船舶管子加工智能车间研究与应用

饶 靖， 于 航， 周同明， 陈好楠

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

0 引 言

在船舶及海工装备建造中，车间内管子加工是整个建造工程中的一个重要环节，工作量约占全船管子加工及安装工作量的30%，其制作进度和质量直接影响船舶建造过程中各大节点的顺利推进[1]。

管子加工车间是提供船舶与海工装备所需管子的生产加工车间，其基本任务是按照设计和工艺要求，在车间内将原料管通过特定工序进行加工，高效、及时地制作完成高质量的管段[2]。

近年来，部分船舶制造企业管子加工车间在应用成组技术的基础上引进了先进的弯管机、自动焊接机等设备，在一定程度上提高了车间的生产效率。但是，我国大部分船舶制造企业的管子加工车间仍处于传统生产制造模式，没有应用管子无余量下料和“先焊后弯”加工工艺，精益化水平较低，产品与国际上造船强国的先进制造技术相比有较大差距。目前国内船厂对于产品质量的提升需求越来越迫切，因此建立面向智能制造的船舶与海工行业管子加工车间的研究愈发重要[3]。

1 管子加工智能车间概述

管子加工智能车间是指：在数字化车间的基础上，利用物联网技术、设备监控技术等加强信息和数据的通信，提升生产过程的可控性；即时、准确地采集生产线以及设备数据，运用物理系统数字孪生及大数据分析技术，合理编排生产计划与控制生产进度；研究应用智能识别、先焊后弯、焊接同步等技术，研制管子加工智能生产线、附件集配系统等先进装备，减少生产线上的人工干预、实现智能车间的自感知、自决策、自执行，最终达到最优生产、最佳效益、动态平衡的目标[4]。

1.1 管子加工智能车间总体架构

管子加工智能车间总体架构可分为基础设施层、设备层、控制层、执行层、决策层共5个层面，如图1所示，各层相关描述如下。

图1 管子加工智能车间总体架构图

(1) 基础设施层。管子加工智能车间的基础设施层由网络系统、工位一体机、车间大屏、安防监控、综合布线等组成，保证车间各项数据能够稳定、安全地进行传输。

(2) 设备层。管子加工智能车间的设备层包括由立体仓库、切割打磨设备、法兰装配焊接设备、弯管设备等组成的管子智能加工生产线，以及附件库、短管焊接设备、三通焊接设备等。车间加工设备应实现加工数据、工艺信息的网络化传递、数字化控制和智能化加工。

(3) 控制层。管子加工智能车间的控制层包括设备联网、管子智能加工生产线管控系统、数据实时采集与监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)等。通过设置统一的SCADA，实现设备实时监控，加工和检测数据实时采集，达到数据实时感知、分析和处理的动态管理等目的。管子在加工过程中采用统一编码标识，便于对其加工全过程进行跟踪和追溯。

(4) 执行层。执行层是管子加工智能车间总体架构的核心层，主要包括车间生产计划执行、工艺执行与管理、生产过程质量管理、生产物流管理、车间设备管理等功能模块。通过制造执行系统(MES)，从上层系统接收管子加工的生产任务，经过分解处理后向下层系统发出生产指令及工艺技术文件，实现管子加工车间生产计划、工艺文件、设备等制造资源的智能化管理。

(5) 决策层。决策层包括数据中心、决策分析平台、生产仿真中心、移动终端应用等模块。数据中心主要应用大数据分析技术进行数据挖掘、预测性分析以及具备数据仓储的功能；决策分析平台利用数据中心分析预测的结论形成可视化的“领导驾驶舱”；生产仿真中心基于三维虚拟车间建模与仿真，利用数据中心的数据实现智能车间虚拟呈现与漫游以及智能车间多视图展示；移动终端应用可将设备状态、能耗状态、计划派工、生产绩效、生产异常等信息显示在手机或者平台上，与决策分析平台同步，并给出决策指令，实现管子加工车间的自决策。

