戴米格

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

0 引 言

中國是全球知名的大型造船中心之一，船舶制造業(yè)占全球市場比重呈逐年上升趨勢。2010年，中國更是突破歷史紀(jì)錄，一躍成為全球造船噸位第一的大國。但是，造船大國并非造船強國，船舶制造中低端產(chǎn)能過剩，高端船舶及高端海工裝備制造仍處在起步階段，與發(fā)達國家的造船水平還有一定距離。2015年，國務(wù)院將船舶海工裝備列入《中國制造2025》優(yōu)先大力發(fā)展的重點領(lǐng)域。在新形勢下，船舶行業(yè)由分段制造、區(qū)域制造并存向區(qū)域制造、集成制造模式發(fā)展，“數(shù)字化智能化推動造船現(xiàn)代化”成為我國造船工業(yè)追趕國際先進水平的良機。因此，加強核心技術(shù)研發(fā)，不斷提高造船效率和船舶建造精度，實現(xiàn)機電一體化和人工智能化，進一步提升總裝化造船、數(shù)字化造船和精細化管理水平勢在必行。

在造船工裝方面，船臺腳手架、分段運載設(shè)備等都在向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，但胎架尚未實現(xiàn)與現(xiàn)有造船集成制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動化對接和自動調(diào)節(jié)，手動調(diào)節(jié)仍依賴于工人以往的裝配經(jīng)驗，缺乏高效的吊運、限位、夾緊、定位校驗和補償配套工裝，遠不能滿足現(xiàn)代數(shù)字化、智能化造船的生產(chǎn)要求。針對國內(nèi)造船用胎架現(xiàn)狀，面向船舶制造的柔性胎架系統(tǒng)對胎架的調(diào)節(jié)進行了改進，符合現(xiàn)代化、高效率、低能耗造船的生產(chǎn)要求。

1 面向船舶制造的柔性胎架系統(tǒng)

傳統(tǒng)船舶胎架自動化程度低，船板成型精度低，常使用人工機械調(diào)節(jié)，船舶曲面板零件的吊運以及胎架的限位、夾緊與定位依賴于操作者的主觀意識和以往經(jīng)驗。不同批次同類型船舶曲面加工和裝配質(zhì)量參差不齊，存在生產(chǎn)周期長、制造成本高、調(diào)試費用高、材料浪費多、調(diào)節(jié)精度低、循環(huán)利用率低(一組船舶生產(chǎn)胎架通常只針對一種船型的建造)等弊端，限制了船舶行業(yè)在產(chǎn)品多樣化、個性化和更新升級等方面的發(fā)展。

面向船舶建造的柔性胎架系統(tǒng)針對船舶曲面外板個體差異大、小批量制造、通用性低等問題，在傳統(tǒng)胎架的基礎(chǔ)上進行改良：用電機作為驅(qū)動方式，胎架頂部安裝壓力傳感器，以任意船型曲面外板為研究對象，輸入船舶型值表，由數(shù)控處理系統(tǒng)換算為胎架坐標(biāo)，通過電腦可以對胎架遠程控制并進行初調(diào)，移動胎架位置和調(diào)節(jié)胎架高度，讓胎架實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控、多級調(diào)速；利用新型的傳感技術(shù)，對船舶曲面分段進行檢測，根據(jù)擬合曲面的曲率旋轉(zhuǎn)胎架活絡(luò)頭，貼合船舶曲面外板，活絡(luò)頭上的壓力傳感器測量實際壓力值，結(jié)合船舶曲面曲率最小處(承重最大處)分析胎架實際受力情況微調(diào)胎架高度，構(gòu)造符合實際生產(chǎn)要求的船舶曲面，保證船舶曲面精度。

1.1 柔性胎架機械系統(tǒng)

如圖1的船舶曲面與柔性胎架示例和圖2的船舶曲面與柔性胎架實物圖所示，柔性胎架在分段造船過程中的主要作用是支撐船舶曲面外板，保證外形尺寸的準(zhǔn)確性，為裝配和焊接創(chuàng)造良好的施工條件，減小船舶曲面外板變形量。

圖1 船舶曲面與柔性胎架示例

圖2 船舶曲面與柔性胎架實物圖

柔性胎架采用蝸輪蝸桿傳動，具有自鎖功能。蝸輪、蝸桿、絲杠為核心部件，蝸桿帶動蝸輪，推動絲杠進行上下直線運動，實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。每個柔性胎架額定工作承載能力為30 kN，所能承受的側(cè)向力為1.02 kN，絲杠所能承受的極限拉壓力為596.4 kN，機械結(jié)構(gòu)如圖3的胎架結(jié)構(gòu)圖所示。

