【doc】机器人技术在美国造船工业中的应用（上） .doc

机器人技术在美国造船工业中的应用（上）?工业机譬人?机器人技术在美国造船工业中的应用(上)何萱美国造船工业为各种加工过程引进机器人技术提供了广阔的天地,但并非很快能实现柔性自动化,主要是因为生产批量小,缺乏生产用的传感器和自适应控制技术等.不过对诸如物料运贮,金属板制造结构件切割,零件定位装置以及焊接等最适于近期开发的应用项目正在进行研制进行其它一些应用研究的目的在于使各种加工工序,表面准备和油漆以及非接触检验和测量等工序自动化.现将有关问题简介如下:一,背景美国造船工业既包括公,私营造船厂,又包括许多的材料与设备供应基地.目前主要有23家私营造船厂及8家公营或海军舰船修造厂,它们完成了大量工作.自从1967年以来,美国不论商船还是军舰的所有新船舶的建造都是由私人造船厂完成的.过去,海军舰船修造厂负责修配大量诸如潜艇,巡洋舰,航空母舰,驱逐舰及驱逐领舰等较复杂的军舰,而诸如登陆舰,辅助舰及支援舰等那些不很复杂的船舰均由私营造船厂修配.现在,由于船舶系统在技术上更为先进,私营造船厂也负责修配日益增多的更加复杂的船舶.1.工业状况在此拟对造船工业现状提出一些看法.在过去几年进行了许多研究,并按主题写出了研究报告.1985年就有三个报告值得推荐;(1)全国研究理事会报告;(2)乔治城一l4一大学战略与国际研究中心自皮书以及(3)造船与轮机工程师会出版物.美国造船工业目前危机四伏.商船建造及修理工作几乎都已消亡,可以说造船工业已进入萧条时期,在不久的将来,对新船舶的需求量极小.根据劳埃德船舶年鉴,到1984年9月30日的统计,世界订货锐减从1974年的1.20704亿总吨数减刊1984年的310万总吨数(降低74.5).到了1985年7月1日只建造了1255只舰船,总计64.1百万吨.这是由于国际及国内造船业衰退,其结果是商船修理业的急剧下降.这些因素急剧增加了新船建造及修理业的国际竞争.美国造船工业在竞争中一直不景气,其原因很多,例如外国政府补贴,廉价劳动力及许多其它因素等等.最近南朝鲜及中国加入竞争更使美国未来新船舶建造的前景黯淡.在商船市场持续衰退的同时,海军则在致力于一项扩建计划,其预期目标是在90年代拥有600只舰船的舰队.这项计划的主要影响是会对造船工业及其衰落的供应基地起暂时的促进作用.计划的大部分工作是由少数几家专门从事主要战舰建造的造船厂完成的.战略与国际研究中心的白皮书指出,1984年在现有的造船基地中共有25家主要私营造船厂.它们中仅有7家能够造大型而复杂的美国海军军舰.现在由于世界上很少或不需要建造商船,即使商船与军舰的建造工作量加起来也不足以维持现有造船基地.海军部长约辕?莱尔曼在海军杂志1983年4月号上指出,现在设有那么多的海军舰艇建造任务来维持现有的商用造船基地,将会有更多的公司停业.围绕造船工业规模必须适应经济发展和国防需要的问题有很大的争论.在许多参考文献中都在讨论这个问题,在此将不赘述.但必须明确一点;今天美国造船工业的主要用户是美国海军.这就意味着在称之为多面加工车间的造船工业应用自动化的任务将变得更复杂,这是因为其工作量大部分是定制任务,例如建造专用战斗舰艇等.2.采购t造过程建造美国海军军舰也许是世界上任何工业企业所承担的最复杂任务,因为是在只有有限的实际通路的庞大钢结构中设计,建造,安装瓤试验复杂的武器系统,传感器系统及大量支援环境控制和操作系统等.造船任务基本上是在一种独特的非结构环境下同一类型的生产加工.因此,机器人技术的应用要比具有大量重复装配线特征的其它工业困难许多倍.