基于船舶曲面分段數(shù)控胎架的柔性化制造技術(shù)研究

宋俊杰，于 洋，王 健，陳 勇，趙守君

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201319）

基于船舶曲面分段數(shù)控胎架的柔性化制造技術(shù)研究

宋俊杰，于 洋，王 健，陳 勇，趙守君

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201319）

胎架是船舶曲面分段制造過程中不可或缺的工裝設(shè)備，曲面分段在胎架上的裝配精度關(guān)系到船舶的建造質(zhì)量和效率。分析了現(xiàn)有的模板式胎架、支點(diǎn)式胎架和支柱式活絡(luò)胎架的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)目前已有船舶曲面分段胎架的特點(diǎn)，研究基于船舶曲面分段數(shù)控胎架的柔性化制造技術(shù)，從曲面胎架的調(diào)形參數(shù)設(shè)計(jì)、曲板限位與夾緊工裝、曲板定位工裝、曲板裝配焊接變形和反變形補(bǔ)償機(jī)制等多方考慮，提出一種適用于曲面（平面）分段制造的新型數(shù)控柔性胎架，集合了現(xiàn)有各類胎架形式的優(yōu)點(diǎn)?；诖扒娣侄螖?shù)控胎架的柔性化制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)船舶曲面分段零部件快速精確定位和裝配，減少裝配及后續(xù)修正工作量，提高船舶曲面分段建造質(zhì)量和效率。

船舶；曲面分段；數(shù)控胎架；柔性制造

0　引 言

船舶曲面分段的裝配精度直接影響船舶的建造質(zhì)量和效率，曲面分段制造的精度需要相關(guān)裝配配套工裝的保障。曲板零件的吊運(yùn)、曲板上胎的限位與夾緊、曲板胎架定位等因素直接影響曲面分段的裝配質(zhì)量，裝配后的校驗(yàn)和反變形補(bǔ)償保障了曲面分段成形精度和質(zhì)量。針對(duì)船舶曲面分段個(gè)體差異大、小批量制造的特點(diǎn)，借鑒一種廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)的柔性化制造技術(shù)［1］，提出一種適用于船舶曲面分段建造的數(shù)控柔性胎架。船舶曲面胎架柔性裝配工裝的應(yīng)用可以有效地降低不規(guī)則構(gòu)件的裝配難度，提升裝配效率和質(zhì)量，減少后續(xù)的反復(fù)修整工作量，實(shí)現(xiàn)對(duì)大部件在曲面胎架上裝配的精確控制。

國內(nèi)造船廠船體分段的常規(guī)產(chǎn)品大量采用角鋼支柱胎架和活絡(luò)支柱胎架建造，高新產(chǎn)品船體分段制造均采用大剛度強(qiáng)約束的模板胎架；大型零部件上胎利用行車配合人工采用“推、橇、拉”的原始方法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件定位。通過加放反變形工藝措施和工藝余量，胎架設(shè)計(jì)以及反變形的量值以蘇聯(lián)的圖譜簡化近似計(jì)算法為基礎(chǔ)，按照多年的經(jīng)驗(yàn)方法并參考同類胎架設(shè)計(jì)，經(jīng)過二次修割與變形矯正，控制分段制造精度。該工藝流程缺乏高效地吊運(yùn)、限位、夾緊、定位校驗(yàn)和補(bǔ)償配套工裝。而對(duì)比國內(nèi)外飛機(jī)制造裝配的先進(jìn)工裝應(yīng)用，大幅度地提高了飛機(jī)制造與裝配的質(zhì)量和裝配效率，如Y20的翼身裝配工裝、J20機(jī)翼裝配工裝波音787裝配等，見圖1［2］。

圖1　多點(diǎn)陣真空吸盤式柔性工裝

綜合飛機(jī)制造行業(yè)數(shù)控型架裝配工裝的特點(diǎn)和傳統(tǒng)船用胎架的曲面分段制造經(jīng)驗(yàn)，提出一種能夠適應(yīng)船舶曲面分段柔性化建造方法的數(shù)控調(diào)形胎架。

1　船用胎架應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，造船廠廣泛應(yīng)用的船舶固定式胎架為模板式胎架、支點(diǎn)式胎架和支柱式活絡(luò)胎架［3］。

