本文摘要：随着全球智能制造技术发展，各国加速布局制造业，国际制造业格局面临重大调整。 在船舶制造业对数字化、网络化、智能化技术应用提出新要求的关键时期，江南造船(集团)有限责任公司创新研制出吊马智能制造单元，获得2020年上海市产业青年创新大赛金奖，谱写了
随着全球智能制造技术发展，各国加速布局制造业，国际制造业格局面临重大调整。 在船舶制造业对数字化、网络化、智能化技术应用提出新要求的关键时期，江南造船(集团)有限责任公司创新研制出吊马智能制造单元，获得2020年上海市产业青年创新大赛金奖，谱写了船舶智能制造新篇章。
当前，快速发展的智能制造技术正加速重构全球制造业格局，中国制造业面临巨大压力。 作为制造业的重要组成部分，船舶制造是典型的离散型生产，其工艺流程复杂，建造周期相对较长，具有单件小批量生产、中间产品种类非标件数量多、物理尺寸差异大、作业环境相对恶劣等特征，对数字化、网络化、智能化技术应用提出了特殊要求。
在国内外船舶制造行业中，大型船舶建造通常采用分段建造工艺，船用吊马广泛应用于船舶制造的各个生产过程中，是船舶建造过程中必备的工装件。 它安装在船舶分段或总段上，是用于船舶分段和总段起重、吊运、移位、翻身及搭载等吊装作业的受力构件。 我国有近百家造船厂，吊马年需求总量巨大，吊马制造效率直接影响船舶产品交付周期，制造质量直接决定吊装作业的安全可靠性，所以迫切需要加强智能制造技术研究，加速吊马的制造效率和质量。 江南造船(集团)有限责任公司(以下简称“江南造船”)创新研制出吊马智能制造单元，以适应船舶行业高质量发展的要求。
行业发展新需求
我国船舶行业智能制造整体水平还处于起步与探索阶段，装备与系统的自动化、智能化水平，制造技术与信息技术的融合与集成程度，智能制造技术储备，生产组织和管理水平等方面还存在不足，尚未建立适应智能制造发展要求的业务模式和管理体系。 在吊马应用过程中，亦需要不断开拓思路，全面推进智能制造。
研制吊马智能制造单元可谓降低生产成本、提升生产效率的迫切需要。 提高效率、提升质量、降低成本，是企业生存和发展不变的主题，是在激烈竞争环境中取胜的必要途径。 当前世界航运市场低迷，造船企业接单难、盈利低、生存压力大，更应该通过多方面的技术创新和突破来降低设计、制造成本，提高生产制造效率。
吊马智能制造单元提供了实现吊马快速生产、提升焊接质量的优质解决方案。 在船舶建造中，必须有效控制吊马焊接质量，传统吊马生产方式使用人工装配焊接，导致焊接质量不稳定、生产效率低，亟需采取新方法和手段实现低成本、高效率吊马生产制造。 目前大多数船厂都积极发展智能制造，但是在吊马机器人焊接方面，尚停留在引入焊接机器人的阶段，未能形成流水化作业，装配工位依旧采用手工装配方式，需要人工进行吊运上料，智能化程度较低，且整套设备成本高昂，后期自主可升级性较低。 因此，亟需实现吊马智能流水化作业、快速生产、高质量焊接。
吊马智能制造单元研制是一个“从无到有”“从有到好”的创造过程，其根据江南造船在建产品、场地条件、生产流程的实际特点，自主研发设计装置，有利于推进船厂标准化、智能化制造升级，同时提升单元设计、智能化设备研发方面的水平和能力，为船舶行业提供智能制造解决方案，促进船舶制造业转型发展。
智能无人化作业
针对吊马传统作业任务重、环境差、效率低、质量不稳定等痛点，吊马智能制造单元创新性地在船舶行业内集成了机器人视觉识别、智能抓取、智能焊接技术，研制出装配、搬运、焊接三大系统，实现了搬运、缓存、焊接、打磨及下料等工序的无人化作业。
装配系统采用人工装配方案，装配场地设有两个装配工位，每个工位设置两个装配工艺装备，该装备可通过平转变位机旋转实现两个工装在装配工位和抓取工位之间的切换。 人工装配完成后，装配工艺装备将自动翻转工件并将其旋转至搬运机器人抓取工位。 由机器人抓取放置到缓冲定位装置上，缓冲定位装置采用方便可调的定位结构，可适应所有类型吊马的临时放置。 人工装配工位与机器人抓取工位分离开，以保证人员安全。
