板材智能切割工藝流程再造

摘" " 要：本文分析了傳統板材半自動化切割的工藝流程和要素，結合關鍵設備的能力與智能化技術的發展需求，形成了板材智能切割工藝的關鍵環節及相應工藝要素，提出了面向智能制造的板材切割方案和新流程。

關鍵詞：船舶建造；板材智能切割；工藝流程

中圖分類號：U671.99 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Intelligent Cutting Process Reengineering of Steel Plate

ZOU Zhe，" LI Chun，" XIAO Changkai，" LIANG Jianhui，" LI Ling

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Ltd.，" "Guangzhou" 511455， China ）

Abstract： This paper analyzes the process flow and elements of traditional semi-automatic plate cutting， points out the key links and corresponding process elements of the intelligent plate cutting process in combination with the ability of key equipment and the development requirements of intelligent technology， and puts forward the plate cutting scheme and new process for intelligent manufacturing.

Key words： shipbuilding;" intelligent plate cutting;" manufacturing process

1" " "引言

隨著智能化日益成為未來制造業發展的主要趨勢，我國船舶工業以中間產品組織生產為特征，開展了智能化轉型探索工作。作為中間產品生產流程的首要工序，板材切割機械化、自動化技術應用已非常成熟，但未實現智能切割。廣義的板材切割工藝流程包括鋼板分揀與上料、劃線切割、零件標識、零件分揀等關鍵工序。各關鍵工藝環節仍以機械化、半自動化裝備為主，數字化、信息化程度低。雖然部分國內大型船舶企業引進了板材數字化切割生產線，但是并未廣泛推廣應用。

本文圍繞板材切割工藝流程，對板材切割關鍵工藝環節進行分解，開展各環節的重要工藝要素研究，將各關鍵環節隱性、非結構化的數據進行數字化、結構化表達，開展面向智能制造下的板材切割工藝流程再造技術研究。

2" " "板材切割工藝要素分析

現階段傳統主流的板材切割工藝流程如圖1所示，分析其關鍵工序的工藝特點，結合智能制造技術發展，提出板材智能切割關鍵環節工藝要素。

2.1" "鋼板分揀及上料

1）傳統工藝特點

板材預處理后，人工將鋼材爐批號、工程號、分段號、規格、材質、板厚等信息手寫在鋼板邊緣，然后按分段開工計劃將材料分揀、吊運至不同的理料區。切割工位接收到任務派工后，操作人員在理料區找到所需板材，然后操作吊車將板材吊運至切割機工位。

此過程的板材屬性信息的獲取及書寫完全依靠人工進行，板材的搬運通過人工操作車間吊機完成。整個過程的自動化、信息化程度低下。

2）智能上料需求及工藝要素分析

首先在打通車間信息化一體化管控系統的基礎上，從設計端自動獲取板材信息并自動印制在板材上，管控系統下發指令到智能吊車自動將鋼板吊運至指定位置，實現板材自動分揀和自動上料至切割工位。結合鋼板分揀及上料的工藝需求和智能上料的特點，確認該環節所需智能裝備及工藝要素如表1所示。

2.2" "鋼板劃線及信息移植

1）傳統工藝特點

板件吊運在切割工位后，將切割指令拷貝進切割機，首先采用切割機噴粉線裝置對結構線進行噴粉、劃線，然后開始數控切割，最后手工書寫每個零件的信息標識，如圖2所示。

此生產過程先劃線、后切割的流程制約了切割效率的提升，大量的零件名稱、加工信息需要逐一手工標識。

2）智能噴碼劃線需求及工藝要素分析

針對傳統切割、劃線、手工標識的低效問題，通過引進一種高速噴碼劃線機，實現切割和劃線作業同步進行，以零件信息的自動噴印。分析噴碼劃線所需工藝要素及功能要求，形成面向智能制造的劃線噴碼工藝要素如下。

2.3" "板材切割

1）傳統工藝特點

設備操作人員首先操作、移動切割機對鋼板進行定位，尋找鋼板原點。將切割指令導入到數控切割機，首先對結構裝配線進行噴線標識，噴線完成后再開始切割，如圖3所示。

2）智能切割需求及工藝要素分析

目前大部分船廠仍采用切割指令驅動的數控切割，從切割指令下達、割嘴的選擇到原點定位，過程看護均需人工干預。對切割設備切割工藝要素研究不夠深入，缺少對設備的切割工藝信息的數據化及數字化表達，無法形成面向板材智能切割的工藝數據庫。基于目前數控切割機的發展深度，實現板材智能切割的最佳途徑是對現有切割設備的信息化、數字化的升級改造，改造后的數字化切割設備可與車間執行管控系統互聯互通，實時反饋切割狀態及物量完成信息。結合板材切割所需的工藝要素以及不同類型型材切割的工藝要素分析，形成智能切割工藝要素如表3所示。

2.4" "零件分揀

1）傳統工藝特點

人工識別書寫零件的加工代碼和流向代碼，將零件分類移運至相應托盤，然后轉入下道工序，如圖4所示。

2）零件智能分揀需求及工藝要素分析

智能分揀在其他工業領域應用已非常成熟，但在船舶制造行業的零件分揀基本全部靠人工完成，效率低下、容易出錯。通過引入一種智能分揀設備，通過視覺掃描二維碼識別零件流向，機械手臂將零件按流向抓取、放入不同托盤。結合智能分揀技術，形成了零件智能分揀所需智能要求及相應工藝要素。