海军军舰采购过程从开始确定需要到投入舰队眍役平均需要14年的时间.整个过程包括诸如可行性研究,概念系统化,初步设计,合同设计,施工设计及建造等各个阶段.由于船舶所具有的复杂性及其定制特点,初步设计与台同设计一般各需要12个月,而施工设计与建造则根据船舶等级需要4至7年.最近应用于武器系统,指挥和控制系统以及其它主要舰船系统和构件等的技术有了迅速发展,就要求把这些技术台并成一个完整配套的集成件,从而大大增加了舰船设计的难度,同时也增加了建造的复杂性.最近几年美国海军采用了一种做法,即新舰船建造计划的主要争论者必须参与设计,以便能将某种程度的可生产设计一引入建造过程.一般都是委托有关造船厂完成推荐设计的可生产性研究,其研究成果应纳入最终台同设计,以便减少建造时圊和总成本.造船台同签订之后,拿到台同的造船厂应立即开始最终设计阶段,它可称为旗工设计阶段.在这期间应确定舰船最终结构,鉴定全部构件,提出材料清单以及绘制用于建造舰船的各种旗工图.舰船的实际建造是一个复杂的加工过程,它在很大程度上取决于各造船厂及其设备.大多数造船厂都使用一种模块化建造技术,其模块尺寸则取决于现有加工设备性能和能力.应在最大可能范围内采用预制装配式模块,然后与其它模块连接,最后组成完整的舰船.0.遗船曩况船舶施工设计及建造阶段计算机得到广泛的应用,斜如软件有从单个独立的软件程序到cad/cam系统,硬件则有从个人计算机到大型主机.由此可以看出造船工业已进入计算机时代.但是,集成系统和兼容数据库的开发以及数据管理和通信问题的解决仍然使造船工业感得棘手,不过它们的顺利解决却能为造船工业提高生产力提供极大的可能性.船舶设计和建造的整个过程要在这里详细地描述是较复杂的,但简要地考察一下结构装配件的主要范围却是有益的.美国民用造船厂现在使用着两种cad/cam主系统(spades和autokon),它支持着船舶基本结构件的设计与建造.spades系统是由metairie的cali&associates开发和出售的.autokon则是挪威开发的,在美国是由船舶研究服务公司销售的.船型就在这两种系统上进行数学建模的,并能描述诸如甲板和舱壁等结构分舱情况,其中包括甲板接缝和对缝接以及全部加强筋的位置.按照生产进度表,nc零件编程员将从描述具体结构部件的数据库中抽取数据.此数据将用于开发气害inc带以驱动气宣i机把钢板切成一l5一适合的尺寸和形状.具体部件用的钢板应从料场送去加工区除去轧制铁鳞,然后进去油漆区涂刷结构底漆.这种底漆是用来在建造阶段防止钢板生锈的,一般把它叫做焊透涂料,也就是说,在以后的装配工序中无须除去它就可进行焊接.钢板经此准备阶段就可送去nc气割工作台,根据专用程序切封成零件并作上标记.组成船体的大型钢板应经过大型轧辊加工而成为所要求的形状.甲板和舱壁等大型平板件一般都应经过平面分段线工序的处理而连接成大型平面板.这道工序一般都使用限于直线焊件的自动焊接设备,其诸如电弧电流及填充焊丝送进速度等电焊接参数应保持在给定的恒定值范围内.目前进行的许多研究都在探索具有适当传感反馈的系统.事实上,窄间隙焊接方法已由海军研制成功,并已在新港新造船厂建造的航空母舰飞行甲板大型焊件上验证过.这种方法能大大减少自动焊接所需的焊道教,还可应用电弧穿透跟踪能力为焊缝提供有限的自适应控制.电弧穿透跟踪能根据焊接侧壁来确定电弧电流和填充焊篓位置之间的相关性.焊接钢板加工成具体部件的适当尺寸之后,加强筋应进行平面分段线工序处理,然后放在规定和作标记位置的平面上,并用自动或半自动焊接法进行焊接.