基于三維體驗平臺的雙層底分段工藝成組技術

樸香美，朱明華，單小芬

(江南造船(集團)責任有限公司，上海 201913)

船體分段裝配圖作為直接面向生產的一份基礎性圖紙，包含了大量的信息，其設計質量將直接影響船舶建造速度與質量[1]。目前，分段裝配工藝設計模式為，采用成組技術原理，以中間產品為導向，實施船體分道，即將分段結構裝配劃分為大組立、中組立、小組立過程。設計員在此過程，即劃分大中小組立及確定組立裝配工藝的過程中，需要翻閱大量的工藝文件，如建造方針、分段建造原則工藝、詳細組立要領、生產場地產能信息等，同時還需要依賴于設計員的經驗知識，而這些知識要么分散在各個工藝文件中，要么掌握在個別老師傅或專家手里，不利于知識共享和相似情況下的知識重用，導致工藝設計水平因人而異，設計自動化程度低，增加了設計周期及成本，不能滿足現代工藝設計的需求。

這就迫切需求工藝設計模式上的創新，提高設計質量、改進設計模式、實現技術進步。鑒于各船型雙層底分段結構相似性較高的特點，對雙層底分段特有結構的組立裝配知識和常見結構的組立裝配共性知識等，根據成組技術進行分類及梳理，以CAA(component application architecture)方式進行3DEXP的二次開發，并將梳理的規則以知識工程語言(EKL)形式存儲于平臺工藝知識庫，形成結構化的工藝成組規則，從而實現工藝成組技術規范化、自動化、知識化的目標。

1 雙層底分段工藝成組規則

結合成組技術[2-4]，以提高分段建造效率和質量為原則，對已建船型進行總結，結合小組立智能制造生產線規劃等生產資源能力，并參考相關工藝文件，梳理分段工藝步驟、各細分類型的小組立與中組立、是否有曲面板架、組立基面等信息，以及各細分類型的小組立、中組立名稱、零部件編碼、工序要求和并聯工序等信息，從而確定雙層底分段工藝設計。

1.1 雙層底分段組立類別、命名規則及劃分原則

1)裝配階段細分類型梳理，即將裝配階段細分為小組立、中組立、大組立、一次總組、二次總組、搭載。

2)中組立細分類型梳理，即將中組立細分為內底中組立、內底片體中組立、外板片體中組立。

3)中大組散件細分類型梳理，即將零件細分為需拼接的板、不拼接的板、縱骨、加強筋、補板、肘板。

4)小組立細分類型梳理，即將小組立細分為縱桁、肋板、肘板。

5)命名規則梳理，即梳理各階段及零部件細分類型命名規則，搭載(003)、二次總組(002)、一次總組(001)、大組立(000)、內底中組立(IB1A)、內底片體中組立(IB1B)、外板片體中組立(BS1A)、縱桁(GR*)、肋板(FR*)、肘板(BK*)、需拼接的板(K*)、不拼接的板(A*)、縱骨(L*)、加強筋(S*)、補板(C*)、肘板(B*)。

6)各生產區域分段限制條件梳理，即生產一區分段長度不超過12 m，生產二區分段長度不超過21 m。

7)大組立建造方式梳理，即外板帶線型時，以內底片體為基面，采用外板散裝的形式，而外板平直時，以外板片體組立為基面，采用內底組立翻身到外板的形式[5]。

8)各生產區域小組立限制條件梳理，即生產一區組立寬度不超過4 m、高度不超過2 m、質量不超過18 t，生產二區組立寬度不超過6 m、高度不超過2 m、重量不超過30 t，且生產二區的小組立寬度小于1.5 m狹長型且直線度要求較高的部件，組立長度不超過12 m。

1.2 雙層底分段工藝成組規則

1)分段組立工藝成組規則梳理，即梳理各細分類型的中組立及大組立的工序。安裝縱向、橫向構件時，按照從中縱到兩側、從船艉至船艏的基本順序，再結合實際干涉情況進一步調整裝配順序[6-7]。

2)中組立建造基面梳理，即定義內底中組立以內底片體中組立為基面建造、內底片體中組立以內底拼板為基面建造、外板片體中組立以外板拼板為基面建造。

3)在組立階段未規定小組、一次總組、二次總組及搭載階段的裝配順序。

2 分段裝配工藝工具開發

2.1 開發方案設計

根據結構特點、零部件主尺度、材質、板架及型材類型等屬性，檢索及判斷組立工藝規則，獲取各組立階段的建造方法和建造策略，并結合分段工藝成組規則，總結以裝配體為節點單元的建造順序影響因素，最終提出船體結構工藝成組技術自動生成方法，工具功能設計流程見圖1。

