周榮富， 姜 軍， 楊 虎， 郭海平

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

為保證船舶的耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命，在船舶建造過(guò)程中，船體構(gòu)件需要進(jìn)行涂裝作業(yè)。2012年以來(lái)，壓載艙更需要滿足保護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)(Performance Standard of Protective Coatings，PSPS)要求。船體結(jié)構(gòu)在切割下料后其邊緣呈現(xiàn)鋒利的直角，直接進(jìn)行涂裝作業(yè)，防腐涂料不易附著，或漆膜表面較易開(kāi)裂，不能滿足長(zhǎng)期的防腐要求。為保證涂裝作業(yè)效果，防止漆膜脫落，需要對(duì)切割后的船舶構(gòu)件邊緣進(jìn)行倒圓角處理，圓角半徑大于2.0 mm。

傳統(tǒng)的船舶構(gòu)件自由邊處理，由工人手持砂輪片進(jìn)行打磨，同一軌跡重復(fù)3次。目前國(guó)內(nèi)部分船廠利用氣動(dòng)銑刀代替砂輪片進(jìn)行船舶構(gòu)件自由邊的倒圓角工作，只需要1次銑削即可成型，速度提高3倍，且與使用砂輪片相比降低粉塵污染。但在自由邊的上面處理后需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行翻面，大型構(gòu)件的翻面需要借助門(mén)式起重機(jī)等裝置，耗時(shí)耗力，影響作業(yè)效率，增加人力成本，且對(duì)工人的身體健康和環(huán)境影響較大[1]。對(duì)此，開(kāi)發(fā)船舶構(gòu)件自由邊打磨裝置，無(wú)須翻面即可實(shí)現(xiàn)典型肋板結(jié)構(gòu)人孔、減輕孔、流水孔、透氣孔、型材貫穿切口等非焊接邊的上下面(或單面)自由邊處理。

1 生產(chǎn)對(duì)象

典型工件如圖1所示。工件切口打磨部位角隅輪廓半徑≥35.0 mm的切口均可實(shí)現(xiàn)打磨，主要技術(shù)指標(biāo)如下：材質(zhì)為船體結(jié)構(gòu)用鋼(AH～EH40級(jí))；尺寸為1.8 m×3.7 m、2.5 m×2.6 m、2.8 m×3.5 m、3.0 m×(8.0～9.0) m；板厚為8.0～45.0 mm；工件打磨邊下料輪廓切割最大誤差為±1.5 mm；工件打磨邊側(cè)面斜度誤差為1.5°以內(nèi)(按10.0 mm板厚誤差為0.3 mm計(jì)算)。

圖1 典型工件

2 設(shè)計(jì)方案

船舶構(gòu)件自由邊打磨裝置包括1臺(tái)三自由度可移動(dòng)門(mén)架和1套構(gòu)件處理平臺(tái)。該裝置與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于：門(mén)架可移動(dòng)梁安裝用于構(gòu)件定位的傳感器，門(mén)架可移動(dòng)末端安裝處理船舶構(gòu)件自由邊的專用銑刀和多維力矩傳感器；在構(gòu)件處理平臺(tái)中嵌入安裝升降支撐柱，用于構(gòu)件自由邊處理時(shí)固定構(gòu)件，同時(shí)為銑刀處理自由邊下邊提供作業(yè)空間[2]。船舶構(gòu)件自由邊打磨裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 船舶構(gòu)件自由邊打磨裝置總體結(jié)構(gòu)示例

該裝置是一種橫梁移動(dòng)式的船舶構(gòu)件打磨銑削中心，具有良好的剛性，受力均勻、熱平衡性好、精度穩(wěn)定，由橫梁-滑板-滑枕移動(dòng)實(shí)現(xiàn)x、y、z等3個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)給。主軸(z軸)帶c軸結(jié)構(gòu)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在圓弧倒角加工過(guò)程中受力方向始終垂直于打磨銑削方向的功能。主軸除可實(shí)現(xiàn)工具端的銑削功能外，可實(shí)現(xiàn)沿c軸法向方向和重力方向的補(bǔ)償。橫梁、滑板、滑枕由高強(qiáng)度合金鋼焊接而成，經(jīng)完善的熱處理工藝過(guò)程消除殘余應(yīng)力，采用經(jīng)有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)分析的薄壁多肋部設(shè)計(jì)是為保證優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性。需要配置1套地面支撐平臺(tái)用于工件的支撐固定，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的支撐功能。

