船舶智能制造流水線質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用

王鵬宇， 郭 威， 劉 堅,2

(1.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

近年來國內(nèi)多家船舶企業(yè)立足于工信部智能制造專項及自身發(fā)展需要，對生產(chǎn)制造流水線進(jìn)行大量的智能化改造，在管子切割焊接、小組立焊接、中組立焊接等生產(chǎn)工序中，引入焊接機(jī)器人，對設(shè)計、物流、倉儲、生產(chǎn)派工等進(jìn)行信息化改造和數(shù)據(jù)集成，大幅提升生產(chǎn)效率。隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)掘和深入，在更多的建造工藝和技術(shù)上對國內(nèi)船舶制造業(yè)產(chǎn)生影響。

在檢驗制度方面，目前國內(nèi)骨干船舶企業(yè)均采用3級檢驗制度：(1)班組人員自檢；(2)各級班組長及生產(chǎn)部門質(zhì)量人員檢驗；(3)企業(yè)質(zhì)量部門進(jìn)行質(zhì)量檢驗。受制于人員素質(zhì)和管理水平，基本在第2級和第3級才能獲取系統(tǒng)的、準(zhǔn)確的質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)，而第2級和第3級檢驗處于生產(chǎn)工序的固定節(jié)點，是某一道工序完工后的完工檢查，必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)的滯后性。隨著智能化改造后的流水線生產(chǎn)效率提升，船舶建造質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)滯后越發(fā)明顯。

在檢驗方法方面，目前船舶建造質(zhì)量檢驗主要采用2種檢驗方法：(1)目視化檢驗，即檢驗人員去生產(chǎn)現(xiàn)場通過核對圖紙或經(jīng)驗確認(rèn)進(jìn)行檢驗；(2)運用設(shè)備檢驗，例如運用無損檢測(Nondestructive Testing，NDT)設(shè)備進(jìn)行焊縫檢測、運用全站儀進(jìn)行精度檢測等。整個船舶建造質(zhì)量檢驗過程中的數(shù)據(jù)采集和分析基本依賴人的行為，而針對檢驗準(zhǔn)備-數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)分析-問題反饋這樣的檢驗流程管理，數(shù)據(jù)采集的時效性和準(zhǔn)確性無法滿足需求。

1 質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)路徑

船舶建造質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)采集主要基于船舶企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)中的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)數(shù)據(jù)采集和集成加以實現(xiàn)。企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)[1]如圖1所示。MES作為車間級應(yīng)用系統(tǒng)，處于企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)中的執(zhí)行層。在管理層中，一般由企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)將車間生產(chǎn)訂單等信息通過企業(yè)服務(wù)總線(Enterprise Service Bus，ESB)傳輸至車間MES，由產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)/產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)/計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(Computer Aided Process Planning，CAPP)將圖紙、工藝等信息通過ESB傳輸至車間MES。車間MES對接收的信息進(jìn)行處理，按任務(wù)優(yōu)先級、工位資源、人員資源等進(jìn)行排產(chǎn)，最后將任務(wù)信息發(fā)送至各工位終端、機(jī)器人，并與分布式數(shù)字控制(Distributed Numerical Control，DNC)系統(tǒng)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。接口統(tǒng)一采用WebService技術(shù)，數(shù)據(jù)采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language，XML)字符串進(jìn)行封裝，以簡單對象訪問協(xié)議(Simple Object Access Protocol，SOAP)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)描述語言(Web Services Description Language，WSDL)文件、超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)和傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)實現(xiàn)服務(wù)的注冊、調(diào)用及數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)

2 質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)采集

2.1 精度檢測數(shù)據(jù)采集

基于船舶企業(yè)現(xiàn)有制造流水線進(jìn)行改造，以國內(nèi)某船廠四跨平直分段流水線為例，在適當(dāng)位置增加精度自動檢測工位，如圖2所示。圖2中的框線標(biāo)記位置為增加的檢測工位，位于流水線的中下游，流轉(zhuǎn)至該工位的分段主體工程基本完工，具備進(jìn)行精度檢測的條件。

圖2 平直分段流水線改造示例

在選定布置固定測量設(shè)備進(jìn)行智能精度檢測的方法較多，例如激光定位檢測、3D結(jié)構(gòu)光等，船舶企業(yè)可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

精度檢測工位設(shè)備屬于企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)的控制及采集層。通過在流水線設(shè)置固定檢測工位，將精度檢測置于生產(chǎn)流水線中，采用智能化檢測設(shè)備，可高效準(zhǔn)確快速地對流水線中的固定節(jié)點分段進(jìn)行精度檢測數(shù)據(jù)實時采集，在聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實現(xiàn)精度檢測數(shù)據(jù)實時傳輸。目前船舶建造中的精度檢測脫離生產(chǎn)節(jié)奏，在整個分段完工后才進(jìn)行，加上在整個測量過程和分析過程中人為因素較多，因此從分段完工到精度檢測報告完成周期較長、準(zhǔn)確性較差，采用所提出的方案可有效解決這些問題。

