數(shù)字化智能管子制作新技術(shù)及應(yīng)用

蔣 萍

（舟山中遠(yuǎn)海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

目前在船舶管件加工技術(shù)領(lǐng)域，對高精度、各種型號及尺寸的管件，尚缺乏能對其進(jìn)行精確測量的技術(shù)手段。此外，由于存在空間限制，管件的傾角、轉(zhuǎn)角也很難得到精確測量，導(dǎo)致管件及法蘭重要的三維布局、幾何形態(tài)無法得到精準(zhǔn)還原。本文從管系數(shù)字化測量、設(shè)計和制作新技術(shù)的選題出發(fā)，這一選題是《推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動計劃（2019—2021年）》指導(dǎo)文件所明確的船舶智能制造關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)重點之一。本技術(shù)研發(fā)基于實現(xiàn)智能化制造的總體要求，圍繞船舶的生產(chǎn)工藝化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化展開，貼合數(shù)字化轉(zhuǎn)型方向，是各大船企解決問題的方法，有普遍而迫切的需求，在實現(xiàn)智能管路設(shè)計及制作中具有創(chuàng)新意義。

1 船舶管路設(shè)計與制造概述

1.1 船舶管路系統(tǒng)基礎(chǔ)理論

1.2 傳統(tǒng)舶管路系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

2 船舶管路智能數(shù)字化技術(shù)內(nèi)容

2.1 技術(shù)設(shè)計思路

2.2 技術(shù)主體內(nèi)容

1）管件法蘭位姿還原制作加工工位（制管工裝）。采用了機(jī)械設(shè)計技術(shù)，完成了首代產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計、應(yīng)力有限元分析、生產(chǎn)設(shè)計、加工制作、精度鑒定工作[5]。采用此制管工裝可以直接在現(xiàn)場實現(xiàn)四類管件的法蘭位姿還原工作，工裝制作如圖5所示。

圖5 工裝依據(jù)小票圖制作成品管

2）知識轉(zhuǎn)化工藝（工藝固化與更新管理）。以數(shù)字化制管新工藝文件，將上述應(yīng)用創(chuàng)新固化為新工藝，實現(xiàn)知識的管理、固化、執(zhí)行和更新。

圖4 生成完整管段參數(shù)化模型

通過上述5項技術(shù)主體內(nèi)容，實現(xiàn)快速、高精度采集管件法蘭螺栓孔的特征點，快速分析并還原法蘭盤位姿，通過工裝可快速實現(xiàn)法蘭盤位姿實際還原的實際應(yīng)用。

3 船舶管路智能數(shù)字化研究結(jié)果分析

經(jīng)過對直管、單彎型管、雙彎型管和立體雙彎型管這4類現(xiàn)配管的制管實踐，總結(jié)出以下幾個特點：

1）在測量方面，采用的攝影測量技術(shù)可極大地提高各種法蘭測量的便捷性?？梢詼y量小到各類接頭，大到直徑為幾米的管子。測量設(shè)備小巧輕便，操作簡單，精度優(yōu)于0.5 mm；測量設(shè)備小巧便攜，尤其適用于現(xiàn)配管船艙環(huán)境。

2）在軟件方面，管件設(shè)計、建模和出圖模塊與設(shè)計軟件同步更新，出圖方式與設(shè)計一致；便于與現(xiàn)有設(shè)計與生產(chǎn)流程對接?？蓪崿F(xiàn)基于現(xiàn)場工況的自由設(shè)計，可以實施避讓現(xiàn)場障礙物的設(shè)計，支持現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的設(shè)計與數(shù)據(jù)對接要求。

3）制管工裝方面，制管尺寸范圍大。可以制作長度最小為200 mm的管子，最大不限；制管精度高達(dá)1 mm。

由此，該技術(shù)可完全替代原有靠模加工方式，避免了物材損耗及安全隱患，實現(xiàn)了管件加工的數(shù)字化。在效率、精度、信息3個方面形成優(yōu)勢；還能實現(xiàn)上述4類管子制作后品質(zhì)檢驗的功能。

1）制管效率高，大大節(jié)約工作時間?，F(xiàn)場攝影5 min，出具加工圖3 min，現(xiàn)場位姿還原作業(yè)10～15 min，使得每根現(xiàn)配管的制作平均耗時縮短到25 min以內(nèi)。

圖3 自動生成法蘭孔坐標(biāo)信息

2）制管精度高，達(dá)到毫米級精度。攝影測量精度達(dá)到0.1 mm以上，制管工裝在安裝過程中嚴(yán)格把控安裝精度，使工裝精度達(dá)到亞毫米級，由此通過該工裝制作出來的現(xiàn)配管，精度均達(dá)到毫米級精度。

