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1、面向数字化造船的智能设计与制造应用示范（南通中远川崎船舶工程有限公司）1 企业基本情况 南通中远川崎船舶工程有限公司成立于1995年底，是我国较早的大型中外合资造船企业，主要业务是从事中、高端船舶的研发和建造，所建产品类型涵盖灵便型散货船、好望角散货船、大型集装箱船、油轮、矿砂船、汽车滚装船等主流船型，并成功进入特种船领域。成立近20年以来，南通中远川崎实现了高起点、跨越式的发展，截至2015年3月共交付148艘高质量船舶，其中，VLCC油轮、VLOC矿砂船、205BC散货船、5000/6200PCC滚装船、5400/10000/13386TEU集装箱船等8个船型，在建造当时均填补了中国造船业
2、的空白，主要经济技术指标达到日、韩船企先进水平。公司年造船总量达到200万载重吨，连续多年位居全国造船业10强企业之列。先后通过了挪威船级社（DNV）ISO9001：2000质量体系认证、ISO14001环境管理体系认证；OHSAS18000职业安全认证；ISO27001：2013信息安全认证；ISO10012完善计量检测体系的国家级确认。先后荣获“全国最大规模外商投资企业百强”、“中国进出口企业500强，出口企业200强”、“中国机械行业百强”、“全国外商投资双优企业”和“全国五一劳动奖状”等荣誉称号。近年来，面对持续低迷的船舶市场，公司积极应对船舶市场挑战，大力实施创新驱动战略，深入推进信
3、息化和工业化“两化融合”和智能制造，持续提升核心竞争力，保持了企业平稳健康发展和经济效益的平稳增长。2 项目基本情况2.1项目概述随着以信息为核心的高新技术快速发展，许多船厂通过信息技术改造传统设计建造手段。如计算机集成系统对造船企业信息化建设，在船舶研发与设计、造船生产管理、物流管理、生产工艺设计、现场制造等全过程中采用，实现企业资源优化、降低运营成本、缩短产品研制周期、提高生产效率、降低产品不良品率、提高能源资源利用率等，最终实现数字化造船。再如船舶三维设计软件TRIBON、船舶总体设计软件NAPA等先进设计软件的应用；同时在船厂内部将信息化建设拓展到各个领域，以内部局域网为平台，搭建计划
4、、生产管理网络，使研发、设计、制造和管理实现信息化。公司信息化建设主要内容有：五个数字化（设计、制造装备、生产过程、管理、企业资源）；在五个数字化基础上，实现企业信息流、资金流、物流畅通、及时、正确，达到人、技术和资金三要素的集成优化；建立数字化造船应用平台；确立现代造船模式；建立数字造船企业。通过上述信息化集成系统的建设，最终实现“全数字化造船”，即在数字化船厂，应用数字化集成技术，建造数字化船舶。项目的总体目标概括起来为“建立一个平台，打通一条主线，建立四个体系”。具体如下：通过“计算机集成制造系统”的实施，全面建立船舶产品的数字化研发、设计、制造、测试与试验、管理集成平台环境；打通船舶数
5、字化研发、设计、制造、管理生产线主线；应用“壳、舾、涂一体化”数字化样船技术，推行模块化造船和产品虚拟建造，建立船舶精益建造体系；以数字技术为纽带促进体制和机制创新，推行船舶制造资源优化配置技术、现代物流技术，建立造船精细化管理体系；应用敏捷制造技术和虚拟企业原理，实现研发、设计、制造和管理向数字化信息集成的跨越，建立以数字化造船总装厂为核心的现代造船协同设计和协同制造体系；推进工场设备自动化（FA化），对3D工种（脏、危险、重复简单）进行流水化生产线改造、机器人作业；进行数字化造船人才和标准规范体系建设，建立“数字化造船”工程实施保障体系，使公司的造船模式向数字化集成模式的转换，实现“全数字
