船體工件自由邊智能打磨裝備應(yīng)用

許迎春， 陳 弓， 劉 華

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引 言

隨著造船行業(yè)自2008年開始執(zhí)行國際海事組織(IMO)/國際船級社協(xié)會(IACS)的船舶壓載艙保護涂層性能標(biāo)準(zhǔn)，船體工件自由邊打磨成為船舶制造的一個重要環(huán)節(jié)。高質(zhì)量的打磨可減少工件結(jié)構(gòu)銳角，改善船體油漆附著狀態(tài)，進而延長油漆保護周期，減少船體結(jié)構(gòu)腐蝕[1]。

船舶制造的鋼板類工件打磨作業(yè)普遍采用手持式氣動倒角機，人工作業(yè)盡管動作量不大，但蹲或彎腰的姿勢、方向維持需要不斷用力，加上持續(xù)振動，長期工作會造成員工身體的疲勞甚至勞損、打磨質(zhì)量不穩(wěn)定等種種弊端[2]。針對這種現(xiàn)象及日益增加的人工成本，研究高質(zhì)量、高效率的打磨裝備成為在船舶制造過程中亟需解決的課題。

1 技術(shù)路線

以關(guān)鍵共性技術(shù)研究為基礎(chǔ)，形成船體工件自由邊智能打磨裝備應(yīng)用方案，明確裝備應(yīng)用范圍和工藝流程，充分論證裝備關(guān)鍵功能與技術(shù)體系，依次完成裝備總體設(shè)計與優(yōu)化、綜合控制系統(tǒng)開發(fā)等研制與應(yīng)用工作，形成船體工件自由邊智能打磨裝備。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 船體工件自由邊智能打磨裝備應(yīng)用方案技術(shù)路線

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維生產(chǎn)設(shè)計模型導(dǎo)入與處理

研究船體工件自由邊智能打磨裝備中間文件的生成方式，利用轉(zhuǎn)換軟件從船舶設(shè)計軟件中提取工件模型的工藝信息和幾何信息，由倒圓角要求決定銑削方式，由工件材質(zhì)決定打磨速度和打磨接觸力，由焊接要求決定單面/雙面打磨，由幾何信息決定裝備打磨軌跡，并將工藝信息添加至待加工數(shù)據(jù)庫中。

2.2 作業(yè)路徑規(guī)劃與仿真

開展基于船體工件模型的智能打磨裝備離線編程，實現(xiàn)打磨路徑智能規(guī)劃，并利用打磨工藝仿真技術(shù)優(yōu)化，最終生成打磨裝備的執(zhí)行程序。結(jié)合智能打磨裝備離線編程及仿真的數(shù)據(jù)要求(機)、船體工件模型(料)及其自由邊打磨工藝(法)，建立打磨工藝模型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)三者的智能互聯(lián)。

2.3 復(fù)雜環(huán)境感知與識別

針對船體工件打磨作業(yè)環(huán)境惡劣的現(xiàn)狀，基于線陣相機和視覺技術(shù)識別工件自由邊的外形輪廓并獲取測量數(shù)據(jù)。將測量數(shù)據(jù)與待加工數(shù)據(jù)庫進行比對，調(diào)用裝備中的打磨執(zhí)行程序，生成適合當(dāng)前打磨作業(yè)的指令并下發(fā)至控制柜[3]。

利用力位感知技術(shù)，實時采集自由邊打磨過程中的刀頭位置信息與力信息，即使實際工件與模型存在一定誤差，也能根據(jù)力位混合控制算法，實時修正裝備末端位置，保證自由邊打磨質(zhì)量。

2.4 自適應(yīng)控制

實現(xiàn)自由邊打磨過程自動化的關(guān)鍵在于行走機構(gòu)的精確定位和刀頭運轉(zhuǎn)的自適應(yīng)控制。通過在門架式行走機構(gòu)上應(yīng)用高精度軌道系統(tǒng)實現(xiàn)刀頭的準(zhǔn)確卡位；根據(jù)待加工工件類型和打磨要求自動選擇刀具并更換，使用恒力控制系統(tǒng)帶動刀頭始終貼合在工件倒角邊緣。

