芮偉國,賈 驍,馮勝坤,龍漢新,謝義東

(1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.廣船國際有限公司，廣州 511462)

0 引言

近年來，全球興起智能制造熱潮，制造業(yè)強國德國提出“工業(yè)4.0 戰(zhàn)略”，美國提出“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略”，2015年5月我國也推出了“中國制造2025”，提出了通過“三步走”實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標。船舶制造業(yè)是高端裝備制造業(yè)的重要組成，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、企業(yè)資源計劃(ERP)等信息化工具以及包括工業(yè)機器人、新型傳感器、智能控制系統(tǒng)等智能制造共性技術(shù)在船舶制造中已得到應用，但在互聯(lián)互通、信息集成等方面與先進生產(chǎn)模式相比仍有較大的差距。總體上看，船舶制造業(yè)的自動化、智能化程度仍不夠高，“信息孤島”現(xiàn)象仍較為突出，綜合集成、協(xié)同及創(chuàng)新水平還未達到應有的高度[1]。

深中通道以“兩化融合”為基礎，以“中國制造2025”為契機，以互聯(lián)網(wǎng)+BIM技術(shù)+智慧工程為抓手，在船企的工業(yè)基礎上研發(fā)鋼殼智能制造，提升船舶工業(yè)和交通制造業(yè)的技術(shù)水平。

1 工程概況

深中通道是繼港珠澳大橋之后又一集橋、島、隧及水下互通于一體的世界級超級工程[2]，其中沉管隧道長5 035m，共32節(jié)沉管及1個最終接頭。標準管節(jié)長165m，曲線變寬管節(jié)長123.8m，管節(jié)的具體劃分為：123.8m+21×165m+2.2m+5×165m+5×123.8m=5035m，為國內(nèi)首次采用鋼-混凝土復合沉管隧道方案[3]。沉管隧道鋼殼制造是整個項目的關鍵工序之一，對控制項目總體進度具有關鍵作用。單個標準鋼殼管節(jié)長165m、寬46m、高10.6m，最大重量達1.25萬t，總用鋼量約32萬t，如圖1所示。

圖1 深中通道鋼殼沉管隧道

2 沉管鋼殼構(gòu)造與難點

鋼殼主要由內(nèi)外面板、縱橫隔板、縱橫加勁肋及焊釘組成。內(nèi)外面板和縱橫隔板連接成為受力整體，形成混凝土澆筑獨立隔艙?？v向加勁肋采用T型鋼與角鋼，與橫向扁肋共同作用增強面板剛度，同時縱向加勁肋與焊釘保證面板與混凝土的的有效連接，隔艙上預留澆筑孔和透氣孔，完成混凝土澆筑后再進行等強水密封堵，如圖2所示。

圖2 鋼殼基本構(gòu)造

鋼殼制造的難點：

(1)體量大。單個標準管節(jié)用鋼量約1萬t，焊縫長度近300km。

(2)沉管鋼殼結(jié)構(gòu)、制造工藝復雜。標準管節(jié)獨立隔倉數(shù)多達1 597個，縱橫隔板、連接件交錯，工藝孔達15 000個，國內(nèi)缺乏成熟的建造經(jīng)驗。

(3)精度要求高。鋼殼精度要求遠高于造船行業(yè)及鋼箱梁制造的要求，同時由于大量應用Q420高強度中厚鋼板，焊接變形控制難度大。

(4)防腐要求高。隧址海水腐蝕嚴重，管節(jié)防腐采用“預留腐蝕厚度+重涂裝+犧牲陽極塊”三重防腐措施，其中涂裝采用玻璃鱗片漆，干膜厚度為700～1 000μm，涂裝施工質(zhì)量極其重要。

3 智能制造體系構(gòu)建

按項目總工期控制要求，沉管隧道鋼殼制造單位需滿足每月生產(chǎn)一個管節(jié)的能力。鑒于鋼殼制造的難點，采用傳統(tǒng)工藝技術(shù)難以滿足高質(zhì)量建造的需求，因此必須進行沉管隧道鋼殼智能制造研究應用，為本項目按期保質(zhì)完成提供保障。

3.1 鋼殼建造工藝流程

為滿足鋼殼智能制造工藝需求，將165m長的標準節(jié)段按長度方向劃分為11個15m長的大節(jié)段，然后寬度方向以左右對稱劃分的原則，將標準節(jié)段劃分為22個小節(jié)段(圖3)。

根據(jù)小節(jié)段結(jié)構(gòu)特點，每個小節(jié)段劃分為4個平面塊體，分為底板塊體、中墻塊體、邊墻塊體及頂板塊體，再根據(jù)塊體的結(jié)構(gòu)特點，將其分為若干個片體。鋼殼建造主要工藝流程如圖4所示。

