基于裝配序列分析的船體結(jié)構(gòu)焊接位置仿真算法

李思遠(yuǎn)，楊雪蓮，周琳琳，張宇彤

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

焊接是船體建造的關(guān)鍵工序，焊接工時(shí)定額計(jì)算主要考慮焊接物量和焊接位置2個(gè)因素。

對(duì)于焊接物量計(jì)算，主要基于空間位置判斷、焊接知識(shí)庫(kù)等常規(guī)技術(shù)手段，已實(shí)現(xiàn)焊接物量較高準(zhǔn)確率的自動(dòng)抽取與計(jì)算。但是目前對(duì)焊接位置的計(jì)算尚無(wú)可靠算法，難點(diǎn)在于如何判斷焊縫所處焊接階段的裝配建造姿態(tài)。

焊接位置的工時(shí)系數(shù)計(jì)算方面，有學(xué)者通過(guò)抽取TRIBON船體三維模型中焊接位置獲取焊接位置，這種方法的缺點(diǎn)在于TRIBON焊接位置計(jì)算不考慮裝配翻身、裝配階段等問(wèn)題。2015年以后，韓國(guó)CADWIN公司的Smart Weld軟件實(shí)現(xiàn)了基于裝配序列的焊接位置仿真計(jì)算，但計(jì)算正確率不足75%?？紤]到分段裝配設(shè)計(jì)過(guò)程已經(jīng)將大量的立焊和仰焊轉(zhuǎn)化為了平焊和橫焊。因此，即使不做計(jì)算，默認(rèn)對(duì)接為平焊、角接為橫焊也可以達(dá)到75%以上正確率。為此，考慮結(jié)合船廠實(shí)際建造情況，分析4個(gè)典型裝配模式下焊接階段、裝配基面朝向等焊接位置計(jì)算相關(guān)要素的計(jì)算特點(diǎn)和方法，設(shè)計(jì)焊接位置仿真計(jì)算法。算法具體分為：①?zèng)Q定焊縫的焊接階段和裝配基面朝向的“船體結(jié)構(gòu)焊縫裝配仿真”算法；②決定焊接軸線的空間位置和確定焊接體開(kāi)口朝向(面旋轉(zhuǎn)角)的“焊接位置”算法。

1 與焊接相關(guān)的結(jié)構(gòu)分段裝配特點(diǎn)

1.1 最小裝配

1)裝配焊接方向?yàn)槌b配重心一側(cè)的裝配基面法向量決定(裝配基面定義為某個(gè)組立中被最多零件連接的零件。其中，多個(gè)以對(duì)接方式連接的零件視為一個(gè)基面)。

2)對(duì)焊多是平焊，角焊少見(jiàn)平仰。

“對(duì)焊多為平焊”是因?yàn)樵谛⊙b配階段，基面板上對(duì)焊多是平地建造，所以只可能是平焊(偶爾有曲面情況，曲面不一定能完全判定為平焊)。對(duì)于非基面零件，如型材對(duì)接焊可先行對(duì)焊再與基面進(jìn)行裝配。“角焊少見(jiàn)平仰”是因?yàn)榭紤]到小裝配是為了便于裝配而切分成的最細(xì)顆粒度裝配，其重量往往較小易于翻身施工，且船舶結(jié)構(gòu)正交零件居多，所以很少會(huì)在小組里階段出現(xiàn)平焊、仰焊。再考慮到小裝配的高度限制，立焊往往非常短小，所以可以進(jìn)一步泛化或者弱化成“對(duì)焊多是平焊，角焊多是橫焊”。

“對(duì)焊多是平焊，角焊多是橫焊”的結(jié)論可以讓最小裝配的內(nèi)部焊縫避免“焊接位置算法”計(jì)算流程而直接得到焊接位置。由于內(nèi)部焊縫占總計(jì)算焊縫比例較高，可以極大提高計(jì)算效率。