搬运系统的搬运机器人将人工装配后的吊马从装配工艺装备(或吊马缓冲区)上抓取搬运并放置到焊接变位机夹紧装置(或吊马缓冲区)上，焊接机器人对吊马焊接完成后由搬运机器人将吊马抓取搬运至下料托盘中。 搬运机器人集成打磨装置在焊接间歇过程完成焊渣清理，不影响焊接生产节拍。
人工装配完成的吊马旋转到抓取工位，搬运机器人在抓取工位经过视觉测量定位，然后抓取放置到吊马缓冲区或直接放置到焊接变位机上。 搬运机器人配有第七轴，可覆盖装配系统及焊接系统相关区域。 机器人末端设置有视觉测量定位装置、磁力端拾器和焊渣清理打磨装置，可完成吊马位置测量、抓取、放置到吊马缓冲区、放置到焊接变位机、焊接过程的焊渣清除和下料工作。 端拾器与机器人连接部位为可控的柔性结构，抓取工件时其为刚性状态，当放置工件到焊接变位机夹紧装置时调整为柔性状态，避免机器人和焊接变位机之间产生抵抗作用力。
焊接系统采用机器人全自动焊接的总体方案，采用药芯焊丝焊接，在多层多道焊接时,采用机器人自动清渣的方式解决。 人工装配后的吊马由焊接机器人对吊马进行焊接，焊接后由搬运机器人将吊马抓取搬运至下料托盘中。
焊接系统内有两台焊接机器人，每个机器人末端设置一套激光视觉跟踪装置，用于实时测量跟踪吊马焊缝，确保焊接质量。 每个焊接机器人配有两台焊接变位机，焊接机器人在两个工位间切换进行工作，以减少焊接机器人等待时间，充分发挥焊接机器人的效率。 焊接变位机为数控驱动，可充分满足机器人的工作要求。 每个焊接变位机上配置一套夹紧装置，由液压驱动提供夹紧力，安全可靠。 夹紧装置可适应江南造船所有类型通用吊马的夹持。 整个工作站的运行由控制系统软件统一控制，各个机器人的动作节拍和相互间的协调都由计算机根据实际工作情况实时控制调整，确保发挥每个环节的效用，保证设备和人员的工作安全。
全流程优化升级
随着吊马智能制造单元于2020年7月1日正式揭牌运行，江南造船相关业务的人工负荷减少80%，且生产效率提升60%。 吊马智能制造单元的应用，将一线劳务工人从繁重的体力劳动中解放出来，改善了在恶劣环境中持续进行大量重复、高强度作业的工况，促进了船舶制造企业高质量发展，同时带动了设计、制造、管理、配套等全生产流程优化升级。
研制定制化气动装配工艺装备，适用范围覆盖全厂所有通用吊马型号，操作人员无需复杂的准备和调整工作，即可实现吊马主板腹板自动对齐夹紧、自动翻身、侧板高效率对齐等功能，完成吊马零件的快速装配任务，装配效率提高80%。
通过对视觉测量定位技术、焊渣自动清理打磨等技术的研究，研制吊马智能化搬运系统。 实现吊马位置测量、抓取、择优选取放置、焊接过程的焊渣清除和自动上下料码垛功能，全过程自动化，人工负荷减少100%。
通过对各型号吊马结构、焊接机器人焊接工艺的研究，研制吊马智能装夹系统，在焊接变位机上配置一套具有高度通用性的夹紧装置，由液压驱动提供夹紧力，吊马型号通用适配率达到100%。
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通过对焊接机器人焊接工艺、焊接路径规划等技术的研究，研制吊马智能焊接系统。 通过在焊接机器人末端设置一套激光视觉跟踪装置，实现工件焊缝的实时测量跟踪，确保焊接质量，焊接效率提升60%。
吊马是船舶建造所必需的工艺装备件，我国造船业每年吊马需求达百万件以上，吊马智能制造单元在行业内具有广阔的推广应用前景。 结合“中国制造2025”重大战略部署，加快大数据、人工智能等新一代信息技术与制造业深度融合，船舶制造行业将会不断健全完善科技创新体系，发挥内外部协同优势，推进核心产品、制造技术和科研能力升级。
作者：尹志双 汪文灏
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