6、化造船”。公司引进日本川崎开发的应用软件，并进行二次开发，建立高度集成的主模型，实现众多设计人员的协同工作；利用互联网技术，与日本川崎造船建立共同的设计平台，实现与日本的先进造船技术实时共享，协同、并行设计；利用信息技术、仿真技术对船舶制造中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，实现完全甩图纸、数字化造船；实现CAD设计软件与CAM/CAPP（计算机辅助制造、辅助生产工艺）以及ERP（企业资源计划）等系统的良好集成，达到动态、实时的管理与控制，最终达到降低成本、缩短产品设计制造周期、降低产品不良品率、提高工作效率和能源资源利用率的目
7、的。2.2 项目实施的先进性通过面向数字化造船的智能设计与制造应用项目的实施，南通中远川崎在近20年建设发展过程中创造了中国造船业的诸多第一。成功设计建造国产首艘5400标箱集装箱船、5000车位汽车滚装船、10000标箱集装箱船、30万吨矿砂船、6200车位汽车滚装船和“国轮国造”首艘VLCC超大型油轮等具有国际先进水平的船型。公司在中国第一个实现无余量造船，钢材利用率达到92%以上，达到日本船厂的水平。公司造船的建造工时、钢材利用率、万美元产值耗电量、生产效率、人均年产值等各项经济技术指标连年创造或刷新中国造船新纪录，部分指标达到日、韩水平，公司因此确立了在中国船舶界的领先地位。由于采用了
8、与日本川崎重工相同的制造工艺和生产组织方式并以其为依托，长期坚持走“技术引进吸收创新”的道路，实现了生产管理、技术开发、信息系统的“本土化”和“再创造”，形成了具有自身特色的数字化设计和制造模式。项目实施应用效果明显，具体表现在： 建立了中国船舶精益建造模式通过该项目的应用，全面建立了船舶产品数字化研发、设计、制造、加工、测试、管理集成平台环境；打通船舶数字化设计、制造、管理等企业生产经营主线；应用“壳、舾、涂一体化”数字化样船技术，推行模块化造船和产品模拟建造，建立了船舶精益建造体系。建立了产品信息设计模型,实现了设计并行工程应用先进的信息化技术及软件,采取建立产品电子信息设计模型的方法实现
9、了各专业的集成, 改变了原有分道设计作业的方式,达到了平行设计的目标, 提高了产品设计质量,有效地缩短设计周期。实现了CAD/CAPP/CAM的集成，为无纸化设计与制造奠定了基础。对于企业自制加工的船体结构和船舶管路, 实现了CAD/CAPP/CAM的集成,使设计、制造、加工、管理信息一体化，贯穿了零件设计信息、工艺信息、工装信息、材料配套信息、加工信息和装配信息的信息生成和传输全过程，使得产品质量和建造效率达到世界先进水平。使公司的运营效率和管理水平显著提高各部门能够随时、准确、快速地掌握生产经营信息，有助于决策层快速应对复杂多变的市场环境，化解经营风险。信息化项目的建设为高层管理人员经营决
10、策提供了科学的依据，为加强企业管理、提高资金运营水平、减少库存、提高效率、降低成本等提供了强有力的保障。公司在ERP系统的支持下，部门内外、纵横联系有效、紧密，企业管理的现代化水平和竞争力达到世界同行先进水平。 智能制造装备的引进提高了公司的核心竞争力工场设备自动化（FA化）的推进，降低了人工成本（配员减少至原来的三分之一）、改善了作业环境、减轻了劳动强度、提高了工作效率和产品合格率、缩短了生产周期、节约了场地，目前公司已经成为我国造船行业中第一家较大规模应用工业机器人并取得成功的造船企业。举例来说，大舱肋骨生产线、Y龙筋生产线、型钢生产线、条材加工线、先行小组立机器人生产线等FA项目的实施，
11、在实施前后的效果特别显著（表1表5）。表1大舱肋骨生产线原来的作业方式流水线作业方式生产效率100110分钟/根60分钟/根生产周期34天/分段1天/分段占地面积600200表2Y龙筋生产线原来的作业方式流水线作业方式生产效率90分钟/根60分钟/根生产周期23天/分段1天/分段占地面积300105表3型钢生产线手工作业方式型钢生产线生产效率1.3H/根0.3H/根生产周期23天/分段4H/分段配员20人7人表4条材加工线以前现在生产效率8.5H/板3H/板生产周期34日/分段0.5日/分段配员22人8人表5先行小组立机器人生产线传统作业方式机器人流水线生产能力7.2米/小时16米/小时生产周
