基于智能化生產(chǎn)構(gòu)建船舶薄板分段流水線

孫冰妍,于功志

(大連海洋大學(xué),遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢。建設(shè)智能化薄板分段流水線主要是為了滿足上層建筑、海工產(chǎn)品、海上移動(dòng)平臺和中大型豪華郵輪等高端船舶產(chǎn)品的建造需要[1]。國內(nèi)各船企薄板生產(chǎn)線建設(shè)著重圍繞船舶薄板分段建造的需求,從智能車間設(shè)計(jì)、智能工藝實(shí)施和生產(chǎn)過程智能管理等方面推進(jìn)智能車間建設(shè)[2]。通過對各類生產(chǎn)設(shè)備、PLC、工控機(jī)、傳感器、工位和移動(dòng)終端、輸送線、AGV 小車、立體倉庫等的物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)建設(shè),實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、料這 3 大生產(chǎn)要素的自感知、互感知、自適應(yīng)、互適應(yīng),從而建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的感知和控制系統(tǒng)[3]。因此,國內(nèi)船舶企業(yè)需要加快智能制造技術(shù)改造,滿足特種船舶的生產(chǎn)需求,提高船舶建造質(zhì)量和總體生產(chǎn)效率,推進(jìn)造船數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化,結(jié)合“殼、舾、涂一體化”工藝技術(shù)研究、數(shù)字化造船等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),以智能制造為核心,深入?yún)⑴c各類型薄板船舶項(xiàng)目的建造[4]。

目前,上海外高橋造船有限公司和廣船國際股份有限公司這2家船企的薄板分段制作流水線各有特點(diǎn),也有很多相似之處。本文在分析這2家船企的薄板生產(chǎn)線建設(shè)方案基礎(chǔ)上,補(bǔ)齊短板,并增加新的工藝流程元素,形成具有特色的薄板分段生產(chǎn)流水線建設(shè)方案。

1 規(guī)劃總體思路

薄板分段生產(chǎn)工藝流程見圖1。流程中重點(diǎn)關(guān)注薄板矯平工序、預(yù)處理工序、下料工序、片體制作工序與分段制作工序。為實(shí)現(xiàn)該工藝流程,需在各工序分別設(shè)置平板設(shè)備、薄板預(yù)處理設(shè)備、高精度切割設(shè)備、片體流水線施工設(shè)備、分段流水線施工設(shè)備等,結(jié)合各工序間物料緩存、流轉(zhuǎn)方式,形成系統(tǒng)的產(chǎn)線規(guī)劃。

圖1 薄板分段生產(chǎn)工藝流程示意圖

與傳統(tǒng)的平面分段流水線的生產(chǎn)方式相比,薄板車間突出的是智能化理念,應(yīng)用自動(dòng)化、柔性化、智能機(jī)器人、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù),大量配備自動(dòng)化裝備,以流水線的方式組織生產(chǎn),使得生產(chǎn)過程更加連續(xù),大幅提高了薄板分段的制作效率。

智能化薄板分段生產(chǎn)線基本要素如下:

薄板預(yù)處理前平板消除內(nèi)部應(yīng)力;具備薄板(最低2 mm)預(yù)處理能力;高精度激光切割機(jī)的應(yīng)用;應(yīng)用熱輸入量更小的焊接方式;應(yīng)用機(jī)械式切削、機(jī)械矯形等冷加工設(shè)備,規(guī)避熱加工變形;應(yīng)用焊接機(jī)器人實(shí)施焊接過程;應(yīng)用滾輪傳導(dǎo)、電磁吊傳遞,避免外力變形,實(shí)施流水作業(yè);應(yīng)用頂升方式下胎;應(yīng)用智能互聯(lián)信息管控系統(tǒng)。

