船舶肋骨成型數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備研制

韓峻峰，夏義江，馮志強(qiáng)，楊潤(rùn)黨，甄希金1,，蒙占彬

(1. 北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；

2. 北部灣大學(xué) 廣西船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州 535011；

3. 上海船舶工藝研究所，上海 200032)

1 背景

船體建造過(guò)程中，船體設(shè)計(jì)、放樣、展開(kāi)、號(hào)料、切割等均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，后續(xù)的裝配、焊接也基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和流水作業(yè)，對(duì)于復(fù)雜船舶肋骨完工檢測(cè)環(huán)節(jié)仍然普遍采用手工工藝，這個(gè)環(huán)節(jié)逐漸成為船體建造過(guò)程的“瓶頸”[1]。

船舶肋骨成型就是將肋骨腹板邊緣彎曲成與要求肋骨曲線一致的工藝過(guò)程[2]，因此，需要一定控制成型和檢測(cè)方法在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量腹板邊緣的變化，以保證肋骨的成型質(zhì)量。肋骨成型的測(cè)量方法，包括比較傳統(tǒng)的測(cè)量方法和適用于數(shù)控系統(tǒng)的測(cè)量方法，傳統(tǒng)的測(cè)量方法即為人工對(duì)樣測(cè)量方法如樣條、樣鐵和逆直線法，這些測(cè)量方法適用于傳統(tǒng)的肋骨成型方法，如肋骨的熱加工成型和傳統(tǒng)冷彎加工成型；適用于數(shù)控系統(tǒng)的測(cè)量方法一般用于肋骨的數(shù)控冷彎成型，如端點(diǎn)測(cè)量法、適應(yīng)控制法和弦線測(cè)量法，這些方法一般集成到肋骨冷彎?rùn)C(jī)的數(shù)控系統(tǒng)中，用于肋骨成型的在線測(cè)量。

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，船體肋骨的成型方法大致分為冷加工成型和熱加工成型，對(duì)于熱加工方法和早期的冷彎成型設(shè)備，肋骨的成型檢測(cè)一般采用人工對(duì)樣的方法，如利用樣鐵（鐵樣）或者樣條或者逆直線方法來(lái)檢驗(yàn)[3]。

傳統(tǒng)樣鐵和樣條的檢測(cè)方法，如圖1 所示。該方法需要工作人員反復(fù)進(jìn)行肋骨的成型測(cè)量，其檢測(cè)結(jié)果據(jù)人員目測(cè)方式確定，因此，樣鐵、樣條測(cè)量方法存在工作強(qiáng)度大、檢測(cè)精度底的缺點(diǎn)。此外，該檢測(cè)方法需要根據(jù)肋骨的形狀和尺寸訂樣鐵或樣條，由于肋骨外形多變、尺寸較大的原因，導(dǎo)致樣鐵和樣條的重用性差，需要大量的木材訂制樣鐵或樣條，因此增加了肋骨加工成型的成本，而且樣鐵和樣條需要加工時(shí)間，增加了船舶肋骨的加工周期。

圖 1 樣條檢測(cè)方法Fig. 1 Spline detection method

在總結(jié)樣鐵和樣條不足的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)大量的摸索和實(shí)踐，出現(xiàn)了逆直線的檢測(cè)方法，可通過(guò)不斷檢測(cè)該曲線是否變直，來(lái)判斷肋骨是否加工成所需形狀[4]。該方法首先根據(jù)理論肋骨型線在角鋼或T 型鋼上繪制多端樣條曲線，之后進(jìn)行肋骨的冷加工成型或者熱加工成型，直到樣條曲線變成直線，就表示肋骨加工完成。與樣條和樣鐵的方法相比，逆直線法的應(yīng)用節(jié)省大量材料，減輕了加工檢驗(yàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了型材的彎制質(zhì)量和工藝效率[5]。但是，逆直線法的應(yīng)用對(duì)工作人員的要求較高，要求工作經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員。逆直線法的的本質(zhì)仍是人工對(duì)樣檢測(cè)，所以不可避免具有以下缺點(diǎn)：通過(guò)眼睛觀察成型偏差，精度無(wú)法保證；與加工過(guò)程相互影響，效率難以大幅提高。

綜上所述，人工對(duì)樣測(cè)量方式主要存在以下問(wèn)題：

1）加工精度難以保證。肋骨成型精度由樣鐵、樣條工具精度確定，這些工具大多數(shù)為木質(zhì)材料，受環(huán)境影響較大，且測(cè)量過(guò)程需要眼睛觀察，誤差較大，根據(jù)調(diào)研，這種加工誤差有時(shí)可達(dá)20 mm。

2）樣鐵樣條可重用性差。每條肋骨測(cè)量完以后樣條、樣鐵就會(huì)報(bào)廢，浪費(fèi)了大量的材料，同時(shí)還增加了大量的人力物力；在加工現(xiàn)場(chǎng)需要留出空間來(lái)存放樣板、樣箱，還要采取措施防止樣板、樣箱發(fā)生變形；