表4" 零件智能分揀需求及工藝要素表

3" " "面向板材智能下料的工藝流程再造

板材智能切割的工藝流程再造的基礎是由設計系統、生產管理系統、車間制造智能執行系統、工藝知識集成應用平臺組成的信息化系統。設計系統負責接收設計計劃、執行與反饋、設計圖紙輸出、物資BOM輸出、制造BOM輸出、工藝BOM輸出，其中設計計劃來源于生產管理系統。生產管理系統負責產品大、中日程計劃的編制、下發與監控，以及任務包WP/工作指令WO自動編制與物量計算、調整與下發。工藝知識集成應用平臺負責加工工藝編制形成工藝包與WJ關聯下發、采集設備加工數據以優化工藝。車間制造智能執行系統負責車間計劃編排、精準排產、派工單WJ自動分解、派發到生產線及工位、WJ生產實績自動反饋，同時監控車間物流、采集中間產品與設備狀態。

通過集成中間產品生產信息、物流信息及裝備信息，建立面向生產負荷均衡的智能制造新型工藝流程優化模型，其具體流程如圖5所示。

3.1" "板材切割任務均衡化分配

車間制造智能執行系統在結合各環節設備生產狀態及生產能力的基礎上，完成對板材下料生產線各環節的精準排產，將生產任務指令下發到智能上料行車、噴碼劃線設備和不同切割生產設備控制終端，并根據各工序設備反饋情況實時調度生產。

3.2" "材料集配

通過網絡現場作業使用手持PDA終端讀取物資系統需求集配鋼板信息，翻揀時在PDA同步更新庫位移動信息，并實時傳遞到物資管理系統。使用紅帆物資系統管理鋼板材質、規格、入庫、集配計劃、出庫、堆位等數據信息、實行“一板一行”管理，通過信息網絡同步實時更新現場PDA終端數據信息如圖6所示。

3.3" "鋼材預處理及自動噴印

鋼板預處理后，采用噴印設備將爐批號、船號（或工程號）、分段號、規格、板厚等信息噴印在鋼板上，同時將完工狀態信息、鋼板堆位信息反饋至車間制造智能執行系統，指導下料排產計劃，如圖7所示。

3.4" "自動上料

智能行車接收到車間制造智能執行系統的派工單，派工單包括鋼板堆位信息以及待轉切割機工位目標位置信息，智能行車通過視覺識別對應鋼板，自動規劃路徑將鋼板自動吊運至相應切割工位，如圖8所示。

3.5" "噴碼劃線

高速智能噴碼劃線機（見圖9）首先從車間制造智能執行系統接收派工單WJ，匹配來自工藝知識平臺的噴印指令。

該設備通過視覺系統測量工件位置及工件規格，工件測量完成后，設備自動移動到工件初始劃線位置，根據預先輸入噴印指令，對工件上結構線進行劃線，對零件信息進行噴碼。完工后設備向車間制造智能執行系統反饋劃線工時、物量、完工等信息。

3.6" "智能切割

車間制造智能執行系統向切割工位下達切割派工單WJ，同時從工藝知識集成平臺下載切割指令及工藝參數，匹配設備自帶切割數據庫，自動調節切割、電流、速度等參數。

切割完成后，通過視覺系統檢測零件切割尺寸，數據反饋工藝知識平臺，判斷是否存在切割缺陷，以及切割形狀、尺寸和坡口是否滿足要求。

3.7" "智能分揀

切割完成后，對于外板、甲板、壁板等較大板架采用智能行車分揀，對于肘板、扁鐵、補板等小型零件采用機械手分揀。

車間制造智能執行系統根據切割設備反饋的物量信息，下達派工單至智能行車，智能行車通過視覺系統掃碼二維碼識別大板架，然后按流向代碼放入相應托盤。

若設備反饋物量信息中有小型零件，車間制造智能執行系統向智能分揀機械手下達派工指令，機械手同樣通過視覺掃描零件二維碼、識別流向信息，然后將零件置入對應托盤。

3.8" "機器人打磨

對扁鐵、加強筋、補板等零件的自由邊緣打磨，采用打磨機器人生產線進行施工，實現扁鐵、加強筋、補板等零件的自由邊緣自動化打磨作業。打磨作業完成后，重新按流向重新入托、轉入下道工序，最終全部完成板材零件智能切割。

4" " 結論

本文通過研究面向智能制造下的工藝流程再造技術，結合板材切割工藝環節對關鍵智能化要素的需求，梳理出流程再造過程中的各項共性技術難題，通過對中間產品在智能制造流程下的排產調度技術等內容研究，完成中間產品物流路徑優化、工藝指令的精準下發以及各工藝環節的節拍化生產，實現智能制造下中間產品生產過程排產調度的優化。通過對各工藝環節需要改進的關鍵智能化要素進行研究，并結合相關數據及信息管控系統，開展中間產品建造各工藝環節的數據流、信息流的技術研究，使各工藝環節的數據流、信息流有機結合。本項目板材智能切割技術實現了板材切割均衡化節拍化生產，提高了船舶建造的質量和效率，縮短了船舶建造周期。

參考文獻

[1]黃建偉，呂建軍，李紅衛，等.船舶智能制造技術[M].哈爾濱：哈爾

濱工程大學出版社，2022.