面向大型豪華郵輪薄板平面分段流水線的信息化技術

王世利，毛祖杰，韋乃琨，雷雨雨，孔 寧，劉雨田

（1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 上海船舶工藝研究所，上海 200032；3. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

0 引言

郵輪產業作為朝陽產業，具有國家戰略利益與企業經濟利益的疊加、國防工業發展需求與郵輪經濟發展需求疊加的雙重優勢，對消費與就業有較強的直接拉動力，能帶動相關產業的協調發展，產生巨大的社會效益和經濟效益。大型郵輪被譽為“海上流動的城市”，集觀光、旅游、休閑、娛樂等功能于一體，是國際造船業公認的高技術、高附加值、高可靠性的“三高”船舶，具有船體超大、結構復雜、舾裝考究等特點，因其設計建造的難度和造價高，被譽為世界造船界皇冠上的明珠。作為我國船舶工業唯一沒有建造業績的船舶類型，建造大型郵輪，填補我國在這一船型領域的空白，有利于帶動我國船舶設計建造整體技術水平的提升，推動我國船舶工業從中低端向中高端發展。大型郵輪設計建造對于船廠的設計建造能力、資源整合能力、項目管理能力、系統集成能力和安全質量控制能力等將會有質的提升，并通過郵輪的承建可拉動我國船舶工業相關配套行業共同發展。目前，我國大型豪華郵輪工程已進入正式實施階段，首艘大型郵輪船型為13.55萬總噸VISTA級，總長為323.6 m，型寬為37.2 m，最大容納乘客量為5 246人，總客房2 125間，入英國勞氏船級社和中國船級社，掛巴拿馬旗，由上海外高橋造船有限公司（簡稱：外高橋船廠）承建。

大型郵輪設計建造是龐大復雜的系統工程，建造難在體系。大型郵輪在設計、供應鏈管理、項目管理和建造方面難度遠遠高于普通商船，復雜的系統設計、苛刻的建造工藝、多元化的供應鏈管理、巨型的供應商管控、超大量的舾裝作業、超大量的多系統交叉作業和施工現場復雜多變等各方面工作均是一種新的挑戰和新的認知。因此，這對薄板車間的總體建造能力提出了更高要求。同時，豪華郵輪結構具有型寬大、型深小、上層建筑長、甲板層數多等特點，為了減輕結構質量，提高航速、降低船舶重心等，豪華郵輪薄板使用比例大，通常會大量使用僅有4 mm～5 mm的薄板來進行建造，平面分段占有率較高。結合大型豪華郵輪建造特點，為提升整體建造效率，改善作業環境，有效控制板架變形和分段精度，外高橋船廠正在建設采用國際先進大功率激光焊工藝的薄板平面分段流水線（簡稱：薄板線）。

1 薄板線主要工藝流程

薄板線建設在薄板中心車間內，車間總占地面積約為50 000 m，共3跨。薄板線由單條片段線、2條分段線，包括激光復合自動化焊接、數控打磨劃線切割、縱骨自動裝配焊接、型鋼自動化切割加工、T-Beam機器人焊接、圍壁裝配焊接等關鍵工位，如圖1所示。薄板線的主要生產技術參數見表1。

圖1 單條片段線/2條分段線示意及實景圖

表1 薄板平面分段流水線主要技術參數

薄板線主要工藝流程為原材預處理→原材切邊→銑邊/拼板→打磨/劃線/切割→型材裝焊→T-Beam焊接→圍壁部件裝焊。根據中間產品形式可分為板材（plate）、拼板（sub-panel）、板架（panel）、片段（section）、分段（block）等階段，如圖2所示。

圖2 薄板線主要工序/中間產品示意及實景圖

2 薄板線信息化技術

薄板線信息化建設目標是在模型數據的驅動下實現流水線各管理對象間的互通互聯、快速響應。開展生產車間及自動化裝備的建設，提升平面分段關鍵部件生產自動化水平，聯通自動化裝備、制作對象、作業人員、工藝數據和物流信息等生產要素，突破關鍵部件協同管控技術，最終實現平面分段數字化制造。薄板線信息化建設內容包含自動化裝備、制作對象、作業人員、工藝數據和物流信息等生產要素，突破計劃任務、關鍵部件協同管控技術，最終實現薄板平面分段的數字化制造。充分滿足流水線設備制造執行和數據集成信息化要求，實現精益生產、敏捷生產和智能制造。如圖3所示，薄板線信息化建設主要實現以下功能：

圖3 薄板線信息化建設整體架構

1）生產線管理平臺提供機器指令轉換（套料）、離線編程、任務下發、異常報警、生產進度和設備狀態等服務，提供鷹圖和Tribon M3設計系統三維模型、圖紙、設計數據輸入接口；