圖3 胎架結(jié)構(gòu)圖

柔性胎架機械系統(tǒng)不僅能縱向(通過絲杠)調(diào)節(jié)，而且通過增添胎架底盤軌道可實現(xiàn)橫向(通過滑塊)調(diào)節(jié)。胎架根據(jù)控制點要求在軌道上到達指定位置，整個胎架系統(tǒng)都可按一定軌道移動至交叉固定位置卡死(見圖4 的柔性胎架系統(tǒng)軌道)，控制柔性胎架在胎架作業(yè)場地坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確定位，形成點陣分區(qū)，滿足實際作業(yè)需求，將船舶生產(chǎn)流水化，為船舶建造提供高效的工裝設(shè)備與生產(chǎn)方法。但是，其采用滑輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度和強度將受到一定限制，目前在理論計算和仿真階段，有待投入實踐。

1.2 柔性胎架控制系統(tǒng)

圖4 柔性胎架系統(tǒng)軌道

柔性胎架控制系統(tǒng)主要由3部分組成：人機交互控制界面、胎架升降運動控制系統(tǒng)[1-2](包括步進電機、PLC控制器和驅(qū)動器)、PLC驅(qū)動與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(包括CPU、數(shù)字模擬輸入輸出模塊、無線模塊以及壓力傳感器等)，三者以PLC運動控制系統(tǒng)為核心實現(xiàn)胎架系統(tǒng)的運動控制與數(shù)據(jù)交互，由若干個PLC副機控制組把數(shù)據(jù)傳輸給PLC主機，監(jiān)測系統(tǒng)進行識別和計算，反饋到各個副機中執(zhí)行命令[3]。監(jiān)測系統(tǒng)利用MATLAB豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫和強大的計算功能進行控制點插值計算以及支撐點載荷計算，用非均勻B樣條工具重構(gòu)復(fù)雜船體曲面外板，求出船舶曲面的承載特征點和承載范圍并統(tǒng)計匯總到數(shù)據(jù)庫中，造船時調(diào)用曲面數(shù)據(jù)，實現(xiàn)胎架智能化調(diào)控。監(jiān)測軟件各個功能模塊如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理與控制功能模塊流程圖

2 基于非均勻B樣條的船舶曲面外板重構(gòu)

2.1 非均勻B樣條曲線概述

B樣條是形狀數(shù)學(xué)描述的主流方法之一，具有表示和設(shè)計自由型曲線和曲面的強大功能[4]，常用于工程中的曲面造型問題。B樣條是貝茲曲線的一般化形式，具備貝茲曲線幾何不變性、仿射不變形等優(yōu)點，同時又克服了貝茲曲線由于整體表示而不具有局部性質(zhì)的缺點[4](移動一個控制點會影響整個曲線)，其可進一步推廣為非均勻B樣條。

非均勻B樣條曲線的生成有正算和反算等兩種方式：正算過程即給定控制頂點定義 B 樣條曲線及導(dǎo)矢[4]；曲線反算是先給出定位于曲線上的點再設(shè)計曲線，亦稱作B 樣條曲線的逆過程或逆問題。在設(shè)計船舶型線過程中，非均勻B樣條曲線有兩個作用對應(yīng)上述的正算與反算：一種是根據(jù)型值點自動生成基于非均勻B樣條曲線的型線，另一種是根據(jù)勾勒出的非均勻B樣條曲線反求出型值點。由于通過給定曲線上的點反算曲線控制頂點要比直接給出不位于曲線上的控制頂點更適合設(shè)計者的意愿，因此實際工程中，曲線設(shè)計一般采用反算曲線的方式[4]。

2.2 船舶曲面外板的重構(gòu)

用非均勻B樣條工具對復(fù)雜船體曲面外板進行重構(gòu)，曲面片間的拼接連續(xù)性問題得到了妥善解決，且重構(gòu)出的曲面型線光順。MATLAB 仿真證明該插補算法的正確性和精準(zhǔn)度能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)插補實時性要求[5-6]，反算出控制點，換算為空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，比對控制點坐標(biāo)與軌道交叉固定點坐標(biāo)，坐標(biāo)相近則保留該控制點，反之忽略，在軌道上移動胎架至保留控制點位置，再根據(jù)z軸坐標(biāo)初調(diào)胎架高度。MATLAB仿真步驟如圖6所示，船舶曲面外板重構(gòu)圖如圖7所示。

2

圖6 MATLAB仿真步驟

圖7 船舶曲面外板重構(gòu)圖

3 船舶曲面外板曲率估算

船舶曲面外板是MATLAB軟件根據(jù)船舶型值表，基于非均勻B樣條重構(gòu)的空間離散曲面，離散曲面的曲率估算既對調(diào)節(jié)活絡(luò)頭角度有影響，也是后期受力分析選取曲率最小處(承重最大處)的依據(jù)。由于只知道船舶型值表的離散點數(shù)據(jù)，故選取廣泛應(yīng)用于離散數(shù)據(jù)插值的移動最小二乘法進行船舶曲面外板曲率估算并擬合局部曲面。從受力狀態(tài)分析，胎架承受的船舶曲面自重由活絡(luò)頭傳遞給胎架，MATLAB仿真基于B樣條重構(gòu)船舶曲面外板，估算船舶曲面外板曲率調(diào)節(jié)胎架上的活絡(luò)頭，讓活絡(luò)頭貼合船舶分段曲面，增加接觸面積，均勻載荷分布。

