船舶艉軸管鏜孔裝置數字化改造方案

楊振，胡小才，劉麗君

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

軸系作為船舶的重要組成部分，其施工具有連續(xù)性、不可逆性、精度要求高等特點。在船舶設計和建造過程中，船舶的軸系安裝一直是新建造船舶過程中一項關鍵建造節(jié)點。該節(jié)點工程量大、耗時時間長、各方配合要求復雜。由于其直接決定了船塢周期，因此也是各個船廠新建造船舶過程中的重中之重。隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，船舶的噸位越來越大，對其可靠性的要求也在逐步提高。國內外各大船廠基本上都遇到過軸系設計或安裝問題，影響著船舶的按期交付或航行安全。造成軸系產生故障的原因主要包括設計制造原因、安裝因素、運行因素及其他因素，其中安裝因素占比40%，影響很大。由此帶來的是，船級社及船東對鏜孔及軸系對中檢驗也制定了更高的檢驗要求及規(guī)范，現場軸系鏜孔報驗日趨嚴格。

1 船舶艉軸鏜孔現狀

目前國內市場上所使用的仍然是普通的鏜孔裝置，不具備自動化的功能，對工人的操作水平及經驗要求較高，加工效率低。接近精加工時需反復測量，操作較為繁瑣，耗時耗力。目前國內大部分船舶制造企業(yè)船舶艉軸管的鏜孔基本都是人工完成的，現場惡劣的環(huán)境對艉軸管的加工精度造成了很大的問題。艉軸管的鏜削加工屬于深孔加工，而深孔加工有以下工藝特點。

1.1 工藝特點

1)鏜排軸長度大，造成剛性差，切削時易產生振動、波紋、錐度，從而影響深孔的直線度和表面粗糙度。

2)在加工過程中，不能直接觀察刀具切削情況，只能憑工作經驗來判斷切削過程是否正常。

3)切屑排除困難，必須采用可靠的手段進行斷屑及控制切屑的長短與形狀，以利于順利排除，防止切屑堵塞。

1.2 主要問題

1)環(huán)境。由于船舶艉軸管的鏜孔基本是人工完成的，現場惡劣的環(huán)境對艉軸管的加工精度造成了很大的影響。惡劣的工作環(huán)境和眾多的勞動力造成了加工測量困難、人工費用高等問題，并且測量數據的準確性也無法保證。

2)溫差。船舶艉軸管鏜孔往往在露天作業(yè)，船舶制造環(huán)境較為惡劣，在夏季炎熱狀態(tài)下船體內外溫差可超過30 ℃，容易造成鏜桿等加工工具以及船體結構熱變形。

3)加工精度及效率?，F場作業(yè)過程中，由于鏜孔裝置軸長度大，造成剛性差，切削時易產生振動、波紋、錐度，而影響深孔的直線度和表面粗糙度；其次，鏜桿兩端的軸承精度有限，旋轉起來跳動誤差較大；另外，為了減少鏜桿自身重量帶來的撓度對于加工精度的影響，雖然在鏜桿中部增加了中間支撐，但由于中間支撐不能根據鏜孔裝置狀態(tài)實時調節(jié)，對精度的控制有一定局限性。上述問題均對艉軸管的加工精度和效率產生了制約，嚴重影響艉軸鏜孔進度。

4)鏜刀進給。伴隨著艉軸鏜孔工作的進行，需要不斷進行鏜刀進給工作，人工進給階時，進給量不均勻。

5)加工過程可視化。由于在船舶艉軸管鏜孔過程中，加工環(huán)境過于封閉，操作工人很難把握艉軸管內部的加工情況，容易造成加工失誤。

2 數字化改造路徑

針對大型船舶艉軸管鏜孔過程中存在的工作環(huán)境差、加工精度低、加工效率低、加工過程不可視等一系列問題，擬通過對現有鏜孔裝置增加自動進退刀系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)，具體方案如下。

1)鏜孔裝置進退給部分。將鏜孔裝置的手搖退刀系統(tǒng)改為電機單獨控制絲杠，實現30 s自動化進退刀。該方案用伺服電機代替了手工進退刀，不僅可節(jié)約勞動力，還可保證鏜孔的進退刀精度，提升加工效率。見圖1。

圖1 自動進退刀系統(tǒng)示意

2)兩端軸承端部支撐定位部分。為解決兩端軸承回轉精度低，導致鏜桿回轉偏差過大，影響加工精度的問題。將鏜桿兩端原本的低精度軸承替換為高回轉精度軸承組(P2級)，見圖2，將徑跳控制在0.06 mm以內，輔以調整定位機構，在鏜孔準備階段反復調整，用以提高鏜桿軸的回轉精度。