3 裝備應(yīng)用方案

3.1 應(yīng)用范圍

裝備的主要加工對象是鋼板數(shù)控切割工件，在打磨工序完成智能化生產(chǎn)后，將匹配后道機器人焊接工位的生產(chǎn)能力，整體提升小組工件主板的加工效率。

為最大程度發(fā)揮數(shù)控切割機和小組立焊接機器人生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，裝備主要應(yīng)用于尺寸寬度約1～3 m、長度約1～9 m的流水線小組主板，如散貨船雙層底、頂邊艙等分段的肋板。

3.2 工藝流程

裝備處于數(shù)控切割和中小組立工件焊接兩道工序之間，中間過程的搬運方式采用專用吊具，防止邊緣磕碰和變形。工藝流程為工件吊入→自由邊自動打磨→工件吊出。

3.2.1 工件吊入

該道工序?qū)⑶懈钔戤叺陌宀挠蓴?shù)控切割機吊裝至工作平臺，安放前對準(zhǔn)在平臺上的支撐點，盡可能讓板材下方的支撐點均勻布置。

3.2.2 自由邊自動打磨

(1)啟動頂升裝置，將工件頂起。

(2)系統(tǒng)通過視覺系統(tǒng)進行基準(zhǔn)點自動識別。每個工件需要識別2個特征點，控制系統(tǒng)根據(jù)特征點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)修正工件的位置及偏轉(zhuǎn)角度，最終實現(xiàn)工件的精確定位。

(3)確認銑削刀具良好，啟動自動銑削。

(4)機頭運行至銑削零點位置，探測氣缸下降，在確認自由邊狀況后開始對板材自由邊上邊緣進行銑削。

(5)銑削完成自動換刀，進行下邊緣銑削。

(6)銑削完成龍門回到待機位，取下輔助支撐的電磁鐵，頂升裝置下降。

3.2.3 工件吊出

由工作平臺將工件吊出至下一個工位。

3.3 建立打磨工藝數(shù)據(jù)庫

建立打磨工藝數(shù)據(jù)庫便于分段制造裝備的關(guān)鍵工藝參數(shù)動態(tài)辨識。典型工件主要包括油船、集裝箱船、散貨船的肋板類工件，如表1所示(工件形狀略)。

表1 典型工件

3.4 工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理

通過工藝處理軟件實現(xiàn)三維生產(chǎn)設(shè)計模型的導(dǎo)入與處理，主要包括：將設(shè)計系統(tǒng)中的工件形狀信息轉(zhuǎn)化為智能化打磨裝備軟件可用的中間數(shù)據(jù)；在裝備控制軟件中增加各種打磨范圍判斷條件，自動判斷出打磨范圍。工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理過程如圖2所示。工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理步驟包括：(1)運用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為含打磨軌跡圖層的繪圖交換文件(Drawing Exchange Format，DXF)格式文件和切割機使用的數(shù)字控制(Numerical Control，NC)切割數(shù)據(jù)；(2)從中提取倒角邊緣的信息；(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)根據(jù)圖層提取軌跡信息，自動整合為獨立圖元，并同用戶交互，由用戶錄入該圖紙工件壁厚用于后續(xù)工藝分割；(4)獨立圖元同打磨工藝數(shù)據(jù)庫結(jié)合，自動篩分形成獨立的打磨任務(wù)，例如單一圖元結(jié)合打磨工藝庫篩分為上表面打磨任務(wù)、下表面打磨任務(wù)；(5)打磨任務(wù)的軌跡數(shù)據(jù)及工藝信息自動轉(zhuǎn)化為NC數(shù)據(jù)提交給計算機數(shù)字控制(Computerized Numerical Control，CNC)調(diào)用。

