秦嘉岷, 梁 偉, 袁 琛

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

我國造船企業(yè)經(jīng)過多年持續(xù)改進(jìn)，各骨干企業(yè)的精度控制技術(shù)及數(shù)字化智能建造技術(shù)不斷提高，但在船體分段或總段合龍時(shí)由于積累誤差及建造精度的問題，大量合攏管無法按設(shè)計(jì)圖紙正確安裝，只能采用在現(xiàn)場(chǎng)制作模板或現(xiàn)場(chǎng)修割的傳統(tǒng)制作方法。這種制作方法工藝落后、效率低下、浪費(fèi)材料并存在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)具有不安全因素等問題。一般如按萬噸級(jí)以上船舶統(tǒng)計(jì)，在合攏管制作上通常消耗角鋼500余根(每根長6 m)、焊條2 000余根、砂輪片300余張。打樣件在船廠堆積如山，占用大量的場(chǎng)地資源，同時(shí)消耗大量的工時(shí)和動(dòng)力能源，為船舶建造增加很大的物力和人力成本[1]。隨著測(cè)量技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，船廠、學(xué)校、研究所等已經(jīng)開發(fā)多型合攏管測(cè)量裝置， 基本實(shí)現(xiàn)合攏管現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量及出圖的需要。由于管子在車間彎制、焊接加工、法蘭校準(zhǔn)時(shí)存在人工操作誤差，難以保證人工所加工的合攏管一次安裝成功，因此需要在車間內(nèi)場(chǎng)預(yù)先再現(xiàn)校準(zhǔn)，后再上船安裝。傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)修割校準(zhǔn)方法、再現(xiàn)機(jī)校準(zhǔn)方法都具有一定局限性。通過深入研究，設(shè)計(jì)提出一種新型法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)——機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能達(dá)到適用任何合攏管管形、節(jié)約材料、減少工時(shí)、提高精度、降低能耗等目的。

1 典型合攏管法蘭校準(zhǔn)方法概述

1.1 傳統(tǒng)合攏管法蘭校準(zhǔn)方法

國內(nèi)現(xiàn)有的大部分船廠，包括國內(nèi)的一些主流船廠在船舶合攏管制造中還是沿用了傳統(tǒng)的制作工藝，應(yīng)用輔料上船現(xiàn)場(chǎng)制作模板，再下船依照模板測(cè)量、繪制管子制造圖，按模板進(jìn)行法蘭校準(zhǔn)，完工后再上船安裝(見圖1)；或采用現(xiàn)場(chǎng)修割制作，即管子加工車間按預(yù)先設(shè)計(jì)部門提供的制作管子圖加工，隨后再上船對(duì)管子現(xiàn)場(chǎng)修割、點(diǎn)焊，下船焊接完工后再上船安裝。以上2種方法均須二上一下3次吊運(yùn)，且第1種方法浪費(fèi)了大量制作模板的材料，第2種方法對(duì)已經(jīng)制作的管子須要重新現(xiàn)場(chǎng)修割返工，浪費(fèi)大量的人力資源，并存在著現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)具有不安全因素的問題，特別在對(duì)大口徑的合攏管在現(xiàn)場(chǎng)修割加工時(shí)，還需占用大量的堆放場(chǎng)地。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)制作的合攏管模板圖

1.2 合攏管再現(xiàn)機(jī)校準(zhǔn)方法

除采用傳統(tǒng)制作方法外，韓國KBUMHWA CORP公司以2臺(tái)數(shù)字控制變位機(jī)為主機(jī)，研制合攏管的再現(xiàn)機(jī)，并有部分船廠正在嘗試應(yīng)用通過專用測(cè)量儀器進(jìn)行合攏管現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后，在車間內(nèi)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)量得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再通過上述的再現(xiàn)機(jī)制作完成上船安裝。這個(gè)方法改進(jìn)了合攏管傳統(tǒng)的校準(zhǔn)工藝，使合攏管制作后能一次安裝成功。但這套裝置較適合大管徑的合攏管校準(zhǔn)(見圖2)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一定的局限性。

圖2 韓國KBUMHWA CORP研制的合攏管再現(xiàn)機(jī)

為改變落后的傳統(tǒng)工藝，提高合攏管再現(xiàn)機(jī)校準(zhǔn)等方法，實(shí)現(xiàn)短時(shí)、精準(zhǔn)、更加靈活的作業(yè)，本文設(shè)計(jì)提出一種新型法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，力爭(zhēng)做到省時(shí)、省力、省料，適用任何合攏管管形、符合綠色造船要求，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2 機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體思路

一般情況合攏管校準(zhǔn)裝置須由2個(gè)法蘭(A法蘭和B法蘭)模擬實(shí)船空間位置。本文將A法蘭固定在固定架上，其中的一個(gè)螺孔按設(shè)定的位置固定，B法蘭固定在機(jī)械手上并隨機(jī)械手臂移動(dòng)，系統(tǒng)讀取、計(jì)算實(shí)船合攏管空間A，B法蘭相對(duì)位置，然后機(jī)械手將B法蘭移動(dòng)至指定的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)合攏管校準(zhǔn)。總體設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

