密集的機(jī)械手，利落地在生產(chǎn)流水線上完成焊接、組裝等多道工序……提到智能制造，人們往往第一時(shí)間聯(lián)想到的是汽車行業(yè)的生產(chǎn)場景。當(dāng)智能制造遇到“海上移動(dòng)城市”，高度個(gè)性化定制、單件小批量的船舶工業(yè)，船企的智能轉(zhuǎn)型偏又箭在弦上，標(biāo)靶有，如何發(fā)？
數(shù)字化轉(zhuǎn)型、工業(yè)互聯(lián)和人工智能是船舶工業(yè)開啟智能制造的通關(guān)密碼。經(jīng)過多年的摸索積累，中國船舶集團(tuán)旗下江南造船的智造轉(zhuǎn)型正多點(diǎn)開花。通過數(shù)字化焊接、三維彎板機(jī)、巨型總段智能對接等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域的突破，追溯一艘船舶制造的全過程，江南造船這一批有點(diǎn)不一樣的造船人，用一條焊縫、一塊鋼板、一個(gè)總段，解答著船舶工業(yè)智能制造難題。
精確到點(diǎn)見“縫”插針
焊接，將一塊塊冰冷的鋼板連接成有機(jī)的整體。江南造船對智能制造的初嘗試，就是從一條焊縫開始的。
焊接熱輸入，直接影響焊縫的力學(xué)性能，決定了焊接質(zhì)量的優(yōu)劣。熱輸入可以被計(jì)算，即“焊接熱輸入=電流*電壓*熱效率系數(shù)/速度”。這個(gè)看似簡單的公式，就是江南造船嘗試數(shù)字化焊接的基本思路——通過控制焊接參數(shù)來控制焊接熱輸入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的管控。
2012年，江南造船聯(lián)合上海交通大學(xué)和多家焊機(jī)制造廠商進(jìn)行專項(xiàng)研發(fā)，研制運(yùn)用了具備聯(lián)網(wǎng)、預(yù)設(shè)、管控、評估四大功能的焊接質(zhì)量數(shù)字化管控系統(tǒng)。產(chǎn)、研、用三方各司其職，針對各型鋼板的各類焊接需求，船廠設(shè)計(jì)、制造部門對大量的焊接工藝進(jìn)行歸總、梳理與分類，建立工藝數(shù)據(jù)庫，將焊接規(guī)程同焊縫模型關(guān)聯(lián)起來，這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)再交由大學(xué)、焊機(jī)廠商進(jìn)行設(shè)備的開發(fā)與升級。2015年，在一艘液化氣船上成功試運(yùn)行后，江南造船將焊接質(zhì)量數(shù)字化管控系統(tǒng)全面鋪開，如今已聯(lián)通全廠超過1200臺焊機(jī)。
升級后，焊工僅多了憑證打卡這一個(gè)步驟。打卡后，系統(tǒng)會(huì)為工人配置工作量和焊接通道；焊接過程中，數(shù)字化焊機(jī)采用“一點(diǎn)一脈”的工作方式，給每一個(gè)工作點(diǎn)都配置最合適的脈沖、輸出最精準(zhǔn)的電流，同時(shí)規(guī)范焊工的作業(yè)流程，看似生產(chǎn)粗放的船廠也可以實(shí)現(xiàn)“毫米／秒級工程”。
江南造船對焊接生產(chǎn)線的智能升級，并沒有讓機(jī)器來取代人，而是讓人與機(jī)器共舞，在鋼板上“蘇繡”，使焊接質(zhì)量從“人控”變?yōu)榱恕皺C(jī)控”。焊接考驗(yàn)工匠的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)，人工作業(yè)往往帶有一定的隨意性；船廠普遍的用工性質(zhì)，也很容易發(fā)生焊工為了提升工作效率而選擇調(diào)高電流電壓參數(shù)、加快焊接速度等情況，這些都給焊接質(zhì)量埋下了隱患。數(shù)字化焊接則最大化地規(guī)避了人工的隨意性，一旦焊接過程中相關(guān)參數(shù)超過規(guī)定區(qū)間，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，再由生產(chǎn)管理人員進(jìn)行處理。
經(jīng)過近5年的生產(chǎn)磨合，江南造船的焊接質(zhì)量數(shù)字化管控系統(tǒng)已趨于成熟，現(xiàn)場協(xié)調(diào)工作也交給了一批年輕、肯干的年輕人，盧斌就是其中一位，他于2017年開始負(fù)責(zé)數(shù)字化焊接相關(guān)工作，日常從事數(shù)據(jù)匯總、任務(wù)分派、焊機(jī)并聯(lián)等工作。在現(xiàn)有成熟的系統(tǒng)上，更新工藝數(shù)據(jù)庫、深挖大數(shù)據(jù)來反向提升焊接有效時(shí)間，每天忙碌穿梭于生產(chǎn)車間的這批造船人在提升船廠焊接管控的路上，依舊大有可為。
