面向船舶制造的柔性胎架調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

戴米格

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

0 引 言

中國(guó)是全球知名的大型造船中心之一，船舶制造業(yè)占全球市場(chǎng)比重呈逐年上升趨勢(shì)。2010年，中國(guó)更是突破歷史紀(jì)錄，一躍成為全球造船噸位第一的大國(guó)。但是，造船大國(guó)并非造船強(qiáng)國(guó)，船舶制造中低端產(chǎn)能過(guò)剩，高端船舶及高端海工裝備制造仍處在起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家的造船水平還有一定距離。2015年，國(guó)務(wù)院將船舶海工裝備列入《中國(guó)制造2025》優(yōu)先大力發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。在新形勢(shì)下，船舶行業(yè)由分段制造、區(qū)域制造并存向區(qū)域制造、集成制造模式發(fā)展，“數(shù)字化智能化推動(dòng)造船現(xiàn)代化”成為我國(guó)造船工業(yè)追趕國(guó)際先進(jìn)水平的良機(jī)。因此，加強(qiáng)核心技術(shù)研發(fā)，不斷提高造船效率和船舶建造精度，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和人工智能化，進(jìn)一步提升總裝化造船、數(shù)字化造船和精細(xì)化管理水平勢(shì)在必行。

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，但胎架尚未實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有造船集成制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化對(duì)接和自動(dòng)調(diào)節(jié)，手動(dòng)調(diào)節(jié)仍依賴(lài)于工人以往的裝配經(jīng)驗(yàn)，缺乏高效的吊運(yùn)、限位、夾緊、定位校驗(yàn)和補(bǔ)償配套工裝，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代數(shù)字化、智能化造船的生產(chǎn)要求。針對(duì)國(guó)內(nèi)造船用胎架現(xiàn)狀，面向船舶制造的柔性胎架系統(tǒng)對(duì)胎架的調(diào)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，符合現(xiàn)代化、高效率、低能耗造船的生產(chǎn)要求。

1 面向船舶制造的柔性胎架系統(tǒng)

傳統(tǒng)船舶胎架自動(dòng)化程度低，船板成型精度低，常使用人工機(jī)械調(diào)節(jié)，船舶曲面板零件的吊運(yùn)以及胎架的限位、夾緊與定位依賴(lài)于操作者的主觀意識(shí)和以往經(jīng)驗(yàn)。不同批次同類(lèi)型船舶曲面加工和裝配質(zhì)量參差不齊，存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制造成本高、調(diào)試費(fèi)用高、材料浪費(fèi)多、調(diào)節(jié)精度低、循環(huán)利用率低(一組船舶生產(chǎn)胎架通常只針對(duì)一種船型的建造)等弊端，限制了船舶行業(yè)在產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化和更新升級(jí)等方面的發(fā)展。

面向船舶建造的柔性胎架系統(tǒng)針對(duì)船舶曲面外板個(gè)體差異大、小批量制造、通用性低等問(wèn)題，在傳統(tǒng)胎架的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良：用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式，胎架頂部安裝壓力傳感器，以任意船型曲面外板為研究對(duì)象，輸入船舶型值表，由數(shù)控處理系統(tǒng)換算為胎架坐標(biāo)，通過(guò)電腦可以對(duì)胎架遠(yuǎn)程控制并進(jìn)行初調(diào)，移動(dòng)胎架位置和調(diào)節(jié)胎架高度，讓胎架實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控、多級(jí)調(diào)速；利用新型的傳感技術(shù)，對(duì)船舶曲面分段進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)擬合曲面的曲率旋轉(zhuǎn)胎架活絡(luò)頭，貼合船舶曲面外板，活絡(luò)頭上的壓力傳感器測(cè)量實(shí)際壓力值，結(jié)合船舶曲面曲率最小處(承重最大處)分析胎架實(shí)際受力情況微調(diào)胎架高度，構(gòu)造符合實(shí)際生產(chǎn)要求的船舶曲面，保證船舶曲面精度。

1.1 柔性胎架機(jī)械系統(tǒng)