1.1模板式胎架

由型線模板、支撐（包括垂直支撐和斜撐）及縱向拉條組合而成的格子模板式船體胎架。典型模板式胎架示意見圖2。

圖2　模板式胎架

對(duì)于目前廣泛應(yīng)用于高新工程的模板式胎架，能夠保證分段較好的外部線型，但由于其剛性較大，對(duì)分段的約束作用很強(qiáng)。在焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形無法釋放，導(dǎo)致焊后產(chǎn)品的殘余應(yīng)力極大，甚至破壞胎架和船體構(gòu)件結(jié)構(gòu)。此外，焊接后的脫胎形變無規(guī)律，難以找出其焊接后變形的一致性規(guī)律，較難制定對(duì)應(yīng)的反變形量，且其制作過程較復(fù)雜、成本高。

1.2支點(diǎn)式胎架

由垂直支撐和斜撐角鋼組成的船體胎架，俗稱“蠟燭頭”胎架，典型支點(diǎn)式胎架示意見圖3。

圖3　支點(diǎn)式胎架

對(duì)于支點(diǎn)式胎架，由于構(gòu)件外表面與胎架為點(diǎn)接觸方式，接觸點(diǎn)采用騎馬板固定。由于點(diǎn)接觸方式造成外板的定位及固定較難，且胎架支柱間缺乏有效的支撐，引起構(gòu)架邊緣的局部變形較大，影響構(gòu)件裝配的精度。為了提高支點(diǎn)式胎架上構(gòu)件的裝配精度，通常配合少量模板使用。

1.3支柱式活絡(luò)胎架

由多個(gè)可調(diào)高度的支柱組合而成的船體分段建造胎架，胎架適用高度約為800～2600mm。典型支柱式活絡(luò)胎架示意見圖4。

圖4　支柱式活絡(luò)胎架

由于支柱式活絡(luò)胎架對(duì)構(gòu)件只能有支撐作用，而無法對(duì)構(gòu)件變形提供向下的約束，但支柱式活絡(luò)胎架可自由調(diào)節(jié)、重復(fù)利用，符合綠色造船理念，屬于柔性制造技術(shù)。

三類胎架由于各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，其應(yīng)用的范圍有較大區(qū)別。

1） 模板式胎架主要用于外板型線曲率大的分段、部件以及軸舵系分段、艏側(cè)推分段、球艏分段等特殊結(jié)構(gòu)分段的建造；

2） 支點(diǎn)式胎架主要用于甲板、平臺(tái)等平直分段、部件的建造，亦可用于支柱式活絡(luò)胎架的局部補(bǔ)充；

3） 支柱式活絡(luò)胎架主要用于外板型線曲率較小或平直的分段、部件的建造，主要用于常規(guī)船舶產(chǎn)品的建造。

2　船用數(shù)控胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合傳統(tǒng)船用胎架使用過程中各自的優(yōu)缺點(diǎn)和航空制造業(yè)先進(jìn)制造工裝的技術(shù)特點(diǎn)，提出一種適用于船舶曲面分段制造的柔性化數(shù)控調(diào)形胎架。

整個(gè)數(shù)控調(diào)形胎架由若干根數(shù)控調(diào)高支撐桿、單元控制器、數(shù)控調(diào)形控制系統(tǒng)、連接機(jī)架、柔性連接頭和線形模板等構(gòu)成（見圖5），其中數(shù)控調(diào)高支撐桿由機(jī)座、調(diào)高機(jī)構(gòu)、支撐桿和單機(jī)控制器等組成（見圖6）。機(jī)座的主要作用為最終承載和連接其他各組成部分，可按照分段形狀和尺寸需求任意模塊化組合。調(diào)高機(jī)構(gòu)主要由絲杠螺母、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)等組成，主要起調(diào)整高度的作用。支撐桿由升降桿和支撐頭等組成，主要起支承載荷的作用。

單機(jī)控制器由伺服驅(qū)動(dòng)器及其他電氣原件組成，其可在單元控制器和數(shù)控調(diào)形控制系統(tǒng)控制下，調(diào)整支撐桿的高度。單元控制器由PLC、通訊模塊及其他電氣元件組成，其在數(shù)控調(diào)形控制系統(tǒng)的控制下，可調(diào)整支撐桿的高度。數(shù)控調(diào)形控制系統(tǒng)為一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其根據(jù)輸入的調(diào)形數(shù)據(jù)，對(duì)各數(shù)控調(diào)高支撐桿的高度調(diào)整進(jìn)行控制，以滿足調(diào)形的要求。連接機(jī)架主要為連接各數(shù)控調(diào)高支撐桿，以進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)控調(diào)高支撐桿的強(qiáng)度和支撐穩(wěn)定性。

圖5　數(shù)控調(diào)形胎架總體結(jié)構(gòu)

圖6　數(shù)控調(diào)高支撐桿結(jié)構(gòu)