數(shù)字化焊接帶來的改變，即便是外行人也能直觀感受到。近年來，令眾多軍迷津津樂道的一點(diǎn)是，我國新造艦船的外殼平順光滑，難見“瘦馬現(xiàn)象”，這就是焊接變形得到有效控制的結(jié)果，離不開焊接管控的功勞。
三維彎板不“火”也“形”
做了30年火工的吳一忠，目前任江南造船制造一部加工作業(yè)區(qū)作業(yè)長。從“敲榔頭”開始做起的他，如今每天指揮著一臺龐大的機(jī)器從事著他干了幾十年的活——復(fù)雜曲面船板成形。
復(fù)雜曲面船板成形一直是船廠普遍面臨的技術(shù)瓶頸，是為數(shù)不多的老法師才能搞定的絕活。此前，國內(nèi)外船廠對單曲板采用冷壓、冷彎、輥彎等加工方法，而雙曲板加工普遍采用水火彎板的方式。復(fù)雜雙曲面船板成形一直依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)控制加溫和冷卻，即便有計(jì)算機(jī)輔助也很難控制，一直沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是船廠普遍面臨的技術(shù)瓶頸，而且有經(jīng)驗(yàn)的“老法師”面臨斷層。雙曲板加工的生產(chǎn)效率和質(zhì)量都難以提升和保障。同時(shí)，一些特種鋼不能采用水火彎板工藝，雙曲型板加工成難題。
2016年，江南造船聯(lián)合武漢理工大學(xué)、山東碩力公司共同研制了世界首臺復(fù)雜曲面船板成形裝備——船舶大型三維數(shù)控彎板機(jī)。這臺三維數(shù)控彎板機(jī)集成了現(xiàn)代工藝技術(shù)、測量技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)，解決了三維曲面船板數(shù)字冷彎成形加工的世界性難題。其可根據(jù)現(xiàn)行造船軟件系統(tǒng)提供的船板數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行三維曲面造型和船板的數(shù)控冷彎加工。三維數(shù)控彎板機(jī)大大提高了車間的加工效率——此前人工需要幾天才能加工成形的彎板，如今只需幾個(gè)小時(shí)；數(shù)字化技術(shù)也大幅提升了船板的加工精度。
購置三維彎板機(jī)后，為了適應(yīng)設(shè)備操作對軟件、電氣、液壓等專業(yè)的需要，江南造船招徠了一批專業(yè)技術(shù)人員，其中包括6名大學(xué)生，學(xué)數(shù)控的王世界、學(xué)船機(jī)的李亞輝，如今都成長為作業(yè)區(qū)的得力干將。“這批年輕人對信息化的理解能力、接受能力都很強(qiáng)，操作軟件兩天就能吃透了。”吳一忠介紹，三維彎板機(jī)的操作團(tuán)隊(duì)有老師傅、有大學(xué)生，大家專業(yè)各有所長，在融合的過程中，針對不同鋼型、板形的加工方案，做了長時(shí)間的積累與總結(jié)，在設(shè)備的安全性、便利性、可操作性上，團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了諸多改良，“現(xiàn)在這臺機(jī)器的自動(dòng)化程度更高了，基本形成了標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)可自主決策實(shí)現(xiàn)‘一板一策’。”
值得一提的是，相對傳統(tǒng)火工嚴(yán)格按規(guī)程操作因而一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的師傅通常已不再年輕，使用這臺三維彎板機(jī)的員工則都是年輕人，他們?yōu)闄C(jī)器的使用注入了更多的創(chuàng)新和活力。所以，三維彎板機(jī)的使用不只是替代了吳一忠這樣的傳統(tǒng)火工，而是傳統(tǒng)工種在船廠的智能變革中找到了全新的定位和更廣闊的舞臺。
智能對接“快”“準(zhǔn)”得很
從一點(diǎn)一脈、到一條焊縫、再到一塊曲面，如今，江南造船的智造步伐拓展到了巨型總段的智能對接。搭載，是將一個(gè)個(gè)船舶分段拼成一個(gè)整體的關(guān)鍵步驟，如果巨型總段在對接的過程中能過做到又快、又準(zhǔn)，無疑會(huì)大幅縮短建造周期，提升船廠效益。
