船體外板自動化加工專家系統(tǒng)研究

陳文雄，程良倫

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

目前船體雙曲度外板的形成主要是采用水火彎板工藝方法。水火彎板工藝在二十世紀(jì)五六十年代起源于日本，由于其加工快，操作靈活等優(yōu)點(diǎn)而迅速應(yīng)用于各造船廠中?，F(xiàn)在世界各造船廠的水火彎板都是有由熟練的工人依靠多年的經(jīng)驗(yàn)積累確定加工的各個(gè)參數(shù)并且由手工完成的。隨著現(xiàn)代造船模式的轉(zhuǎn)換和造船技術(shù)的發(fā)展，這種模式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在的造船需求。因此，水火彎板造船工藝革新迫在眉睫。現(xiàn)在各國造船界已經(jīng)認(rèn)識到了這一點(diǎn)，在水火彎板自動加工設(shè)備研制也取得了一定的成果。

日本在水火彎板模擬系統(tǒng)中加入了計(jì)算機(jī)輔助自動加工技術(shù)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分彎板的自動加工。美國在水火彎板自動加工中加入了激光束技術(shù)，有了一定的突破。韓國漢城大學(xué)也研制了iCALM水火彎板自動加工系統(tǒng)。大連理工大學(xué)劉玉君等[1,2]人與大連新船重工合作聯(lián)合開發(fā)了水火彎板加工工藝參數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。上海交通大學(xué)董大栓等[3～5]人與廣州廣船國際股份公司聯(lián)合進(jìn)行研發(fā)了數(shù)控設(shè)備第二代水火彎板自動加工系統(tǒng)解決了一些曲度較小的帆型板，而且只能進(jìn)行一次加工，不能進(jìn)行二次加工。雖然世界各造船界在研制水火彎板加工工藝參數(shù)預(yù)報(bào)以及自動加工上取得了一定的效果，但是距離全自動生產(chǎn)還有一段距離。

廣東工業(yè)大學(xué)與廣州廣船國際股份公司聯(lián)合進(jìn)行第三代水火彎板機(jī)器人自動加工系統(tǒng)研發(fā)。該系統(tǒng)主要是功能是通過機(jī)器視覺[6]對待加工鋼板進(jìn)行云點(diǎn)采集，從采集到的云點(diǎn)中提取其特征點(diǎn)坐標(biāo)，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)和成型板數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而確定火焰加工參數(shù)和火路規(guī)劃路線，最后將專家系統(tǒng)確定的參數(shù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)[7]進(jìn)行全自動加工。當(dāng)?shù)谝淮渭庸や摪宄尚瓦€沒有達(dá)到要求時(shí)，可以按照之前的步驟進(jìn)行二次加工，盡量減少人工操作。

本文主要研究水火彎板自動化加工過程中加工工藝參數(shù)確定以及火路線路規(guī)劃生成，從而建立船體外板自動化加工專家系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

船體外板水火彎板自動化加工專家系統(tǒng)主要包括四大模塊和七大子系統(tǒng)。

四大模塊：

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；

火路及加工參數(shù)預(yù)報(bào)模塊；

自學(xué)習(xí)知識庫模塊；

數(shù)據(jù)接口模塊。

七個(gè)子系統(tǒng)：

面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理及顯示子系統(tǒng)；

檢測曲面及成形曲面匹配子系統(tǒng)；

船體外板形變規(guī)律數(shù)學(xué)建模子系統(tǒng)；

火路位置、火路加工參數(shù)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)；

復(fù)雜曲面三維加工路徑規(guī)劃子系統(tǒng)；

工藝參數(shù)專家知識庫子系統(tǒng)；

專家系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

針對船體外板設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工的需求，我們設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)根據(jù)上一節(jié)介紹的功能框架，為其設(shè)計(jì)了如下功能：

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

外板的數(shù)據(jù)主要是以橫、縱向特征線上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)表示。外板的橫向特征線之間的相互間隔具有一定的距離，通過廣船國際提供的數(shù)據(jù)即可得知，一般一條特征線上提供奇數(shù)個(gè)特征點(diǎn)。

2.2 火路及加工參數(shù)預(yù)報(bào)模塊

2.2.1 外形板匹配

第三代水火彎板機(jī)工作之前，首先應(yīng)用木塊或數(shù)字胎架將帆形板墊好并達(dá)到：鋼板中線與地面相貼放平穩(wěn)定不搖晃的效果，這樣才能保證與成形的特征點(diǎn)在xoy面的投影時(shí)其增量相同。