圖4 沉管鋼殼結(jié)構(gòu)主要工藝流程

3.2 智能制造體系構(gòu)建

綜合考慮鋼殼結(jié)構(gòu)的建造流程和現(xiàn)有智能制造裝備技術(shù)水平，對鋼殼結(jié)構(gòu)建造生產(chǎn)中的切割下料、片體制作、塊體制作、小節(jié)段涂裝等施工工序進行研究，根據(jù)作業(yè)內(nèi)容和類型特點，分為智能切割生產(chǎn)線、片體智能焊接生產(chǎn)線、塊體智能焊接生產(chǎn)線、小節(jié)段智能涂裝生產(chǎn)線及車間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)(MES)五大板塊。據(jù)此研發(fā)鋼殼智能制造“四線一系統(tǒng)”，使用機器人及流水線進行智能化生產(chǎn)。

3.3 “四線一系統(tǒng)”功能與技術(shù)指標設計

3.3.1 智能切割生產(chǎn)線

鋼殼制作單位原有的數(shù)條板/型材數(shù)控切割生產(chǎn)線應用已較為成熟，但每條生產(chǎn)線切割設備相互獨立，各臺設備任務分配及完成生產(chǎn)物量均需人工分配和統(tǒng)計，生產(chǎn)效率受到較大制約。鑒于此，需要通過網(wǎng)絡系統(tǒng)集成技術(shù)，對原有數(shù)控切割生產(chǎn)線進行聯(lián)網(wǎng)管控智能化改造，實現(xiàn)智能切割，如圖5所示。

圖5 鋼材智能切割生產(chǎn)線框架

主要技術(shù)指標：(1)實現(xiàn)數(shù)控切割機和型材切割流水線與車間 MES 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。(2)實現(xiàn)數(shù)控切割機、型材切割流水線數(shù)據(jù)實時采集與反饋。(3)可反饋加工過程的數(shù)據(jù)包括切割鋼材爐批號、切割零件號、切割時間等信息到信息管理系統(tǒng)。

3.3.2 片體智能焊接生產(chǎn)線

鋼殼結(jié)構(gòu)存在大量較為簡單的片體零件，具備流水線生產(chǎn)的條件，在人工裝配后可通過3D在線掃描，自動生成焊接程序，機器人接收指令后自動焊接作業(yè)。片體智能焊接生產(chǎn)線主要包括零件上料、裝配、自動掃描識別焊縫、機器人自動焊接、自動背燒、卸料等工位組成(圖6)。

圖6 片體智能焊接生產(chǎn)線

主要技術(shù)指標：(1)可滿足3.5～9.0mm平角焊、包角焊。(2)能夠?qū)附舆M行精確定位，自動獲取工件信息和生成焊接程序。(3)實現(xiàn)縱、橫隔板單元加勁角焊縫智能焊接。(4)可處理的片體尺寸范圍為長1 500～4 500mm、寬1 500～4 500mm。(5)實現(xiàn)生產(chǎn)線與車間MES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，具備在線編程功能。

3.3.3 塊體智能焊接生產(chǎn)線

塊體智能焊接生產(chǎn)線主要用于深中通道敞開式塊體結(jié)構(gòu)的機器人自動化焊接，依次由上料、FCB拼板、縱骨裝焊、塊體智能機器人焊接、修補、預舾裝、出胎等工位組成，其中塊體機器人焊接系統(tǒng)由移動式焊接門架、橫梁式行走臺車和焊接機器人(含豎直升降系統(tǒng))組成，如圖7所示。

圖7 塊體機器人焊接系統(tǒng)

主要技術(shù)指標：(1)能夠?qū)缚p進行精確定位，自動獲取工件信息，并自動生成焊接程序。(2)可實現(xiàn)縱、橫隔板與頂?shù)装宓冉Y(jié)構(gòu)智能焊接。(3)實現(xiàn)塊體智能焊接生產(chǎn)線與MES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，具備離線編程功能。(4)可滿足5～12mm焊腳高度的平角焊、立角焊、包角焊及不大于14mm板厚的深熔焊。

3.3.4 智能涂裝生產(chǎn)線

結(jié)合鋼殼小節(jié)段外部表面(頂面、底面、側(cè)面)平整、面積大、表面舾裝件少等特點，采用機器人進行打砂、噴涂具有較大的優(yōu)勢。通過引用噴砂、噴漆機器人及遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼殼小節(jié)段智能化涂裝。智能噴砂、噴漆車間如圖8及圖9所示。

圖8 智能噴砂車間

圖9 智能噴涂車間

主要技術(shù)指標：(1)可處理的小節(jié)段尺寸范圍：15m×(23～28m)×10.6m(長×寬×高)。(2)具備離線編程、在線監(jiān)測功能，并可在使用過程中優(yōu)化升級。(3)實現(xiàn)智能涂裝生產(chǎn)線與車間MES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

