船舶曲型分段生产计算机辅助工艺设计技术.docx
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船舶曲型分段生产计算机辅助工艺设计技术
课程名称
现代船舶设计技术
题目
船舶曲型分段生产计算机辅助工艺设计技术
学院
交通学院
专业
船舶与海洋工程
班级
1班
姓名
吕志强
学号
1049721101527
任课教师
陈顺怀教授
2012
年
02
月
15
20日
目录
0引言2
1船舶曲型分段生产CAPP的原理3
1.1船舶曲型分段生产CAPP系统设计框架3
1.2B/S的网络结构4
1.3设计路线6
2关键技术8
2.1工艺流程的确定8
2.2工艺决策9
2.3基于动素的工序细化10
2.4工艺规划中的知识库设计11
3应用实例11
3.1实例分析11
3.2未来展望13
4结论14
船舶曲型分段生产计算机辅助工艺设计技术
摘要：
针对目前国内造船企业生产效率低下、工艺和规程不规范的现状，从人因工程的思想出发，提出了基于动素的半创成式船舶曲面分段生产计算机辅助工艺设计技术。
在专家经验的基础上建立工艺知识库，通过决策树分析工艺路线。
利用知识库和推理机进行工艺决策，生成曲面分段各个中间产品的加工工艺规程。
为了使输出结果更具可操作性，建立了标准工艺块和标准动素库。
在此基础上将工艺规程细化至操作规程，用于指导现场操作。
经验证，系统输出结果符合船舶建造的实际过程，生产效率提高明显。
关键词：
计算机辅助工艺设计；船舶曲型分段；工效学；动素；知识库
ABSTRACT:
Basedonhumanfactorengineering,semi-generativetherblig-basedComputerAidedProcessPlanning（CAPP）technologywaspresenttoimproveproductivityandstandardprocessoperationforShipyard．Bycollectingexpertiseexperiences,theprocessknowledgelibrarywassetup,andprocessroutecouldbegeneratedandanalyzedbydecisiontree.Thenbyuseofknowledgelibraryandreasoningmachine，thestandardprocessrulesforsemi-finishedproductsofcurvedblockswereobtained．Somestandardprocessmodulesandstandardtherbligbasehadbeencreatedtoimprovethemaneuverabilityoftheoutputs．Theprocessregulationhadbeenextendedtooperationregulationtoguideoperationforworker．Theprototypesystemhasbeenimplementedandverifiedthroughtheexperimentincurvedblocksconstructioncenterbyusingrealblocksintheshipyard．
KEYWORDS:
computeraidedprocessplanning；curvedblocks；ergonomics；therblig；knowledgelibrary
0引言
在船舶建造过程中，曲型分段的建造较为特殊。
首先，曲型分段的生产特点是多品种小批量，即使是同一艘船，曲型分段相似度也很小。
不同的曲型分段，线型不同，胎架也不同，而且大多是单件生产，因而没有工艺规程。
其次，曲型分段间差别很大，即便物流量相差不多，但其工艺流程、作业复杂程度不一，对场地、劳动力等的需求也不一样[1]。
第三，与平面分段制造的流水线作业不同，曲型分段制造是以胎架、手工操作为主来完成，仍为传统的离散型手工生产方式。
在实际生产中，无标准规范可依，错误率高、返工率高。
若将工效学中的动素概念（即记录动作的最基本单位[2]）引入船舶生产，把手工操作分解成动素，制定标准规范，将大大节约操作时间，提高生产效率。
不同船舶的各个中间产品的加工工艺存在显著的差异。
即使是同种分段、同种装配体的产品，在尺寸、产品类型、产品结构关系及装配加工序列等方面都有所不同[3]。
因此，采用手工逐件设计的方式既耗费时间又耗费成本，难以满足实际生产的需要。
