船體曲形零件加工木質(zhì)樣板圖快速出圖方法

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

現(xiàn)代大型船舶船體結(jié)構(gòu)主要使用鋼質(zhì)材料，有大量的中厚板零件需要加工成形[1]。為檢驗(yàn)曲形零件的加工精度是否滿足船舶線形設(shè)計(jì)要求，在船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，需要以加工木質(zhì)樣板圖的形式為現(xiàn)場加工部門提供曲形零件線形檢驗(yàn)依據(jù)[2-6]?，F(xiàn)場先根據(jù)加工木質(zhì)樣板圖制造出相應(yīng)的木質(zhì)樣板，再使用木質(zhì)樣板對(duì)具體位置的零件進(jìn)行檢驗(yàn)[7-9]，見圖1。

圖1 木質(zhì)樣板

船體線形復(fù)雜，不同曲形零件之間相似程度低，且同一塊曲形零件不同剖面處的線形也可能不同，使得木質(zhì)樣板需求量大，相應(yīng)地，對(duì)木質(zhì)樣板圖的需求量也較大。

傳統(tǒng)出圖方法中人工操作步驟較多，既要識(shí)別出零件信息，又要繪制相應(yīng)的輔助線，還要標(biāo)出相應(yīng)圖面信息，出圖工作量大，耗費(fèi)工時(shí)多，出圖周期長。因此，開展快速出圖方法研究，提高設(shè)計(jì)出圖效率。

1 傳統(tǒng)出圖方法

1.1 木質(zhì)樣板圖

木質(zhì)樣板圖以離散的關(guān)鍵剖面樣條數(shù)據(jù)來表達(dá)整塊零件的曲面線形，圖面上需要表達(dá)的信息包括工程號(hào)、零件號(hào)、零件板縫線投影線、正檔肋位投影線形、肋位號(hào)、樣板標(biāo)高線、旁路斷線、零件朝向等,見圖2。

1.2 出圖步驟

曲形零件加工木質(zhì)樣板圖由放樣人員手工繪制完成，具體步驟如下。

1)按放樣需求，在Tribon系統(tǒng)中抽取全船或區(qū)域肋位型線及板縫線，并轉(zhuǎn)換成AutoCAD格式的型線及板縫線圖。

2)對(duì)照分段組立圖紙，根據(jù)要繪制木質(zhì)樣板圖的零件號(hào)，在型線及板縫線圖中找到該零件所對(duì)應(yīng)的板縫線，作為旁路斷線。

3)使用截?cái)嗝罱厝×慵月窋嗑€所圍成的區(qū)域內(nèi)的所有肋位線，刪除旁路斷線以外的多余型線，此時(shí)，剩下的型線即為曲形零件上實(shí)際對(duì)應(yīng)的肋位線。

4)根據(jù)實(shí)際肋位線的空間位置及整體形狀，判斷合適的標(biāo)高線所在平面，使得每根肋位線上的標(biāo)高線都大致分布在肋位線的中間區(qū)域，且標(biāo)高線盡量垂直于肋位線的切線方向。

5)逐個(gè)肋位繪制標(biāo)高線，因肋位線為空間曲線，所有標(biāo)高線在同一平面內(nèi)，所以標(biāo)高線與肋位線的交點(diǎn)并不能快速判斷出來，在繪制時(shí)，需要通過繪制輔助線的方式，找到標(biāo)高線與肋位線的交點(diǎn)。

6)確定標(biāo)高線高度，需要同時(shí)考慮到現(xiàn)場制作方便和使用方便，既要留足安裝斜拉撐的空間，又要使得整體高度受控，確保后續(xù)施工使用方便。

圖2 外板加工木質(zhì)樣板圖

7)確定底平折角線，對(duì)于由平面部分和曲面部分組成的曲形零件，在制作加工樣板時(shí)，需標(biāo)出肋位線的切點(diǎn)位置，即底平折角線與肋位線的交點(diǎn)位置。

