船舶曲型分段生產(chǎn)計算機輔助工藝設(shè)計技術(shù)

1、 課程名稱現(xiàn)代船舶設(shè)計技術(shù)題目船舶曲型分段生產(chǎn)計算機輔助工藝設(shè)計技術(shù)2012年02月1520日目錄0 引言21 船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP的原理31.1船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP系統(tǒng)設(shè)計框架31.2 B/S 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)41.3設(shè)計路線62 關(guān)鍵技術(shù)82.1工藝流程的確定82.2工藝決策92.3基于動素的工序細化102.4工藝規(guī)劃中的知識庫設(shè)計113 應(yīng)用實例113.1實例分析113.2未來展望134 結(jié)論14船舶曲型分段生產(chǎn)計算機輔助工藝設(shè)計技術(shù)摘要：針對目前國內(nèi)造船企業(yè)生產(chǎn)效率低下、工藝和規(guī)程不規(guī)范的現(xiàn)狀，從人因工程的思想出發(fā)，提出了基于動素的半創(chuàng)成式船舶曲面分段生產(chǎn)計算機輔助工藝設(shè)計技術(shù)。在專

2、家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上建立工藝知識庫，通過決策樹分析工藝路線。利用知識庫和推理機進行工藝決策，生成曲面分段各個中間產(chǎn)品的加工工藝規(guī)程。為了使輸出結(jié)果更具可操作性，建立了標(biāo)準(zhǔn)工藝塊和標(biāo)準(zhǔn)動素庫。在此基礎(chǔ)上將工藝規(guī)程細化至操作規(guī)程，用于指導(dǎo)現(xiàn)場操作。經(jīng)驗證，系統(tǒng)輸出結(jié)果符合船舶建造的實際過程，生產(chǎn)效率提高明顯。關(guān)鍵詞：計算機輔助工藝設(shè)計；船舶曲型分段；工效學(xué)；動素；知識庫ABSTRACT: Based on human factor engineering,semi-generative therblig-based Computer Aided Process Planning(CAPP)technol

3、ogy was present to improve productivity and standard process operation for ShipyardBy collecting expertise experiences,the process knowledge library was set up,and process route could be generated and analyzed by decision tree.Then by use of knowledge library and reasoning machine，the standard proce

4、ss rules for semi-finished products of curved blocks were obtainedSome standard process modules and standard therblig base had been created to improve the maneuverability of the outputsThe process regulation had been extended to operation regulation to guide operation for workerThe prototype system

5、has been implemented and verified through the experiment in curved blocks construction center by using real blocks in the shipyardKEY WORDS: computer aided process planning；curved blocks；ergonomics；therblig；knowledge library0引言在船舶建造過程中，曲型分段的建造較為特殊。首先，曲型分段的生產(chǎn)特點是多品種小批量，即使是同一艘船，曲型分段相似度也很小。不同的曲型分段，線型不同，

6、胎架也不同，而且大多是單件生產(chǎn)，因而沒有工藝規(guī)程。其次，曲型分段間差別很大，即便物流量相差不多，但其工藝流程、作業(yè)復(fù)雜程度不一，對場地、勞動力等的需求也不一樣1。第三，與平面分段制造的流水線作業(yè)不同，曲型分段制造是以胎架、手工操作為主來完成，仍為傳統(tǒng)的離散型手工生產(chǎn)方式。在實際生產(chǎn)中，無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依，錯誤率高、返工率高。若將工效學(xué)中的動素概念(即記錄動作的最基本單位2)引入船舶生產(chǎn)，把手工操作分解成動素，制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將大大節(jié)約操作時間，提高生產(chǎn)效率。不同船舶的各個中間產(chǎn)品的加工工藝存在顯著的差異。即使是同種分段、同種裝配體的產(chǎn)品，在尺寸、產(chǎn)品類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系及裝配加工序列等方面都有所不同3