圖2 鏜桿兩端軸承端部支撐定位示意

3)中間支撐及加工微調部分。

(1)中間支撐裝置自動在線微調裝置。對原有的中間支撐裝置進行改進，安裝多個伺服電機和位移傳感器，通過實時測量，利用控制系統(tǒng)控制伺服電機，通過孔壁徑向4個方向支撐件的微動調整，對鏜桿軸中間撓度進行在線實時智能化微調(上下左右4個方向)，見圖3，確保中間支撐點與兩端設定的定位軸(測量基準軸線)始終控制在誤差允許的范圍之內，其中伺服電機的進給精度不低于3 μm。

圖3 鏜孔裝置中間支撐示意

工作過程中為解決繞線問題，需將電機的線埋入鏜桿軸中，擬采用滑環(huán)裝置，見圖4。

圖4 滑環(huán)示意

(2)鏜刀刀尖位置在線微調。以實際鏜孔在線測量結果為基礎，在鏜刀位置加裝高精度抗干擾伺服電機，見圖5，實現鏜刀的上下高精度和高剛度移動，根據傳感器系統(tǒng)的實時測量數據及分析結果對鏜刀刀尖位置實時智能化微調，其中刀尖微調的最小進刀量不低于2 μm，進刀范圍根據孔徑而定。

圖5 鏜刀在線微調系統(tǒng)示意

4)測量與數據采集部分。

(1)鏜削工作狀態(tài)實時在線測量。為最大程度的保證加工精度，在鏜桿兩端的軸承兩側以及中間支撐兩側放置多個高精度抗干擾位移傳感器，見圖6、7實時采集數據；其中傳感器精度分辨率為1 μm，精度為3 μm，量程為5～30 mm，特殊情況可采用大量程傳感器。采樣后將多傳感器數據融合處理，并根據計算結果和分析數據得出鏜桿軸的變形參數和振動模態(tài)，提前預測鏜桿孔加工過程中可能出現的加工誤差，做出誤差預測，給出艉軸孔加工的優(yōu)化方案，并進行智能補償。

圖6 鏜孔裝置軸端傳感器示意

圖7 鏜孔裝置中間支撐傳感器示意

(2)超差預警功能。鏜孔加工過程中，特別是精加工階段，一旦加工超差，將對最終的加工精度產生嚴重的影響，通過多傳感器對加工過程的測量與監(jiān)控，以及數據融合處理，可實現超差預警的功能，在鏜刀切削超過設定的誤差警戒線時，提前報警，可避免出現加工超差的情況。

(3)整體溫度檢測及智能補償。艉軸孔加工過程中溫度的影響較為復雜，目前沒有較為成熟的技術應用。本方案擬在艉軸管內外及兩側等處添加多個溫度傳感器，通過數據的分析與計算，形成艉軸孔加工的溫度場，作為加工補償的依據。

5)可視化測量及在線質量控制預警。在綜合控制系統(tǒng)中預置加工質量控制方案，實際加工過程中傳感器系統(tǒng)的各種測量值送入控制系統(tǒng)，得出圓度誤差、圓柱度誤差以及同軸度誤差等數據，在與基準測量軸線對比后，通過中間支撐架實現鏜桿軸中間撓度的在線實時智能化微調、同時進一步配合調整鏜刀刀尖位置，實現加工孔的優(yōu)化控制，大幅度提高加工孔的尺寸精度和形位精度。

同時采用三維立體可視化的方式，通過軟件在屏幕上顯示出加工孔的三維可視化模型，并可進行局部形狀放大顯示，展示艉軸管內部情況，解決操作工人看不到艉軸管內部工作情況的問題，減少工作失誤。

3 改造實施效果

1)鏜刀進給實現由人工進刀改進為伺服電機自動化進刀，進刀效率與精度大幅提升。

2)鏜孔精度測量由人員爬入鏜孔內部測量變?yōu)橥ㄟ^接觸式傳感器在線高精度測量，在線測量精度提升。

3)現場人員作業(yè)環(huán)境與工效大幅改善，人工無需手動進給鏜刀，無需爬入艉軸管內部測量鏜削精度及進行中間支撐調整；鏜孔作業(yè)過程中無需鏜孔裝置的二次拆卸，可以實現鏜孔裝置一次安裝即可完成全部作業(yè)。

4)由于原艉軸管鏜孔作業(yè)過程中的鏜刀進給、測量等工作實現自動化作業(yè)，無需二次拆卸安裝鏜排，船舶艉軸管鏜孔效率大幅提升，其加工周期縮短20%以上。

5)船舶艉軸管加工精度達到0.02 mm，艉軸管前后孔同軸度誤差≤0.08 mm，艉軸管鏜削后端面與軸中心線的垂直度誤差≤0.10 mm/m，加工精度大幅提升。