物體在空間具有六個(gè)自由度，即沿X、Y、Z三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)自由度和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。巨型總段對接亦是如此，要把兩個(gè)長、寬、高各幾十米的龐然大物，在三維空間進(jìn)行精準(zhǔn)對接，誤差控制在1～2毫米，如果按照傳統(tǒng)的操作流程，難度大，周期長。
江南造船搭載一部副部長蘇寧介紹，傳統(tǒng)的巨型總段對接，依靠的多是員工經(jīng)驗(yàn)，通過計(jì)算、靠攏、驗(yàn)證這般循環(huán)往復(fù)的過程來實(shí)現(xiàn)的。首先，船廠會(huì)用全站儀來確定巨型總段的三維坐標(biāo)系，但每一次得出的都是靜態(tài)數(shù)據(jù)，巨型總段一旦位移，坐標(biāo)需要重新測量；對目標(biāo)移動(dòng)值的計(jì)算，也多靠人工，但總段上各個(gè)面的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量大，牽一發(fā)而動(dòng)全身，往往容易顧此失彼；靠攏、位移的過程中，需要油泵小車配合定位，對操作精準(zhǔn)度的要求很高；合攏完成后，對接斷面的數(shù)據(jù)也無法測量。
船舶巨型總段智能對接的特點(diǎn)、難點(diǎn)有別于其他行業(yè)，該研究于2017年正式啟動(dòng)，上海交通大學(xué)、天津大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)興趣盎然，集智攻關(guān)。天津大學(xué)主攻巨型總段的動(dòng)態(tài)定位，通過建立了一個(gè)iGPS（indoor GPS）的“毫米”級超大空間三維測量場，利用激光方法，對場內(nèi)的巨型總段各個(gè)端面的測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)整體測量與運(yùn)算。上海交通大學(xué)主要負(fù)責(zé)基于測量數(shù)據(jù)的調(diào)姿算法、多車協(xié)調(diào)控制等技術(shù)攻關(guān)，將復(fù)雜的位移調(diào)整數(shù)據(jù)交給計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)來驅(qū)動(dòng)調(diào)姿小車實(shí)現(xiàn)毫米級定位，巨型總段智能對接從人為經(jīng)驗(yàn)判斷的較優(yōu)解到機(jī)器智能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)解的跨越。
不久前，江南造船的巨型總段智能對接得到了實(shí)船應(yīng)用，蘇寧直呼“真香”。以前要爬上爬下看距離，如今在集控室里遙控操作；以前單單用全站儀測坐標(biāo)要花上幾小時(shí)，如今巨型總段對接全過程以分鐘計(jì)……“從我個(gè)人而言，真的要特別感謝兩所大學(xué)，能夠解決大尺度、大群組定位真的不容易，這的確是個(gè)好東西。”蘇寧感嘆。
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數(shù)字化轉(zhuǎn)型、工業(yè)互聯(lián)和人工智能是船舶工業(yè)開啟智能制造的通關(guān)密碼。經(jīng)過多年的摸索積累，中國船舶集團(tuán)旗下江南造船的智造轉(zhuǎn)型正多點(diǎn)開花。通過數(shù)字化焊接、三維彎板機(jī)、巨型總段智能對接等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域的突破，追溯一艘船舶制造的全過程，江南造船這一批有點(diǎn)不一樣的造船人，用一條焊縫、一塊鋼板、一個(gè)總段，解答著船舶工業(yè)智能制造難題。
精確到點(diǎn)見“縫”插針
焊接，將一塊塊冰冷的鋼板連接成有機(jī)的整體。江南造船對智能制造的初嘗試，就是從一條焊縫開始的。
2012年，江南造船聯(lián)合上海交通大學(xué)和多家焊機(jī)制造廠商進(jìn)行專項(xiàng)研發(fā)，研制運(yùn)用了具備聯(lián)網(wǎng)、預(yù)設(shè)、管控、評估四大功能的焊接質(zhì)量數(shù)字化管控系統(tǒng)。產(chǎn)、研、用三方各司其職，針對各型鋼板的各類焊接需求，船廠設(shè)計(jì)、制造部門對大量的焊接工藝進(jìn)行歸總、梳理與分類，建立工藝數(shù)據(jù)庫，將焊接規(guī)程同焊縫模型關(guān)聯(lián)起來，這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)再交由大學(xué)、焊機(jī)廠商進(jìn)行設(shè)備的開發(fā)與升級。2015年，在一艘液化氣船上成功試運(yùn)行后，江南造船將焊接質(zhì)量數(shù)字化管控系統(tǒng)全面鋪開，如今已聯(lián)通全廠超過1200臺焊機(jī)。