3 系統(tǒng)組成

3.1 地面支撐平臺(tái)

地面支撐平臺(tái)功能為支撐打磨工件，由第三方提供，組成件包括主體鋼結(jié)構(gòu)件、液壓系統(tǒng)、液壓缸及檢測(cè)系統(tǒng)等，由倍?？删幊踢壿嬁刂破?Programmable Logic Controller，PLC)及電箱(支撐EtherCAT通信接口)實(shí)現(xiàn)支撐平臺(tái)的功能控制。支撐平臺(tái)的控制PLC與i5數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)及信息對(duì)接，包括對(duì)支撐平臺(tái)控制M代碼接口、向支撐平臺(tái)PLC提供工件測(cè)量的零點(diǎn)位置、向支撐平臺(tái)PLC提供主軸實(shí)時(shí)位置等功能。

3.2 門(mén)式傳動(dòng)系統(tǒng)

門(mén)式傳動(dòng)系統(tǒng)由x軸、y軸、z軸、主軸補(bǔ)償及視覺(jué)零點(diǎn)定位等組成，如圖3所示。

圖3 門(mén)式傳動(dòng)系統(tǒng)示例

x軸是縱向運(yùn)動(dòng)的門(mén)軸，通過(guò)循環(huán)滾動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行滑動(dòng)導(dǎo)向。動(dòng)力系統(tǒng)包括由4個(gè)伺服電機(jī)組成的雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，x軸的每側(cè)均由2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)的電預(yù)載消除運(yùn)動(dòng)部件(齒輪齒條系統(tǒng))的反向間隙。

y軸通過(guò)循環(huán)滾動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行滑動(dòng)導(dǎo)向。動(dòng)力系統(tǒng)包括：由2個(gè)電機(jī)組成的雙伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；1套齒輪齒條系統(tǒng)。

z軸通過(guò)電機(jī)控制帶預(yù)緊力的旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)?；斫Y(jié)構(gòu)內(nèi)部為管狀、外部為方形增強(qiáng)部分以保證外部的剛性?；淼撞拷?jīng)相應(yīng)加工構(gòu)成安裝c軸的平臺(tái)并保證安裝平臺(tái)精度。z軸通過(guò)循環(huán)滾動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行滑動(dòng)導(dǎo)向。動(dòng)力系統(tǒng)包括：1套電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；1套滾珠絲杠系統(tǒng)。

主軸的c軸結(jié)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)圓弧倒角加工過(guò)程中的角度調(diào)整功能。在主軸的z方向配置1套氣動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在加工過(guò)程中主軸始終壓住工件表面，進(jìn)而保證倒角的一致性。在法向上配置1套力位執(zhí)行器，用于保證預(yù)定力完成主軸加工功能。

工件零點(diǎn)檢測(cè)采用視覺(jué)式工件檢測(cè)，采用視覺(jué)識(shí)別工件自有特征的方式，如直線、圓弧或角點(diǎn)等特征。由于視覺(jué)識(shí)別的特征可能已帶有位置和角度信息，因此只需要1個(gè)特征。若確定工件尺寸，則需要多個(gè)特征，在線視覺(jué)識(shí)別的特征較為清晰。

3.3 數(shù)控系統(tǒng)

該裝置的控制系統(tǒng)選用i5數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)為基于低功耗高性能的可編程控制器(Programmable Controller，PC)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行操作、編程、調(diào)試，對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，查詢機(jī)床系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[3]。

配置包括：高速分布式處理單元(Distributed Processing Unit，DPU)；固態(tài)硬盤(pán)；電阻式觸摸屏圖形終端；標(biāo)準(zhǔn)按鍵鍵盤(pán)；DC 24 V±1.2 V電壓；3 A(最大)電流；通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)接口，USB 2.0，1個(gè)；局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)端口，10/100/1 000 Mbit/s，2個(gè)；手持設(shè)備(可選)。

4 刀具作業(yè)路徑

刀具為帶有滾輪結(jié)構(gòu)的專用倒角刀，在加工過(guò)程中為滿足主軸頭浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的使用和壽命要求，須在進(jìn)刀和出刀時(shí)按不同方案執(zhí)行。