1.2 相鄰層裝配

如圖1中裝配2和裝配3之間關(guān)系，①焊接階段和裝焊方向由較高級(jí)裝配方向決定；②連接子裝配的焊縫多是角焊。

圖1 裝配序列示意

為避免裝焊困難，低級(jí)裝配總是以高級(jí)裝配為基面進(jìn)行建造。

子裝配間的連接焊縫多是角焊，否則應(yīng)該合并為一層。由于對(duì)焊坡口形式繁多、工藝復(fù)雜，為避免裝配、焊接困難，設(shè)計(jì)者會(huì)將施工工藝較為復(fù)雜的場(chǎng)景前移到前道完成。前移要充分考慮前道的吊裝重量、翻身高度以及工作負(fù)荷因素。對(duì)于非基面零件出現(xiàn)對(duì)接情況，則對(duì)接的2個(gè)零件應(yīng)該被放置到更高級(jí)裝配。較高級(jí)裝配指兩個(gè)裝配中更接近裝配序列(裝配樹(shù))頂層的裝配。

1.3 同分支非相鄰層裝配

如圖1中裝配2和裝配4之間關(guān)系：焊接階段由分支中較高級(jí)裝配決定、裝焊方向是較高級(jí)裝配方向。

1.4 不同分支裝配

如圖1中裝配1和裝配2之間關(guān)系，即上述情況以外所有情況：以最低級(jí)共享父級(jí)組立(如圖1中裝配3)基面水平向上方向?yàn)檠b配方向，焊接階段類(lèi)似。若最低級(jí)共享父級(jí)裝配為分段級(jí)，即樹(shù)頂層，則裝焊方向?yàn)榉侄窝b配方向。

1.5 簡(jiǎn)化約定

1)約定混合位置焊接取難度較高的焊接位置(該定義便于曲面焊縫的處理)。

2)定義虛擬裝配為不含裝配基面的裝配，約定以其子集中基面面積最大的裝配方向?yàn)楸窘M裝配方向。

3)約定搭載散裝裝配或散裝零件裝配方向?yàn)榉侄螌?shí)際3D設(shè)計(jì)模型中基面方向、焊接階段為搭載階段。

2 仿真算法

所述指焊縫表達(dá)2個(gè)零件互相連接的物理連接面(physical connection,PC)，并非真實(shí)焊縫，這種方式可以簡(jiǎn)化大量計(jì)算。

2.1 算法輸入條件

船舶分段裝配目錄樹(shù)、分段建造姿態(tài)、散裝零件及裝配。程序界面見(jiàn)圖2。

圖2 程序輸入界面

2.2 構(gòu)建“裝配-PC映射”

將裝配目錄樹(shù)擴(kuò)展、細(xì)化至PC級(jí)別。

1)建立裝配-零件映射，形成圖3虛框內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2)建立零件-PC映射，并附加到裝配-零件映射中，形成圖3的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。后續(xù)計(jì)算，由于零件層是無(wú)用的，可以簡(jiǎn)化為裝配-PC映射，見(jiàn)圖4。

圖3 裝配-零件-PC映射示意

圖4 裝配-PC映射示意

2.3 分類(lèi)聚合PC

1)其中將裝配內(nèi)部PC聚合為C1。

2)將連接兩個(gè)相鄰裝配的PC聚合為C2。

3)將同分支非相鄰層裝配的PC和不同分支裝配的PC聚合為C3。

2.4 確定每個(gè)PC焊接階段和裝配方向

1)根據(jù)I1確定C1中PC在其所屬裝配階段焊接、焊接方向由其裝配基面朝向決定。如圖5中“PC-0”就在“裝配2”階段焊接。

2)根據(jù)I2確定C2中PC在其所連接兩裝配中等級(jí)較高的裝配階段焊接、焊接方向由較高級(jí)裝配基面朝向決定。如圖5中“裝配3”和“裝配2”中的“PC-1”。