2.2 焊縫檢測數(shù)據(jù)采集

焊縫從焊接到可進(jìn)行檢測需要一個冷卻過程，按照規(guī)范要求常規(guī)焊縫需要冷卻至常溫，特殊焊縫需要冷卻24 h以上，還有一些焊接工藝需要加熱和退火工序，因此焊縫檢測不具備在流水線中設(shè)定固定檢測工位的條件。針對不同焊縫檢測要求可制訂不同的檢測方案。

焊縫檢測主要依賴目視檢測和NDT取得的檢測數(shù)據(jù)，部分目視檢測需要借助設(shè)備進(jìn)行，例如真空密性試驗等。較好的目視檢測替代方案是采用圖像識別技術(shù)。圖像識別技術(shù)成熟度較高，同時NDT中的滲透探傷(Penetrant Testing，PT)、磁力探傷(Magnetic Testing，MT)和射線探傷(Radiographic Testing，RT)可使用圖像識別進(jìn)行智能檢測。焊縫檢測采用圖像識別技術(shù)的困難在于圖像數(shù)據(jù)采集[2]，而采用超聲探傷(Ultrasonic Testing，UT)檢測設(shè)備可獲取波形數(shù)據(jù)，在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)下可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)實時采集。

以分段為單位對檢測計劃進(jìn)行整合是基于焊縫編碼數(shù)字化后的應(yīng)用，從企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)管理層的生產(chǎn)設(shè)計軟件中抽取焊縫信息進(jìn)行編碼，從工藝路線中抽取相關(guān)檢測工藝，從ERP的質(zhì)量管理中抽取焊縫檢驗項，以分段為單位進(jìn)行編組，形成一個完整的分段焊縫檢驗包。圖像采集設(shè)備屬于企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)的控制及采集層，數(shù)據(jù)采集人員手持設(shè)備選擇分段焊縫編碼和檢驗項直接采集圖像數(shù)據(jù)[3]。

2.3 常規(guī)檢驗數(shù)據(jù)采集

常規(guī)檢驗是船舶企業(yè)質(zhì)量管理較為重要的內(nèi)容，由企業(yè)質(zhì)量管理部門負(fù)責(zé)檢驗，向船舶所有人和船舶檢驗機(jī)構(gòu)提交檢驗結(jié)果，取得認(rèn)可才能流轉(zhuǎn)至后道工序。在常規(guī)檢驗從申請到通過這一過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可對船舶企業(yè)質(zhì)量改善起到指導(dǎo)性作用。常規(guī)檢驗數(shù)據(jù)采集采用質(zhì)量信息管理軟件進(jìn)行，以上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司開發(fā)的船舶建造質(zhì)量信息管理系統(tǒng)為例，闡述分段完工常規(guī)檢驗數(shù)據(jù)采集方案。

2.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含檢驗分解結(jié)構(gòu)(Inspection Breakdown Structure，IBS)和檢驗與測試計劃(Inspection and Test Plan，ITP)中的數(shù)據(jù)及檢驗時間、檢驗地點、申請人員等信息，其中：檢驗時間、檢驗地點、申請人員信息在提交申請時填寫。ITP生成模型如圖3所示。在系統(tǒng)中得到的ITP如圖4所示。

圖3 ITP生成模型

圖4 ITP管理

2.3.2 檢驗管控流程數(shù)據(jù)采集

船舶建造質(zhì)量信息管理系統(tǒng)開發(fā)豐富的檢驗流程管理，實現(xiàn)檢驗流程自主配置和管理，對所有的檢驗單實現(xiàn)全流程信息記錄和追溯。檢驗流程自主配置和管理如圖5所示。檢驗單全流程信息記錄和追溯如圖6所示。

圖5 檢驗流程自主配置和管理

圖6 檢驗單全流程信息記錄和追溯

2.3.3 檢驗結(jié)果和意見數(shù)據(jù)采集

檢驗結(jié)果和意見數(shù)據(jù)通過移動端App實時采集，采取文字和圖像數(shù)據(jù)相結(jié)合形式，提高數(shù)據(jù)采集效率[4]。

3 結(jié) 語

將智能制造技術(shù)引入船舶行業(yè)生產(chǎn)中，在較大程度上改善傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的弊端，越來越多的船舶企業(yè)及相關(guān)制造企業(yè)進(jìn)行智能制造流水線探索和實踐，并取得豐富的成果。船舶建造質(zhì)量管理作為產(chǎn)品管理的重要一環(huán)，面臨數(shù)據(jù)采集速度慢、效率低的問題，如何匹配智能制造流水線環(huán)境需求，提高質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)采集速度和準(zhǔn)確性、縮短反饋時間，需要行之有效的解決方案。船舶智能制造技術(shù)的應(yīng)用在不斷的研究摸索中，質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)采集技術(shù)需要實時跟進(jìn)、不斷適應(yīng)新的環(huán)境。