外部輪廓相對(duì)簡(jiǎn)單，為輪轂方向正常加工。

內(nèi)部輪廓分別按開(kāi)放區(qū)域和閉合區(qū)域進(jìn)行劃分，進(jìn)刀要求如下：

(1)開(kāi)放區(qū)域。根據(jù)加工區(qū)域圓角大小及刀具強(qiáng)度，刀具直徑應(yīng)為50.0～60.0 mm，起刀點(diǎn)應(yīng)在被加工邊緣中心位置附近，由起刀點(diǎn)進(jìn)刀，沿加工邊緣向一個(gè)方向走刀直至該方向邊緣加工完成再抬刀，回到起刀點(diǎn)重新進(jìn)刀，沿相反方向加工另外一側(cè)邊緣，加工完成再抬刀。加工至邊緣結(jié)尾處應(yīng)避免對(duì)面邊緣產(chǎn)生干涉，可提前抬刀。構(gòu)件自由邊開(kāi)放區(qū)域走刀如圖4所示。

圖4 構(gòu)件自由邊開(kāi)放區(qū)域走刀示例

(2)閉合區(qū)域。起刀點(diǎn)應(yīng)選擇在c軸0°或負(fù)角度位置，即加工區(qū)域的右下方。刀具由起刀點(diǎn)下刀，沿加工邊緣逆時(shí)針加工直至回到起刀點(diǎn)再抬刀。構(gòu)件自由邊閉合區(qū)域走刀如圖5所示。

圖5 構(gòu)件自由邊閉合區(qū)域走刀示例

在完成直角邊出刀時(shí)，應(yīng)降低轉(zhuǎn)速或減少推力等以保證刀具刀片的壽命，需要在G代碼和后處理的計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行判斷和處理。

5 技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

5.1 技術(shù)路線

通過(guò)數(shù)控機(jī)床高精定位、末端旋轉(zhuǎn)主軸可補(bǔ)償z方向和自由邊法線方向相應(yīng)技術(shù)，解決船舶構(gòu)件上下面自由邊自動(dòng)打磨問(wèn)題。技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 技術(shù)路線

5.2 關(guān)鍵技術(shù)

在實(shí)際打磨過(guò)程中，工件公差和裝夾誤差較大會(huì)造成工件定位不準(zhǔn)確。若打磨操作使用固定加工軌跡，則很可能出現(xiàn)不接觸工件或過(guò)打磨現(xiàn)象，導(dǎo)致磨削精度降低。為消除工件定位誤差對(duì)打磨加工的影響，在打磨過(guò)程中通過(guò)混合力位控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)打磨軌跡規(guī)劃是保證打磨質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)需要通過(guò)打磨控制器獲取打磨頭當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置信息，即末端打磨工具的坐標(biāo)值，進(jìn)而求取打磨運(yùn)動(dòng)的法向向量；將六維力矩傳感器實(shí)時(shí)采集的三維力信息進(jìn)行重力補(bǔ)償和法向方向轉(zhuǎn)化；將通過(guò)控制策略得到的位移偏移量轉(zhuǎn)化為打磨頭坐標(biāo)值，傳遞至打磨裝置控制器，控制打磨頭移動(dòng)至調(diào)整后的位置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)打磨過(guò)程中的恒力控制。

6 結(jié) 語(yǔ)

船舶構(gòu)件自由邊打磨裝置可用于船體構(gòu)件自由邊的智能打磨，無(wú)須翻面即可實(shí)現(xiàn)典型肋板結(jié)構(gòu)人孔、減輕孔、貫穿孔、流水孔等非焊接邊的上下面打磨。打磨速度達(dá)30.0 mm/s，打磨質(zhì)量完全滿足PSPC要求，達(dá)到替代人工的目標(biāo)。主要突破力位混合控制、打磨對(duì)象類型機(jī)器視覺(jué)識(shí)別與定位等關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)肋板打磨軌跡智能生成、打磨工藝智能匹配、打磨路徑智能跟蹤等功能。該裝置可完全實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)時(shí)間肋板打磨作業(yè)需求，為船廠現(xiàn)代化工藝裝備更新?lián)Q代提供保障。