圖1 工具功能設計流程

1)點擊功能命令并選擇結構樹中相應節點，勾選同時或分別創建裝配結構樹及工藝成組規則。

2)程序判斷分段長度是否超過12 m，“否”選取一區工藝規則，“是”選取二區工藝規則。

3)程序判斷分段外板是否帶線型，“是”大組以內底中組立為基面散裝外板，“否”以外板片體中組立為基面建造。

4)二區工藝規則下，程序判斷分段內底板是否為低溫鋼材料，“是”增加內底片體中組立，“否”內底片體散裝。

5)二區規則下，程序判斷組立寬度是否超過6 m、高度是否超過2 m、質量是否超過30 t，“否”作為小組立，“是”作為中組立。

6)二區規則下，小組立寬度小于1.5 m狹長型且直線度要求較高的部件，程序判斷組立長度是否超過12 m，“是”截斷為兩個組立，“否”形成一個組立。

7)一區規則下，程序判斷組立寬度是否超過4 m、高度是否超過2 m、質量是否超過18 t，“否”作為小組立，“是”作為中組立。

8)程序讀取板架類型，根據裝配結構規則，生成各層級組立結構。

9)程序根據補板、肘板等散件位置，將散件歸入相應組立。

10)程序讀取零部件位置，根據工藝成組規則，生成從中縱至兩側、從船尾至船首的裝配順序。

11)程序根據組立命名規則，添加屬性信息，即在名稱欄寫入零部件或組立階段名稱。

12)裝配結構及工藝成組結構節點擴展屬性類別，即擴展組立類別、建造基面、零部件層級號、零部件工序號屬性。

13)程序根據組立劃分規則，添加屬性信息，即在組立類別欄，寫入中組立或小組立。

14)程序基于裝配結構樹，根據工藝成組規則，添加屬性信息，即在建造基面屬性欄，寫入中大組立建造基面。

15)程序基于裝配結構樹，根據工藝成組規則，添加屬性信息，即在零部件層級號屬性欄，寫入零部件在分段裝配過程中所屬層級。

16)程序基于裝配結構樹，根據工藝成組規則，添加屬性信息，即在零部件工序號屬性欄，寫入零部件在所屬層級中安裝順序。

17)程序基于零部件層級號及工序號，可視化工藝成組結構。

2.2 系統開發工具

通過CAA及EKL 2種方式對3DEXP進行二次開發[8]，使用EKL語言編寫工藝成組規則，并基于Microsoft Visual Studio2015，使用CAA在三維體驗平臺(3DExperience Platform，3DEXP)界面添加工藝設計工具條及生成工藝成組技術功能按鈕。點擊功能按鈕，調用CAA判斷方向、測重、測距函數及EKL規則，快速生成雙層底工藝成組規則。

3 工具功能測試

3.1 規則調用

為測試規則的通用性，以包含雙層底主要結構及生成工藝規則所需輸入條件的分段為對象進行工藝成組技術驗證，圖2為功能按鈕及工具主界面，工具使用過程如下。

1)使用測試用分段創建PPR(product-process-resource)節點、裝配結構節點及工藝成組規則頂層節點，并創建各節點間的關聯。

2)點擊功能鍵彈出工具界面，如圖2，選擇產品模型節點，并勾選同時或分別創建裝配結構樹及工藝成組規則，程序通過判斷在“Knowledge Rules To Select”一欄中自動選取適用的工藝知識規則。

圖2 工具按鈕及工具主界面

3)單擊OK，程序基于規則生成產品模型對應的裝配結構及工藝成組結構，并創建兩者間的關聯，同時各節點均按規則自動命名，且各節點基于規則完成物料的自動分配。

3.2 測試結果

測試發現，程序執行時調用的工藝知識規則為本功能的關鍵要素，這些規則由管理員在平臺中預定義，供程序調用。傳統模式需要設計員翻閱大量資料并將幾百甚至上千個零件按規則組織節點并生成順序，而這個過程中軟件響應速度也非常影響工作效率，因此完成一個分段往往需要1 d或更長時間。測試結果顯示，裝配結構及工藝成組結構生成結果基本符合前期梳理的規則，且相比傳統模式，大幅減少設計工時、自動規避命名不規則等人為因素造成的錯誤、信息表達更直觀清晰，且通過細化施工工序可加強設計深度，以下為測試結果。

1)通過簡單操作調用規則后，39 s即可生成結果，見圖3。

圖3 裝配結構樹

2)小組立結構符合規則，生成縱桁、肋板、肘板節點。

3)中組立結構符合規則，生成內底中組立、內底片體、外板片體節點。

4)裝配階段符合規則，生成小/中/大組立、一次/二次總組、搭載節點。

5)中大組散件符合規則，需拼接的板、不拼接的板、縱骨、加強筋、補板、肘板歸入相應組立。

6)零部件命名符合組立及零件命名規則。

7)裝配結構及工藝成組結構節點擴展屬性類別，生成組立類別、建造基面、零部件層級號、零部件工序號屬性欄，并正確寫入相關屬性信息。

7)組立成組結構符合規則，且從簡單文字描述的傳統方式，改為按詳細施工步驟分解模型顯示的模式，見圖4。

圖4 工藝成組結構

4 結論

通過提出的基于3DEXP的雙層底分段工藝成組技術，可快速實現工藝成組規則的實例化，從而達到工藝規范化、自動化、知識化的目的。

1)對552個零件進行分段測試，用時不到1 min，縮減設計工時。

2)通過將大量工藝知識進行梳理并形成規則，利于知識重用。

3)通過規則自動生成工藝信息，規避設計員操作不規范而會導致的問題。

雖然該技術于提高公司工藝設計能力效果明顯，但該技術目前未涉及自動規劃裝配路徑及干涉檢查的功能，為提高該技術于現場作業指導的實用性，需要對該技術繼續研究，使其功能更加完善。