圖3 總體設(shè)計(jì)思路

2.2 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)設(shè)置有多個(gè)坐標(biāo)系，主要為：全局參考坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)中需要解決坐標(biāo)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。設(shè)定固定的機(jī)器人第1軸坐標(biāo)系為全局參考坐標(biāo)系，用x,y,z軸表示全局參考坐標(biāo)系Sx,y,z；設(shè)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人第6軸坐標(biāo)系(或B法蘭中心坐標(biāo)系)為相對(duì)于參考坐標(biāo)系的一個(gè)工具坐標(biāo)系，用n,o,a軸表示工具坐標(biāo)系En,o,a[2]。設(shè)定固定的A法蘭中心坐標(biāo)系為相對(duì)于參考坐標(biāo)系的一個(gè)用戶固定坐標(biāo)系，用l,h,c軸表示用戶坐標(biāo)系Ul,h,c。上述3個(gè)坐標(biāo)系關(guān)系如圖4所示。

圖4 參考坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系示例

全局參考坐標(biāo)系Sx,y,z位置固定，系統(tǒng)中A法蘭端固定架位置也固定，所以用戶坐標(biāo)系U對(duì)參考坐標(biāo)系S的轉(zhuǎn)換矩陣UTS為已知；根據(jù)測(cè)量裝置導(dǎo)入的合攏管兩端法蘭中心位置數(shù)據(jù)，同樣可知工具坐標(biāo)系E對(duì)用戶坐標(biāo)系U的轉(zhuǎn)換矩陣ETU。這樣可求出工具坐標(biāo)系E對(duì)參考坐標(biāo)系S的轉(zhuǎn)換矩陣為ETS為

ETS=ETU×UTS

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

即

(5)

根據(jù)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可求得機(jī)器人6軸參數(shù)，以此控制機(jī)器人將B端法蘭放置在正確的位置[3]。

2.3 系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)由機(jī)器臂、機(jī)器臂端口的B法蘭夾具、A法蘭固定夾具、機(jī)器人控制柜、機(jī)器人操控臺(tái)、安全欄及報(bào)警系統(tǒng)等軟、硬件組成(見圖5)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大校準(zhǔn)管徑為DN 400 mm，能夠滿足目前船廠在船舶建造中常規(guī)應(yīng)用的管徑使用要求。

圖5 機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用6軸機(jī)器人。船舶建造中的合攏管，按管子工藝要求，合攏管一般是不超過2個(gè)彎的管型，合理地布置6軸機(jī)器人完全能滿足合攏管的空間坐標(biāo)位置。

(2) 機(jī)器人運(yùn)載負(fù)荷為50 kg，滿足DN 400的合攏管校準(zhǔn)，根據(jù)不同的需求，同樣可以采用更大的運(yùn)載負(fù)荷。

(3) 機(jī)器人系統(tǒng)手臂運(yùn)行范圍滿足(相對(duì)A坐標(biāo))：沿x軸方向運(yùn)行為1 200 mm，沿y軸方向運(yùn)行為1 200 mm，沿z軸方向運(yùn)行為2 000 mm的活動(dòng)范圍。按工藝要求的規(guī)定，在一般情況下合攏管的管段長度在2 000 mm以內(nèi)，原則上A法蘭與B法蘭的法蘭中心點(diǎn)距離不超過2 000 mm，所以機(jī)器人手臂的運(yùn)行范圍能滿足管子的校準(zhǔn)要求。

(4) 機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行精度：長度誤差≤1 mm/m；螺孔旋轉(zhuǎn)角度誤差≤0.2°，精度滿足行業(yè)工藝要求。

(5) 數(shù)據(jù)庫格式為SQ LiteStudio，系統(tǒng)包含了管子附件標(biāo)準(zhǔn)庫、管子坐標(biāo)圖形等數(shù)據(jù)庫。

(6) 系統(tǒng)運(yùn)行符合機(jī)器人的安全條例及合攏管裝配的安全操作規(guī)程。

2.4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件應(yīng)用C#語言開發(fā)編程，指令數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQ LiteStudio格式的數(shù)據(jù)庫中，由機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)讀取識(shí)別，并按指令數(shù)據(jù)要求運(yùn)動(dòng)到位(見圖6)。同時(shí)，在系統(tǒng)中建立管子標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括所有常用管徑類型、標(biāo)準(zhǔn)法蘭等信息，可實(shí)現(xiàn)多組測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、工作清單等功能。

3 樣機(jī)及試用效果

3.1 樣機(jī)制造

機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機(jī)主要部件機(jī)器人選用國產(chǎn)SR50B機(jī)器人，系統(tǒng)場(chǎng)地占地面積為4 000 mm×5 000 mm (見圖6)。該樣機(jī)現(xiàn)由上海船舶工藝研究所開發(fā)集成，在廣州某船廠的管子車間進(jìn)行組裝、調(diào)試以及實(shí)船應(yīng)用。

