面向船舶智能制造的工艺数字化管理技术

喻天祥，王冬梅，祁 超，沈建龙

(上海船舶工艺研究所，上海 200130)

0 引 言

在当前错综复杂的国际形势下，中美贸易摩擦存在升级的态势，美国主张的美国优先的贸易政策正在破坏着世界经济。世界经济的低迷对航运市场和造船市场产生了深远的影响，我国的造船行业面临接单难、盈利难的巨大压力。智能制造是船舶行业发展的必由之路，随着全球船舶市场的深度调整，我国船舶行业必须加快结构调整和转型升级。越来越多的企业开始意识到信息化建设与智能制造升级的重要性，必须加快推动智能化技术与船舶制造技术融合，通过广泛应用智能加工装备，加快提升船舶建造效率，降低资源消耗，最终达到降低成本、提升竞争力的目标。通过智能化的创新，融合信息技术、先进制造技术、自动化技术和人工智能技术建立智能生产线，最终构建智能车间、智慧工场。

1 工艺数据管理技术

1.1 工艺数据管理需求分析

2018年12月29日，工业和信息化部联合交通运输部、国防科工局编制印发了《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》，该计划分析了我国船舶工业的发展现状和形势，提出了总体要求和重点任务，并辅之以保障措施，以突破关键技术和智能制造装备技术，形成智能制造标准和平台，建成智能制造单元、智能生产线和智能化车间为主要目标。具体包括：突破总体、设计、工艺、管控和决策等5类船舶智能制造关键技术；攻克船体零部件智能理料、船体零部件自由边智能打磨、小组立智能焊接、中组立智能焊接、分段外板智能喷涂、管件智能加工等6种船舶智能制造短板装备的相关技术。

工艺作为需重点突破的智能制造关键技术之一，同时又是6种智能制造短板装备的重要运行支撑，非常重要。船舶行业需要从设计源开始进行工艺数据的智能化设计、提取处理，将船体构件切割和成型工艺、复杂构件焊接工艺、船体分段涂装工艺、船体结构装配工艺、管子装配焊接工艺、舾装件精准安装工艺进行提取和重组，形成船舶工艺知识库，构建面向智能装备的工艺数据管理支撑平台，服务于打磨、焊接、涂装、管子加工等智能制造装备。

1.2 工艺数据分类和管理内容

根据短板装备的研制及工程应用要求，面向智能制造的工艺数据管理主要侧重于分段制造阶段工艺数据的处理，重点研究面向智能制造的船体构件加工成型工艺、中小组立焊接工艺、船体分段外板涂装工艺、管子法兰焊接工艺等，通过对各类工艺数据的分类组织整理，形成面向智能制造装备的工艺专家数据库。

从数据特点来看，工艺数据可分为结构化的工艺数据和非结构化的工艺文件。例如：焊接工艺数据中的焊缝编号、焊接姿态、焊接类型、坡口代码、关联零件名称、板厚等被称之为结构化的数据，可通过模型接口，从设计软件中进行抽取；另一类非结构化的工艺文件，诸如可视化的三维作业指导手册、涂装加工工艺卡、管子小票等，是现场施工过程中必不可少的指导性工艺文档。

1.3 工艺数据处理关键技术

面向智能制造的工艺文件数字化管理的关键是要对工艺信息进行数字化，形成计算机可识别、可复用并相互关联的数据及文件体系。分析船体构件加工成型、中小组立焊接、船体分段外板涂装、管子法兰焊接的工艺数据特点，根据最终短板装备的数据应用要求，制订较为通用的数据规范。针对不同的设计软件开发相应的模型接口，进行数据的提取与重新组织。通过面向机器人应用的工艺规划软件，进行机器人作业的工艺、路径规划，或将工艺信息传递到数字化车间的智能加工装备，驱动机器人运行。对于非结构化类的工艺文档，建立数字化档案库，通过工艺文档管理平台进行工艺文件的统一归档、审签、浏览和下发。

1.4 多源的数据规范要求

当前主流的船舶设计软件有Tribon、AM、SPD、CATIA等，不同的CAD系统数据格式各不相同，多源数据的交互共享较为困难。需针对异构CAD系统的信息交换技术进行研究，提出面向多源数据的规范格式，建立一套通用的工艺数据结构，并据此开发工艺数据管理系统。基于中间文件建立不同CAD系统的零部件属性与工艺数据管理系统的映射关系，实现异构CAD数据的智能抽取并转换成统一数据格式。以中小组立焊接工艺数据为例，通过对不同设计软件进行分析，可将中小组立的焊接工艺数据分为几何信息、装配信息、焊缝信息和零件属性等4类：

