面向智能生產(chǎn)線的船舶曲面分段通用胎架設(shè)計

肖 雄，江 帆，吳偉國，連俊茂

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332005）

0 引言

胎架是船舶建造過程中一種必不可少的工藝裝備，在分段，尤其是曲面分段的裝配和焊接過程中，胎架的工作面與分段外形相貼合，支撐分段無骨架的部分，為分段建造提供良好的工作環(huán)境，對于控制焊接變形、改善施工條件、提高建造精度，以及加快建造進(jìn)度等各方面都有重要意義。

《推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動計劃（2019—2021）》明確提出“加快中間產(chǎn)品智能生產(chǎn)線建設(shè)”。船體分段作為現(xiàn)代化總裝建造模式的典型中間產(chǎn)品，實現(xiàn)其流水線生產(chǎn)是造船企業(yè)建設(shè)智能車間的關(guān)鍵任務(wù)。當(dāng)前，國內(nèi)外先進(jìn)造船企業(yè)利用輥道運輸和焊接機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了平面分段的流水線自動化生產(chǎn)。然而，受制于胎架制作、曲面焊接和曲面裝配等技術(shù)，曲面分段一直采用大量的人工操作，分段建造效率低、精度差、成本高且材料耗費嚴(yán)重，與實現(xiàn)流水線生產(chǎn)的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。

在對船廠現(xiàn)用支柱式通用胎架技術(shù)進(jìn)行缺陷分析的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)未來智能化生產(chǎn)線對胎架技術(shù)提出的要求，提出一種新型船舶曲面分段建造胎架，并對該胎架的設(shè)計方案和試制樣品進(jìn)行詳細(xì)介紹，研究成果可為現(xiàn)用胎架技術(shù)的改進(jìn)以及智能生產(chǎn)線自動化胎架技術(shù)的研發(fā)提供參考。

1 船廠曲面分段胎架應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 常用胎架形式

目前船廠較為常用的曲面建造胎架分為專用胎架（見圖1）和支柱式胎架（見圖2）2種。

圖1 專用胎架

圖2 支柱式胎架

專用胎架，即為制造某一特定船體分段而專門設(shè)計的胎架。這種專用胎架只適用于單一的分段，如果分段不一樣，則需要重新搭建，或?qū)ΜF(xiàn)有胎架進(jìn)行修整，以達(dá)到相應(yīng)的曲面要求。一般用在曲面復(fù)雜的艏部和艉部分段產(chǎn)品中。

支柱式胎架由多根高度可調(diào)節(jié)的支柱組成。胎架線型不需要用樣板劃線，直接以坐標(biāo)型值定出。支柱由內(nèi)、外2根不同口徑的管子套接而成。按不同間距在內(nèi)管和外管上鉆取數(shù)排銷孔，以便在調(diào)節(jié)支柱的高度后可將銷軸插入相應(yīng)的銷孔中對胎架進(jìn)行固定。

1.2 船廠現(xiàn)用胎架存在的主要缺陷

專用胎架：為制造某一特定船體分段而專門設(shè)計，往往只能在一個項目里使用，對工時、人力和材料的浪費嚴(yán)重，只在建造一些曲面復(fù)雜的分段時少量制作。

支柱式胎架：1）支柱頭通常為圓頭，不利于分段固定，特別是對于曲度較大分段，容易引起分段滑移；2）支柱式點接觸容易在接觸點附近產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)變形；3）支柱高度通過插銷調(diào)節(jié)，可調(diào)進(jìn)程較小，而且高度調(diào)節(jié)仍需配合手工測量，調(diào)節(jié)效率低且精度差；4）建造時需固定支撐分段，分段完工后不能移動，需借助吊裝設(shè)備進(jìn)行高空作業(yè)。

總的來說，船廠現(xiàn)用胎架存在較大的技術(shù)缺陷，是船舶曲面分段模塊精益化建造和自動化建造急需突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

2 新型胎架設(shè)計思路

胎架是船體曲面分段建造過程不可或缺的工藝裝備，船舶曲面分段個體差異大、制造批量小。胎架的通用性、制作效率和曲面造型精度等與船舶整體建造質(zhì)量和效率息息相關(guān)。為開發(fā)出適用于任意曲面、有利于曲面分段精度控制，且具備自動化升級潛力的通用胎架，需從5個方面對新型胎架進(jìn)行設(shè)計和研發(fā)。

2.1 自適應(yīng)方形平面支撐

為實現(xiàn)繞支柱 360°立體旋轉(zhuǎn)和自動適應(yīng)分段外板曲面變化形式的目標(biāo)，設(shè)計了方形小平面支撐頭（見圖3）。該支撐頭可始終緊貼外板曲面，有效增大接觸面積、平攤接觸應(yīng)力，不僅能減小接觸點的壓強(qiáng)，還能增大接觸面摩擦力，從而改善傳統(tǒng)圓頭支撐（見圖4）引起的外板變形和外板滑移問題。