升級后，焊工僅多了憑證打卡這一個(gè)步驟。打卡后，系統(tǒng)會(huì)為工人配置工作量和焊接通道；焊接過程中，數(shù)字化焊機(jī)采用“一點(diǎn)一脈”的工作方式，給每一個(gè)工作點(diǎn)都配置最合適的脈沖、輸出最精準(zhǔn)的電流，同時(shí)規(guī)范焊工的作業(yè)流程，看似生產(chǎn)粗放的船廠也可以實(shí)現(xiàn)“毫米／秒級工程”。
江南造船對焊接生產(chǎn)線的智能升級，并沒有讓機(jī)器來取代人，而是讓人與機(jī)器共舞，在鋼板上“蘇繡”，使焊接質(zhì)量從“人控”變?yōu)榱恕皺C(jī)控”。焊接考驗(yàn)工匠的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)，人工作業(yè)往往帶有一定的隨意性；船廠普遍的用工性質(zhì)，也很容易發(fā)生焊工為了提升工作效率而選擇調(diào)高電流電壓參數(shù)、加快焊接速度等情況，這些都給焊接質(zhì)量埋下了隱患。數(shù)字化焊接則最大化地規(guī)避了人工的隨意性，一旦焊接過程中相關(guān)參數(shù)超過規(guī)定區(qū)間，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，再由生產(chǎn)管理人員進(jìn)行處理。
經(jīng)過近5年的生產(chǎn)磨合，江南造船的焊接質(zhì)量數(shù)字化管控系統(tǒng)已趨于成熟，現(xiàn)場協(xié)調(diào)工作也交給了一批年輕、肯干的年輕人，盧斌就是其中一位，他于2017年開始負(fù)責(zé)數(shù)字化焊接相關(guān)工作，日常從事數(shù)據(jù)匯總、任務(wù)分派、焊機(jī)并聯(lián)等工作。在現(xiàn)有成熟的系統(tǒng)上，更新工藝數(shù)據(jù)庫、深挖大數(shù)據(jù)來反向提升焊接有效時(shí)間，每天忙碌穿梭于生產(chǎn)車間的這批造船人在提升船廠焊接管控的路上，依舊大有可為。
數(shù)字化焊接帶來的改變，即便是外行人也能直觀感受到。近年來，令眾多軍迷津津樂道的一點(diǎn)是，我國新造艦船的外殼平順光滑，難見“瘦馬現(xiàn)象”，這就是焊接變形得到有效控制的結(jié)果，離不開焊接管控的功勞。
三維彎板不“火”也“形”
做了30年火工的吳一忠，目前任江南造船制造一部加工作業(yè)區(qū)作業(yè)長。從“敲榔頭”開始做起的他，如今每天指揮著一臺龐大的機(jī)器從事著他干了幾十年的活——復(fù)雜曲面船板成形。
復(fù)雜曲面船板成形一直是船廠普遍面臨的技術(shù)瓶頸，是為數(shù)不多的老法師才能搞定的絕活。此前，國內(nèi)外船廠對單曲板采用冷壓、冷彎、輥彎等加工方法，而雙曲板加工普遍采用水火彎板的方式。復(fù)雜雙曲面船板成形一直依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)控制加溫和冷卻，即便有計(jì)算機(jī)輔助也很難控制，一直沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是船廠普遍面臨的技術(shù)瓶頸，而且有經(jīng)驗(yàn)的“老法師”面臨斷層。雙曲板加工的生產(chǎn)效率和質(zhì)量都難以提升和保障。同時(shí)，一些特種鋼不能采用水火彎板工藝，雙曲型板加工成難題。
購置三維彎板機(jī)后，為了適應(yīng)設(shè)備操作對軟件、電氣、液壓等專業(yè)的需要，江南造船招徠了一批專業(yè)技術(shù)人員，其中包括6名大學(xué)生，學(xué)數(shù)控的王世界、學(xué)船機(jī)的李亞輝，如今都成長為作業(yè)區(qū)的得力干將。“這批年輕人對信息化的理解能力、接受能力都很強(qiáng)，操作軟件兩天就能吃透了。”吳一忠介紹，三維彎板機(jī)的操作團(tuán)隊(duì)有老師傅、有大學(xué)生，大家專業(yè)各有所長，在融合的過程中，針對不同鋼型、板形的加工方案，做了長時(shí)間的積累與總結(jié)，在設(shè)備的安全性、便利性、可操作性上，團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了諸多改良，“現(xiàn)在這臺機(jī)器的自動(dòng)化程度更高了，基本形成了標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)可自主決策實(shí)現(xiàn)‘一板一策’。”