3)根據(jù)I3、I4確定C3焊接階段為PC所連接2個(gè)零件分屬裝配的最低級(jí)共享父級(jí)裝配。例如圖5中，“PC-2”分別屬于“裝配1”和“裝配2”中，“裝配1”和“裝配2”在裝配樹(shù)中不是直接相連的關(guān)系，但他們共享父級(jí)裝配“裝配3”“裝配4”中。且“裝配3”低于“裝配4”的等級(jí)。那么“PC-2”在“裝配3”裝配階段中焊接。圖5中“PC-2”，裝配方向有裝配3決定。

圖5 焊縫裝配序列示意

2.5 裝配建造方向的補(bǔ)充

1)對(duì)于無(wú)基面板的虛擬裝配。根據(jù)約定D2，選擇其子集中基面面積最大的板材作為裝配基面。

2)分段建造方向即裝配樹(shù)的樹(shù)頂節(jié)點(diǎn)建造方向由輸入條件“分段建造姿態(tài)”決定。

3)散裝零件裝配方向由“分段建造姿態(tài)”決定。

在完成上述計(jì)算后，可知每一個(gè)PC應(yīng)該何時(shí)、以何種姿態(tài)進(jìn)行燒焊，即在已知裝配樹(shù)條件下，算法實(shí)現(xiàn)了從PC到分段的仿真裝配過(guò)程。

上述計(jì)算過(guò)程就是要將由實(shí)體零件組成的裝配序列轉(zhuǎn)化成由抽象的焊縫組成的裝配序列。就是將圖4裝配-PC映射關(guān)系代入到圖1中形成焊縫裝配序列，如圖5。然后，通過(guò)將PC合并到焊接階段所在裝配，最終確定每個(gè)PC在哪個(gè)裝配階段焊接，形成圖6。

圖6 焊接階段確定后的焊縫裝配序列示意

3 焊接位置算法

焊接位置計(jì)算主要流程如下：①將三維設(shè)計(jì)模型中的裝配模型旋轉(zhuǎn)至真實(shí)建造時(shí)裝配安裝方向；②模型空間中確定焊接軸線和焊接體開(kāi)口朝向；③根據(jù)規(guī)范要求確定焊接位置。以平面零件為例。

1)將裝配調(diào)整至真實(shí)建造方向。根據(jù)裝配建造方向，將焊縫平面法向量方向由三維模型的原生朝向，調(diào)整至裝配建造的朝向。

2)確定焊接軸線即焊接零件接觸面法向量的空間朝向。對(duì)接焊焊接軸線的確定：取焊縫平面與零件基面相交產(chǎn)生直線的方向向量，見(jiàn)圖7。

圖7 對(duì)接焊焊接軸線示意

角接焊焊接軸線的確定：取兩角接零件基面相交產(chǎn)生直線的方向向量，見(jiàn)圖8。

圖8 角接焊焊接軸線示意

3)確定焊接體開(kāi)口朝向?；谘睾附虞S線正切截面進(jìn)行焊接體開(kāi)口朝向計(jì)算。

(1)對(duì)接焊接體開(kāi)口朝向，設(shè)兩零件的坡口面與焊縫面夾角分別為、，則焊接體開(kāi)口朝向與焊縫平面夾角為(-)2，方向朝向坡口方向。見(jiàn)圖9。

圖9 對(duì)接焊焊接體朝向示意

(2)角接焊接體開(kāi)口朝向，設(shè)兩零件較小夾角角度為。則較小焊接體開(kāi)口朝向?yàn)榕c焊縫平面夾角為2，方向朝向角接零件。較大側(cè)為(π-)2，方向朝向角接零件。見(jiàn)圖10。

圖10 角接焊焊接體朝向示意

4)確定焊接位置。焊接位置綜合考慮焊接軸線和焊接體朝向，依然分為角接和對(duì)接，均按照中國(guó)船級(jí)社鋼制海船入級(jí)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