8)完善圖面信息，標(biāo)注每根肋位線的肋位號(hào)信息、每根標(biāo)高線對(duì)應(yīng)的肋位號(hào)信息、樣板方向、工程號(hào)、零件號(hào)、斷線標(biāo)志信息等。

9)將樣板圖按照1∶1的比例進(jìn)行套料，并1∶1打印在滌綸薄膜上，交付現(xiàn)場用于制作木質(zhì)樣板。

2 快速出圖構(gòu)思

出圖質(zhì)量與每個(gè)人的技能水平、熟練程度、出圖習(xí)慣直接相關(guān)，使得圖面信息難以統(tǒng)一，而且容易出現(xiàn)失誤，為控制圖紙質(zhì)量，還需要專門配備圖紙校對(duì)人員。

船體結(jié)構(gòu)線形復(fù)雜，曲形零件形狀各異，因此，木質(zhì)樣板必須定制化設(shè)計(jì)和制造，不能通用。但是，從木質(zhì)樣板的繪制步驟中可以看出，雖然繪制的零件有所區(qū)別，線形和區(qū)域有所不同，但是繪制步驟卻是基本固定的。因此，開展快速出圖方法研究，目標(biāo)是減少規(guī)律性重復(fù)勞動(dòng)。

木質(zhì)樣板圖傳統(tǒng)出圖步驟具有一定的規(guī)律性，并且曲形零件本身就是在Tribon環(huán)境下進(jìn)行建模的，與該曲形零件相關(guān)的線形都具有與其相關(guān)聯(lián)的屬性信息和幾何信息，包括圍成曲形零件的板縫線，曲形零件所跨越的肋位線等，只要不將線形導(dǎo)入到AutoCAD環(huán)境中，這些信息就不會(huì)缺失，并且是可被調(diào)用和編輯的，為基于一定規(guī)則和算法的快速自動(dòng)生成木質(zhì)樣板圖提供了可能性。

擬將傳統(tǒng)出圖方法中重復(fù)的出圖步驟通過系統(tǒng)模塊一鍵完成，系統(tǒng)具體實(shí)施步驟見圖3。

圖3 快速出圖的構(gòu)想

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與實(shí)船應(yīng)用

3.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

快速出圖首先要實(shí)現(xiàn)的功能是樣條線(板縫線和肋位線)的獲取與剪切，并利用剪切好的曲線系列計(jì)算標(biāo)高線，也就是Sight Line Plane(視線面)。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的需求，Sight Line Plane最好設(shè)置在經(jīng)過外板零件的中心位置，并且盡可能使零件放置平坦。Sight Line(視線)的設(shè)置最好使標(biāo)高線的長度和樣條線弧長(肋位線的弧長)成正比函數(shù)關(guān)系，即肋位線越長，標(biāo)高線也越長。樣條線的獲取可直接抽取Tribon系統(tǒng)的SB_CGDB數(shù)據(jù)庫，這里面保存了各類線形數(shù)據(jù)，包括板縫線和肋位線，但保存的數(shù)據(jù)格式是點(diǎn)，所以軟件的幾何模型是構(gòu)建在點(diǎn)之上的。結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖4。

圖4 軟件幾何模型結(jié)構(gòu)關(guān)系

類ShellPlate表示Surface， Surface一般由Net of curves(曲線系列)組成，Curve的數(shù)學(xué)表達(dá)式是B樣條曲線，在Tribon中一般是三次B樣條曲線，轉(zhuǎn)化成平面曲線后退化為二次曲線，開發(fā)的模塊是Spline模塊，里面有類Tribon2DSpline，處理Tribon中所有2D樣條曲線，該樣條曲線是由一系列Spline Segment連接而成，每個(gè)Segment對(duì)應(yīng)模塊MyArc2D中的Arc2D類，表示直線段或者圓弧。Tribon提供的API中沒有任何的剪切、求交點(diǎn)及曲線在不同視圖投影下樣條轉(zhuǎn)化等接口，需要用戶開發(fā)。開發(fā)的起點(diǎn)是模型中一系列的點(diǎn)值(Point2D and Point3D )，在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑自己的幾何模型，并對(duì)幾何模型中的對(duì)象實(shí)行求交、剪切、樣條轉(zhuǎn)換等操作。