7、。因此，采用手工逐件設(shè)計的方式既耗費時間又耗費成本，難以滿足實際生產(chǎn)的需要。目前開發(fā)的計算機輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)大多數(shù)是零件機加工工藝規(guī)程的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，而船舶裝配焊接的計算機輔助工藝設(shè)計(Computer Aided Process Planning，CAPP)方面幾乎沒有相關(guān)的成果。與機加工工藝規(guī)程相比，曲型分段造船工藝規(guī)程的編制更為特殊，對經(jīng)驗的依賴性更大，工藝操作內(nèi)容需進一步細分。為此，本文提出了半創(chuàng)成式船舶曲型分段生產(chǎn)計算機輔助工藝設(shè)計技術(shù)。通過決策樹確定工藝路線；借助知識庫中的規(guī)則進行工藝決策；利用工藝塊和動素細化工藝；在工藝流程、工藝操作和動素操作3個層次上對船舶曲型分段的生產(chǎn)

8、工藝進行描述，由此得到可指導(dǎo)實際生產(chǎn)的工藝規(guī)程和操作規(guī)程。1船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP的原理11船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP系統(tǒng)設(shè)計框架船舶曲型分段生產(chǎn)計算機輔助工藝設(shè)計的基本框架如圖1所示，主要由5部分組成。圖1 基于動素的船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP系統(tǒng)框架(1)信息輸入模塊用來接收組件/零件信息、制造資源信息和各產(chǎn)品的物料清單(Bill of Material，BOM)。(2)工藝流程確定模塊用來確定完整的工藝流程，包括工藝流程主干和輔助工序。(3)工藝決策模塊用于生成工藝路線和工藝決策。它包含決策方法和工藝決策知識，即推理機與知識庫，兩者相互獨立。推理機由4個子模塊構(gòu)成，即吊運工藝設(shè)計模塊、裝配

9、工藝設(shè)計模塊、焊接工藝設(shè)計模塊和火工工藝(即火焰加工，包括火焰矯正和火焰成形，文中所述火工均指焊接變形的火焰矯正)設(shè)計模塊。(4)動素操作模塊由操作模塊將現(xiàn)有工序分解為基本動素、通用動素和專用動素，計算理論工時，輸出操作規(guī)程。(5)信息輸出模塊輸出格式化的工藝規(guī)程和操作規(guī)程。1.2 B/S 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)船舶曲型分段生產(chǎn) CAPP 系統(tǒng)是基于B/S 網(wǎng)絡(luò)模式下的客戶端應(yīng)用程序所謂 B/S 結(jié)構(gòu)即Browser/Server 瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)是隨著Internet技術(shù)的興起對C/S 結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進的結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)下用戶界面完全通過WWW 瀏覽器實現(xiàn)一部分事務(wù)邏輯在前端實現(xiàn)但是主要事務(wù)邏輯在

10、服務(wù)器端實現(xiàn)B/S 結(jié)構(gòu)主要是利用了不斷成熟的WWW 瀏覽器技術(shù)結(jié)合瀏覽器的多種Script 語言(VBScript JavaScript)和ActiveX 技術(shù)用通用瀏覽器就實現(xiàn)了原來需要復(fù)雜專用軟件才能實現(xiàn)的強大功能并節(jié)約了開發(fā)成本是一種全新的軟件系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)。C/S 結(jié)構(gòu)即Client/Server 客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)是大家熟知的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)通過將任務(wù)合理分配到Client 端和Server 端降低了系統(tǒng)的通訊開銷可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢傳統(tǒng)的C/S 體系結(jié)構(gòu)雖然采用的是開放模式但這只是系統(tǒng)開發(fā)一級的開放性在特定的應(yīng)用中無論是Client 端還是Server端都還需要特定的軟件

11、沒能提供用戶真正期望的開放環(huán)境而B/S 結(jié)構(gòu)則不同它的前端是以TCP/IP 協(xié)議為基礎(chǔ)的企業(yè)內(nèi)的WWW 服務(wù)器可以接受安裝有Web 瀏覽程序的Internet 終端的訪問作為最終用戶只要通過Web 瀏覽器各種處理任務(wù)都可以調(diào)用系統(tǒng)資源來完成這樣大大簡化了客戶端減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量降低了用戶的總體擁有成本顯然B/S 結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序相對于傳統(tǒng)的C/S 結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序?qū)⑹蔷薮蟮倪M步。圖2 基于動素的船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP系統(tǒng)的主要功能1.3設(shè)計路線與一般的CAPP系統(tǒng)不同，船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP從工藝流程、工藝操作和動素操作3個層次上描述生產(chǎn)工藝，即在建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)BOM的基礎(chǔ)上，確定各