對點(diǎn)的作用是為了得到檢測曲面成形特征點(diǎn)的當(dāng)前位置。機(jī)器視覺掃描后得到的外板三維點(diǎn)云中對點(diǎn)的坐標(biāo)值，無論鋼板成形狀況如何，都可通過特征點(diǎn)之間的成形數(shù)據(jù)x和y坐標(biāo)值的關(guān)系進(jìn)行推算，得到成形時(shí)候的特征點(diǎn)目前在鋼板上的位置。

匹配步驟1：每次根據(jù)成形數(shù)據(jù)中x和y方向的增量：dx1，dx2，dx3，dx4和dy1，dy2，dy3，dy4，dy5，dy6去找到成形特征點(diǎn)在加工板(掃描板)上當(dāng)前的位置。

匹配步驟2：然后換算出各個(gè)每條特征線上各個(gè)特征點(diǎn)的到xoy平面的弦距線：L1、L2、L3、L4、L5、L6。

匹配步驟3：將L1、L2、L3、L4、L5、L6與成形板所要求的進(jìn)行對比。

匹配步驟4：不斷重復(fù)步驟1，2和3，直到成形。

待加工外板和成型外板特征點(diǎn)弦距線對比匹配示意圖如圖1所示。

圖1 成形特征點(diǎn)在加工板上的弦距線對比匹配

令檢測板中其中一個(gè)特征Ni,j點(diǎn)的弦距線為Iti,j,該特征點(diǎn)在目標(biāo)板中對應(yīng)的弦距線Imi,j。

如果該特征點(diǎn)滿足（1）式，則表示該特征點(diǎn)成型良好。對于整塊板令：

如果整塊板上的特征點(diǎn)滿足（2）式，則表示整塊板成型良好，不需要進(jìn)行二次加工，否則，還需要進(jìn)行二次加工。

2.2.2 火路線路規(guī)劃

水火彎板的加工主要有三種類型的火路，橫向火路，縱向火路和扭位火路。

1）橫向火路規(guī)劃

根據(jù)工人推算方法，橫向火路的加工一般為兩種形式。

形式1：根據(jù)匹配找到未成形的橫向特征點(diǎn)，然后這些未成形的橫向特征點(diǎn)之間的連線為橫向火路（未成形特征線相鄰形式）。

形式2：根據(jù)匹配找到未成形的橫向特征點(diǎn)，然后這些未成形的橫向特征點(diǎn)之間的連線為橫向火路，其中火路不經(jīng)過成形的特征線（未成形特征線之間夾著成形的特征線）。

2）縱向火路規(guī)劃

根據(jù)工人推算方法，縱向火路根據(jù)縱向特征線上的特征點(diǎn)距離xoy面的弦距線與成形時(shí)候的需求對比，哪個(gè)點(diǎn)不夠則該特征點(diǎn)附近到上、下板邊的為縱向火路，每個(gè)特征點(diǎn)附件的縱向火路條數(shù)布置兩條。再不停的進(jìn)行匹配，不斷生成火路，直至縱向基本成形。

縱向火路決策，去各條特征線的中間特征點(diǎn)，然后對比其他點(diǎn)的弦距線。

決策規(guī)則：若檢測特征點(diǎn)未達(dá)到成形的需求，則火路布置方法如所示，第一條位置：左板縫開始余量+d，一次類推，條數(shù)則根據(jù)欠缺的弦距線的總和多少來確定布置多少條。

3）扭位火路規(guī)劃

根據(jù)工人推算方法，該種火路的特征點(diǎn)的匹配方式和橫向匹配一樣，但是其火路的生成形式不一樣，編制船體外板成形專家系統(tǒng)軟件時(shí)，由人工選擇火路按鈕生成不同形式的火路。

2.2.3 水火彎板形變數(shù)學(xué)模型

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，影響水火彎板形變的主要工藝參數(shù)有，加熱速度，加熱線長度，鋼板厚度、加熱順序，等。加熱速度與彎板變形的關(guān)系是：加熱速度越慢，彎板在加熱線附近的收縮量就越大，但是也會因?yàn)榧訜崴俣冗^慢，局部的溫度過高，從而破壞了彎板的材質(zhì)。如果加熱速度較慢，彎板局部溫度較低，彎板產(chǎn)生的形變也較小。所以要根據(jù)彎板的厚度來確定加熱的速度。在其他影響因素不變的情況下，實(shí)驗(yàn)表明：加熱線長度越長，彎板局部收縮量越大。鋼板厚度越大，所需加熱的能量也就越大，彎板的形變也就越小。在加熱順序影響因素上，同一焰道的起始加熱線產(chǎn)生的局部形變小于其他加熱線產(chǎn)生的局部形變。