圖6 機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機(jī)

3.2 樣機(jī)車間調(diào)試

機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機(jī)安裝完畢，分3步進(jìn)行調(diào)試。第一步先開展系統(tǒng)各裝置位置坐標(biāo)的定位調(diào)試工作，通過調(diào)整工具坐標(biāo)系E與用戶坐標(biāo)系U的參數(shù)，修正參考坐標(biāo)系S與用戶坐標(biāo)系U的坐標(biāo)值。第二步通過內(nèi)場(chǎng)預(yù)先制造管子法蘭固定支架模型，開展多種型號(hào)、不同形狀的管子測(cè)量試驗(yàn)。第三步根據(jù)合攏管測(cè)量裝置獲取的管架模型空間數(shù)據(jù)信息計(jì)算繪制成管子加工圖，按加工圖制作合攏管管子，再與機(jī)械手按照指令自動(dòng)移動(dòng)到指定空間位置的法蘭進(jìn)行裝配驗(yàn)證(見圖7)。即根據(jù)合攏管測(cè)量裝置獲取支架模型的空間數(shù)據(jù)信息，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，機(jī)械手按照指令自動(dòng)移動(dòng)到指定空間位置，模擬管子法蘭固定支架模型(見圖8)的相對(duì)空間位置，根據(jù)此空間位置制成合攏管管型，并將該合攏管管型在原測(cè)量固定支架模型上進(jìn)行試裝、對(duì)比。經(jīng)過多種類型、各種典型空間位置的調(diào)試，樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，圓滿完成樣機(jī)調(diào)試工作。

圖7 車間內(nèi)場(chǎng)合攏管試裝、校準(zhǔn)

圖8 管子法蘭固定支架模型

3.3 實(shí)船應(yīng)用

以廣州某船廠在建的船舶為載體，分別對(duì)不同實(shí)船的分段階段、船臺(tái)階段和船塢階段的合攏管進(jìn)行測(cè)量，選取測(cè)量管徑包括DN 200，DN 150，DN 100，DN 89，DN 50，DN 32等多種類型合攏管，選取的法蘭包括JIS，GB 2506，CB/T 46等多種標(biāo)準(zhǔn)。將多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)輸入機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，存儲(chǔ)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(見圖9)，并生成工作清單。隨后，機(jī)械手根據(jù)清單，分別完成相應(yīng)動(dòng)作指令，開展相關(guān)合攏管試裝和校準(zhǔn)工作。

圖9 實(shí)船測(cè)量合攏管數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

經(jīng)過機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)后，多種管形的合攏管進(jìn)行實(shí)船安裝，安裝效果如圖10所示，合攏管均達(dá)到一次安裝成功。經(jīng)船廠檢驗(yàn)，合攏管與二端連接管法蘭連接符合《船用管子布置和安裝通用技術(shù)條件》(CB/Z 345-2008)[4]，滿足船舶建造的行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 不同位置合攏管安裝效果

4 結(jié) 論

針對(duì)船舶合攏管的傳統(tǒng)制作現(xiàn)狀，提出并設(shè)計(jì)機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，并闡述設(shè)計(jì)思路、基本原理、系統(tǒng)組成、軟件實(shí)現(xiàn)、樣機(jī)制作等，通過實(shí)船應(yīng)用取得了較好效果，得出如下結(jié)論：

(1) 設(shè)計(jì)的機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種類型、多種空間位置的合攏管校準(zhǔn)工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)船一次安裝成功，達(dá)到節(jié)約材料、減少工時(shí)、提高精度、降低能耗、綠色造船等目的。

(2) 建立合攏管標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括所有常用管徑類型、標(biāo)準(zhǔn)法蘭等信息，可以實(shí)現(xiàn)多組測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、工作清單等功能，能夠滿足多批不同合攏管的制作需求，制作合攏管后的安裝效果符合船舶建造的行業(yè)(CB/Z 345-2008)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 機(jī)器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)成功，徹底改變落后的傳統(tǒng)工藝方法，實(shí)現(xiàn)短時(shí)、精準(zhǔn)、更加靈活的作業(yè)，也標(biāo)志著我國船舶工業(yè)合攏管技術(shù)向數(shù)字化、智能化發(fā)展邁進(jìn)。

[1] 朱航, 王志勇, 秦嘉岷，等. 一種測(cè)量裝置制造方法：201320628801.3[P]. 2013-10-12.

[2] (美)JOHN J.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 吳挺,吳國魁,吳海彬.6R工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的改進(jìn)[J].機(jī)電工程, 2013，30(7): 882-887.

[4] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).船舶管系布置和安裝工藝要求：CB/Z 345-2008[S].北京：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院， 2008.