弯曲面应在独立区进行处理.采用该法将钢板焊接在一起组成部件或模块,而加强筋的定位和焊接基本上采用半自动或手工焊.这些平面或弯曲面板一般用作以后装配工序的基础构件.在平面分段线工序之后,平面板送去装配区与其它结构部件装配在一起.这些结构部件也要经过类似的方法进行加工,其中包括nc气封及补充局部加强筋等工序.在船舶建造过程中,劳动力最密集的区域之一就是把各种结构件装配成组件,装配件或模块,最后组装成整船.,一般由预铡构件及诸如图纸和材料清单一l6一等指导性资料组成的工作组装件应送去装配区.划线工在装配车间,平台或装配台,任何工作点或线上进行划线并严格定位待制部件基础.该基础一般为船体或甲板部分的大型构件.工作点和线应定位和作标记以保证骨架标志,加强筋轨迹,吃水线及纵剖线等的正确装配.在划线准备工作完成之后,构件即可进行装配.船舶装配是船舶建造关键之一,要求有经验的技工精确定位各构件.这阶段出现的细小错误会增大和使以后的校正测量工序付出昂贵的代价.船舶装配工应该利用许多诸如夹钳,楔形件,螺旋夹,液压千斤顶,大木锤以及其它工具等装置来定位零件,并尽可能精确地准备零件的连接.由于工件的舷弧尺寸和重量以及处理,气割,焊接或环境温度变化造成膨胀/收缩而引起中心线错位和变形等原因,专用工具的需要量相当大.随着装配工作的进展,已完成的装配件或部分装配件交付焊工进行焊接.在制造和装配区,甲板,船壁及某些船壳板对接接点主要采用自动埋弧焊.加强筋的焊接也尽可能采用这种焊接法.焊接和检验工序完后,应把装配件连接起来以形成大的部件.最后进去安装区组装成整船.二,自动化概况为了对美国造船工业技术与国外造船工业技术进行比较,1978年美国海运管理署资助由海运设备出租公司进行了研究.研究调查了美国13家主要造船厂和l6家国外最好的造船厂美国每家造船厂都与其规模相似,且具有建造同级船舶方面经验的4家国外造船厂进行比较.为此,采用了l975年为评估英国全部造船厂所制定的一组评估标准,其后这组标准还应用于加拿大,法国,埃及及印度.造船职能分为八大类,细分为72单元,其中两项系属木工范围,不包括在对比数据之列.其全部分均就设备,工具和规程进行了调查,所调查的7o项中,国外造船厂领先5l项,美国造船厂领先16项,3项相等.l979年美国海军器材司令部(navmat)资助由国防造船研究所(srt)进行的研究,调查了全国钢铁造船业,新港造船业,ingalls造船业以及阿冯代尔造船厂,并就美国造船工业应用工业机器人的可能性写出题为.造船工业的先进自动化的报告.该报告集中论述船舶建造的高成率问题,并得出结论t机器人技术应用在许多方面的确是可行的,而且效益也是显着的.当然,报告也强调指出,在这之前,还需要在许多领域进行大量的开发研究工作.但关键的两项开发工作(因为它们是妨碍机器人应用的两个主要因素)是:(1)造船工业的很大一部分基本上是同一种类型的制造过程,而要求机器人完成各个定制任务的时间不能过长;(2)船舶建造过程中许多工作都涉及在完全非结构环境下焊接或装配维数不确定的大型构件.这就要求在这些领域中使用的机器人应具有某种形式的自适应控制.该研究报告还认为电弧焊是造船工业中劳动最密集型的工种之一,建议焊接任务应尽量由工业机器人米完成各种形式的自动焊接和切割设备已在各造船厂应用了多年,但其区别是有硬性与柔性自动化之分.在大多数情况下,这类系统仅限于措直线轨迹完成专门规定和重复性任务,无自适应控错能力.铡如牵引式氧气燃烧切割器机组就是这项装置的一种.