3）勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。每次測(cè)量的時(shí)候，工人需要將用樣鐵反復(fù)對(duì)肋骨的多處進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)候需要多人同時(shí)操作，借助吊車(chē)將肋骨移動(dòng)至樣條曲線處進(jìn)行肋骨的成型測(cè)量，這樣就導(dǎo)致了肋骨成型測(cè)量的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

在現(xiàn)代造船生產(chǎn)中，從前期的船舶設(shè)計(jì)、板材號(hào)料和下料，到后期的船體裝配都已基本實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化、機(jī)械化和自動(dòng)化流水線。船體肋骨加工是整個(gè)造船工藝體系中一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。目前船舶肋骨成型方法在向數(shù)控冷彎成型發(fā)展，對(duì)肋骨的數(shù)控冷彎成型的在線檢測(cè)研究取得了一定成果并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，肋骨完工檢測(cè)依舊采用傳統(tǒng)人工對(duì)樣的檢測(cè)方法，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化的肋骨完工成型檢測(cè)方法，提高其完工檢測(cè)速度和質(zhì)量是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

2 船舶肋骨成型數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備需求分析

2.1 船舶肋骨成型加工過(guò)程分析

船體肋骨的加工，首先需要從船舶設(shè)計(jì)軟件中導(dǎo)出肋骨的理論線型線，并將型線理論數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)控肋骨冷彎?rùn)C(jī)。一般數(shù)控肋骨冷碗機(jī)都提供曲線數(shù)據(jù)的接口，如dxf 文件；其次需要切割下料，肋骨加工一般采用船用型材，如球扁鋼、雙球頭球扁鋼以及T 型材等，如圖2 和圖3 所示。最后，在數(shù)控肋骨冷彎?rùn)C(jī)上將型材彎曲成型。

圖 2 球扁鋼及其規(guī)格Fig. 2 Bulb flat and its specifications

圖 3 T 型材截面圖Fig. 3 T profile cross section

2.2 影響成型肋骨檢測(cè)的因素

2.3 船舶肋骨成型數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備功能需求

根據(jù)以上規(guī)則，所開(kāi)發(fā)的船舶肋骨成型數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具備如下功能：

1）模型數(shù)據(jù)接口。具備針對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件三維曲線模型數(shù)據(jù)（如*.dxf）解析，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)（ru*.dxf）解析，同時(shí)支持三維模型顯示狀態(tài)控制、位置操作等。

表 1 成型肋骨特征及其環(huán)境因素表Tab. 1 Research table on the characteristics of formed ribs and their environmental factors

2）掃描控制模塊。主要包括全站儀控制命令發(fā)送、坐標(biāo)數(shù)據(jù)接收等功能。

3）點(diǎn)云處理模塊。主要包括重復(fù)點(diǎn)提取功能、測(cè)量點(diǎn)云的偏置。

4）點(diǎn)云配準(zhǔn)模塊。主要包括通過(guò)二維矢量的粗匹配，手動(dòng)控制的配準(zhǔn)微調(diào)，通過(guò)算法進(jìn)行精確匹配。

5）偏差計(jì)算及表示。針對(duì)匹配完成的點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)偏差計(jì)算和顯示的功能，主要包括偏差計(jì)算功能、偏差色斑圖顯示、偏差的數(shù)據(jù)表格顯示和肋骨成型偏差報(bào)表功能。

6）肋骨成型偏差數(shù)據(jù)庫(kù)。主要功能包括存儲(chǔ)完肋骨的理論數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)及其偏差信息，對(duì)肋骨成型數(shù)據(jù)的刪除功能，從肋骨成型偏差數(shù)據(jù)庫(kù)向軟件場(chǎng)景導(dǎo)入肋骨數(shù)據(jù)功能。

7）人機(jī)交互界面。系統(tǒng)界面（模型導(dǎo)入及管理，曲面匹配與偏差計(jì)算，偏差顯示配置及可視化），系統(tǒng)操作導(dǎo)向界面（操作流程提示界面）。

2.4 肋骨成型數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備性能需求

設(shè)定系統(tǒng)各主要功能要達(dá)到的性能指標(biāo)。

1）模型數(shù)據(jù)接口。

能夠讀入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如AutoCAD）輸出的DXF 模型，將肋骨的DXF 模型導(dǎo)入并顯示；

能夠讀入肋骨的測(cè)量數(shù)據(jù)（*.asc）文件并顯示；

具有良好的工作界面，用戶可在界面中對(duì)要輸出的信息種類、輸出的文件名和存取路徑等等進(jìn)行設(shè)定或選取。

2）數(shù)據(jù)處理能力

可支持100 萬(wàn)以上點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示和實(shí)施操作，場(chǎng)景的更新幀率不小于20 f/s。