綜上所述，彎板局部產(chǎn)生的形變函數(shù)表示形式為：

式中△表示加熱線附近的局部收縮量，v表示加熱速度，l表示加熱線長度，h表示鋼板厚度，s表示加熱順序。s的取值為0或1 。s=0表示該加熱線不是起始加熱線，s=1表示該加熱線為起始加熱線。

2.3 自學(xué)習(xí)專家?guī)炷K

2.3.1 船體外板信息數(shù)據(jù)庫建立

自學(xué)習(xí)專家?guī)熘饕ǎ和獍寤拘畔⒈怼⒊尚投缺?、外板類型表、外板成型狀態(tài)表、火路工藝表和火路位置表。專家系統(tǒng)通過SQL Server開發(fā)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)相互調(diào)用。

專家系統(tǒng)通過SQL Server編程語句，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)鋼板的參數(shù)調(diào)用，和外板的信息參數(shù)、編輯、刪除、添加等功能。主要用于對于外板火路工藝的存儲和工藝參數(shù)的調(diào)用：每張加工過的板材，生成的火路工藝參數(shù)可以用于下次的加工。

2.3.2 火路坐標(biāo)備份

外板板形自學(xué)習(xí)形式，主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容為：板型三維點(diǎn)云坐標(biāo)、火路位置信息等。

其中加熱線的位置分布主要由下距尾、距前排、準(zhǔn)線距尾、距前排、上距尾、距前排、距上邊和距下邊各個(gè)參數(shù)決定。

外板火路備份成形表都對應(yīng)其下步火路坐標(biāo)，保存在數(shù)據(jù)庫中，通過SQL Server 關(guān)系數(shù)據(jù)庫調(diào)用函數(shù)進(jìn)行調(diào)用生成火路。

加工參數(shù)專家知識庫中保存的有船體外板當(dāng)前的成形狀態(tài)，即三維點(diǎn)云，及它的下步火路位置參數(shù)和火路工藝參數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)接口模塊

2.4.1 專家系統(tǒng)與機(jī)器視覺數(shù)據(jù)接口

專家系統(tǒng)采用后臺運(yùn)行的方式，與機(jī)器視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式具體如下：

視覺系統(tǒng)將掃描到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)，專家系統(tǒng)生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過計(jì)算預(yù)報(bào)出火路規(guī)劃路線和加工工藝參數(shù)。

2.4.2 專家系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)接口

專家系統(tǒng)生成的火路工藝參數(shù)和火路位置參數(shù)通過進(jìn)程間的通訊與運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)程進(jìn)行通訊。首先專家系統(tǒng)運(yùn)行在后臺，通過創(chuàng)建套接字：Socket，將每一條火路坐標(biāo)的離散點(diǎn)發(fā)送至運(yùn)動控制系統(tǒng)，再發(fā)送火路參數(shù)。Socket具體做法如圖2所示。

圖2 Socket具體做法

3 系統(tǒng)應(yīng)用

應(yīng)用本系統(tǒng)對廣州廣船國際股份有限公司建造的5.5萬噸船中的一個(gè)BG3-DD帆型板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。該板的基本信息如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)外板基本信息

將待加工鋼板放置平穩(wěn)之后，通過機(jī)器視覺掃描鋼板，提取其特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，特征點(diǎn)三維坐標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)獲取到的特征點(diǎn)坐標(biāo)和目標(biāo)板中特征點(diǎn)坐標(biāo)如圖3所示。經(jīng)過專家系統(tǒng)后自動確定的火路加工參數(shù)起始點(diǎn)坐標(biāo)如圖4所示。

圖3 待加工板和目標(biāo)板中特征點(diǎn)坐標(biāo)

4 結(jié)論

圖4 火路加工餐宿起始點(diǎn)其坐標(biāo)

通過專家系統(tǒng)確定水火彎板加工參數(shù)是水火彎板成型自動化研究的一個(gè)重要組成部分。本文將工人的彎板加工經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)算法以及建立工程數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用VS2010開發(fā)環(huán)境開發(fā)了船體外板成型專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過機(jī)器視覺獲取到的船體外板特征點(diǎn)的坐標(biāo)和目標(biāo)板對應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行匹配，確定該板的加工工藝。該系統(tǒng)還有自學(xué)習(xí)功能，但是自學(xué)習(xí)功能現(xiàn)在還不完善，還需進(jìn)一步改進(jìn)。通過將來的進(jìn)一步升級，該系統(tǒng)有望在廣船第三代水火彎板機(jī)器人自動加工系統(tǒng)中使用，并得到進(jìn)一步推廣。

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