考慮到船用數(shù)控調(diào)形胎架造價(jià)相對(duì)較高，且需要滿足多種不同類型的曲面分段制造，故將數(shù)控調(diào)高支撐桿頂端設(shè)計(jì)成可拆換接頭。由于通用柔性接頭與船體外板的連接難以以真空吸盤的形式實(shí)現(xiàn)，而磁性吸頭［4］也難以適應(yīng)多種特殊材質(zhì)的船用鋼板的現(xiàn)狀，故保留傳統(tǒng)船舶制造過程中常用的騎馬板形式連接。根據(jù)不同分段的特點(diǎn)，可拆換接頭可以使用活絡(luò)柔性連接頭（見圖7（a））或線型模板連接頭（見圖7（b））。

線形模板根據(jù)分段型線制作，其固定在數(shù)控調(diào)高支撐桿的端部，可與分段形成線接觸，以滿足分段生產(chǎn)過程中的變形控制。

圖7　數(shù)控調(diào)高支撐桿連接頭

3　船用數(shù)控胎架應(yīng)用

船用數(shù)控胎架在國內(nèi)尚無實(shí)船應(yīng)用先例，屬行業(yè)內(nèi)首制產(chǎn)品，故結(jié)合常規(guī)船用曲面胎架應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，依次從數(shù)控胎架調(diào)形參數(shù)、曲板安裝與定位及焊接變形控制與反變形補(bǔ)償3個(gè)方面考慮數(shù)控胎架的應(yīng)用。

3.1數(shù)控胎架調(diào)形參數(shù)

為了降低曲面分段的施工高度，減少高空作業(yè)過程中的危險(xiǎn)和不便，降低數(shù)控支撐桿調(diào)形行程，有必要將建造的曲面胎架基面類型選定雙斜切胎架。當(dāng)船舶曲面分段在胎架上制造時(shí)，與胎架接觸的部位一般為船體曲面的外表面（非理論面），且船體曲板通常存在一定的板厚差，故在曲面胎架數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段需要加以處理；同時(shí)，不同類型的接觸頭形式也會(huì)對(duì)調(diào)形數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，有必要修正胎架調(diào)形數(shù)據(jù)。數(shù)控胎架調(diào)形數(shù)據(jù)需經(jīng)過多步修正（見圖8），最終得到符合實(shí)際應(yīng)用調(diào)形參數(shù)。

圖8　數(shù)控胎架調(diào)形參數(shù)

按照面向生產(chǎn)的設(shè)計(jì)要求，考慮到曲形外板在數(shù)控調(diào)形胎架上安裝定位較困難，在選取胎架基面時(shí)，往往將曲板重心降到最低點(diǎn)，以增加曲板構(gòu)件的穩(wěn)定性；同時(shí)保證最多的胎架支點(diǎn)支撐曲面板架，為了便于構(gòu)件安裝和定位，在胎架數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段考慮各曲板板縫邊緣與相鄰支柱的定位尺寸和后續(xù)構(gòu)件安裝定位尺寸、定位角度、胎架中心線與校驗(yàn)線。

3.2曲板安裝與定位

在現(xiàn)場安裝過程中，為了便于曲板和構(gòu)件的定位與調(diào)整，可采用簡易定位卡板和導(dǎo)向板（見圖9），安裝前在構(gòu)件上標(biāo)好構(gòu)件的安裝位置線和對(duì)合線以及檢驗(yàn)線，便于工人按線裝配施工，減少現(xiàn)場操作的難度。數(shù)控調(diào)形胎架頂連接頭與外板的連接形式可以依據(jù)外板形狀的復(fù)雜程度和對(duì)成形精度的要求選擇自由支撐形式或彈性騎馬板連接形式。

圖9　數(shù)控調(diào)形胎架輔助裝配工裝

3.3焊接變形與反變形補(bǔ)償

國內(nèi)造船廠的船舶曲面分段均加放反變形工藝措施，以釋放焊接所產(chǎn)生的殘余變形，反變形的量值以前蘇聯(lián)的圖譜簡化近似計(jì)算法為基礎(chǔ)，按照經(jīng)驗(yàn)并參考同類胎架設(shè)計(jì)，曲面分段經(jīng)過二次修割與變形矯正以控制分段制造精度，后期發(fā)生變形后矯正困難。需要對(duì)曲板的材料特性、變形規(guī)律以及裝焊環(huán)境等因素進(jìn)行積累和開展理論分析，做到反變形量的預(yù)算、預(yù)放，減小變形矯正工作量。

