1、 課程名稱現代船舶設計技術題目船舶曲型分段生產計算機輔助工藝設計技術學院交通學院專業船舶與海洋工程班級1班姓名呂志強學號1049721101527任課教師陳順懷 教授2012年02月1520日目錄0 引言21 船舶曲型分段生產CAPP的原理31.1船舶曲型分段生產CAPP系統設計框架31.2 B/S 的網絡結構41.3設計路線62 關鍵技術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工藝規劃中的知識庫設計113 應用實例113.1實例分析113.2未來展望134 結論14船舶曲型分段生產計算機輔助工藝設計技術摘要：針對目前國內造船企業生產效率低下、工藝和規程不規范

2、的現狀，從人因工程的思想出發，提出了基于動素的半創成式船舶曲面分段生產計算機輔助工藝設計技術。在專家經驗的基礎上建立工藝知識庫，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品的加工工藝規程。為了使輸出結果更具可操作性，建立了標準工藝塊和標準動素庫。在此基礎上將工藝規程細化至操作規程，用于指導現場操作。經驗證，系統輸出結果符合船舶建造的實際過程，生產效率提高明顯。關鍵詞：計算機輔助工藝設計；船舶曲型分段；工效學；動素；知識庫ABSTRACT: Based on human factor engineering,semi-generative therblig-b

3、ased Computer Aided Process Planning(CAPP)technology 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

4、 library and reasoning machine，the standard process 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 t

5、o guide operation for workerThe prototype system 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，

6、曲型分段的生產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，胎架也不同，而且大多是單件生產，因而沒有工藝規程。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、作業復雜程度不一，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，仍為傳統的離散型手工生產方式。在實際生產中，無標準規范可依，錯誤率高、返工率高。若將工效學中的動素概念(即記錄動作的最基本單位2)引入船舶生產，把手工操作分解成動素，制定標準規范，將大大節約操作時間，提高生產效率。不同船舶的各個中間產品的加工工藝存在顯著的差異

7、。即使是同種分段、同種裝配體的產品，在尺寸、產品類型、產品結構關系及裝配加工序列等方面都有所不同3。因此，采用手工逐件設計的方式既耗費時間又耗費成本，難以滿足實際生產的需要。目前開發的計算機輔助工藝設計系統大多數是零件機加工工藝規程的計算機輔助設計系統，而船舶裝配焊接的計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning，CAPP)方面幾乎沒有相關的成果。與機加工工藝規程相比，曲型分段造船工藝規程的編制更為特殊，對經驗的依賴性更大，工藝操作內容需進一步細分。為此，本文提出了半創成式船舶曲型分段生產計算機輔助工藝設計技術。通過決策樹確定工藝路線；借助知識庫中的規則進

8、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工藝進行描述，由此得到可指導實際生產的工藝規程和操作規程。1船舶曲型分段生產CAPP的原理11船舶曲型分段生產CAPP系統設計框架船舶曲型分段生產計算機輔助工藝設計的基本框架如圖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CAPP系統框架(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

9、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個子模塊構成，即吊運工藝設計模塊、裝配工藝設計模塊、焊接工藝設計模塊和火工工藝(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)設計模塊。(4)動素操作模塊由操作模塊將現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，輸出操作規程。(5)信息輸出模塊輸出格式化的工藝規程和操作規程。1.2 B/S 的網絡結構船舶曲型分段生產 CAPP 系統是基于B/S 網絡模式下的客戶端應用程序所謂 B/S 結構即Browser/Server 瀏覽器/服務器結構是隨著Internet技術的興起對C/S 結構的一種變化或者

10、改進的結構在這種結構下用戶界面完全通過WWW 瀏覽器實現一部分事務邏輯在前端實現但是主要事務邏輯在服務器端實現B/S 結構主要是利用了不斷成熟的WWW 瀏覽器技術結合瀏覽器的多種Script 語言(VBScript JavaScript)和ActiveX 技術用通用瀏覽器就實現了原來需要復雜專用軟件才能實現的強大功能并節約了開發成本是一種全新的軟件系統構造技術。C/S 結構即Client/Server 客戶機/服務器結構是大家熟知的軟件系統體系結構通過將任務合理分配到Client 端和Server 端降低了系統的通訊開銷可以充分利用兩端硬件環境的優勢傳統的C/S 體系結構雖然采用的是開放模式但

11、這只是系統開發一級的開放性在特定的應用中無論是Client 端還是Server端都還需要特定的軟件沒能提供用戶真正期望的開放環境而B/S 結構則不同它的前端是以TCP/IP 協議為基礎的企業內的WWW 服務器可以接受安裝有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都可以調用系統資源來完成這樣大大簡化了客戶端減輕了系統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 結構應用程序相對于傳統的C/S 結構應用程序將是巨大的進步。圖2 基于動素的船舶曲型分段生產CAPP系統的主要功能1.3設計路線與一般的CAPP系統不同，船舶曲型分段生產C

12、APP從工藝流程、工藝操作和動素操作3個層次上描述生產工藝，即在建立產品結構BOM的基礎上，確定各種結構件和裝配件的工藝路線加工；用什么方法加工；工人應該如何操作，每個工序需要多長的生產周期。如圖2所示，從產品結構BOM出發，首先制定清晰的工藝流程和工藝方法，即工藝規程；其次，制定基于動素的操作規程，說明完成一道工序，工人應該遵循的動作要領和操作順序，形成高效率操作的標準作業規范，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，利用標準動素的時間公式，統計每個工序的工人動作時間、走動時間、作業準備時間等，以形成準確的操作規程。圖3 基于動素的船舶曲型分段生產CAPPI藝設計路線從“

