數(shù)控胎架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究

蘇一丹+陳愛國+徐曼平+李繼先

摘 要：數(shù)控胎架系統(tǒng)集光機(jī)電控四位于一體，系統(tǒng)基于非均勻有理B樣條（NURBS） 曲面重構(gòu)技術(shù)，對(duì)船體分段曲面型值數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，并生成初始的分段外板曲面數(shù)據(jù)，再將曲面插值換算成每個(gè)立柱控制點(diǎn)的高度值，通過電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)的控制，構(gòu)造實(shí)際需要的胎架曲面。文章根據(jù)胎架的數(shù)控需要，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組件，控制流程，顯示了主要控制界面，針對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出改進(jìn)設(shè)想。

關(guān)鍵詞：數(shù)控胎架；非均勻有理B樣條；胎架曲面

中國分類號(hào)：U671.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The NC mould bed system integrates the light-controlled electromechanical operator. The system is based on non-uniform rational B-splines （NURBS） surface reconstruction technology， the surface data of hull section is fitted with a curved surface， and the surface data can be obtained for construction. Then the surface interpolation is converted into the height value of each column control point， and the real mould bed surface is constructed by controlling the motor and mechanical transmission. This paper designs the system hardware structure and control flow， and shows the main control interface. In view of the problems found in the process of system debugging， the improvement suggestions are put forward.

Key words： NC mould bed； Non-uniform rational B-splines； Surface of mould bed

隨著數(shù)字化造船進(jìn)程的推進(jìn)，數(shù)控技術(shù)已運(yùn)用到造船生產(chǎn)的方方面面。目前在船體建造過程中，從船體建造設(shè)計(jì)、放樣、外板展開、號(hào)料、切割等均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，特別是船體外板曲面的冷彎加工和熱彎加工工藝也有很成熟的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，如由武漢理工大學(xué)與泰安市碩力液壓設(shè)備廠研制的船體三維曲面外板數(shù)控冷彎加工成套技術(shù)及裝備在江南造船等船廠得到應(yīng)用，并取得良好效果。

在造船工裝方面，船臺(tái)腳手架、分段運(yùn)載設(shè)備等都在向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，但船體分段建造的胎架尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍然依靠人工，亟待改進(jìn)。本文所介紹的項(xiàng)目就是為適應(yīng)“數(shù)字造船、綠色造船”的發(fā)展要求，設(shè)計(jì)及研發(fā)一套集光機(jī)電控四位于一體的數(shù)字化胎架系統(tǒng)。該項(xiàng)目獲得廣東省科技廳的資助，目前已進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行階段。

1 數(shù)控胎架功能需求及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 數(shù)控胎架需求分析

胎架是制造船體曲面分段和曲面立體分段的形狀胎膜和工作臺(tái)，其主要作用是支撐分段，保證分段外形尺寸的準(zhǔn)確性，為裝備和焊接創(chuàng)造較好的施工條件，減少分段的焊接變形。目前，船廠普遍采用的是專用胎架和通用胎架，這兩種胎架雖能較好地保證分段外形，但還是存在諸多問題：如胎架的重復(fù)利用率低，對(duì)鋼材、工時(shí)的耗費(fèi)大；自動(dòng)化控制程度低，不能與船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件生成的數(shù)據(jù)相銜接；胎架的調(diào)節(jié)范圍小、速度慢、插銷孔距離散，造成胎架型值調(diào)節(jié)范圍的不連續(xù)、精度較低等缺陷。

為了彌補(bǔ)上述不足，對(duì)數(shù)控胎架系統(tǒng)功能有如下要求：

（1）胎架系統(tǒng)能和船舶制造三維設(shè)計(jì)軟件銜接。能與目前常用的軟件，如滬東中華船廠開發(fā)的HD-SHM、中船第十一研究所研發(fā)的SB3DS及瑞典KCS公司研發(fā)的TRIBON M3等所生成的曲面型值數(shù)據(jù)對(duì)接，該功能是實(shí)現(xiàn)胎架數(shù)字化的關(guān)鍵所在；

（2）胎架系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度精準(zhǔn)。要實(shí)現(xiàn)“精度造船”，分段建造的精度控制至關(guān)重要，為保證胎架型值與分段曲面的一致性，數(shù)控胎架應(yīng)具有較高調(diào)節(jié)精度，且是無級(jí)調(diào)節(jié)；

（3）胎架系統(tǒng)將點(diǎn)接觸方式改為面接觸。通用胎架立柱與船體分段外板之間點(diǎn)接觸方式，存在接觸范圍小、受力不均勻等弊端，面接觸可有效改善胎架受力的均勻性；

（4）胎架應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、制造成本低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

