本文摘要：隨著全球智能制造技術(shù)發(fā)展，各國加速布局制造業(yè)，國際制造業(yè)格局面臨重大調(diào)整。 在船舶制造業(yè)對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)應(yīng)用提出新要求的關(guān)鍵時期，江南造船(集團)有限責(zé)任公司創(chuàng)新研制出吊馬智能制造單元，獲得2020年上海市產(chǎn)業(yè)青年創(chuàng)新大賽金獎，譜寫了
隨著全球智能制造技術(shù)發(fā)展，各國加速布局制造業(yè)，國際制造業(yè)格局面臨重大調(diào)整。 在船舶制造業(yè)對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)應(yīng)用提出新要求的關(guān)鍵時期，江南造船(集團)有限責(zé)任公司創(chuàng)新研制出吊馬智能制造單元，獲得2020年上海市產(chǎn)業(yè)青年創(chuàng)新大賽金獎，譜寫了船舶智能制造新篇章。
當(dāng)前，快速發(fā)展的智能制造技術(shù)正加速重構(gòu)全球制造業(yè)格局，中國制造業(yè)面臨巨大壓力。 作為制造業(yè)的重要組成部分，船舶制造是典型的離散型生產(chǎn)，其工藝流程復(fù)雜，建造周期相對較長，具有單件小批量生產(chǎn)、中間產(chǎn)品種類非標(biāo)件數(shù)量多、物理尺寸差異大、作業(yè)環(huán)境相對惡劣等特征，對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)應(yīng)用提出了特殊要求。
在國內(nèi)外船舶制造行業(yè)中，大型船舶建造通常采用分段建造工藝，船用吊馬廣泛應(yīng)用于船舶制造的各個生產(chǎn)過程中，是船舶建造過程中必備的工裝件。 它安裝在船舶分段或總段上，是用于船舶分段和總段起重、吊運、移位、翻身及搭載等吊裝作業(yè)的受力構(gòu)件。 我國有近百家造船廠，吊馬年需求總量巨大，吊馬制造效率直接影響船舶產(chǎn)品交付周期，制造質(zhì)量直接決定吊裝作業(yè)的安全可靠性，所以迫切需要加強智能制造技術(shù)研究，加速吊馬的制造效率和質(zhì)量。 江南造船(集團)有限責(zé)任公司(以下簡稱“江南造船”)創(chuàng)新研制出吊馬智能制造單元，以適應(yīng)船舶行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求。
行業(yè)發(fā)展新需求
我國船舶行業(yè)智能制造整體水平還處于起步與探索階段，裝備與系統(tǒng)的自動化、智能化水平，制造技術(shù)與信息技術(shù)的融合與集成程度，智能制造技術(shù)儲備，生產(chǎn)組織和管理水平等方面還存在不足，尚未建立適應(yīng)智能制造發(fā)展要求的業(yè)務(wù)模式和管理體系。 在吊馬應(yīng)用過程中，亦需要不斷開拓思路，全面推進智能制造。
研制吊馬智能制造單元可謂降低生產(chǎn)成本、提升生產(chǎn)效率的迫切需要。 提高效率、提升質(zhì)量、降低成本，是企業(yè)生存和發(fā)展不變的主題，是在激烈競爭環(huán)境中取勝的必要途徑。 當(dāng)前世界航運市場低迷，造船企業(yè)接單難、盈利低、生存壓力大，更應(yīng)該通過多方面的技術(shù)創(chuàng)新和突破來降低設(shè)計、制造成本，提高生產(chǎn)制造效率。
吊馬智能制造單元提供了實現(xiàn)吊馬快速生產(chǎn)、提升焊接質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)解決方案。 在船舶建造中，必須有效控制吊馬焊接質(zhì)量，傳統(tǒng)吊馬生產(chǎn)方式使用人工裝配焊接，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低，亟需采取新方法和手段實現(xiàn)低成本、高效率吊馬生產(chǎn)制造。 目前大多數(shù)船廠都積極發(fā)展智能制造，但是在吊馬機器人焊接方面，尚停留在引入焊接機器人的階段，未能形成流水化作業(yè)，裝配工位依舊采用手工裝配方式，需要人工進行吊運上料，智能化程度較低，且整套設(shè)備成本高昂，后期自主可升級性較低。 因此，亟需實現(xiàn)吊馬智能流水化作業(yè)、快速生產(chǎn)、高質(zhì)量焊接。
吊馬智能制造單元研制是一個“從無到有”“從有到好”的創(chuàng)造過程，其根據(jù)江南造船在建產(chǎn)品、場地條件、生產(chǎn)流程的實際特點，自主研發(fā)設(shè)計裝置，有利于推進船廠標(biāo)準(zhǔn)化、智能化制造升級，同時提升單元設(shè)計、智能化設(shè)備研發(fā)方面的水平和能力，為船舶行業(yè)提供智能制造解決方案，促進船舶制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。
智能無人化作業(yè)
針對吊馬傳統(tǒng)作業(yè)任務(wù)重、環(huán)境差、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等痛點，吊馬智能制造單元創(chuàng)新性地在船舶行業(yè)內(nèi)集成了機器人視覺識別、智能抓取、智能焊接技術(shù)，研制出裝配、搬運、焊接三大系統(tǒng)，實現(xiàn)了搬運、緩存、焊接、打磨及下料等工序的無人化作業(yè)。