4 過載力保護與調(diào)節(jié)

4.1 柔性胎架受力分析

在柔性胎架自動調(diào)節(jié)過程中，每個胎架上的壓力傳感器是升降定量的重要標(biāo)準(zhǔn)，船舶曲面不同位置會出現(xiàn)不同彎曲，曲率變化較大，而船舶曲面的彎曲程度越大，此處胎架垂直方向上的壓力就越大[7]。柔性胎架受力分析圖如圖8所示。

圖8 柔性胎架受力分析圖

假設(shè)支撐船舶曲面需要n支胎架，每支胎架的受力為Fi(i=1，2，3，…，n)。以曲面彎曲程度最小處(承重最大處)胎架x為例，胎架x處垂直方向的壓力為F，胎架x和胎架i的實時高度為H和Hi[7](兩者均可由曲面重構(gòu)的控制頂點坐標(biāo)得到)。胎架x與胎架i之間的水平間距為Li，經(jīng)受力分析可得

F+∑Fi=G船板

(1)

根據(jù)數(shù)學(xué)歸納法得到

Fi≈F·cosαi≈F·cosαi′

(2)

F水平≈F·sinαi≈F·sinαi′

(3)

(4)

從而可以得到

(5)

(6)

(7)

4.2 柔性胎架調(diào)節(jié)

4.2.1 根據(jù)垂直方向壓力調(diào)節(jié)胎架高度

胎架i處的理論壓力值為Fi(曲率最小處理論壓力值對應(yīng)為F)，柔性胎架系統(tǒng)以理論壓力值為初始化壓力控制基礎(chǔ)，自動調(diào)節(jié)胎架至理論高度。首先，判斷胎架上壓力傳感器監(jiān)測到的實時壓力是否在安全壓力范圍(0,Fi+emax)內(nèi)。如果一次性吊裝位置不到位，有個別胎架與船舶曲面沒有接觸，實際受力胎架比計劃數(shù)目少，每個胎架支柱分擔(dān)到的船舶曲面重力增加，此時需要向上調(diào)節(jié)胎架支柱，確保參與受力的胎架數(shù)量；如果胎架支柱承重超過Fi+emax，同樣需要進行上升調(diào)節(jié)，一方面調(diào)整胎架上的活絡(luò)頭可以增大船舶曲面與胎架形成的角度，控制胎架支柱實際承重在安全壓力范圍內(nèi)，另一方面可以調(diào)整船舶分段曲面的重心，均衡其他胎架的壓力；如果胎架實時壓力小于Fi+emax，則需要進行下降調(diào)節(jié)。其次，船舶分段曲面的吊裝屬于動態(tài)接觸，吊裝時的動載荷與胎架支柱的結(jié)構(gòu)靜載荷相差較大(詳情參見動載荷因數(shù))，瞬間動載荷具有不確定因素且對結(jié)構(gòu)的破壞也遠大于靜載荷，胎架上下立柱、底座、絲杠、螺紋的強度和穩(wěn)定性需充分考慮到動載荷的影響，加大胎架安全壓力的范圍。

4.2.2 根據(jù)水平側(cè)向力調(diào)節(jié)胎架高度

第4.2.1節(jié)提到如果胎架實時壓力小于Fi+emax時需進行下降調(diào)節(jié)。胎架垂直方向上的壓力在垂直壓力安全范圍(0,Fi+emax)內(nèi)其實并不需要調(diào)節(jié)胎架支柱高度，但考慮到胎架支柱所受的水平側(cè)向力，若其大于額定安全值，為了防止胎架結(jié)構(gòu)的破壞，則需要保證垂直壓力在垂直安全壓力范圍內(nèi)并進行下降微調(diào)。

胎架高度自動調(diào)節(jié)考慮因素優(yōu)先級為垂直壓力、水平側(cè)向力、接觸面積，當(dāng)遇到垂直壓力和水平側(cè)向力都超標(biāo)的極端情況時，則需要在危險胎架周圍增加臨時胎架，保證船舶曲面結(jié)構(gòu)施工階段的安全。

5 結(jié) 語

面向船舶建造的柔性胎架系統(tǒng)具有機電一體化和人工智能化的特點，提出了一種適用于各種船型的數(shù)控調(diào)形胎架?；诜蔷鶆駼樣條重構(gòu)船舶曲面外板，建立數(shù)學(xué)模型反算控制點，運用移動最小二乘法進行離散數(shù)據(jù)插值和船舶曲面分段外板曲率估算，將初始化曲面擬合的船舶外板數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控胎架控制系統(tǒng)中進行受力分析并驅(qū)動電機和機械傳動系統(tǒng)調(diào)節(jié)胎架，既減少了造船周期和成本，又提高了生產(chǎn)質(zhì)量、效率，符合當(dāng)代“綠色造船、數(shù)字造船”的船舶業(yè)生產(chǎn)要求。本項目下一步準(zhǔn)備進行仿真試驗添加胎架底盤軌道，擴大胎架的移動范圍，完善點位布置的優(yōu)化。