1.2 數(shù)控胎架系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)上述功能要求，設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)控胎架系統(tǒng)主要包括：胎架基礎(chǔ)框架、胎架立柱、胎架水平校準(zhǔn)系統(tǒng)及胎架控制系統(tǒng)四大部分，如圖1所示。

2 數(shù)控胎架系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 胎架基礎(chǔ)框架設(shè)計(jì)

胎架基礎(chǔ)框架是在水平地面上，用鋼筋混凝土澆注成一定厚度的平臺(tái)，平臺(tái)橫縱方向均勻排布有槽鋼埋件，埋件下部通過鋼筋與平臺(tái)鋼筋連為一體，澆注后槽鋼表面與平臺(tái)表面處于同一水平基面上。

在分段建造過程中，胎架立柱既要承受分段的重力，又要保證分段的型線，因此基礎(chǔ)框架必須要有足夠承載能力，確保不下沉變形。該項(xiàng)目采用固定式基礎(chǔ)框架模式，即框架的基礎(chǔ)是固定的，不能在水平方向上進(jìn)行位置移動(dòng)，其立柱布置數(shù)量和間距根據(jù)分段的肋距、重量及型線彎曲程度，可進(jìn)行橫縱移位布置，如圖2所示。

2.2 胎架立柱設(shè)計(jì)

胎架立柱由支撐機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成：支撐機(jī)構(gòu)保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)順暢的運(yùn)轉(zhuǎn)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過齒輪帶動(dòng)絲桿上下運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)立柱高度。圖3為胎架立柱結(jié)構(gòu)圖。

（1）支撐機(jī)構(gòu)

胎架支撐機(jī)構(gòu)分為上立柱、下立柱和支撐頭三部分：

下立柱采用無縫鋼管，其直徑和高度決定于工作空間要求和強(qiáng)度要求，起支撐上立柱的作用，其內(nèi)部是傳動(dòng)絲桿運(yùn)行的空間，胎架底座以螺栓與基礎(chǔ)框架連接，加強(qiáng)板可增加立柱強(qiáng)度；

上立柱安裝于下立柱之上，上立柱也采用無縫鋼管，內(nèi)部提供絲桿的工作空間，上、下立柱通過座盤用螺絲緊固連接；

支撐頭下半部為半球形，上半部為方形平面，通過帶復(fù)位彈簧的球鉸與絲桿連接，確保支撐頭與絲桿一起上下運(yùn)動(dòng)，彈簧確保方形平面在無受壓力情況下自動(dòng)恢復(fù)水平狀態(tài)。為保證胎架立柱與船體外板為面接觸，可將外板與胎架頂面接觸后，通過點(diǎn)焊把外板與胎架固定。

（2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

胎架傳動(dòng)部分由蝸輪、蝸桿和絲桿組成：

蝸輪、蝸桿傳動(dòng)裝置安裝在電機(jī)齒輪箱內(nèi)，伺服電機(jī)的安裝位可根據(jù)蝸輪安裝情況決定。蝸桿與伺服電機(jī)連接，蝸桿與蝸輪嚙合，蝸輪軸為空心軸，軸內(nèi)孔與絲桿形成螺旋副。這樣，當(dāng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過蝸輪、蝸桿，帶動(dòng)絲桿上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)胎架立柱的高度調(diào)整，多個(gè)不同高度的立柱形成胎架整體曲面。該系統(tǒng)胎架高度調(diào)節(jié)精度高，且可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。

按每根立柱最大承載50 t，對(duì)絲桿做受力分析，確定絲桿直徑d=40 mm。絲桿螺距7 mm。蝸桿設(shè)計(jì)為單頭螺桿，減速器傳動(dòng)比為1：24，如伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，即蝸桿每分鐘1 000轉(zhuǎn)，則絲桿的行程為292 mm。

2.3 胎架水平校準(zhǔn)系統(tǒng)

胎架水平校準(zhǔn)系統(tǒng)由激光測量裝置及運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的激光校準(zhǔn)控制程序組成。對(duì)每個(gè)立柱的支撐面，由激光校準(zhǔn)控制程序控制伺服驅(qū)動(dòng)來調(diào)節(jié)該立柱的高度，達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)零面，從而使整個(gè)胎架的支撐面處于一個(gè)基準(zhǔn)水平面上。胎架在工作狀態(tài)支撐船體分段時(shí)，通過設(shè)定的程序自動(dòng)調(diào)整各立柱處于工作高度。

激光測量裝置是由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光朝各方向散射，部分散射光返射回傳感器中接收裝置，接收后的激光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像到雪崩光電二極管上，通過雪崩光電二極管內(nèi)的光學(xué)傳感器，將檢測到的光信號(hào)記錄并計(jì)算得出激光脈沖發(fā)出到收回所經(jīng)歷的時(shí)間，即可完成對(duì)測定目標(biāo)距離。激光測量裝置與系統(tǒng)采用串口RS232或RS422通信。