型面匹配（包括特征粗匹配、精確匹配）的時(shí)間不大于10 s。

3）硬件掃描時(shí)間

對(duì)于長(zhǎng)度小于12 m 的肋骨，掃描時(shí)間小于400 s。

4）精度要求

工作場(chǎng)景為50 m×50 m 時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量精度小于0.2 mm。

2.5 基本工作流程

1）系統(tǒng)啟動(dòng)與初始化

打開(kāi)全站儀、計(jì)算機(jī)。

2）肋骨掃描及測(cè)量點(diǎn)云加載

明確參數(shù)配置內(nèi)容、硬件驅(qū)動(dòng)接口，提供掃描點(diǎn)云預(yù)處理方法（簡(jiǎn)化）、掃描點(diǎn)云的加載。

圖 4 掃描及型面處理過(guò)程Fig. 4 Scanning and profile processing

3）點(diǎn)云去噪功能

根據(jù)全站儀的測(cè)量模式及測(cè)量點(diǎn)云，去除點(diǎn)云的噪聲點(diǎn)及冗余點(diǎn)。

圖 5 掃描及型面處理過(guò)程Fig. 5 Scanning and profile processing

4）理論型線加載5）偏差計(jì)算6）偏差顯示

偏差顯示功能應(yīng)包括軟件場(chǎng)景的色斑圖顯示、數(shù)據(jù)表格顯示及零件報(bào)表顯示。

7）肋骨成型偏差數(shù)據(jù)庫(kù)

肋骨成型偏差數(shù)據(jù)庫(kù)，提供從軟件場(chǎng)景導(dǎo)入并增加偏差信息、刪除偏差信息、偏差數(shù)據(jù)檢索等功能，此外也能將偏差數(shù)據(jù)添加到場(chǎng)景顯示。

2.6 工作模式

本裝備是肋骨完工檢測(cè)使用。全站儀需要固定并提供減震工裝，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)位置可以固定也可以移動(dòng)，設(shè)備需要有電源供電。

圖 6 理論型線加載流程Fig. 6 Theoretical line loading process

圖 7 曲面匹配與偏差計(jì)算流程Fig. 7 Surface matching and deviation calculation process

圖 8 偏差顯示Fig. 8 Deviation display

圖 9 肋骨成型偏差數(shù)據(jù)庫(kù)Fig. 9 Rib forming deviation database

3 設(shè)備研制的總體方案

以計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)為代表的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、速度快、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)船舶曲板成型過(guò)程的精密、高效、低成本、數(shù)字化在線檢測(cè)提供了可能[6]。針對(duì)船舶復(fù)雜曲率船板、肋骨的更換、加工過(guò)程，以提高船板和肋骨加工效率和成型精度為目標(biāo)，重點(diǎn)突破數(shù)字化在線測(cè)量技術(shù)、數(shù)模匹配與對(duì)比技術(shù)、檢測(cè)結(jié)果多形式表達(dá)技術(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，研制可在位使用的船板、肋骨成型在線檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)對(duì)加工過(guò)程中曲板型面和肋骨型材的測(cè)量，獲取成型過(guò)程中曲板、型材的型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)理論型面獲取接口從設(shè)計(jì)系統(tǒng)中獲取被測(cè)曲板、肋骨型面的理論點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)和理論型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，計(jì)算出理論曲面和測(cè)量曲面的偏差。最后將偏差數(shù)據(jù)通過(guò)友好的方式反饋給現(xiàn)場(chǎng)工人。

基于光學(xué)-AGV 技術(shù)的肋骨型線快速測(cè)量裝置，是采用全站儀、AGV 小車(chē)及相應(yīng)的配套軟件，實(shí)現(xiàn)肋骨型線的快速測(cè)量，過(guò)程全部自動(dòng)化，只需要操作人員手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉裝置即可，數(shù)據(jù)傳輸為無(wú)線藍(lán)牙傳輸，系統(tǒng)布局如圖10 所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式采用無(wú)線藍(lán)牙傳輸，移動(dòng)靶標(biāo)沿著肋骨表面運(yùn)動(dòng)，全站儀跟蹤靶球并進(jìn)行定位，實(shí)時(shí)返回靶球坐標(biāo)數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)云的處理和顯示、理論數(shù)據(jù)加載、點(diǎn)云配準(zhǔn)及偏差計(jì)算顯示等功能，最后，軟件系統(tǒng)完成肋骨成型偏差數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理等功能。

圖 10 測(cè)量系統(tǒng)整體布局Fig. 10 Measuring system overall layout

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析船舶肋骨成型數(shù)字化檢測(cè)的功能需求、技術(shù)需求、需要的工作模式等，列出設(shè)備研制的總體方案及應(yīng)用基本流程，實(shí)現(xiàn)了肋骨完工檢測(cè)數(shù)字化、自動(dòng)化，并據(jù)此完成船舶肋骨成型數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，為船體修造中間產(chǎn)品信息采集設(shè)備研制以及以機(jī)器人和自決策執(zhí)行的智能化修造奠定基礎(chǔ)。