5)重要的是：①在用矩陣函數(shù)求解空間角度時(shí)需要注意數(shù)據(jù)計(jì)算精度問(wèn)題，尤其是余弦定理的計(jì)算精度處理；②如果CAD軟件并未給出轉(zhuǎn)化矩陣，在自行求解轉(zhuǎn)化矩陣前需要確認(rèn)矩陣乘法的計(jì)算順序。

4 算法驗(yàn)證

基于Smart3D軟件進(jìn)行算法的編程，并在郵輪實(shí)船典型分段進(jìn)行算法實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)范圍包括典型上建分段、典型雙層底分段、典型機(jī)艙分段(含曲面)。

焊接階段及位置測(cè)試樣表見(jiàn)表1。表中數(shù)據(jù)表明了某裝配所包含焊縫，焊縫所連接零件、焊縫長(zhǎng)度、焊接形式、焊接位置和焊接階段。

實(shí)船測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，典型分段見(jiàn)圖11。由表4可見(jiàn)，焊接階段判定完全正確，說(shuō)明算法有效。對(duì)于簡(jiǎn)單分段，焊接位置算法正確率也非常高。但是，對(duì)于復(fù)雜機(jī)艙分段出現(xiàn)了偏差。上述正確率沒(méi)考慮長(zhǎng)度加權(quán)因素，因?yàn)榧訖?quán)后正確率接近100%。

表3 焊接階段及位置測(cè)試樣表

表4 實(shí)船測(cè)試結(jié)果表

圖11 表4中的典型分段

分析認(rèn)為，偏差產(chǎn)生原因如下。

1)算法采用了簡(jiǎn)化策略。算法默認(rèn)最小裝配只含平焊和橫焊焊而忽略了部分造型復(fù)雜的基座裝配可能出現(xiàn)的立焊和仰焊情況。不過(guò)，由于基座往往結(jié)構(gòu)較小，實(shí)際施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)操作會(huì)利用工裝件或者調(diào)整焊接順序的方式避免較高難度姿態(tài)的焊接。

2)曲面PC導(dǎo)致的焊接軸線判斷偏差。由于曲面外板上PC的焊接軸線的方向是連續(xù)變化的，而Smart3D軟件僅提供了焊接軸線中點(diǎn)位置的向量，易造成焊接軸線誤判。

5 結(jié)論

所提出的算法能較為準(zhǔn)確地仿真出船舶分段各焊縫的焊接階段以及焊接位置。船體結(jié)構(gòu)焊縫裝配仿真算法通過(guò)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)分段裝配設(shè)計(jì)原則的分析以及構(gòu)建“裝配-PC”映射關(guān)系，準(zhǔn)確地計(jì)算了各焊縫的焊接階段和焊縫所屬裝配的裝配基面朝向；焊接位置算法通過(guò)將三維設(shè)計(jì)模型中裝配基面朝向旋轉(zhuǎn)到由算法“船體結(jié)構(gòu)焊縫裝配仿真算法”所計(jì)算出的真實(shí)制造狀態(tài)下的裝配基面朝向，獲得了焊接軸線和焊接體的方向向量，計(jì)算出了真實(shí)制造過(guò)程中每條焊縫的焊接位置。此外，為最小裝配設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化計(jì)算模式，由于小組里焊縫占所有焊縫一半以上，所以極大加速了算法運(yùn)行效率。

準(zhǔn)確的焊接階段以及焊接位置信息為焊接工時(shí)測(cè)算提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，解決了長(zhǎng)期困擾船廠船體基礎(chǔ)物量提取困難問(wèn)題。準(zhǔn)確的焊接位置還將有助于自動(dòng)化的制定焊接工藝流程(WPS)的自動(dòng)化制定。

后續(xù)可考慮對(duì)本算法進(jìn)行改編，向基于三維設(shè)計(jì)模型和本地化編程的小組立機(jī)器人提供準(zhǔn)確的焊縫路徑信息、焊槍位置信息，乃至于焊接順序信息。