类似的装置可用于直线焊缝的自动焊接,唯一不同的是用焊枪及填充焊丝送进机构代替切割器.事实上,某些改进型自动焊接装置应用两个焊枪船同时焊接粘着在平面板上的加强筋之两侧.在装配和制造初期阶段对于非关硅角焊采用一种自动焊接设备.这种重力进科焊接设备是一种小型便携式弹簧三角架装置,它易于运输,可由一名焊工装调.在商船建造过程中,一个焊工船同时操作5台或6台这样的焊接设备,所以采用这种焊接系统,其生产率是相当高的.这种做法在日本造船厂是很普遍的,但在美国却应用不广,主要是因为在军舰建造中这种方法不为海军新用.在有限通路区域用于短角焊缝焊接的小型使携式焊接机器人思想就是上述概念的直接外推结果,也是unlmation公司第一个试图将其组成apprentlce机器人,其目的是建造一台小型机器人,它能按照所希望的轨迹通过指挥末端操作器快速编程,并能容易她在工地运动.a.pprentlce机器人的性能已由托藩?帕西菲克造船厂洛杉矶分厂在扳材车间的焊接生产环境下进行了评价,当时根据其报告,认为不适合于造船厂应用,主要是可靠性和可维修性差.应该指出,unimati011公司曾多次试图解决这些缺陷.据说神户造船厂正在研制一种适用于有限通路区域的小型便携式移动装置.为了就造船工业对机器人技术的需求进行评估,美国海运管理署委托托德?帕西菲克造船厂于1981年1o月在长滩召开了讨论会.许多造船厂和供应厂商以及若干机器人制造厂商和大学参加了会议.会议的目的是讨论机器人技术应用的潜力与建议为解决有关同题所应采取的措施.讨论集中在焊接与装配,c&d/cam接口,表面准备与涂漆以及物料贮运等方面.1984年1月就造船厂与轮机工程师协会(sname)船舶生产委员会进行的研究项目成果发表了报告,它描述了造船厂选用与试验机器人电弧焊系统的情况.1981年lo月托德?帕西菲克造船厂洛杉矾分厂板材车间一l7一安装了一台辛辛那提?米拉克龙的t液压机器人,用于焊接相当复杂的锕,铝组件.该报告认为手工编翟的机器人能够快速完成重复性焊接任务,但机器人编程时间限制了它的应用,因此急需开发快速编程法及焊缝跟踪能力以使工业机器人能有效地用于小批量生产焊接.1.爿造技术海军和私营造船厂发展和实施柔性自动化的主要驱动原因是在海军采购支援局制定的海军制造技术规划中规定了造船技术与计划.制造技术规划能为海军造船厂和海军承包商引进高技术生产设备提供机遇.navsea在造船和武器制造中正在进行的大部分机器人技术开发研究工作都是在海军器材司令部资助的作为制造技术规划组成部分的研究基础上进行.在戴维?泰勒海军舰船研究与发展中心的监督下,已经完成两个机器人技术在造船工业中的应用研究t一个是由srt研究的造船工业的先进自动化i另一个是由dtnsrdc研究的先进舰艇建造与修理技术中的机器人自动化.后者集中在三个成本高的领域t表面准备,焊接及焊接后非破坏性试验.该研究的重点是与上述三个领域有关的新兴技术以及机器人的能力以使未来的造船业发展适当地与未来技术相适应.1984财年用于这些领域研究的经费约为1300万美元,整个计划投资超过5000方美元.许多研究都提到了机器人焊接,因为它是短期投资最有生产效益的领域.这些研究及以后navsea的分析都认为妨碍海军台理应用的最大障碍是市场上可以买到的机器人焊接系统不能适应热膨胀,初始装配不良或其它与焊接过程有关的变量引起接点形状的变化或变形.加之批量小使问题更复杂化.因此,制造技术规划中机器人技术开发研究的长期目的是提高智能等级使系统具有传感反馈技术,并能在条件变化和非结构环境下具有自适应控制功能.1983年通过对全部进