12、種結(jié)構(gòu)件和裝配件的工藝路線加工；用什么方法加工；工人應(yīng)該如何操作，每個工序需要多長的生產(chǎn)周期。如圖2所示，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)BOM出發(fā)，首先制定清晰的工藝流程和工藝方法，即工藝規(guī)程；其次，制定基于動素的操作規(guī)程，說明完成一道工序，工人應(yīng)該遵循的動作要領(lǐng)和操作順序，形成高效率操作的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)規(guī)范，必要時可以附圖說明，力求簡便易懂，可以讓員工快速掌握。最后，利用標(biāo)準(zhǔn)動素的時間公式，統(tǒng)計每個工序的工人動作時間、走動時間、作業(yè)準(zhǔn)備時間等，以形成準(zhǔn)確的操作規(guī)程。圖3 基于動素的船舶曲型分段生產(chǎn)CAPPI藝設(shè)計路線從“工藝流程-工藝操作-動素操作”的細化思想(如圖3)中，可以看出船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP系統(tǒng)主要解決

13、3個方面的問題：工藝流程的確定。目的是生成工藝規(guī)程主干，即指明組件的加工過程。工藝決策。包括工藝的選擇、設(shè)備與工裝的選擇、工序參數(shù)的計算等內(nèi)容。工序細化。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)工藝數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)動素數(shù)據(jù)庫，指明基于動素的具體操作順序。圖4 逐層細化的思想2 關(guān)鍵技術(shù)2.1工藝流程的確定生成工藝規(guī)程主干的目的是：按照一定的工藝路線原則，根據(jù)組件的特征信息，確定組件的工藝流程和裝配順序4。通過分析大量的造船工藝過程可以發(fā)現(xiàn)，不管組件多么復(fù)雜，其加工工藝可以分解成主工序和輔助工序兩類。主工序一般是組件加工過程的共同點，如吊運-定位-裝配-焊接-火工-吊運。輔助工序包括二次劃線、零件翻身等。首先，根據(jù)產(chǎn)品的BOM結(jié)構(gòu)

14、，安排零件的安裝順序，結(jié)合主工序，初步生成工藝規(guī)程的主干；再根據(jù)工藝規(guī)程的規(guī)律性，在工藝規(guī)程主干中自動插入輔助工序。工藝規(guī)程的規(guī)律性采用決策樹的形式表示，決策邏輯如圖4所示。圖5 確定工藝流程的決策樹在進行工藝決策之前，可以顯示中間排序結(jié)果供用戶確認(rèn)，當(dāng)用戶不滿意時，可對其進行必要的編輯修改，最后形成滿意的工藝規(guī)程主干，為工藝決策做準(zhǔn)備。2.2工藝決策造船工藝決策方法帶有明顯的專家個人的技巧和智能知識。利用這些專家知識建立起吊運、裝配、焊接和火工的工藝知識庫。在推理時，將對象的結(jié)構(gòu)特征信息和專家系統(tǒng)中的前提匹配，以決定可以采用哪些或某個工藝，它相當(dāng)于專家系統(tǒng)中的規(guī)則引用。知識庫和推理機的相互獨

15、立，增加了系統(tǒng)的靈活性。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境發(fā)生改變時，用戶只要對原有知識庫進行更新與擴充即可，這些操作可在知識庫維護模塊完成。生成某個產(chǎn)品的具體工藝規(guī)程，是根據(jù)已生成的工藝流程，依次訪問相應(yīng)的知識庫，并通過推理機中的深度優(yōu)先原則，從知識庫中搜索出能夠處理當(dāng)前狀態(tài)的規(guī)則，然后執(zhí)行這條規(guī)則，并把每一次執(zhí)行規(guī)則得到的結(jié)論部分，按照先后次序記錄下來，直到產(chǎn)品加工到終結(jié)狀態(tài)。這個記錄就是該產(chǎn)品加工所要求的工藝規(guī)程。工藝決策的結(jié)果包括加工對象(1個或2個)、適用工種、匹配工藝編碼、作業(yè)目的描述、加工設(shè)備集合、輔助工具集合和加工參數(shù)集合等內(nèi)容。這里的加工對象，代表正在進行推理的某工序的加工對象，隨著工序的改變而