目前开发的计算机辅助工艺设计系统大多数是零件机加工工艺规程的计算机辅助设计系统，而船舶装配焊接的计算机辅助工艺设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）方面几乎没有相关的成果。
与机加工工艺规程相比，曲型分段造船工艺规程的编制更为特殊，对经验的依赖性更大，工艺操作内容需进一步细分。
为此，本文提出了半创成式船舶曲型分段生产计算机辅助工艺设计技术。
通过决策树确定工艺路线；借助知识库中的规则进行工艺决策；利用工艺块和动素细化工艺；在工艺流程、工艺操作和动素操作3个层次上对船舶曲型分段的生产工艺进行描述，由此得到可指导实际生产的工艺规程和操作规程。
1船舶曲型分段生产CAPP的原理
1．1船舶曲型分段生产CAPP系统设计框架
船舶曲型分段生产计算机辅助工艺设计的基本框架如图1所示，主要由5部分组成。
图1基于动素的船舶曲型分段生产CAPP系统框架
（1）信息输入模块用来接收组件/零件信息、制造资源信息和各产品的物料清单（BillofMaterial，BOM）。
（2）工艺流程确定模块用来确定完整的工艺流程，包括工艺流程主干和辅助工序。
（3）工艺决策模块用于生成工艺路线和工艺决策。
它包含决策方法和工艺决策知识，即推理机与知识库，两者相互独立。
推理机由4个子模块构成，即吊运工艺设计模块、装配工艺设计模块、焊接工艺设计模块和火工工艺（即火焰加工，包括火焰矫正和火焰成形，文中所述火工均指焊接变形的火焰矫正）设计模块。
（4）动素操作模块由操作模块将现有工序分解为基本动素、通用动素和专用动素，计算理论工时，输出操作规程。
（5）信息输出模块输出格式化的工艺规程和操作规程。
1.2B/S的网络结构
船舶曲型分段生产CAPP系统是基于B/S网络模式下的客户端应用程序所谓B/S结构即Browser/Server浏览器/服务器结构是随着Internet技术的兴起对C/S结构的一种变化或者改进的结构在这种结构下用户界面完全通过WWW浏览器实现一部分事务逻辑在前端实现但是主要事务逻辑在服务器端实现B/S结构主要是利用了不断成熟的WWW浏览器技术结合浏览器的多种Script语言（VBScriptJavaScript）和ActiveX技术用通用浏览器就实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能并节约了开发成本是一种全新的软件系统构造技术。
C/S结构即Client/Server客户机/服务器结构是大家熟知的软件系统体系结构通过将任务合理分配到Client端和Server端降低了系统的通讯开销可以充分利用两端硬件环境的优势传统的C/S体系结构虽然采用的是开放模式但这只是系统开发一级的开放性在特定的应用中无论是Client端还是Server端都还需要特定的软件没能提供用户真正期望的开放环境而B/S结构则不同它的前端是以TCP/IP协议为基础的企业内的WWW服务器可以接受安装有Web浏览程序的Internet终端的访问作为最终用户只要通过Web浏览器各种处理任务都可以调用系统资源来完成这样大大简化了客户端减轻了系统维护与升级的成本和工作量降低了用户的总体拥有成本显然B/S结构应用程序相对于传统的C/S结构应用程序将是巨大的进步。
图2基于动素的船舶曲型分段生产CAPP系统的主要功能
1.3设计路线
与一般的CAPP系统不同，船舶曲型分段生产CAPP从工艺流程、工艺操作和动素操作3个层次上描述生产工艺，即在建立产品结构BOM的基础上，确定各种结构件和装配件的工艺路线加工；用什么方法加工；工人应该如何操作，每个工序需要多长的生产周期。
如图2所示，从产品结构BOM出发，首先制定清晰的工艺流程和工艺方法，即工艺规程；其次，制定基于动素的操作规程，说明完成一道工序，工人应该遵循的动作要领和操作顺序，形成高效率操作的标准作业规范，必要时可以附图说明，力求简便易懂，可以让员工快速掌握。
最后，利用标准动素的时间公式，统计每个工序的工人动作时间、走动时间、作业准备时间等，以形成准确的操作规程。
图3基于动素的船舶曲型分段生产CAPPI艺设计路线
从“工艺流程-工艺操作-动素操作”的细化思想（如图3）中，可以看出船舶曲型分段生产CAPP系统主要解决3个方面的问题：
①工艺流程的确定。
目的是生成工艺规程主干，即指明组件的加工过程。
②工艺决策。
包括工艺的选择、设备与工装的选择、工序参数的计算等内容。
③工序细化。
结合标准工艺数据库和标准动素数据库，指明基于动素的具体操作顺序。
图4逐层细化的思想
2关键技术
2.1工艺流程的确定
生成工艺规程主干的目的是：
按照一定的工艺路线原则，根据组件的特征信息，确定组件的工艺流程和装配顺序[4]。
通过分析大量的造船工艺过程可以发现，不管组件多么复杂，其加工工艺可以分解成主工序和辅助工序两类。