圖2 工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理過程

3.5 裝備總體設(shè)計與優(yōu)化

以打磨裝備關(guān)鍵功能與技術(shù)體系為基礎(chǔ)，開展裝備總體設(shè)計，包括主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、輔助裝置設(shè)計、空間布局設(shè)計，形成總體設(shè)計方案。設(shè)計方案從實現(xiàn)數(shù)控化、自動化的角度，將NC切割機的機體形式與倒角機打磨機構(gòu)結(jié)合，并進行相應(yīng)的力矩分析及補償研究，實現(xiàn)數(shù)控化自動打磨。設(shè)計方案綜合考慮裝備高剛性結(jié)構(gòu)、高速高精度的位移控制、與打磨功能端的合理連接、在受力狀態(tài)下的路徑保持、專用工件加工作業(yè)平臺、刀具自動更換置架等要素。為實現(xiàn)工件物流路徑最優(yōu)化，將裝備安置于NC切割機和小組立焊接機器人生產(chǎn)線的中間區(qū)域，在裝備旁增設(shè)肋板待打磨區(qū)域及成品托盤放置區(qū)域。

整個裝備由龍門裝置、工作平臺、銑削系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)和廢渣收集系統(tǒng)等組成。

(1)龍門裝置。在導(dǎo)軌組件上各安裝1套龍門裝置，每套龍門裝置安裝1個行走機構(gòu)(雙驅(qū))、1個橫行機構(gòu)、1個升降機構(gòu)和1個回轉(zhuǎn)機構(gòu)。銑削系統(tǒng)安裝在回轉(zhuǎn)機構(gòu)上。

(2)工作平臺?；谥R系統(tǒng)在線智能決策技術(shù)，構(gòu)建專用工作平臺。一是工件定位：根據(jù)工件形狀自動激活相應(yīng)電磁鐵，通過支撐柱配合電磁鐵以提升工件定位可靠性；二是適應(yīng)正反面打磨的結(jié)構(gòu)形式：支撐柱智能避讓以實現(xiàn)正反面無死角打磨。

(3)銑削系統(tǒng)。電主軸采用主軸與電機一體模式，易于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、高精度、高穩(wěn)定性。銑削刀具采用BT30特殊定制刀柄，安裝R2倒角旋轉(zhuǎn)刀片。

(4)刀庫系統(tǒng)。在橫梁上安裝若干個夾刀器和刀具，橫梁安裝在四連桿機構(gòu)上。在換刀時由氣缸帶動四連桿機構(gòu)將橫梁推出，從而配合在龍門裝置上的銑削頭實現(xiàn)自動換刀。

(5)廢渣收集系統(tǒng)。在龍門裝置后側(cè)安裝電磁鐵，銑削完成啟動電磁鐵，龍門在行程范圍內(nèi)將廢渣吸附在電磁鐵上，到達位置磁力釋放，廢渣掉落在下方的渣箱里。

3.6 綜合控制系統(tǒng)

結(jié)合裝備運行控制及信息管理等系統(tǒng)功能需求，開展電氣設(shè)計、控制邏輯編程和人機界面設(shè)計等工作，實現(xiàn)對裝備狀態(tài)、打磨進度、打磨效果實時監(jiān)控及異常狀態(tài)報警，生產(chǎn)數(shù)據(jù)制作與實際加工的即時交互等功能，實現(xiàn)裝備軟硬件的集中控制，促進生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)化[4]。

裝備實現(xiàn)全自動打磨作業(yè)，人工僅需要進料至上料工位及從下料工位將成品搬出，中間過程無人員作業(yè)。整個作業(yè)流程(包括工件識別、數(shù)據(jù)調(diào)取和生成、工件定位檢測、自動打磨作業(yè)、自動刀具更換、自動檢測報錯等過程)都需要專門的控制軟件進行管理。裝備綜合控制系統(tǒng)包括跟蹤系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和CNC控制系統(tǒng)，以分別實現(xiàn)工件高度和邊緣跟蹤、工件準(zhǔn)確定位、工件自動打磨[5]。

4 結(jié) 語

為突破船體工件自動打磨技術(shù)應(yīng)用提供解決方案，利用機器視覺、精準(zhǔn)定位和自適應(yīng)控制等技術(shù)，在船體工件打磨工序完成智能化生產(chǎn)，匹配后道機器人焊接工位的生產(chǎn)能力，整體提升船體小組工件主板的加工效率。若結(jié)合船廠其他工位特點，對自動打磨裝備進行推廣，將進一步擴大自動打磨覆蓋范圍，提高船舶建造打磨工序的生產(chǎn)效率和打磨質(zhì)量，為船體小組加工階段的全面智能化創(chuàng)造條件。