13、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CAPP系統主要解決3個方面的問題：工藝流程的確定。目的是生成工藝規程主干，即指明組件的加工過程。工藝決策。包括工藝的選擇、設備與工裝的選擇、工序參數的計算等內容。工序細化。結合標準工藝數據庫和標準動素數據庫，指明基于動素的具體操作順序。圖4 逐層細化的思想2 關鍵技術2.1工藝流程的確定生成工藝規程主干的目的是：按照一定的工藝路線原則，根據組件的特征信息，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現，不管組件多么復雜，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，

14、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，根據產品的BOM結構，安排零件的安裝順序，結合主工序，初步生成工藝規程的主干；再根據工藝規程的規律性，在工藝規程主干中自動插入輔助工序。工藝規程的規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果供用戶確認，當用戶不滿意時，可對其進行必要的編輯修改，最后形成滿意的工藝規程主干，為工藝決策做準備。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，將對象的結構特征信息和專家系

15、統中的前提匹配，以決定可以采用哪些或某個工藝，它相當于專家系統中的規則引用。知識庫和推理機的相互獨立，增加了系統的靈活性。當系統應用環境發生改變時，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。生成某個產品的具體工藝規程，是根據已生成的工藝流程，依次訪問相應的知識庫，并通過推理機中的深度優先原則，從知識庫中搜索出能夠處理當前狀態的規則，然后執行這條規則，并把每一次執行規則得到的結論部分，按照先后次序記錄下來，直到產品加工到終結狀態。這個記錄就是該產品加工所要求的工藝規程。工藝決策的結果包括加工對象(1個或2個)、適用工種、匹配工藝編碼、作業目的描述、加工設備集合、輔助

16、工具集合和加工參數集合等內容。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、作業目的描述，其余參數通過設備工具數據庫和標準工藝數據庫進行匹配。工藝決策所提供的結果將為工藝細化過程提供參數。因此，系統生成的工藝決策結果將供用戶確認。若工藝決策結果出現多解的情況，由用戶選擇其中一解作為最終結果；若出現無解的情況，由用戶從標準工藝數據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程，用以指導實際生產。基本動素主要是指MTM

17、-1標準體系內的動素。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。總結并抽取各類零件/組件操作序列的共性，可組成若干操作方法序列集，并以此為依據構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準工藝在作業對象、作業內

18、容上非常相似，則用戶可以直接導入相應的標準操作規程，只需對已有的操作進行少量的修改就可完成。(2)如果新工序與已有標準工藝只在局部內容相似時，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。系統可以根據新工序的信息，直接導入這樣的工藝塊。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準工藝都不相似，則用戶只能從頭開始，或向系統輸入可以借用的某些工藝塊標志后，系統根據動素分解原則，自動對所選的工藝塊的

19、工藝信息進行處理，逐步將新工序分解為動素，并將分解結果作為標準工藝存人數據庫。通過“MTM”法預先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MTM時間表查出相應的時間標準2。其中，對于時間值有影響因子的動素，可以根據具體工藝確定影響因子的值。工藝細化的結果得到用戶認可后，根據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品生產工時定額，并加上20的寬放時間6，得到理論計算工時定額。2.4工藝規劃中的知識庫設計船舶曲型分段生產CAPP系統中，知識是以產生式規則表示和存儲的。推理機對知識庫中的規則進行匹配推理。產生式規則的結構形式為：Rule#：

20、IF(WorkType#，condition)THEN(conclusion)。式中，Rule#是規則號；WorkType#是工種編號；condition(條件)是規則的前提，是各參數“&”(and)關系的邏輯組合；conclusion(結論)是規則的結論部分，是與前提相對應的工藝方法。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)。該規則用如下形式表示：5#：

21、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(雙線加熱法) 。3應用實例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，FR20F，FR23F，FR27F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根縱向連續的防撓材(角鋼)。該裝配體具有典型的船舶生產特征、生產流程適中，且盡可能覆蓋了船舶生產的作業形式，支柱胎架圖和胎架二次劃線也是該作業的主要內容。以Visual Studio.NET和SQL Server作為平臺開發了曲

22、型分段生產CAPP系統，利用此系統進行工藝設計的主要步驟是：(1)準備工作。將組件及零件的特征信息以代碼或數據的形式，輸入計算機；將工藝人員編制工藝的經驗、工藝知識和邏輯思想，以工藝決策規則的形式輸入計算機；將基于動素的標準工藝及其參數輸入計算機。(2)選擇SS1A裝配體作為工藝設計對象。系統自動檢索其BOM結構，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系。通過聚類分析口3和BOM結構，得出目標組件的裝配順序。(3)系統根據決策樹(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。根據工藝知識庫所提供的規則進行工藝決策，條件不足時，用戶

23、可根據頁面，提示輸入決策條件值，系統將自動計算各工序的加工參數。在交互編譯界面，對系統生成的工藝流程進行編輯、刪除等操作，并將最終結果存入數據庫。格式化的工藝規程可通過輸出界面預覽并打印輸出。(4)用戶參考系統提供的工藝塊、標準動素，以人機交互的方式對工藝規程進行細化，存儲并打印編輯后的操作規程。具體流程如圖5所示。用戶在動素操作模塊將工藝規程分解為動素(如圖6)，提供操作規程指導操作者進行船舶生產建造。驗證程序所設計的標準工作流程、標準工作規范和標準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裝配體的生產操作過程和需要的工作時間，統計工時結果。實驗證明（如圖7），程序設計的工藝規程基本符合生產實際；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