值得一提的是，相對傳統(tǒng)火工嚴(yán)格按規(guī)程操作因而一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的師傅通常已不再年輕，使用這臺三維彎板機(jī)的員工則都是年輕人，他們?yōu)闄C(jī)器的使用注入了更多的創(chuàng)新和活力。所以，三維彎板機(jī)的使用不只是替代了吳一忠這樣的傳統(tǒng)火工，而是傳統(tǒng)工種在船廠的智能變革中找到了全新的定位和更廣闊的舞臺。
智能對接“快”“準(zhǔn)”得很
從一點(diǎn)一脈、到一條焊縫、再到一塊曲面，如今，江南造船的智造步伐拓展到了巨型總段的智能對接。搭載，是將一個(gè)個(gè)船舶分段拼成一個(gè)整體的關(guān)鍵步驟，如果巨型總段在對接的過程中能過做到又快、又準(zhǔn)，無疑會(huì)大幅縮短建造周期，提升船廠效益。
物體在空間具有六個(gè)自由度，即沿X、Y、Z三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)自由度和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。巨型總段對接亦是如此，要把兩個(gè)長、寬、高各幾十米的龐然大物，在三維空間進(jìn)行精準(zhǔn)對接，誤差控制在1～2毫米，如果按照傳統(tǒng)的操作流程，難度大，周期長。
江南造船搭載一部副部長蘇寧介紹，傳統(tǒng)的巨型總段對接，依靠的多是員工經(jīng)驗(yàn)，通過計(jì)算、靠攏、驗(yàn)證這般循環(huán)往復(fù)的過程來實(shí)現(xiàn)的。首先，船廠會(huì)用全站儀來確定巨型總段的三維坐標(biāo)系，但每一次得出的都是靜態(tài)數(shù)據(jù)，巨型總段一旦位移，坐標(biāo)需要重新測量；對目標(biāo)移動(dòng)值的計(jì)算，也多靠人工，但總段上各個(gè)面的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量大，牽一發(fā)而動(dòng)全身，往往容易顧此失彼；靠攏、位移的過程中，需要油泵小車配合定位，對操作精準(zhǔn)度的要求很高；合攏完成后，對接斷面的數(shù)據(jù)也無法測量。
船舶巨型總段智能對接的特點(diǎn)、難點(diǎn)有別于其他行業(yè)，該研究于2017年正式啟動(dòng)，上海交通大學(xué)、天津大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)興趣盎然，集智攻關(guān)。天津大學(xué)主攻巨型總段的動(dòng)態(tài)定位，通過建立了一個(gè)iGPS（indoor GPS）的“毫米”級超大空間三維測量場，利用激光方法，對場內(nèi)的巨型總段各個(gè)端面的測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)整體測量與運(yùn)算。上海交通大學(xué)主要負(fù)責(zé)基于測量數(shù)據(jù)的調(diào)姿算法、多車協(xié)調(diào)控制等技術(shù)攻關(guān)，將復(fù)雜的位移調(diào)整數(shù)據(jù)交給計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)來驅(qū)動(dòng)調(diào)姿小車實(shí)現(xiàn)毫米級定位，巨型總段智能對接從人為經(jīng)驗(yàn)判斷的較優(yōu)解到機(jī)器智能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)解的跨越。
不久前，江南造船的巨型總段智能對接得到了實(shí)船應(yīng)用，蘇寧直呼“真香”。以前要爬上爬下看距離，如今在集控室里遙控操作；以前單單用全站儀測坐標(biāo)要花上幾小時(shí)，如今巨型總段對接全過程以分鐘計(jì)……“從我個(gè)人而言，真的要特別感謝兩所大學(xué)，能夠解決大尺度、大群組定位真的不容易，這的確是個(gè)好東西。”蘇寧感嘆。
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