圖3 方形小平面支撐頭

圖4 傳統(tǒng)圓頭支撐

2.2 磁吸式胎面

利用電磁技術(shù)改造方形支撐頭，形成自適應(yīng)方形電磁鐵支撐面（見圖5），使胎架面具有磁吸力，并能通過電流開關(guān)切斷和控制磁吸力。在船舶曲面分段外板拼接、構(gòu)件裝焊和分段裝配過程中，通過電流開關(guān)調(diào)節(jié)，在需要的時候吸緊曲面分段外板，一方面可防止分段裝配過程中發(fā)生滑移，另一方面可有效提高分段建造的精度。

圖5 自適應(yīng)電磁式支撐柱

2.3 高精度數(shù)顯升降

改變傳統(tǒng)支柱插銷式或套筒式的直線調(diào)節(jié)方式，采用渦輪蝸桿螺旋傳動技術(shù)。利用螺旋傳動精度高、可靠性高、具備自鎖功能，以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，將支柱改裝成手搖式或電機(jī)式高精度升降絲桿支柱，并加裝機(jī)械式轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器（見圖6）。顯示屏可實時數(shù)顯絲桿升降高度，可有效提高胎架支柱調(diào)節(jié)的效率和精度。

圖6 高精度數(shù)顯式升降絲桿

2.4 三向可調(diào)支柱

改變傳統(tǒng)固定式支柱支撐方式，將每根支柱設(shè)計成沿著外板長邊和短邊2個方向自由可調(diào)節(jié)的新形式，考慮支柱高度方向的升降調(diào)節(jié)，形成三向可調(diào)支柱（見圖7）。三向可調(diào)支柱大大提升了胎架曲面的精度，此外，還能避開一些曲面分段結(jié)構(gòu)的特殊點，擴(kuò)大了胎架的適用范圍。

圖7 三向可調(diào)支柱

2.5 軌道式運輸

在胎架平臺下安裝軌道滑輪，當(dāng)分段完工需要移動時，整個平臺借助軌道滑輪可以自行移動，代替了利用大型拖車或吊車的傳統(tǒng)吊運模式，可節(jié)省大型拖車或吊車的投入，減少高空作業(yè)的比重，有利于船舶分段的流水線智能制造。

3 新型胎架的適用性分析

3.1 自適應(yīng)電磁式支撐有利于控制分段滑移與焊接變形

新型胎架采用一種自適應(yīng)電磁式平面吸盤。一方面，平面吸盤與外板接觸為面接觸，平攤支撐應(yīng)力可有效減小接觸點的變形；另一方面，在分段建造過程中，可根據(jù)需要接通電流開關(guān)，利用電磁吸力吸緊外板曲面，防止分段產(chǎn)生滑移，減小后續(xù)焊接和裝配等工序?qū)Ψ侄卧斐傻慕Y(jié)構(gòu)變形。

3.2 數(shù)顯螺旋式支柱可提高胎架造型的精度與效率

利用渦輪蝸桿傳動技術(shù)和數(shù)顯裝置改造胎架支柱，實現(xiàn)支柱高精度調(diào)節(jié)以及實時數(shù)顯，不需配合手工測量，可有效縮短胎架曲面造型的調(diào)節(jié)時間，提高胎架支柱的調(diào)節(jié)精度。

3.3 支柱三向調(diào)節(jié)可實現(xiàn)胎架曲面造型的自動化

創(chuàng)新設(shè)計三向可調(diào)支柱，不僅在高度方向上實現(xiàn)絲桿高精度升降調(diào)節(jié)，還使立柱可在外板寬度和長度2個方向上沿刻度滑軌移動，進(jìn)一步優(yōu)化了胎架曲面調(diào)節(jié)過程，擴(kuò)大了胎架的適用范圍，有利于實現(xiàn)胎架曲面造型的自動化。

3.4 移動式設(shè)計可實現(xiàn)分段建造與運輸一體化

在胎架底部安裝導(dǎo)軌或萬向轉(zhuǎn)向輪，可便于分段的移動，為曲面鋼結(jié)構(gòu)的運輸和流水線加工提供便利，避免了大量曲面鋼結(jié)構(gòu)的吊裝工作，減小了空中作業(yè)的比重。

4 結(jié)論

綜合來看，新型胎架的設(shè)計改變了現(xiàn)用胎架點接觸支撐的模式，采用數(shù)顯式和三向可調(diào)的支柱調(diào)節(jié)模式，并賦予整體胎架可移動功能。新型胎架在一定程度上能夠解決現(xiàn)用胎架支撐點變形滑移和制作效率低等技術(shù)缺陷。電磁吸面、電動升降和軌道運輸?shù)忍ゼ茉煨团c移動模式可為自動化胎架技術(shù)提供參考，新型胎架具備與未來曲面分段智能生產(chǎn)線相適應(yīng)的潛力。