樣條剪切和轉(zhuǎn)換完成后，利用幾何對(duì)象和樣條曲線的長度、中點(diǎn)等屬性計(jì)算Sight Line Plane的位置。Sight Line Plane經(jīng)過板的中心可以選取最靠近首、尾邊界的2個(gè)肋位中點(diǎn)，然后再給出一個(gè)條件就可以確定這個(gè)平面的位置，程序選取的條件是盡可能使零件放平，也就是放置的時(shí)候Sight Line Plane垂直地面。Sight Line Plane計(jì)算完成后，需要進(jìn)一步確定標(biāo)高線上端點(diǎn)的位置，上端點(diǎn)的位置可以用一個(gè)垂直于Sight Line Plane的平面去截取，這個(gè)平面可以稱為Assembly Plane(基平面)?，F(xiàn)場制作的三角木質(zhì)樣板樣條曲線長度和標(biāo)高線長度成正比關(guān)系，利用前面的肋位中點(diǎn)沿標(biāo)高線移動(dòng)一個(gè)距離，這個(gè)距離在靠近尾部邊界的肋位稱為尾標(biāo)高，靠近首部的肋位稱為首標(biāo)高，確定好這2個(gè)距離之后，利用Assembly Plane 垂直Sight Line Plane的性質(zhì)，就可以把Assembly Plane 計(jì)算出來，進(jìn)而截取出所有的標(biāo)高線，并開始圖面相關(guān)信息的標(biāo)注，具體流程見圖5。

圖5 程序流程

3.2 實(shí)船應(yīng)用與優(yōu)化

基于Tribon系統(tǒng)開發(fā)木質(zhì)樣板圖快速出圖程序，可在Tribon內(nèi)部以插件方式運(yùn)行。在程序GUI界面，用戶選取所要繪制木質(zhì)樣板圖分段號(hào)后，程序會(huì)自動(dòng)分析并篩選出該分段內(nèi)所需繪制木質(zhì)樣板圖的所有板架及零件號(hào)，供用戶選擇，程序根據(jù)用戶的選擇自動(dòng)生成的1∶1木質(zhì)樣板圖。

實(shí)船分段曲形零件木質(zhì)樣板圖出圖應(yīng)用測試表明，快速出圖方法可提升出圖效率90%以上，大幅度的縮減了設(shè)計(jì)出圖工作量。

為增加程序的適應(yīng)性和人機(jī)交互性，對(duì)程序做進(jìn)一步優(yōu)化，允許用戶根據(jù)需求控制中間的某些過程參數(shù)，從而生成符合生產(chǎn)需求的木質(zhì)樣板信息?？梢宰远x首、尾標(biāo)高值，從而控制Sight Line 的位置；可以選擇是肋位樣板還是法向樣板，選擇樣板是在曲板的內(nèi)表面還是外表面，是做正切樣板還是非正切樣板；可以增加樣板的密度，如半檔肋位一個(gè)樣板；可以降低樣板的密度，刪除不需要的樣板；可以增加需要額外添加的劃線信息，如邊平線(FOS)、底平線(FOB)等。見表1。

4 結(jié)論

通過詳細(xì)分析木質(zhì)樣板圖傳統(tǒng)出圖方法，理清每個(gè)出圖步驟所要完成的主要工作內(nèi)容和關(guān)鍵質(zhì)量控制要素，針對(duì)這些要素對(duì)Tribon系統(tǒng)內(nèi)部幾何模型表達(dá)和屬性數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行分析，建立模型和數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)算規(guī)則，再造出圖流程。以零件名為索引自動(dòng)抽取板縫線、肋位線、截取樣條線、繪制標(biāo)高線和標(biāo)注圖面信息，實(shí)現(xiàn)了曲形零件木質(zhì)樣板圖的自動(dòng)生成，使出圖效率大幅度提高，出圖一致性得到保證，達(dá)到了降本、提質(zhì)、增效的目的。

表1 實(shí)船分段曲形零件樣板圖出圖效率對(duì)比