16、改變。匹配工藝編碼由推理機推理而來，同時可確定適用工種、作業(yè)目的描述，其余參數(shù)通過設(shè)備工具數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)工藝數(shù)據(jù)庫進行匹配。工藝決策所提供的結(jié)果將為工藝細化過程提供參數(shù)。因此，系統(tǒng)生成的工藝決策結(jié)果將供用戶確認(rèn)。若工藝決策結(jié)果出現(xiàn)多解的情況，由用戶選擇其中一解作為最終結(jié)果；若出現(xiàn)無解的情況，由用戶從標(biāo)準(zhǔn)工藝數(shù)據(jù)庫中選擇一種工藝作為參考進行修改。2.3基于動素的工序細化造船生產(chǎn)工藝細化的目的就是用基本動素、通用動素、專用動素描述工序，提供具有可操作性的操作規(guī)程，用以指導(dǎo)實際生產(chǎn)?；緞铀刂饕侵窶TM-1標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)的動素。例如，伸手(R)、移動(M)、握取(G)等。通用動素是指由兩個以上基本動素組

17、成的宏動素。例如，伸手拿取(RG)、彎腰放置(WP)等。專用動素是指某個(某些)工種特有的操作，包括機器操作和手工操作(如工具操作)。例如，吊運中的夾具連接(JL)、焊接中的直接引弧等。對于吊運、裝配、焊接和火工4類基本作業(yè)形式，盡管它們針對具體對象的操作方法千差萬別，但各類零件/組件的具體操作都有固定的形式或操作序列?？偨Y(jié)并抽取各類零件/組件操作序列的共性，可組成若干操作方法序列集，并以此為依據(jù)構(gòu)造具有特色的組件加工操作序列5。工序細化有3種方式：(1)如果新工序與已有標(biāo)準(zhǔn)工藝在作業(yè)對象、作業(yè)內(nèi)容上非常相似，則用戶可以直接導(dǎo)入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，只需對已有的操作進行少量的修改就可完成。(2)

18、如果新工序與已有標(biāo)準(zhǔn)工藝只在局部內(nèi)容相似時，則用戶可通過工藝塊分解，簡化操作。工藝塊是工藝方法中具有共性的操作單元，由動素打包而成。例如，在吊運工藝中，吊鉤下降-夾具連接-起吊，這3個吊運專用動素組成一個工藝塊，屬于吊運操作中必不可少的一個單元。系統(tǒng)可以根據(jù)新工序的信息，直接導(dǎo)入這樣的工藝塊。用戶對工藝塊進行部分修改，添加工藝塊以外的操作，從而完成工序分解。(3)如果新工序與已有標(biāo)準(zhǔn)工藝都不相似，則用戶只能從頭開始，或向系統(tǒng)輸入可以借用的某些工藝塊標(biāo)志后，系統(tǒng)根據(jù)動素分解原則，自動對所選的工藝塊的工藝信息進行處理，逐步將新工序分解為動素，并將分解結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)工藝存人數(shù)據(jù)庫。通過“MTM”法預(yù)先

19、確定每種動素的時間值，其時間單位為0.036 S，從而動素可以根據(jù)MTM時間表查出相應(yīng)的時間標(biāo)準(zhǔn)2。其中，對于時間值有影響因子的動素，可以根據(jù)具體工藝確定影響因子的值。工藝細化的結(jié)果得到用戶認(rèn)可后，根據(jù)將分解后的動素的時間累加成為具體工藝的時間，然后將所有工藝的時間累加成為產(chǎn)品生產(chǎn)工時定額，并加上20的寬放時間6，得到理論計算工時定額。2.4工藝規(guī)劃中的知識庫設(shè)計船舶曲型分段生產(chǎn)CAPP系統(tǒng)中，知識是以產(chǎn)生式規(guī)則表示和存儲的。推理機對知識庫中的規(guī)則進行匹配推理。產(chǎn)生式規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式為：Rule#：IF(WorkType#，condition)THEN(conclusion)。式中，Rule#是

