòng)生成工藝信息，規(guī)避設(shè)計(jì)員操作不規(guī)范而會(huì)導(dǎo)致的問題。

雖然該技術(shù)于提高公司工藝設(shè)計(jì)能力效果明顯，但該技術(shù)目前未涉及自動(dòng)規(guī)劃裝配路徑及干涉檢查的功能，為提高該技術(shù)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)的實(shí)用性，需要對(duì)該技術(shù)繼續(xù)研究，使其功能更加完善。