2）集中控制室具有集中管控功能，實時動態反應流水線生產情況，直觀反映各項生產數據、設備狀態和報警信息，通過部署工業網絡及硬件，車間網絡與各流水線設備實現通信與集成，可對自動化設備進行狀態監測和控制。

3 生產指令轉換技術

根據設計系統下發的分段三維模型、組立信息、零部件加工板圖，通過自主研發的NC轉換接口，生成銑邊拼板指令、劃線切割指令、縱骨裝焊指令、T-Beam機器人離線編程指令等，下發到各工位實現拼板、切割、縱骨裝焊、T-Beam裝焊等自動化生產，如圖4所示。

圖4 模型指令轉換流程示意圖

1）銑邊拼板指令轉換接口。將板材加工文件（如xml、gen等格式）導入NC轉換程序，可轉換為銑邊/拼板設備指令文件（txt格式）。如圖5所示。

圖5 銑邊拼板指令轉換接口軟件界面

2）打磨劃線切割指令轉換接口。將板架切割板圖（如xml、gen等格式）導入管理平臺，可轉換為打磨、劃線和切割機器指令（mpg格式）。如圖6所示。

圖6 打磨/劃線/切割指令轉換接口軟件界面

3）縱骨自動焊接指令轉換接口。將片體加工文件（如xml、gen等格式）導入管理平臺，可轉換為縱骨自動焊接機器指令文件（txt格式）。如圖7所示。

圖7 縱骨自動焊接指令轉換接口軟件界面

4）T-Beam機器人焊接指令轉換接口。將片體三維模型（如igs、atx格式）導入管理平臺離線編程軟件，進行路徑規劃和焊接工藝匹配，可生成機器人焊接指令（prg格式），如圖8所示為離線編程軟件界面。

圖8 機器人焊接指令轉換接口軟件界面

薄板線機器人焊接工位生產方式包括數據驅動和先進視覺技術2種。第一種是提供配套的數據驅動軟件包，使用船舶設計軟件輸出的工件設計信息（通用三維模型）進行數據驅動，通過工件模型的信息，自動分析模型數據推算出焊接軌跡和匹配的工藝參數，在焊接工位的三維數據實現快速離線編程；第二種是通過視覺識別系統獲得工件的三維數據和工件位置信息后，利用提供的三維視覺系統軟件包自動生成機器人運動軌跡，并自動匹配焊接工藝參數，再通過激光視覺系統進行焊縫尋位和焊接過程的自動跟蹤，無須示教和編程，實現自動焊接。

如圖9所示，針對焊接對象的材質、厚度、形式、焊材、焊腳以及裝配間隙等信息，依據焊接工藝規范，建立焊接工藝數據庫，將數據庫中的焊接電壓、焊接電流和焊接速度等焊接規程信息進行匹配，離線系統在生成焊接軌跡的過程中自動匹配相應的焊接工藝數據。在薄板線后續使用過程中持續配合完成焊接數據庫的建立，允許根據生產實際情況及焊接工藝情況自主進行參數優化。

圖9 焊接工藝專家庫軟件界面

4 結論

1）與傳統的生產方式相比，薄板線將薄板分段制造流程中的大量基本作業單元用流水線的方式進行組織，使生產過程更加連續，大幅提高薄板分段的制作效率；引入大量自動化設備和先進工藝，輔助流水線生產，有效降低生產成本；生產的輸入、輸出都可以通過平面分段流水線進行控制，間接提高物流配套準確性，對企業物流系統的運轉也起到推進作用；采用裝配線作業，設備、人員更加穩定，有利于提高平面分段制作質量，推動全面質量管理的實施。

2）薄板線將打造新一代分段智能車間，在模型數據的驅動下實現流水線各管理對象間的互通互聯、快速響應。鋼材（板材、型材）數字化劃線切割、拼板自動化激光焊接、型材自動化裝配焊接和T-Beam自動化焊接等制造單元智能化能力建設，提升豪華郵輪關鍵部件生產智能化水平。

構筑車間網絡和信息化設備，聯通自動化裝備、制作對象、作業人員、工藝數據、物流信息、質量信息等生產要素；突破高級排程及計劃協同管控技術，實現全過程數字化網絡化制造，充分滿足流水線設備制造執行和數據集成信息化要求，實現精益生產、敏捷生產、智能制造。

數字驅動生產技術的應用在薄板分段生產中，可實現薄板線主線工位數字模型指令驅動，減少生產過程中人為介入及出錯，節約人工，實現智能自動化運轉。薄板線的建成投產有助于加快引領外高橋造船廠智能制造改造升級，滿足特種船舶建造需求，提升船舶建造質量和生產效率，推進造船數字化、網絡化和智能化。結合船廠推進“殼、舾、涂一體化”、“數字化造船”等方面積累的技術，未來將有更多數字化技術應用在薄板線實際生產中，助力國產大型豪華郵輪順利建造。