3.3.5 車間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)

在BIM技術(shù)管理體系框架下，面向BIM技術(shù)開發(fā)車間制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件。該軟件以數(shù)字化車間綜合管理系統(tǒng)(MES)為核心，參考BIM技術(shù)數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一標準，通過基礎數(shù)據(jù)模塊、工程計劃智能編排模塊、胎架布置模塊、塊體運輸管理模塊、質(zhì)量管理模塊、設備管理模塊、狀態(tài)看板管理模塊等，實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的信息化管控，并通過開發(fā)與智能生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，最終與BIM平臺實現(xiàn)無縫銜接，實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的智能管控如圖10所示。

圖10 數(shù)字化車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)功能結(jié)構(gòu)

主要技術(shù)指標：(1)在生產(chǎn)車間部署有線或無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡下發(fā)到各生產(chǎn)工位。(2)通過對設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)對各生產(chǎn)線運行狀態(tài)的監(jiān)控。通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口，將相關信息導入專用的管理信息平臺。(3)實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的信息化管控，并通過開通與下料加工智能生產(chǎn)線、片體智能焊接線、塊體智能生產(chǎn)線、智能涂裝生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。(4)與專用管理信息平臺無縫銜接，實現(xiàn)車間制造執(zhí)行過程的智能管控。(5)具有基礎數(shù)據(jù)模塊、生產(chǎn)管理模塊、質(zhì)量管理模塊、資源管理模塊、狀態(tài)看板管理模塊等。(6)三維數(shù)字化生產(chǎn)設計模型與圖紙按時完成與提交，實現(xiàn)MES系統(tǒng)與“四線”的集成與聯(lián)動、與專用管理信息平臺系統(tǒng)集成。

4 智能制造的工程應用

智能制造已在十余節(jié)鋼殼上應用，從應用情況來看，“四線一系統(tǒng)”運行良好，功能、制造質(zhì)量及效率達到預期目標。

4.1 智能切割生產(chǎn)線

鋼材智能切割生產(chǎn)線在基于原有自動化數(shù)控切割設備的基礎上，通過開發(fā)聯(lián)網(wǎng)管控軟件，布置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和現(xiàn)場工控機一體機，可自動接收設計系統(tǒng)生成的板材、型材切割NC指令，套料冊數(shù)據(jù)，并將切割設備運行狀態(tài)信息及生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋上傳至MES，也可通過外網(wǎng)將生產(chǎn)過程的關鍵數(shù)據(jù)反饋到BIM系統(tǒng)，形成了集管理、信息、監(jiān)控、預警、分析、報表、看板等模塊為一體的程序自動化、管理數(shù)據(jù)化、看板可視化、切割智能化的切割生產(chǎn)線。生產(chǎn)線最大切割長度鋼板為32m、型材為16m。

該生產(chǎn)線的應用，實現(xiàn)了數(shù)控切割生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)的全面實施，解決了切割生產(chǎn)線實時狀態(tài)遠程監(jiān)控、生產(chǎn)進度實時統(tǒng)計和設備故障報警分析等問題，創(chuàng)新性地提出了數(shù)控切割設備實時數(shù)據(jù)采集與重現(xiàn)的解決方案，為實現(xiàn)智能切割生產(chǎn)線“數(shù)字孿生”奠定了技術(shù)基礎。

圖11 智能切割應用

4.2 片體智能焊接生產(chǎn)線

片體智能焊接生產(chǎn)線應用了機器視覺定性分析、焊接路徑自動規(guī)劃和全自動高效焊接等先進技術(shù)。采用線激光實時跟蹤焊縫，根據(jù)工件焊縫直線度偏差，自動調(diào)整焊接路徑，實現(xiàn)基于3D激光掃描自適應編程方式進行焊接作業(yè)。

圖12 片體智能焊接在鋼殼與船舶產(chǎn)品的應用

經(jīng)過前期測試調(diào)試及生產(chǎn)過程中不斷的適應性測試，在鋼殼結(jié)構(gòu)隔板片體加勁肋的焊接上實現(xiàn)了3D掃描100%全覆蓋，100%全自動識別焊接，機器人焊接速度達0.42m/min，可驅(qū)動2臺機器人同步焊接1次成型；同時機器人焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊縫成型均勻良好且能夠?qū)崿F(xiàn)包角焊。片體智能焊接較大提高了生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，在產(chǎn)能提升、降低人工成本、減少人工打磨工作量方面優(yōu)勢顯著。