2.4 胎架控制系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)工作原理及流程

船體分段外板曲面型值數(shù)據(jù)讀入系統(tǒng)后，首先對(duì)分段數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，檢查數(shù)據(jù)無誤后，利用非均勻有理B樣條（NURBS） 曲面重構(gòu)技術(shù)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合并生成可以進(jìn)行分段外板加工的曲面數(shù)據(jù)；其次，對(duì)分段曲面進(jìn)行坐標(biāo)變換，將曲面調(diào)整成最適合加工的位置；第三，確定分段外板放置在數(shù)控胎架的位置和方向后，根據(jù)各胎架立柱相對(duì)于分段曲面的位置坐標(biāo)，利用NURBS曲面重構(gòu)技術(shù)將曲面插值換算成每個(gè)立柱控制點(diǎn)的高度值；第四，采用電機(jī)控制技術(shù)，利用工控機(jī)，控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成實(shí)際需要的數(shù)控胎架曲面。圖4為數(shù)控胎架控制系統(tǒng)工作流程。

（2）胎架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控胎架硬件控制部分，主要由連接伺服電機(jī)的電源及控制網(wǎng)絡(luò)、伺服電機(jī)控制器、工控機(jī)及CAN總線通信卡等組成。由工控機(jī)發(fā)送對(duì)伺服電機(jī)的控制指令，通過CAN卡將控制指令按照CAN總線通信協(xié)議發(fā)送到伺服電機(jī)控制器上，再由伺服電機(jī)控制器向伺服電機(jī)發(fā)送控制指令，伺服電機(jī)按照控制指令以所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向運(yùn)行，再經(jīng)蝸桿傳動(dòng)帶動(dòng)絲桿上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各支柱在指定支撐高度，如圖5所示。

數(shù)控胎架的軟件控制部分，主要由胎架控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)接口軟件組成，主要實(shí)現(xiàn)從船舶建造系統(tǒng)中輸出的船舶分段曲面數(shù)據(jù)的讀入、分段數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維船舶分段曲面生成、船舶分段定位設(shè)置、胎架立柱曲面再造、胎架立柱高度值計(jì)算和胎架立柱高度調(diào)節(jié)控制等。軟件系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows XP以上版本，使用C/C++語言開發(fā)，全部代碼具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。系統(tǒng)具有圖形顯示跟蹤、顯示分段曲面及數(shù)字胎架支柱曲面、有關(guān)加工數(shù)據(jù)記錄、設(shè)備故障顯示及報(bào)警等。

3 數(shù)控胎架系統(tǒng)運(yùn)行及界面截圖

圖6為數(shù)控胎架系統(tǒng)對(duì)船體某曲面分段數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理過程。當(dāng)分段外板的曲面型值數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，通過分段數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可確定分段放置在數(shù)控胎架上的具體位置，經(jīng)過計(jì)算將位置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將其保存到數(shù)據(jù)庫中。

圖7為數(shù)控胎架控制系統(tǒng)的參數(shù)管理?？蓪?duì)數(shù)控胎架分段場地、胎架立柱及支撐頭、激光測量裝置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

4 結(jié)語

本文所述研發(fā)項(xiàng)目，集光機(jī)電控四位于一體，有效實(shí)現(xiàn)了船舶建造中分段曲面支撐胎架的數(shù)字化。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)與常規(guī)船舶設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)對(duì)接共享。在進(jìn)行船體分段建造時(shí)，可延續(xù)船舶設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出的分段曲面數(shù)據(jù)，插值求出分段中每個(gè)胎架立柱數(shù)據(jù)，通過控制每個(gè)胎架立柱的電機(jī)，快速生成需要的符合船體分段曲面的胎架曲面，方便分段建造，能大大縮短胎架生成的時(shí)間，節(jié)省大量制作胎架的材料，改善現(xiàn)場工作條件，為高精度造船提供一個(gè)高效可靠的工裝設(shè)備，對(duì)提升船舶行業(yè)的市場競爭力具有重要意義。

通過本項(xiàng)目建造及調(diào)試，還有不盡如意之處，后續(xù)擬作以下改進(jìn)：

（1）為適應(yīng)分段曲面建造的不同需要，基礎(chǔ)框架變?yōu)榭伸`活移動(dòng)的模塊化組合，適用不同的分段曲面，可大大降低設(shè)備成本和提高通用性；

（2）由于每個(gè)立柱都有多條連接線，現(xiàn)場布線凌亂、易錯(cuò)且難查。若采用事先布好線的集成線管，現(xiàn)場用插拔接頭件與各立柱連接，可提高現(xiàn)場施工效率。

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