2 薄板分段流水線具體方案

本文研究的智能化薄板分段流水線建設(shè)方案可統(tǒng)稱為“616方案”(即6條生產(chǎn)線、16個(gè)節(jié)拍生產(chǎn)工位)。6條生產(chǎn)線按生產(chǎn)線區(qū)分應(yīng)包括:預(yù)處理生產(chǎn)線、片段生產(chǎn)線、型材生產(chǎn)線、部件生產(chǎn)線、分段生產(chǎn)線(分為2條線)。16個(gè)節(jié)拍生產(chǎn)工位按照工位設(shè)置,應(yīng)當(dāng)包括:鋼材工位、平板工位、鋼材預(yù)處理工位、板材下料切割工位、型材下料切割工位、T型材制作工位、部件制作工位、激光拼板工位、劃線切割工位、縱骨激光焊接工位、橫移工位、T型梁裝配工位、全位置焊接機(jī)器人工位、圍壁板裝配工位、手工焊門架工位、頂升下胎工位。

2.1 鋼材預(yù)處理線

鋼材預(yù)處理線工藝流程見圖2。

圖2 鋼材預(yù)處理線工藝流程

預(yù)處理線應(yīng)包含鋼材料場理料工位、平板工位、預(yù)處理打砂噴涂工位、理料緩存區(qū)、鋼板劃線工位等。對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本需求如下:

(1)場地面平整度高、電磁吊運(yùn)行狀態(tài)良好。

(2)設(shè)置1臺平板設(shè)備、1臺具有2 mm以上預(yù)處理能力的新型薄板預(yù)處理設(shè)備。

(3)設(shè)置1臺板材數(shù)控劃線機(jī),要求在吊車覆蓋區(qū)域內(nèi),劃線板材能夠直接上輥板通道為各切割設(shè)備輸出劃線板材。

(4)設(shè)置鋼材平板小型獨(dú)立廠房、平板設(shè)備、傳送軌道。薄板平板工序復(fù)雜,平板設(shè)備應(yīng)具備原材平板、切割后平板、預(yù)處理后平板功能及通道的配備。重點(diǎn)關(guān)注通道設(shè)置的合理性,使各類型待平板能順暢輸入、輸出及臨時(shí)緩存。設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)3～12 mm平板能力,板幅寬度盡量大。

(5)單獨(dú)設(shè)置2臺劃線機(jī),實(shí)現(xiàn)噴碼與劃線功能。該劃線機(jī)劃線效率較高,可搭配多臺切割機(jī)使用,提高了切割機(jī)切割效率。為解決場地問題,將劃線機(jī)設(shè)置在預(yù)處理車間內(nèi)部,劃線后轉(zhuǎn)出。

2.2 型材生產(chǎn)線

型材切割流水線設(shè)置數(shù)量需要按照設(shè)備產(chǎn)能進(jìn)行評估。型材線應(yīng)包含型材數(shù)控下料工位、型材手工下料工位、T型材制作工位、配盤緩存區(qū)等。對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求如下:

(1)型材手工切割工位:型材手工切割區(qū)將解決數(shù)控型材切割機(jī)無法覆蓋切割的型材零件。

(2)型材數(shù)控下料工位:根據(jù)型材自動(dòng)化切割設(shè)備產(chǎn)出能力確定設(shè)置1套或2套型材數(shù)控切割設(shè)備。型材自動(dòng)化切割根據(jù)數(shù)控切割程序?qū)崿F(xiàn)下料、坡口制作、流水孔透氣孔開設(shè)、自動(dòng)校正等工作,解決傳統(tǒng)手工切割費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、變形大、精度差等問題。

(3)設(shè)置新型T型材裝配、焊接、校直流水線設(shè)備。T型材制作流水線可實(shí)現(xiàn)T型材制作流水作業(yè),應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)開孔腹板T型梁自動(dòng)焊接與校直。

(4)設(shè)置型材校直設(shè)備。規(guī)劃材料緩存區(qū)。

2.3 板材數(shù)控切割工位

板材數(shù)控切割工位數(shù)控線(型材線、部件線、片段線、分段線)切割后零件供給的源頭。切割工藝流程見圖3。對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本需求如下:

圖3 切割工藝流程圖

(1)增設(shè)激光切割機(jī)、高精度等離子切割機(jī)。板材切割保證切割直線度,切割后將板材放在轉(zhuǎn)運(yùn)托盤上進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn),到達(dá)拼板生產(chǎn)線后使用電磁吊車將板材吊運(yùn)到拼板場地。

(2)增設(shè)龍門切割機(jī)。配備等離子切割機(jī)、火焰切割機(jī),根據(jù)產(chǎn)能評估安裝激光切割機(jī)與高精度等離子切割機(jī)。需重點(diǎn)關(guān)注切割機(jī)產(chǎn)能評估,根據(jù)薄板產(chǎn)能需求,配備切割機(jī)數(shù)量。