1） 隨著高效焊及自動(dòng)焊的不斷推廣應(yīng)用，焊接規(guī)范與規(guī)則變化較大，分段精度控制的狀態(tài)發(fā)生變化，對(duì)數(shù)控胎架的反變形數(shù)據(jù)類型分類。統(tǒng)計(jì)曲面分段在胎架上的制作精度數(shù)據(jù)，分析曲面分段在胎架上制造過程中影響變形量的各種因素，并建立高新產(chǎn)品反變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫；

2） 建立有限元理論分析模型，對(duì)胎架約束狀態(tài)下的分段焊接變形進(jìn)行預(yù)測（見圖10），計(jì)算胎架約束引起的結(jié)構(gòu)整體變形趨勢，并對(duì)調(diào)形支柱的受力狀態(tài)進(jìn)行分析；

圖10　焊接變形有限元分析模型

3） 選取各類典型曲面分段進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合分段脫胎的精度測量實(shí)際數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)；綜合計(jì)算分析，對(duì)典型分段按照理論數(shù)據(jù)做反變形補(bǔ)償。根據(jù)實(shí)測資料分析，建立相關(guān)不同類型產(chǎn)品的數(shù)控胎架反變形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

焊接變形不可避免，為了控制曲面分段的建造精度，減少建造過程中焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致的分段脫胎變形，減少后續(xù)的火工修正量，有必要對(duì)曲面分段胎架上的焊接過程進(jìn)行控制，采用合理的焊接工藝和工序使焊接變形在可控的范圍內(nèi)。對(duì)于特定類型的曲面分段固化焊接工藝和工序，對(duì)脫胎數(shù)據(jù)進(jìn)行測量與匯總，形成特定類型曲面分段胎架上的反變形加放規(guī)則知識(shí)庫。在調(diào)形前用反變形數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)控胎架數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)曲面分段的柔性化制造。

由于影響曲面分段制造精度的外在影響因素除了焊接工藝和工序，還有分段在制造過程中的擱置變形、駁運(yùn)變形和吊裝變形等因素，在分段脫胎后的精度控制也有待考慮和研究。

4　結(jié) 語

提出了一種基于數(shù)控調(diào)形的船用胎架。由于調(diào)節(jié)胎架端部與船體曲板的固定形式可為自由支撐、彈性單點(diǎn)固定和剛性模板固定，因此所述的數(shù)控調(diào)形胎架可適用于在調(diào)形范圍內(nèi)的各種曲面（平面）分段柔性制造。目前數(shù)控調(diào)形胎架在船舶制造行業(yè)中尚屬首次嘗試，其適用性仍有待檢驗(yàn)，針對(duì)船舶的數(shù)字化柔性制造技術(shù)是一個(gè)值得深入研究的課題。

［1］ 郭恩明. 國外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)［J］. 航空制造技術(shù)，2005 （9）： 28-32.

［2］ 王建華，歐陽佳，陳文亮. 飛機(jī)柔性裝配工裝關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］. 航空制造技術(shù)，2013 （17）： 18-20.

［3］ 應(yīng)長春. 船舶工藝技術(shù)［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2013.

［4］ 徐紅昌. 數(shù)控胎架設(shè)計(jì)研究［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

Research on Flexible M anufacturing Technology Based on NC Jigs for Curved Hull Block

SONG Jun-jie， YU Yang， WANG Jian， CHEN Yong， ZHAO Shou-jun

（Jiangnan Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201319）

Jigs are essential equipment for the construction of curved hull block， the quality and efficiency of ship construction depends on the assembly accuracy of the curved hull block on jigs. This paper analyzes the application status of the existing template jigs， pivot jigs and pillar adjustable jigs. In view of the characteristics of existing jigs， the paper studies the flexible manufacturing technology based on NC jigs for curved hull block. The study proposes a new type of NC flexible jigs suitable for curved （planar） hull block construction， which integrates the advantages of existing jigs， w ith consideration of the jig tuning parameter design， curved plate limiting and clamping tooling， curved plate positioning tooling， as well as curved plate welding deformation and anti-deformation compensation mechanism. The study and application of flexible manufacture technology based on NC jigs can realize the fast and accurate positioning and assembling of curved hull block parts， reducing the work of assembling and subsequent correction， and improving the quality and efficiency of the construction of curved hull block.

ship； curved hull blocks； numerical control jigs； flexible manufacturing

U671.4

A

2095-4069 （2016） 02-0063-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.012

2015-05-11

國防基礎(chǔ)科研重大項(xiàng)目（A0720131002）

宋俊杰，男，工程師，碩士，1986年生。2012年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)船舶與海洋工程系，現(xiàn)從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物先進(jìn)制造技術(shù)研究工作。