4.3 塊體智能焊接生產(chǎn)線

塊體智能焊接生產(chǎn)線實現(xiàn)了由縱橫隔板、縱肋、底板構(gòu)成的復雜、狹小空間進行機器人自動識別及焊接，焊接類型覆蓋平角焊、立角焊、深熔焊等多種焊接種類，沉管鋼殼塊體實現(xiàn)了從拼板→FCB焊接→縱肋裝配→縱肋焊接→塊體組件裝配→塊體組件機器人智能焊接→出運整個流程的自動化和智能化流水線作業(yè)。

圖13 塊體機器人在產(chǎn)品焊接的應用

塊體智能生產(chǎn)線通過利用離線編程、三維仿真和焊接機器人等先進技術(shù)與設備，驅(qū)動多臺焊接機器人全自動協(xié)同作業(yè)，焊縫成型均勻，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫一次探傷合格率可達99.9%，打磨修補工作量大幅下降，單個標準管節(jié)可減少打磨約225工時。對比以往人工焊接的生產(chǎn)模式，塊體智能焊接生產(chǎn)線在焊接時間比例和效率方面大幅提升，且大大減少因焊腳過大、缺陷修補等造成的焊材浪費。

4.4 智能涂裝生產(chǎn)線

智能涂裝生產(chǎn)線通過多臺噴砂和涂裝機器人，全自動協(xié)同完成沉管鋼殼小節(jié)段的噴砂涂裝作業(yè)?？赏ㄟ^中控系統(tǒng)遠程監(jiān)控整個涂裝作業(yè)的過程，具有故障報警、實時顯示涂裝作業(yè)工況動態(tài)信息及參數(shù)數(shù)據(jù)、智能數(shù)據(jù)采集及智能數(shù)據(jù)處理等功能，大大減少對作業(yè)人員身體傷害，為實現(xiàn)涂裝車間無人化作業(yè)做出了準備。

圖14 智能涂裝應用

根據(jù)多個管節(jié)應用的情況，噴砂機器人噴砂效率單槍達50m2/h以上，噴漆機器人噴漆效率單槍達150m2/h以上，較人工作業(yè)效率分別提升了約67%、25%以上，相比傳統(tǒng)的人工作業(yè)，在質(zhì)量、節(jié)約人工等方面有較大提升。采用智能機器人噴涂，粗糙度、漆膜厚度均勻，一次性合格率高，同時也不再需要搭架，減少搭架工時。

4.5 車間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)

面向BIM技術(shù)的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，應用范圍涵蓋了鋼殼管節(jié)下料切割車間、片體及塊體場地、智能涂裝生產(chǎn)線等關鍵生產(chǎn)業(yè)務。通過在鋼殼制造區(qū)域部署網(wǎng)絡光纖，實現(xiàn)了加工數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡下發(fā)和智能生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控等功能，并將采集的數(shù)據(jù)接入MES系統(tǒng)平臺。通過開發(fā)MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，對內(nèi)實現(xiàn)與設計系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等信息系統(tǒng)的無縫集成，對外能及時將鋼殼管節(jié)制造生產(chǎn)信息推送至深中通道BIM協(xié)同平臺，打通了上下游數(shù)據(jù)流通關口，解決了數(shù)據(jù)“孤島”問題，實現(xiàn)了鋼殼制造全過程的智能管控。

圖15 智能生產(chǎn)線集成管理及BIM協(xié)同平臺

通過開展面向BIM技術(shù)的各項研究，保證了項目策劃、實施和運行的高效銜接，實現(xiàn)船廠在鋼殼制造中所使用的設計系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等與 BIM系統(tǒng)的有機結(jié)合[4]。深中通道鋼殼制造已全面開展鋼殼智能制造及BIM信息化的相關工作，包括自建信息化平臺(面向BIM技術(shù)的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、焊縫三維地圖、BIM模型及WBS編碼等)、基礎設施建設(車間網(wǎng)絡、工地視頻監(jiān)控等)和深中BIM協(xié)同管理平臺應用等。通過BIM及信息化實施、過程改進和功能驗證，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，有效提升了鋼殼智能制造水平。

5 結(jié)語

通過開展鋼殼智能制造研究，推進“四線一系統(tǒng)”應用，建立了鋼殼管節(jié)智能制造技術(shù)標準，開發(fā)了基于視覺識別的焊接機器人在線編程、大型鋼結(jié)構(gòu)塊體3D定位及焊縫點激光精確尋位一體化、大型鋼結(jié)構(gòu)的智能涂裝、面向BIM的系統(tǒng)集成等關鍵技術(shù)。智能生產(chǎn)線產(chǎn)能及工效滿足鋼殼制造進度需求，切割、焊接、涂裝質(zhì)量穩(wěn)定可靠，相比傳統(tǒng)的人工作業(yè)具有較大優(yōu)勢，為船舶工業(yè)和交通制造業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級起到先行示范的作用。