(1) 焊缝几何信息：描述焊缝路径的几何数据/文件，可用于面向机器人应用的工艺规划软件，进行机器人路径的规划；

(2) 装配信息：包括装配名称、建造方向等，体现船体结构件之间的拓扑关系；

(3) 焊缝信息：包括焊缝名、焊缝长度、焊接姿态、焊接类型、坡口代码等；

(4) 零件信息：包括零件内部名、零件外部名、板厚、材质、零件位置、零件开孔等。

基于这4类信息形成规范化的中小组立焊接工艺数据描述结构，不同的设计软件将基于此规范结构开发相应的工艺模型处理接口，抽取数据并形成标准化的工艺文件信息。其他类别的工艺信息经梳理也可形成类似的标准化工艺数据格式，此处不再赘述。

1.5 工艺数据组织及集成技术

采用产品工艺模型数据交互规范，实现将不同CAD系统的产品模型转换为工艺数据管理系统可识别的数据格式，进行集中统一存储。基于可扩展标记语言(XML)建立CAD系统的零部件属性与产品数据管理系统的映射关系。通过对设计CAD抽取的零部件设计属性、零件结构、装配信息、工艺信息进行重新组织，重新构建零部件的工艺结构树，实现产品零部件信息的集中展示与浏览。在构建工艺结构树的过程中，需要根据智能车间作业特征进行生产工艺数据组织，比如需要考虑车间内作业的工艺流程、零部件的流向以及车间作业的计划。工艺结构树将为车间智能管控平台、智能化装备提供工艺数据支撑。

研究面向服务的数据集成方式，基于面向服务的架构(Service-Oriented Architecture, SOA)的数据集成，开发集成接口，通过这些接口进行系统间的数据交互[1]，实现工艺数据管理系统中的浏览器对象模型数据向车间智能管控系统、车间智能加工生产线数据的传递。工艺数据组织与集成如图1所示。

图1 工艺数据组织与集成示例

1.6 非结构化工艺文档管理技术

推行船舶加工的智能制造对设计工艺信息的需求更加迫切。工艺设计的交付物中必然有大量非结构化的工艺文档，针对船舶设计过程中工艺文档数量大、需流程化审签、版本多等管理方面的困难，需研究船舶工艺设计文档的集中化管理，实现工艺文档的电子化审批流程管理技术、工艺文档更改管理技术、多视图设计任务反馈技术、多维度工艺文档安全控制管理技术和打印信息跟踪管理技术，形成覆盖工艺文档设计计划、设绘、审核、归档、打印、发放等过程的管理方法，开发船舶设计工艺文档信息管理软件，为面向智能制造的工艺文件数字化管理技术提供有效支撑。工艺文档管理框架如图2所示。

图2 工艺文档管理框架

1.7 面向智能制造的工艺数据应用

船厂在进行智能制造方面的建设时，构建车间制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)和建设智能生产线是其中的重点核心工作。针对MES和智能生产线的运行，需要设计源头的大量工艺数据作为支撑。

对于船厂典型的设计CAD系统，建立异构CAD接口，通过接口将船体焊接工艺设计数据、船体装配工艺设计数据、管系工艺设计数据、舾装物量数据、涂装工艺设计数据等服务于智能车间的工艺物量数据发布到面向智能制造的产品数据库，在产品数据管理系统中对工艺物量数据进行重构组织。根据MES、智能车间相关工装设备的数据输入要求，生成船体物料清单(Bill of Material, BOM)、管子BOM、舾装BOM、涂装BOM，并通过基于SOA的服务接口发布到车间MES或相关装备的应用软件。

车间MES可基于工艺物量信息进行车间计划编排、量化派工、质量管理、劳务结算等。车间智能制造装备基于工艺信息进行工艺规划，以中小组立智能焊接生产线为例，针对船厂的中小组立焊接生产线运行需求，根据设计源头的三维模型及焊缝数据，进行每条焊缝的机器人路径规划和工艺规划[2]，生成焊接程序，下发到焊接生产线指导焊接作业。图3为基于焊接工艺数据的机器人应用实例。

图3 基于焊接工艺数据的机器人应用实例

2 结 语

研究工艺信息数字化管理技术是船舶企业推进智能制造建设落地的重要环节之一。要做好这项工作，需要理清智能车间制造执行系统或智能加工生产线对工艺数据的需求，突破工艺数据数字化管理的关键技术，形成多源数据的规范要求，并基于数据规范进行数据的提取与组织，解决数据的应用问题。通过工艺信息的数字化管理，最终实现车间制造执行系统的更好应用，支撑船舶加工智能制造装备进行高效、连续、均衡地生产。