如圖1的船舶曲面與柔性胎架示例和圖2的船舶曲面與柔性胎架實(shí)物圖所示，柔性胎架在分段造船過(guò)程中的主要作用是支撐船舶曲面外板，保證外形尺寸的準(zhǔn)確性，為裝配和焊接創(chuàng)造良好的施工條件，減小船舶曲面外板變形量。

圖1 船舶曲面與柔性胎架示例

圖2 船舶曲面與柔性胎架實(shí)物圖

柔性胎架采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，具有自鎖功能。蝸輪、蝸桿、絲杠為核心部件，蝸桿帶動(dòng)蝸輪，推動(dòng)絲杠進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。每個(gè)柔性胎架額定工作承載能力為30 kN，所能承受的側(cè)向力為1.02 kN，絲杠所能承受的極限拉壓力為596.4 kN，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3的胎架結(jié)構(gòu)圖所示。

圖3 胎架結(jié)構(gòu)圖

柔性胎架機(jī)械系統(tǒng)不僅能縱向(通過(guò)絲杠)調(diào)節(jié)，而且通過(guò)增添胎架底盤(pán)軌道可實(shí)現(xiàn)橫向(通過(guò)滑塊)調(diào)節(jié)。胎架根據(jù)控制點(diǎn)要求在軌道上到達(dá)指定位置，整個(gè)胎架系統(tǒng)都可按一定軌道移動(dòng)至交叉固定位置卡死(見(jiàn)圖4 的柔性胎架系統(tǒng)軌道)，控制柔性胎架在胎架作業(yè)場(chǎng)地坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確定位，形成點(diǎn)陣分區(qū)，滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)需求，將船舶生產(chǎn)流水化，為船舶建造提供高效的工裝設(shè)備與生產(chǎn)方法。但是，其采用滑輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度將受到一定限制，目前在理論計(jì)算和仿真階段，有待投入實(shí)踐。

1.2 柔性胎架控制系統(tǒng)

圖4 柔性胎架系統(tǒng)軌道

柔性胎架控制系統(tǒng)主要由3部分組成：人機(jī)交互控制界面、胎架升降運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[1-2](包括步進(jìn)電機(jī)、PLC控制器和驅(qū)動(dòng)器)、PLC驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(包括CPU、數(shù)字模擬輸入輸出模塊、無(wú)線模塊以及壓力傳感器等)，三者以PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為核心實(shí)現(xiàn)胎架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)交互，由若干個(gè)PLC副機(jī)控制組把數(shù)據(jù)傳輸給PLC主機(jī)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別和計(jì)算，反饋到各個(gè)副機(jī)中執(zhí)行命令[3]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用MATLAB豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)和強(qiáng)大的計(jì)算功能進(jìn)行控制點(diǎn)插值計(jì)算以及支撐點(diǎn)載荷計(jì)算，用非均勻B樣條工具重構(gòu)復(fù)雜船體曲面外板，求出船舶曲面的承載特征點(diǎn)和承載范圍并統(tǒng)計(jì)匯總到數(shù)據(jù)庫(kù)中，造船時(shí)調(diào)用曲面數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)胎架智能化調(diào)控。監(jiān)測(cè)軟件各個(gè)功能模塊如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理與控制功能模塊流程圖

2 基于非均勻B樣條的船舶曲面外板重構(gòu)

2.1 非均勻B樣條曲線概述

B樣條是形狀數(shù)學(xué)描述的主流方法之一，具有表示和設(shè)計(jì)自由型曲線和曲面的強(qiáng)大功能[4]，常用于工程中的曲面造型問(wèn)題。B樣條是貝茲曲線的一般化形式，具備貝茲曲線幾何不變性、仿射不變形等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了貝茲曲線由于整體表示而不具有局部性質(zhì)的缺點(diǎn)[4](移動(dòng)一個(gè)控制點(diǎn)會(huì)影響整個(gè)曲線)，其可進(jìn)一步推廣為非均勻B樣條。