裝配系統(tǒng)采用人工裝配方案，裝配場地設(shè)有兩個裝配工位，每個工位設(shè)置兩個裝配工藝裝備，該裝備可通過平轉(zhuǎn)變位機旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)兩個工裝在裝配工位和抓取工位之間的切換。 人工裝配完成后，裝配工藝裝備將自動翻轉(zhuǎn)工件并將其旋轉(zhuǎn)至搬運機器人抓取工位。 由機器人抓取放置到緩沖定位裝置上，緩沖定位裝置采用方便可調(diào)的定位結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)所有類型吊馬的臨時放置。 人工裝配工位與機器人抓取工位分離開，以保證人員安全。
搬運系統(tǒng)的搬運機器人將人工裝配后的吊馬從裝配工藝裝備(或吊馬緩沖區(qū))上抓取搬運并放置到焊接變位機夾緊裝置(或吊馬緩沖區(qū))上，焊接機器人對吊馬焊接完成后由搬運機器人將吊馬抓取搬運至下料托盤中。 搬運機器人集成打磨裝置在焊接間歇過程完成焊渣清理，不影響焊接生產(chǎn)節(jié)拍。
人工裝配完成的吊馬旋轉(zhuǎn)到抓取工位，搬運機器人在抓取工位經(jīng)過視覺測量定位，然后抓取放置到吊馬緩沖區(qū)或直接放置到焊接變位機上。 搬運機器人配有第七軸，可覆蓋裝配系統(tǒng)及焊接系統(tǒng)相關(guān)區(qū)域。 機器人末端設(shè)置有視覺測量定位裝置、磁力端拾器和焊渣清理打磨裝置，可完成吊馬位置測量、抓取、放置到吊馬緩沖區(qū)、放置到焊接變位機、焊接過程的焊渣清除和下料工作。 端拾器與機器人連接部位為可控的柔性結(jié)構(gòu)，抓取工件時其為剛性狀態(tài)，當(dāng)放置工件到焊接變位機夾緊裝置時調(diào)整為柔性狀態(tài)，避免機器人和焊接變位機之間產(chǎn)生抵抗作用力。
焊接系統(tǒng)采用機器人全自動焊接的總體方案，采用藥芯焊絲焊接，在多層多道焊接時,采用機器人自動清渣的方式解決。 人工裝配后的吊馬由焊接機器人對吊馬進行焊接，焊接后由搬運機器人將吊馬抓取搬運至下料托盤中。
焊接系統(tǒng)內(nèi)有兩臺焊接機器人，每個機器人末端設(shè)置一套激光視覺跟蹤裝置，用于實時測量跟蹤吊馬焊縫，確保焊接質(zhì)量。 每個焊接機器人配有兩臺焊接變位機，焊接機器人在兩個工位間切換進行工作，以減少焊接機器人等待時間，充分發(fā)揮焊接機器人的效率。 焊接變位機為數(shù)控驅(qū)動，可充分滿足機器人的工作要求。 每個焊接變位機上配置一套夾緊裝置，由液壓驅(qū)動提供夾緊力，安全可靠。 夾緊裝置可適應(yīng)江南造船所有類型通用吊馬的夾持。 整個工作站的運行由控制系統(tǒng)軟件統(tǒng)一控制，各個機器人的動作節(jié)拍和相互間的協(xié)調(diào)都由計算機根據(jù)實際工作情況實時控制調(diào)整，確保發(fā)揮每個環(huán)節(jié)的效用，保證設(shè)備和人員的工作安全。
全流程優(yōu)化升級
隨著吊馬智能制造單元于2020年7月1日正式揭牌運行，江南造船相關(guān)業(yè)務(wù)的人工負(fù)荷減少80%，且生產(chǎn)效率提升60%。 吊馬智能制造單元的應(yīng)用，將一線勞務(wù)工人從繁重的體力勞動中解放出來，改善了在惡劣環(huán)境中持續(xù)進行大量重復(fù)、高強度作業(yè)的工況，促進了船舶制造企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，同時帶動了設(shè)計、制造、管理、配套等全生產(chǎn)流程優(yōu)化升級。
研制定制化氣動裝配工藝裝備，適用范圍覆蓋全廠所有通用吊馬型號，操作人員無需復(fù)雜的準(zhǔn)備和調(diào)整工作，即可實現(xiàn)吊馬主板腹板自動對齊夾緊、自動翻身、側(cè)板高效率對齊等功能，完成吊馬零件的快速裝配任務(wù)，裝配效率提高80%。
通過對視覺測量定位技術(shù)、焊渣自動清理打磨等技術(shù)的研究，研制吊馬智能化搬運系統(tǒng)。 實現(xiàn)吊馬位置測量、抓取、擇優(yōu)選取放置、焊接過程的焊渣清除和自動上下料碼垛功能，全過程自動化，人工負(fù)荷減少100%。
通過對各型號吊馬結(jié)構(gòu)、焊接機器人焊接工藝的研究，研制吊馬智能裝夾系統(tǒng)，在焊接變位機上配置一套具有高度通用性的夾緊裝置，由液壓驅(qū)動提供夾緊力，吊馬型號通用適配率達到100%。
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通過對焊接機器人焊接工藝、焊接路徑規(guī)劃等技術(shù)的研究，研制吊馬智能焊接系統(tǒng)。 通過在焊接機器人末端設(shè)置一套激光視覺跟蹤裝置，實現(xiàn)工件焊縫的實時測量跟蹤，確保焊接質(zhì)量，焊接效率提升60%。
吊馬是船舶建造所必需的工藝裝備件，我國造船業(yè)每年吊馬需求達百萬件以上，吊馬智能制造單元在行業(yè)內(nèi)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。 結(jié)合“中國制造2025”重大戰(zhàn)略部署，加快大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，船舶制造行業(yè)將會不斷健全完善科技創(chuàng)新體系，發(fā)揮內(nèi)外部協(xié)同優(yōu)勢，推進核心產(chǎn)品、制造技術(shù)和科研能力升級。
作者：尹志雙 汪文灝
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