主工序一般是组件加工过程的共同点，如吊运-定位-装配-焊接-火工-吊运。
辅助工序包括二次划线、零件翻身等。
首先，根据产品的BOM结构，安排零件的安装顺序，结合主工序，初步生成工艺规程的主干；再根据工艺规程的规律性，在工艺规程主干中自动插入辅助工序。
工艺规程的规律性采用决策树的形式表示，决策逻辑如图4所示。
图5确定工艺流程的决策树
在进行工艺决策之前，可以显示中间排序结果供用户确认，当用户不满意时，可对其进行必要的编辑修改，最后形成满意的工艺规程主干，为工艺决策做准备。
2.2工艺决策
造船工艺决策方法带有明显的专家个人的技巧和智能知识。
利用这些专家知识建立起吊运、装配、焊接和火工的工艺知识库。
在推理时，将对象的结构特征信息和专家系统中的前提匹配，以决定可以采用哪些或某个工艺，它相当于专家系统中的规则引用。
知识库和推理机的相互独立，增加了系统的灵活性。
当系统应用环境发生改变时，用户只要对原有知识库进行更新与扩充即可，这些操作可在知识库维护模块完成。
生成某个产品的具体工艺规程，是根据已生成的工艺流程，依次访问相应的知识库，并通过推理机中的深度优先原则，从知识库中搜索出能够处理当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每一次执行规则得到的结论部分，按照先后次序记录下来，直到产品加工到终结状态。
这个记录就是该产品加工所要求的工艺规程。
工艺决策的结果包括加工对象（1个或2个）、适用工种、匹配工艺编码、作业目的描述、加工设备集合、辅助工具集合和加工参数集合等内容。
这里的加工对象，代表正在进行推理的某工序的加工对象，随着工序的改变而改变。
匹配工艺编码由推理机推理而来，同时可确定适用工种、作业目的描述，其余参数通过设备工具数据库和标准工艺数据库进行匹配。
工艺决策所提供的结果将为工艺细化过程提供参数。
因此，系统生成的工艺决策结果将供用户确认。
若工艺决策结果出现多解的情况，由用户选择其中一解作为最终结果；若出现无解的情况，由用户从标准工艺数据库中选择一种工艺作为参考进行修改。
2.3基于动素的工序细化
造船生产工艺细化的目的就是用基本动素、通用动素、专用动素描述工序，提供具有可操作性的操作规程，用以指导实际生产。
基本动素主要是指MTM-1标准体系内的动素。
例如，伸手（R）、移动（M）、握取（G）等。
通用动素是指由两个以上基本动素组成的宏动素。
例如，伸手拿取（RG）、弯腰放置（WP）等。
专用动素是指某个（某些）工种特有的操作，包括机器操作和手工操作（如工具操作）。
例如，吊运中的夹具连接（JL）、焊接中的直接引弧等。
对于吊运、装配、焊接和火工4类基本作业形式，尽管它们针对具体对象的操作方法千差万别，但各类零件/组件的具体操作都有固定的形式或操作序列。
总结并抽取各类零件/组件操作序列的共性，可组成若干操作方法序列集，并以此为依据构造具有特色的组件加工操作序列[5]。
工序细化有3种方式：
（1）如果新工序与已有标准工艺在作业对象、作业内容上非常相似，则用户可以直接导入相应的标准操作规程，只需对已有的操作进行少量的修改就可完成。
（2）如果新工序与已有标准工艺只在局部内容相似时，则用户可通过工艺块分解，简化操作。
工艺块是工艺方法中具有共性的操作单元，由动素打包而成。
例如，在吊运工艺中，吊钩下降-夹具连接-起吊，这3个吊运专用动素组成一个工艺块，属于吊运操作中必不可少的一个单元。
系统可以根据新工序的信息，直接导入这样的工艺块。
用户对工艺块进行部分修改，添加工艺块以外的操作，从而完成工序分解。
（3）如果新工序与已有标准工艺都不相似，则用户只能从头开始，或向系统输入可以借用的某些工艺块标志后，系统根据动素分解原则，自动对所选的工艺块的工艺信息进行处理，逐步将新工序分解为动素，并将分解结果作为标准工艺存人数据库。
通过“MTM”法预先确定每种动素的时间值，其时间单位为0.036S，从而动素可以根据MTM时间表查出相应的时间标准[2]。
其中，对于时间值有影响因子的动素，可以根据具体工艺确定影响因子的值。
工艺细化的结果得到用户认可后，根据将分解后的动素的时间累加成为具体工艺的时间，然后将所有工艺的时间累加成为产品生产工时定额，并加上20％的宽放时间[6]，得到理论计算工时定额。
2.4工艺规划中的知识库设计
船舶曲型分段生产CAPP系统中，知识是以产生式规则表示和存储的。
推理机对知识库中的规则进行匹配推理。
产生式规则的结构形式为：
Rule#：
IF（WorkType#，condition）THEN（conclusion）。
式中，Rule#是规则号；WorkType#是工种编号；