2.4 部件制作線

部件制作線主要用于制作薄板分段側(cè)壁板,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般設(shè)置1條橫向拼板縫、若干根垂向型材,壁板上一般開設(shè)門窗開孔、通風(fēng)開孔、管系開孔等。部件制作線工藝流程見圖4。部件制作線細(xì)化工位應(yīng)包含拼板工位、平板工位、型材裝焊工位、焊后消應(yīng)矯形工位、配盤緩存區(qū)等?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本需求如下:設(shè)置薄板埋弧焊接設(shè)備、骨材焊接設(shè)備、消應(yīng)矯形設(shè)備。

圖4 部件制作線工藝流程

在圍壁板部件制作場地,拼板后應(yīng)用電磁吊車或傳送軌道送至矯平設(shè)備處進(jìn)行輥板矯平消應(yīng)力處理,拼板后進(jìn)行型材裝焊過程,拼板焊接及骨材焊接應(yīng)采用適用于薄板焊接施工、焊接變形量小的焊接工藝設(shè)備。整體焊后考慮采用機(jī)械設(shè)備消應(yīng)方式解決縱骨焊接變形問題,可結(jié)合翻身火工矯正工藝實(shí)施,保證在輸出片體壁板前的應(yīng)力與變形狀態(tài)良好。

部件制作生產(chǎn)線采用國際最先進(jìn)智能先行小組立焊接技術(shù):2個(gè)焊接手臂,2個(gè)背燒槍頭,自動(dòng)下胎。大功率的激光復(fù)合焊工藝可以有效控制工件精度,保障工件質(zhì)量。

2.5 片段線

片段線是以平面片體為輸出產(chǎn)品的流水線式施工生產(chǎn)線,產(chǎn)品一般為平面薄板分段胎板,與國內(nèi)普通的平臺工位、FCB片體工位相似即可。片段線應(yīng)包含激光拼板工位、打磨劃線切割工位、縱骨激光焊接工位、機(jī)器人焊接工位等。片段線對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本需求如下:設(shè)置激光拼板設(shè)備、打磨劃線切割設(shè)備、縱骨激光焊接設(shè)備、機(jī)器人焊接設(shè)備及地面?zhèn)魉拖到y(tǒng)。

智能化薄板分段流水線的焊接精細(xì)度需求極高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,對焊接工作人員的專業(yè)素養(yǎng)要求較高。由于機(jī)器人具備抗疲勞、 高精準(zhǔn)、抗干擾等特點(diǎn),應(yīng)用焊接機(jī)器人技術(shù)取代人工焊接,可保證焊接質(zhì)量一致性,以提高焊接作業(yè)效率, 同時(shí)也能直觀地反饋焊接作業(yè)的質(zhì)量。

片段線施工工藝流程見圖5。

圖5 片段線施工工藝流程

片段線也稱為薄板片體生產(chǎn)線,減少薄板分段在生產(chǎn)過程中的變形是建設(shè)這條流水線需要解決的主要技術(shù)問題之一。生產(chǎn)線上制作薄板分段,關(guān)鍵是最大限度地減少鋼材在進(jìn)行焊接等熱加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力變形。在流水線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這些復(fù)雜的工藝要求。在拼板焊接坡口銑削時(shí),要做到焊接坡口的間隙小于0.5 mm,以確保焊接時(shí)坡口處受熱均勻?？v骨焊接工位配有專門的定型裝置,可最大限度地減少工件在焊接時(shí)的自由度,從而減少焊接時(shí)產(chǎn)生的變形量。與此同時(shí),分段片體在各工位之間轉(zhuǎn)移均是依靠滾輪來進(jìn)行傳輸,確保片體多點(diǎn)均勻受力,避免磕碰。