非均勻B樣條曲線的生成有正算和反算等兩種方式：正算過(guò)程即給定控制頂點(diǎn)定義 B 樣條曲線及導(dǎo)矢[4]；曲線反算是先給出定位于曲線上的點(diǎn)再設(shè)計(jì)曲線，亦稱(chēng)作B 樣條曲線的逆過(guò)程或逆問(wèn)題。在設(shè)計(jì)船舶型線過(guò)程中，非均勻B樣條曲線有兩個(gè)作用對(duì)應(yīng)上述的正算與反算：一種是根據(jù)型值點(diǎn)自動(dòng)生成基于非均勻B樣條曲線的型線，另一種是根據(jù)勾勒出的非均勻B樣條曲線反求出型值點(diǎn)。由于通過(guò)給定曲線上的點(diǎn)反算曲線控制頂點(diǎn)要比直接給出不位于曲線上的控制頂點(diǎn)更適合設(shè)計(jì)者的意愿，因此實(shí)際工程中，曲線設(shè)計(jì)一般采用反算曲線的方式[4]。

2.2 船舶曲面外板的重構(gòu)

用非均勻B樣條工具對(duì)復(fù)雜船體曲面外板進(jìn)行重構(gòu)，曲面片間的拼接連續(xù)性問(wèn)題得到了妥善解決，且重構(gòu)出的曲面型線光順。MATLAB 仿真證明該插補(bǔ)算法的正確性和精準(zhǔn)度能夠滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)實(shí)時(shí)性要求[5-6]，反算出控制點(diǎn)，換算為空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，比對(duì)控制點(diǎn)坐標(biāo)與軌道交叉固定點(diǎn)坐標(biāo)，坐標(biāo)相近則保留該控制點(diǎn)，反之忽略，在軌道上移動(dòng)胎架至保留控制點(diǎn)位置，再根據(jù)z軸坐標(biāo)初調(diào)胎架高度。MATLAB仿真步驟如圖6所示，船舶曲面外板重構(gòu)圖如圖7所示。

2

圖6 MATLAB仿真步驟

圖7 船舶曲面外板重構(gòu)圖

3 船舶曲面外板曲率估算

船舶曲面外板是MATLAB軟件根據(jù)船舶型值表，基于非均勻B樣條重構(gòu)的空間離散曲面，離散曲面的曲率估算既對(duì)調(diào)節(jié)活絡(luò)頭角度有影響，也是后期受力分析選取曲率最小處(承重最大處)的依據(jù)。由于只知道船舶型值表的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，故選取廣泛應(yīng)用于離散數(shù)據(jù)插值的移動(dòng)最小二乘法進(jìn)行船舶曲面外板曲率估算并擬合局部曲面。從受力狀態(tài)分析，胎架承受的船舶曲面自重由活絡(luò)頭傳遞給胎架，MATLAB仿真基于B樣條重構(gòu)船舶曲面外板，估算船舶曲面外板曲率調(diào)節(jié)胎架上的活絡(luò)頭，讓活絡(luò)頭貼合船舶分段曲面，增加接觸面積，均勻載荷分布。

4 過(guò)載力保護(hù)與調(diào)節(jié)

4.1 柔性胎架受力分析

在柔性胎架自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，每個(gè)胎架上的壓力傳感器是升降定量的重要標(biāo)準(zhǔn)，船舶曲面不同位置會(huì)出現(xiàn)不同彎曲，曲率變化較大，而船舶曲面的彎曲程度越大，此處胎架垂直方向上的壓力就越大[7]。柔性胎架受力分析圖如圖8所示。

圖8 柔性胎架受力分析圖

假設(shè)支撐船舶曲面需要n支胎架，每支胎架的受力為Fi(i=1，2，3，…，n)。以曲面彎曲程度最小處(承重最大處)胎架x為例，胎架x處垂直方向的壓力為F，胎架x和胎架i的實(shí)時(shí)高度為H和Hi[7](兩者均可由曲面重構(gòu)的控制頂點(diǎn)坐標(biāo)得到)。胎架x與胎架i之間的水平間距為L(zhǎng)i，經(jīng)受力分析可得

F+∑Fi=G船板

(1)

根據(jù)數(shù)學(xué)歸納法得到

Fi≈F·cosαi≈F·cosαi′

(2)

F水平≈F·sinαi≈F·sinαi′

(3)

(4)

從而可以得到

(5)

(6)

(7)