condition（条件）是规则的前提，是各参数“&”（and）关系的逻辑组合；conclusion（结论）是规则的结论部分，是与前提相对应的工艺方法。
对于火工工艺，如果焊接类型为角焊、焊接接头类型为T型、组立类型为任意值、基板宽度0.12m＜W＜2.5m、板厚为任意值、焊接角高度。
D与基板厚度H的比值D/H≥O.7、焊接角变形量君为任意值，那么应选用的火工工艺为板架T型角接焊缝的火焰矫正，加热方法为长条加热法（双线加热法）。
该规则用如下形式表示：
5#：
IF（FR，角焊，T型，0.12-2.5，≥0.7），THEN﹛板架T型角接焊缝的火焰矫正+长条加热法（双线加热法）﹜。
3应用实例
3.1实例分析
在上海某造船厂，选取某船154分段的SS1A中装配体，它包括5个小装配体，即FRl7F，FR20F，FR23F，FR27F和BK9A。
除小装配体外同时还包括24个零件，即18个补板C1~C18，需要点焊在曲型基板上，供大装配体使用；6根纵向连续的防挠材（角钢）。
该装配体具有典型的船舶生产特征、生产流程适中，且尽可能覆盖了船舶生产的作业形式，支柱胎架图和胎架二次划线也是该作业的主要内容。
以VisualStudio.NET和SQLServer作为平台开发了曲型分段生产CAPP系统，利用此系统进行工艺设计的主要步骤是：
（1）准备工作。
将组件及零件的特征信息以代码或数据的形式，输入计算机；将工艺人员编制工艺的经验、工艺知识和逻辑思想，以工艺决策规则的形式输入计算机；将基于动素的标准工艺及其参数输入计算机。
（2）选择SS1A装配体作为工艺设计对象。
系统自动检索其BOM结构，得到隶属于SSIA装配体的各组件和零件的特征信息及其装配关系。
通过聚类分析口3和BOM结构，得出目标组件的装配顺序。
（3）系统根据决策树（如图4）进行判断，自动将吊运工艺、装配工艺、焊接工艺和火工工艺重新排列组合，得出工艺流程。
根据工艺知识库所提供的规则进行工艺决策，条件不足时，用户可根据页面，提示输入决策条件值，系统将自动计算各工序的加工参数。
在交互编译界面，对系统生成的工艺流程进行编辑、删除等操作，并将最终结果存入数据库。
格式化的工艺规程可通过输出界面预览并打印输出。
（4）用户参考系统提供的工艺块、标准动素，以人机交互的方式对工艺规程进行细化，存储并打印编辑后的操作规程。
具体流程如图5所示。
用户在动素操作模块将工艺规程分解为动素（如图6），提供操作规程指导操作者进行船舶生产建造。
验证程序所设计的标准工作流程、标准工作规范和标准动素在实际船舶建造过程中的作用效果。
图6工艺生成流程图
通过跟踪记录SS1A装配体的生产操作过程和需要的工作时间，统计工时结果。
实验证明（如图7），程序设计的工艺规程基本符合生产实际；理论计算工时比船厂实际工时少81h人工，降低约50.63％；利用新办法测得的工时比理论计算工时多7.28h人工，即9.2％，比船厂原先的实际工时降低了约46％，有效提高了生产率。
图7操作模块的动素分解界面
3.2未来展望
由于船舶曲型分段加工的特殊性所带来的困难研究开发工作开展得还很不充分在吸取传统CAPP研究经验的基础上如何增强系统的智能成分将是一个很重要的研究方面但是更应该加强系统的实用性本文在Web上开发的船舶曲型分段生产CAPP系统主要是在船舶建造领域的CAPP和人因工程研究进行的一个探讨将来可进一步研究的问题有
（1）信息的逐条输入可以进一步实现与CAD/TRIBON的集成实现信息的成批导入。
（2）工艺规则不够全面目前仅进行了曲型分段生产中主要工种的工艺推理可以进一步扩展其他工种或者拓展至其他加工中心的工作内容。
（3）动素操作模块还不够智能手动操作还是多数如何增强其智能成分将是一个很重要的研究方面。
（4）可以进一步研究集成到CIMS系统为CIMS中的计划和任务包分解提供数据。
4结论
本文阐述了基于动素的船舶曲型分段生产计算机辅助工艺设计系统的设计框架和设计路线。
通过工艺流程设计、工艺决策、工序细化3个步骤，生成工艺规程和操作规程。
为实现造船过程的标准化，实现造船的计算机集成制造系统提供了参考。
今后，将在吸取传统CAPP研究经验的基础上，研究如何增强系统的“智能”成分，以加强系统的实用性。
参考文献：
[1]刘晓星.何建敏中国造船业的行业析当代财经2004,No.7,95~97
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[6]袁崇福.陈丙森.焊接结构装焊工艺CAPP系统中工艺生成模式.电焊机.2001,31（10）:
27-29
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