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)
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。