4.2 柔性胎架調(diào)節(jié)

4.2.1 根據(jù)垂直方向壓力調(diào)節(jié)胎架高度

胎架i處的理論壓力值為Fi(曲率最小處理論壓力值對(duì)應(yīng)為F)，柔性胎架系統(tǒng)以理論壓力值為初始化壓力控制基礎(chǔ)，自動(dòng)調(diào)節(jié)胎架至理論高度。首先，判斷胎架上壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)壓力是否在安全壓力范圍(0,Fi+emax)內(nèi)。如果一次性吊裝位置不到位，有個(gè)別胎架與船舶曲面沒(méi)有接觸，實(shí)際受力胎架比計(jì)劃數(shù)目少，每個(gè)胎架支柱分擔(dān)到的船舶曲面重力增加，此時(shí)需要向上調(diào)節(jié)胎架支柱，確保參與受力的胎架數(shù)量；如果胎架支柱承重超過(guò)Fi+emax，同樣需要進(jìn)行上升調(diào)節(jié)，一方面調(diào)整胎架上的活絡(luò)頭可以增大船舶曲面與胎架形成的角度，控制胎架支柱實(shí)際承重在安全壓力范圍內(nèi)，另一方面可以調(diào)整船舶分段曲面的重心，均衡其他胎架的壓力；如果胎架實(shí)時(shí)壓力小于Fi+emax，則需要進(jìn)行下降調(diào)節(jié)。其次，船舶分段曲面的吊裝屬于動(dòng)態(tài)接觸，吊裝時(shí)的動(dòng)載荷與胎架支柱的結(jié)構(gòu)靜載荷相差較大(詳情參見(jiàn)動(dòng)載荷因數(shù))，瞬間動(dòng)載荷具有不確定因素且對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞也遠(yuǎn)大于靜載荷，胎架上下立柱、底座、絲杠、螺紋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性需充分考慮到動(dòng)載荷的影響，加大胎架安全壓力的范圍。

4.2.2 根據(jù)水平側(cè)向力調(diào)節(jié)胎架高度

第4.2.1節(jié)提到如果胎架實(shí)時(shí)壓力小于Fi+emax時(shí)需進(jìn)行下降調(diào)節(jié)。胎架垂直方向上的壓力在垂直壓力安全范圍(0,Fi+emax)內(nèi)其實(shí)并不需要調(diào)節(jié)胎架支柱高度，但考慮到胎架支柱所受的水平側(cè)向力，若其大于額定安全值，為了防止胎架結(jié)構(gòu)的破壞，則需要保證垂直壓力在垂直安全壓力范圍內(nèi)并進(jìn)行下降微調(diào)。

胎架高度自動(dòng)調(diào)節(jié)考慮因素優(yōu)先級(jí)為垂直壓力、水平側(cè)向力、接觸面積，當(dāng)遇到垂直壓力和水平側(cè)向力都超標(biāo)的極端情況時(shí)，則需要在危險(xiǎn)胎架周?chē)黾优R時(shí)胎架，保證船舶曲面結(jié)構(gòu)施工階段的安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

面向船舶建造的柔性胎架系統(tǒng)具有機(jī)電一體化和人工智能化的特點(diǎn)，提出了一種適用于各種船型的數(shù)控調(diào)形胎架?；诜蔷鶆駼樣條重構(gòu)船舶曲面外板，建立數(shù)學(xué)模型反算控制點(diǎn)，運(yùn)用移動(dòng)最小二乘法進(jìn)行離散數(shù)據(jù)插值和船舶曲面分段外板曲率估算，將初始化曲面擬合的船舶外板數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控胎架控制系統(tǒng)中進(jìn)行受力分析并驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)胎架，既減少了造船周期和成本，又提高了生產(chǎn)質(zhì)量、效率，符合當(dāng)代“綠色造船、數(shù)字造船”的船舶業(yè)生產(chǎn)要求。本項(xiàng)目下一步準(zhǔn)備進(jìn)行仿真試驗(yàn)添加胎架底盤(pán)軌道，擴(kuò)大胎架的移動(dòng)范圍，完善點(diǎn)位布置的優(yōu)化。