1.2 管子加工智能车间数据流通机制

管子加工智能车间以网络传输加工数据驱动生产设备为基础，管件采用条形码、二维码、RFID或法兰打码等标识技术记录并传递信息。

管子加工智能车间数据流通机制如图2所示。从企业资源管理(ERP)、设计部门、质量部门接收管子加工的生产计划、设计数据、工艺信息和质量要求及标准，经过执行层分解处理后，向控制层及设备层发出生产指令及工艺技术文件；与此同时，从控制层接收生产现场的实时生产进度、物料、质量和设备信息等数据，对实时数据进行及时加工和处理，并向上层系统反馈生产计划的执行结果，实现计划、物料、质量、工艺技术文件和制造资源的数字化有效管理和制造过程监控[5]。

图2 车间管理数据流通机制

2 管子加工智能车间总体布局设计

2.1 管子加工智能车间总体布局技术

2.1.1 中间产品分类成组

船舶管系数量多、规格复杂、工艺多样。常用管子按材料可分为碳钢管、不锈钢管、有色金属管和非金属管；按直径大体可分为3种，即小径管、中径管、大径管；按加工特征可分为直管、弯管、带支管管等；按表面处理可分为镀锌处理、酸洗处理、磷化处理等；按内外表面涂装可分为涂漆、内涂塑等；根据试验要求可分为拍片、密封性等。

在实际加工过程中，碳钢管、不锈钢管、有色金属管、非金属管分区加工，碳钢管加工区域按照小、中、大径管分区加工。为提高管子加工效率，管子应参照设计加工特征和相似性原理划分，把具有相同工艺过程的相似管件归为一个管件族，从而提高设备的利用率。碳钢管管件族分类如表1所示。

2.1.2 中间产品工艺流程重组

传统管子加工采用先弯后焊工艺，使用单机的、信息和控制均处于孤岛型运行状态的设备，不能形成生产线。管子加工智能车间中径管加工采用先焊后弯工艺，应用管子无余量下料、管子测量技术、自动化焊接和数控弯管技术，最大限度地实现管子先焊后弯加工流程，提高管子加工效率和质量。

先焊后弯的工艺流程是指管子在弯曲加工前，先将管子附件(如法兰)装焊在直段管子上，然后再进行弯曲[6]。小径管和中径管加工工艺路线如图3所示，大径管加工工艺路线如图4所示。

表1 碳钢管管件族分类

图3 小径管和中径管加工工艺路线(“先焊后弯”工艺路线)

图4 大径管加工工艺路线(“先弯后焊”工艺路线)

2.2 管子加工智能车间总体布局方案

2.2.1 车间总体布局方案

车间生产布局的合理规划已经成为制造企业生产过程中不可或缺的重要环节，直接影响整个车间的总体性能和运行效率。采用科学、合理的车间布局可大幅提升车间的资源投放效率，减少物料的无效搬运，提高物料的加工与运输效率[4]。

在管子加工智能车间中，碳钢管、不锈钢管、有色金属管的加工场地在物理上应完全隔离开来。以某船厂碳钢管加工车间为例，简述管子加工智能车间的布局设计，如图5所示。

图5 管子加工智能车间总体布局示例

管子加工智能车间大体分为5个区域：位于车间前道的原料管堆场，沿车间横向分别为小径管智能加工区、中径管智能加工区、大径管智能加工区，后道为分拣与试压区。另一独立车间为管子表面处理区。车间布局体现了分类成组原理，实现按管子口径空间上分道进行生产。其中，中径管智能加工区可采用管子加工智能生产线作业形式，小、大径管采用离散作业方式生产。

2.2.2 中径管智能加工区

中径管智能加工区采用管子加工智能生产线，该生产线由立体仓库工位、切割工位、装配焊接工位、弯管工位以及人工操作工位组成，如图6所示。其具有自动下料，定长切割，自动切割马鞍口和相贯线，自动坡口处理，直管与法兰自动装配焊接，自动弯管，短管法兰自动装配焊接，直管与弯头、三通自动焊接等功能。

图6 管子加工智能生产线示例

2.2.3 小、大径管智能加工区

小、大径管采用离散作业方式生产，配置切割机、焊接机、大管径组对机等单机设备，采用传感器将单机设备连接起来，实现设备与工件的互联，实时感知管件的加工状态及位置信息。