以埋弧焊接技術(shù)支撐的翻板式薄板平面流水線系統(tǒng),因焊接技術(shù)成熟而應(yīng)用廣泛,這種生產(chǎn)線設(shè)置方式較為先進(jìn)。該薄板平面片體流水生產(chǎn)線是集鋼板琴鍵式壓力架自動(dòng)焊接、板片180°自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、板片自動(dòng)劃線、縱骨多電極高效自動(dòng)焊接為一體的高效薄板平面片體自動(dòng)生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線設(shè)置鋼板預(yù)拼裝平臺,并配有鋼板縱橫調(diào)整和定位裝置,有效地提高了鋼板預(yù)拼裝的效率和精度。板材在生產(chǎn)線上運(yùn)輸使用滾輪及傳動(dòng)裝置,不使用吊車,可保證板材不產(chǎn)生應(yīng)力變形。焊接時(shí),配置了琴鍵式正面壓力架自動(dòng)焊接機(jī)、輔助激光焊縫跟蹤器,有效保證了焊縫質(zhì)量,并且很大程度降低了鋼板的焊接變形。

鋼板正面焊接完成后由鋼板翻轉(zhuǎn)機(jī)自動(dòng)將鋼板翻轉(zhuǎn)180°,再用琴鍵式反面壓力架完成鋼板的反面自動(dòng)焊接。焊接完成后,通過滑輪軌道輸送到中組/大組等下道工序。薄板平面片體流水生產(chǎn)線通過運(yùn)輸、翻身不使用吊車、焊接時(shí)采用壓架固定、低電流埋弧焊機(jī)焊接等多種工藝手段,有效保證薄板焊接施工不發(fā)生變形。

2.6 立體分段線

立體分段線是以胎板片體、側(cè)壁板部件、T型梁組件等為輸入,以完工分段為輸出產(chǎn)品的流水線施工產(chǎn)線,產(chǎn)出分段類型一般定制為薄板平面分段。分段線布置規(guī)劃見圖6。

①—頂升運(yùn)出;②—壁裝焊門架;③—T-Beam機(jī)器人焊接門架;④—橫移小車;⑤—T-Beam裝配門架;⑥—搬運(yùn)臺車;⑦—分段線地面系統(tǒng)。

分段線應(yīng)包含橫移工位、T型梁裝配工位、機(jī)器人焊接工位、圍壁板裝配工位、手工焊門架工位、頂升下胎工位等。對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本需求如下:

設(shè)置地面?zhèn)魉拖到y(tǒng)和頂升下胎裝置、T型梁裝配門架系統(tǒng)、機(jī)器人焊接門架設(shè)備、手工焊門架系統(tǒng)等設(shè)備。

分段線施工工藝流程見圖7。

圖7 分段線施工工藝流程

3 智能互聯(lián)信息管控系統(tǒng)

智能化薄板分段流水線將打造新一代分段智能車間,在模型數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)流水線各管理對象間的互通互聯(lián)、快速響應(yīng)。鋼材(板材、型材)數(shù)字化劃線切割、拼板自動(dòng)化激光焊接、型材自動(dòng)化裝配焊接和T-Beam 自動(dòng)化焊接等制造單元,提升生產(chǎn)智能化水平[5]。

(1)智能裝備:多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域工程化應(yīng)用助力車間提質(zhì)增效。

(2)工業(yè)元素?cái)?shù)字協(xié)同:工業(yè)互聯(lián)助力生產(chǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)分段生產(chǎn),展示分段生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息[6]。

(3)智能生產(chǎn)管理:通過智能生產(chǎn)管理方式,實(shí)時(shí)掌控生產(chǎn)執(zhí)行狀態(tài)。

(4)智慧物流管理:流水線內(nèi)實(shí)施生產(chǎn)車輛智慧調(diào)度系統(tǒng),通過派單、搶單等創(chuàng)新模式,調(diào)動(dòng)運(yùn)輸車輛司機(jī)積極性,提升車間內(nèi)外部物資配送效率。

4 結(jié)論

智能化薄板分段生產(chǎn)流水線,對船舶工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。其重點(diǎn)在于從智能化的角度滿足先進(jìn)的特種船舶的生產(chǎn)需求,提高船舶建造質(zhì)量和總體生產(chǎn)效率。該流水線具有以下優(yōu)勢:

(1)適用于未來的發(fā)展需要,承接高附加值的特種船舶。

(2)推進(jìn)“三化”造船,實(shí)現(xiàn)造船數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

(3)提高船舶整體建造質(zhì)量、精度和總體生產(chǎn)效率。