3）管件信息流轉(zhuǎn)順暢。將需要進(jìn)行現(xiàn)配的管件實現(xiàn)部件庫資源可提取，可參考并沿用管件設(shè)計圖表的大部分內(nèi)容，僅在尺寸和法蘭位姿方面提供現(xiàn)配數(shù)據(jù)。由此，現(xiàn)配管的測量和制作順利納入現(xiàn)有管子設(shè)計、管理和流轉(zhuǎn)的信息體系。

4）管子尺寸品質(zhì)檢驗。該技術(shù)還可實現(xiàn)管子尺寸品質(zhì)測量檢驗的工作，對于提升高品質(zhì)管件的品質(zhì)管理及檢驗水平起到良好的促進(jìn)作用。

船舶管路智能數(shù)字化可以解決船舶企業(yè)關(guān)于現(xiàn)配管普遍存在的痛點，能順利化解1.2節(jié)中所提到3項困難中的前2項困難。對于第3項困難，該技術(shù)尚無法化解：由于修船管子為封閉形式下采集法蘭孔數(shù)據(jù)，還需重點針對本技術(shù)的測量環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。

本技術(shù)所設(shè)計的產(chǎn)品構(gòu)成、功能以及使用該產(chǎn)品所需的技能，滿足當(dāng)前船企普遍的組織形式和崗位技能要求，經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)，可快速上手，使該技術(shù)具備充分的可實施性。

本設(shè)計產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，是確保該技術(shù)成為工廠現(xiàn)配管制管技術(shù)的有力保障，也為該技術(shù)的更新、優(yōu)化、延伸應(yīng)用提供了知識的準(zhǔn)備。

綜上所述，該技術(shù)具備可實施性和較高的可推廣價值。

4 船舶管路智能數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用前景

研發(fā)并實踐船舶管路智能數(shù)字化技術(shù)的首要目標(biāo)，是使其成功應(yīng)用在船舶建造過程中的直管、單彎型管、雙彎型管和立體雙彎型管這4類現(xiàn)配管的制管作業(yè)上，實現(xiàn)任務(wù)數(shù)字化、作業(yè)機(jī)械化的目標(biāo)。截止到2020年底，采用該技術(shù)已經(jīng)在我司實現(xiàn)6條船千余根現(xiàn)配管的制作，制管成功率達(dá)到98%。由此說明該數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)現(xiàn)有大部分現(xiàn)配管的工藝創(chuàng)新，改變原有靠模工藝為現(xiàn)在的“管子數(shù)字化測量、設(shè)計和制作”新工藝。該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。

在使用過程中，該技術(shù)的應(yīng)用有效提升了制管工人的思維模式和作業(yè)技能：其思維模式從原來的“死靠?！钡侥壳暗摹盎顢?shù)字”、其作業(yè)形式從原來的“按模做”到目前的“按數(shù)做”，制作過程實現(xiàn)多維度、立體的可視化操作，培養(yǎng)工人基于設(shè)計的思維模式，有益于工人理解設(shè)計工藝、質(zhì)量要求。對于工廠推進(jìn)數(shù)字化建造和智能制造，工人的思維模式和作業(yè)技能由“物”向“數(shù)”的轉(zhuǎn)變，是有著重要意義的，也是船企走向數(shù)字化和智能制造的重要基礎(chǔ)和必要條件。

對于“物”向“數(shù)”轉(zhuǎn)變的思維模式，帶給我們更多的應(yīng)用啟發(fā)，即本技術(shù)可延伸的應(yīng)用如：延伸到在建船只預(yù)制管的高精度、快速裝配的應(yīng)用，以此提升制管精度和制管效率；延伸到運營船只管子的快速修理：實現(xiàn)卸貨泊系期間拍照獲取、提前制作、到港替換的操作，以此減少修理時間，最大限度提高船舶運營效率，增加船東滿意度，提高船廠資源的利用率。由此，該技術(shù)還能衍生出多種新型應(yīng)用。

5 結(jié)論

“管子智能數(shù)字化測量、設(shè)計和制作新方法”將大幅度減輕起重資源負(fù)擔(dān)，減少能源消耗，有助于環(huán)境改善；該方法提升安全系數(shù)，降低勞動強(qiáng)度，有益于員工工作條件的改善；該方法保障產(chǎn)品質(zhì)量，有益于提升客戶滿意度和忠誠度，更好樹立企業(yè)質(zhì)量形象；該方法大量減少勞力工人數(shù)量，適當(dāng)增加技術(shù)工人數(shù)量，有益于企業(yè)知識性工人結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。以提升工人單位時間創(chuàng)造的效益為指導(dǎo)思想，以國家多項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為專業(yè)規(guī)范，融合了測繪技術(shù)、軟件技術(shù)、精密機(jī)械設(shè)計及加工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，以更自主式的人機(jī)交互的方式，開拓了一種數(shù)字化的制管思路。該技術(shù)在國內(nèi)首創(chuàng)，技術(shù)先進(jìn)，具備良好的社會責(zé)任績效。