12、期23天/分段1天/分段其他效果焊接质量稳定、配员减少一半以上总之，南通中远川崎信息化项目建设使其造船模式逐步向数字化集成模式转换，实现“数字化造船”，大大增强了公司的综合竞争力。3 项目实施现状3.1 项目系统模型建立与运行情况南通中远川崎的信息化建设经历了引进吸收、二次开发、自主研发等发展阶段。信息化建设的重点领域是应用计算机集成技术，实现数字化造船，即以精益管理理念为指导，把现代制造业应用最广泛的ERP系统和一流造船企业普遍应用的TRIBON系统等信息系统高度集成起来，使研发、设计、采购、制造、财务、管理等部门实现信息化和数据共享，并在此基础上进一步建立以计算机集成信息系统（NACKS-
13、CIMS系统，见图1）为特征的现代化的智能设计与制造管理模式。图1 NACKS-CIMS系统模型简图图2 项目系统模型案例就具体案例（图2）来说，在结构设计阶段，分别输出各区划详细设计图和肋骨型线图，然后分别进行建模和光顺检查，在模型发行后进行分割，分割后经条材/型钢自动处理程序，形成条材/型钢加工数据，通过光纤分别传输至条材/型钢机器人，进行加工。经分割后进行套料，生成CL数据，经数据转换后通过光纤传输至数控切割机进行数控加工。3.2 先进设计技术采用情况公司所承接建造的船舶都是由设计部门提供船舶基本设计的图纸资料和各种船性能计算资料（如船体型线图、总布置图、船体基本结构图、静水力性能计算书
14、，阻力和螺旋桨设计计算书等），在此基础上进行船体设计、机装设计、电装设计、船装设计及舾装和船体的生产工艺设计、放样下料、数控切割数据的自动生成等。公司全面引进了日韩等先进造船企业通用的TRIBON系统，并广泛运用于船、机、电等各专业。包括船体构造、管系、主要机器设备等在内的所有部件，均运用三维的TRIBON系统在计算机内设计完成。建立高度集成的三维产品模型，利用计算机网络，实现众多设计人员的并行设计、协同设计、实时数据共享。从设计系统中抽出数据至CAM/CAPP系统：首先在设计系统中生成模型，然后确定大、小装配内容，再分割成零件图、放样，生成零件图，接下来按三个方面利用数据：一方面，数据抽出至
15、NC数据作成系统，可形成切割轨迹数据，通过计算机网络传输至船舶制造现场的数控自动切割系统的客户机，在客户机上形成零件图，进行干涉检查等，然后将NC数据通过光纤传输至数控切割机进行钢板的切割加工；另一方面，数据进入ERP系统，进行钢材订购，同时生成作业票至生产现场；还有一方面，进行工事计算（重量重心计算、焊接长计算、涂装面积计算等）。从设计系统中抽出数据至生产信息作成系统（FAC/SAC）：经过FA关联系统的数据作成，可传输至型钢/条材切割机器人和先行小组立机器人进行型钢/条材的切割加工和先行小组立以及小组焊接。从设计系统中抽出数据至管零件图系统，同时读取ERP系统的数据，生成管加工报表和管附件出库报表，此报表的电子数据又进入ERP系统，进行出入库管理和库存计算。管加工报表送管加工车间，管加工时进行参照，管附件出库报表送仓库备料、管加工车间领用。3.3 企业制造执行系统（MES）建设情况针对造船工业劳动强度大、工作环境恶劣等特点，采用基于集成DNC的车间管理模式，以数控技术、通讯技术、控制技术和网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备(如数控切割机、工业机器人等)与上层控制计算机集成为一个系统，从而实现制造设备的集中控制管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算机之间的信