3 管子智能加工生产线

3.1 管子智能加工生产线工位

3.1.1 原料管及附件库工位

原料管及附件库工位分为原料管立体仓库和附件库两部分内容。

在立体仓库工位中，管子按规格自动上料，根据生产计划实现管子自动取料，高8 m的立体库可存储300根原料管，可同时存放6 m及12 m长的原料管，如图7所示。

图7 立体仓库工位示例

附件库工位根据法兰直径、厚度分类放置在分拣区，可采用视觉识别系统进行自动分拣，如图8所示。码垛机器人将法兰放在托盘上，沿轨道可运送到直管法兰装配焊接工位、短管法兰装配焊接工位。

图8 附件库及法兰理料工位示例

3.1.2 切割打磨工位

切割打磨工位具有自动套料、定长切割、自动开坡口功能，实现余料及废料分理，实现马鞍口及相贯线的切割，实现两端坡口处理，如图9所示。

图9 切割打磨工位示例

3.1.3 附件装配焊接工位

附件装配焊接工位包括直管法兰装配焊接工位、短管法兰装配焊接工位以及直管与弯头、三通焊接工位共3部分。

直管法兰装配焊接工位具有视觉识别系统，可识别法兰和管子的位置(包括尺寸、中心点、螺栓孔、马鞍口位置等)，可自动完成不同规格法兰(或套管)的抓取、定位、点焊以及焊接操作，并实现内外圈同时焊接，时间约为6 min/根，如图10所示。

图10 直管法兰装配焊接工位示例

短管法兰装配焊接工位可实现长100～600 mm的直管与法兰自动装配与焊接，操作步骤如下：

(1) 大机器人抓取管子并固定到卡盘结构上；

(2) 大机器人抓取所需法兰套入管子，采用小机器人点焊；

(3) 大机器人和小机器人同时焊接法兰内外圈；

(4) 如需焊接另一端法兰，则由大机器人将点焊完成的管子取下，调转方向再固定到卡盘结构上，重复(2)～(4)步骤，如图11所示。

图11 短管法兰装配焊接工位示例

直管与弯头、三通焊接工位可实现直管与弯头或三通的焊接。该工位对于管长没有特殊要求，其操作步骤分为两种情况：

(1) 如果采用外部采购的弯头或三通，其加工表面超差，不适合机器人装配，需首先在人工工位进行人工装配，然后再由该工位的机器人进行焊接。

(2) 如果弯头或三通的表面不超差，则在该工位增加一台小机器人，即能实现直管与弯头、三通的机器人自动装配焊接，如图12所示。

图12 直管与弯头、三通焊接工位示例

3.1.4 弯管工位

在弯管工位中采用智能弯管机，其具备多管径弯管、自动在线测量、无料报警等功能，通过自动上下料、数据库提前设置补偿量、系统通过读取模型信息，智能切换弯模，达到柔性生产的目的，如图13所示。

图13 弯管工位示例

3.2 管子智能加工生产线管控系统功能

生产线管理控制系统的作用是建立管子车间MES与设备层之间的桥梁，可以对生产、品质、设备的整体状况进行实时的过程控制。系统框架如图14所示。

图14 管子智能加工生产线管控系统框架图

管控系统能够实现以下功能：

(1) 分配工作任务；

(2) 监视工作流程；

(3) 监控工件和设备状态；

(4) 材料可追溯。

4 结 论

对管子加工智能车间的定义、总体架构及数据流通机制进行简要概述，应用中间产品分类成组、中间产品流程重组技术对管子加工智能车间总体布局进行设计，重点介绍管子智能加工生产线及管控系统，得到结论如下：

(1) 管子加工智能车间具有自感知、自决策、自执行等特点。

(2) 管子加工智能车间总体架构分为基础设施层、设备层、控制层、执行层、决策层共5个层级。

(3) 建立以网络传输加工数据驱动生产设备为基础的管子车间的数据流通机制。

(4) 提出满足中间产品分类成组、工艺流程重组的管子加工智能车间总体布局方案。

(5) 管子加工智能生产线具有自动下料，定长切割，自动切割马鞍口和相贯线，自动坡口处理，直管与法兰自动装配焊接，自动弯管，短管与法兰自动装配焊接，直管与弯头、三通自动焊接等功能。可有效提高中径管的加工效率和质量，降低人员及材料的成本。