20、規(guī)則號；WorkType#是工種編號；condition(條件)是規(guī)則的前提，是各參數(shù)“&”(and)關(guān)系的邏輯組合；conclusion(結(jié)論)是規(guī)則的結(jié)論部分，是與前提相對應(yīng)的工藝方法。對于火工工藝，如果焊接類型為角焊、焊接接頭類型為T型、組立類型為任意值、基板寬度0.12 mW2.5 m、板厚為任意值、焊接角高度。D與基板厚度H的比值D/HO.7、焊接角變形量君為任意值，那么應(yīng)選用的火工工藝為板架T型角接焊縫的火焰矯正，加熱方法為長條加熱法(雙線加熱法)。該規(guī)則用如下形式表示：5#：IF(FR，角焊，T型，0.12-2.5，0.7)，THEN板架T型角接焊縫的火焰矯正+長條加熱法

21、(雙線加熱法) 。3應(yīng)用實例3.1實例分析在上海某造船廠，選取某船154分段的SS1A中裝配體，它包括5個小裝配體，即FRl7F，F(xiàn)R20F，F(xiàn)R23F，F(xiàn)R27F和BK9A。除小裝配體外同時還包括24個零件，即18個補板C1C18，需要點焊在曲型基板上，供大裝配體使用；6根縱向連續(xù)的防撓材(角鋼)。該裝配體具有典型的船舶生產(chǎn)特征、生產(chǎn)流程適中，且盡可能覆蓋了船舶生產(chǎn)的作業(yè)形式，支柱胎架圖和胎架二次劃線也是該作業(yè)的主要內(nèi)容。以Visual Studio.NET和SQL Server作為平臺開發(fā)了曲型分段生產(chǎn)CAPP系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)進行工藝設(shè)計的主要步驟是：(1)準(zhǔn)備工作。將組件及零件的特征信息

22、以代碼或數(shù)據(jù)的形式，輸入計算機；將工藝人員編制工藝的經(jīng)驗、工藝知識和邏輯思想，以工藝決策規(guī)則的形式輸入計算機；將基于動素的標(biāo)準(zhǔn)工藝及其參數(shù)輸入計算機。(2)選擇SS1A裝配體作為工藝設(shè)計對象。系統(tǒng)自動檢索其BOM結(jié)構(gòu)，得到隸屬于SSIA裝配體的各組件和零件的特征信息及其裝配關(guān)系。通過聚類分析口3和BOM結(jié)構(gòu)，得出目標(biāo)組件的裝配順序。(3)系統(tǒng)根據(jù)決策樹(如圖4)進行判斷，自動將吊運工藝、裝配工藝、焊接工藝和火工工藝重新排列組合，得出工藝流程。根據(jù)工藝知識庫所提供的規(guī)則進行工藝決策，條件不足時，用戶可根據(jù)頁面，提示輸入決策條件值，系統(tǒng)將自動計算各工序的加工參數(shù)。在交互編譯界面，對系統(tǒng)生成的工藝流

23、程進行編輯、刪除等操作，并將最終結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。格式化的工藝規(guī)程可通過輸出界面預(yù)覽并打印輸出。(4)用戶參考系統(tǒng)提供的工藝塊、標(biāo)準(zhǔn)動素，以人機交互的方式對工藝規(guī)程進行細化，存儲并打印編輯后的操作規(guī)程。具體流程如圖5所示。用戶在動素操作模塊將工藝規(guī)程分解為動素(如圖6)，提供操作規(guī)程指導(dǎo)操作者進行船舶生產(chǎn)建造。驗證程序所設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)工作流程、標(biāo)準(zhǔn)工作規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)動素在實際船舶建造過程中的作用效果。圖6 工藝生成流程圖通過跟蹤記錄SS1A裝配體的生產(chǎn)操作過程和需要的工作時間，統(tǒng)計工時結(jié)果。實驗證明（如圖7），程序設(shè)計的工藝規(guī)程基本符合生產(chǎn)實際；理論計算工時比船廠實際工時少81 h人工，降低約50.63；利用新辦法測得的工時比理論計算工時多7.28 h人工，即9.2，比船廠原先的實際工時降低了約46，有效提高了生產(chǎn)率。圖7