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(diǎn)。在船舶設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，船舶的軸系安裝一直是新建造船舶過(guò)程中一項(xiàng)關(guān)鍵建造節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)工程量大、耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)、各方配合要求復(fù)雜。由于其直接決定了船塢周期，因此也是各個(gè)船廠新建造船舶過(guò)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(lái)越大，對(duì)其可靠性的要求也在逐步提高。國(guó)內(nèi)外各大船廠基本上都遇到過(guò)軸系設(shè)計(jì)或安裝問(wèn)題，影響著船舶的按期交付或航行安全。造成軸系產(chǎn)生故障的原因主要包括設(shè)計(jì)制造原因、安裝因素、運(yùn)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(lái)的是，船級(jí)社及船東對(duì)鏜孔及軸系對(duì)中檢驗(yàn)也制定了更高的檢驗(yàn)要求及規(guī)范，現(xiàn)場(chǎng)軸系鏜孔報(bào)驗(yàn)日趨嚴(yán)格。

1 船舶艉軸鏜孔現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所使用的仍然是普通的鏜孔裝置，不具備自動(dòng)化的功能，對(duì)工人的操作水平及經(jīng)驗(yàn)要求較高，加工效率低。接近精加工時(shí)需反復(fù)測(cè)量，操作較為繁瑣，耗時(shí)耗力。目前國(guó)內(nèi)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(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境對(duì)艉軸管的加工精度造成了很大的問(wèn)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(diǎn)。

1.1 工藝特點(diǎn)

1)鏜排軸長(zhǎng)度大，造成剛性差，切削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)、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(guò)程中，不能直接觀察刀具切削情況，只能憑工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷切削過(guò)程是否正常。

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

1.2 主要問(wèn)題

1)環(huán)境。由于船舶艉軸管的鏜孔基本是人工完成的，現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境對(duì)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(dòng)力造成了加工測(cè)量困難、人工費(fèi)用高等問(wèn)題，并且測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也無(wú)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(nèi)外溫差可超過(guò)30 ℃，容易造成鏜桿等加工工具以及船體結(jié)構(gòu)熱變形。

3)加工精度及效率?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，由于鏜孔裝置軸長(zhǎng)度大，造成剛性差，切削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)、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(zhuǎn)起來(lái)跳動(dòng)誤差較大；另外，為了減少鏜桿自身重量帶來(lái)的撓度對(duì)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(jù)鏜孔裝置狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，對(duì)精度的控制有一定局限性。上述問(wèn)題均對(duì)艉軸管的加工精度和效率產(chǎn)生了制約，嚴(yán)重影響艉軸鏜孔進(jìn)度。

4)鏜刀進(jìn)給。伴隨著艉軸鏜孔工作的進(jìn)行，需要不斷進(jìn)行鏜刀進(jìn)給工作，人工進(jìn)給階時(shí)，進(jìn)給量不均勻。

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

2 數(shù)字化改造路徑

針對(duì)大型船舶艉軸管鏜孔過(guò)程中存在的工作環(huán)境差、加工精度低、加工效率低、加工過(guò)程不可視等一系列問(wèn)題，擬通過(guò)對(duì)現(xiàn)有鏜孔裝置增加自動(dòng)進(jìn)退刀系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，具體方案如下。

1)鏜孔裝置進(jìn)退給部分。將鏜孔裝置的手搖退刀系統(tǒng)改為電機(jī)單獨(dú)控制絲杠，實(shí)現(xiàn)30 s自動(dòng)化進(jìn)退刀。該方案用伺服電機(jī)代替了手工進(jìn)退刀，不僅可節(jié)約勞動(dòng)力，還可保證鏜孔的進(jìn)退刀精度，提升加工效率。見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)進(jìn)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(zhuǎn)精度低，導(dǎo)致鏜桿回轉(zhuǎn)偏差過(guò)大，影響加工精度的問(wèn)題。將鏜桿兩端原本的低精度軸承替換為高回轉(zhuǎn)精度軸承組(P2級(jí))，見(jiàn)圖2，將徑跳控制在0.06 mm以內(nèi)，輔以調(diào)整定位機(jī)構(gòu)，在鏜孔準(zhǔn)備階段反復(fù)調(diào)整，用以提高鏜桿軸的回轉(zhuǎn)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(diào)部分。

(1)中間支撐裝置自動(dòng)在線微調(diào)裝置。對(duì)原有的中間支撐裝置進(jìn)行改進(jìn)，安裝多個(gè)伺服電機(jī)和位移傳感器，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量，利用控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)，通過(guò)孔壁徑向4個(gè)方向支撐件的微動(dòng)調(diào)整，對(duì)鏜桿軸中間撓度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)智能化微調(diào)(上下左右4個(gè)方向)，見(jiàn)圖3，確保中間支撐點(diǎn)與兩端設(shè)定的定位軸(測(cè)量基準(zhǔn)軸線)始終控制在誤差允許的范圍之內(nèi)，其中伺服電機(jī)的進(jìn)給精度不低于3 μm。

圖3 鏜孔裝置中間支撐示意

工作過(guò)程中為解決繞線問(wèn)題，需將電機(jī)的線埋入鏜桿軸中，擬采用滑環(huán)裝置，見(jiàn)圖4。

圖4 滑環(huán)示意

(2)鏜刀刀尖位置在線微調(diào)。以實(shí)際鏜孔在線測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)，在鏜刀位置加裝高精度抗干擾伺服電機(jī)，見(jiàn)圖5，實(shí)現(xiàn)鏜刀的上下高精度和高剛度移動(dòng)，根據(jù)傳感器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果對(duì)鏜刀刀尖位置實(shí)時(shí)智能化微調(diào)，其中刀尖微調(diào)的最小進(jìn)刀量不低于2 μm，進(jìn)刀范圍根據(jù)孔徑而定。

圖5 鏜刀在線微調(diào)系統(tǒng)示意

4)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集部分。

(1)鏜削工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。為最大程度的保證加工精度，在鏜桿兩端的軸承兩側(cè)以及中間支撐兩側(cè)放置多個(gè)高精度抗干擾位移傳感器，見(jiàn)圖6、7實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)融合處理，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和分析數(shù)據(jù)得出鏜桿軸的變形參數(shù)和振動(dòng)模態(tài)，提前預(yù)測(cè)鏜桿孔加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的加工誤差，做出誤差預(yù)測(cè)，給出艉軸孔加工的優(yōu)化方案，并進(jìn)行智能補(bǔ)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(yù)警功能。鏜孔加工過(guò)程中，特別是精加工階段，一旦加工超差，將對(duì)最終的加工精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，通過(guò)多傳感器對(duì)加工過(guò)程的測(cè)量與監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)融合處理，可實(shí)現(xiàn)超差預(yù)警的功能，在鏜刀切削超過(guò)設(shè)定的誤差警戒線時(shí)，提前報(bào)警，可避免出現(xiàn)加工超差的情況。

(3)整體溫度檢測(cè)及智能補(bǔ)償。艉軸孔加工過(guò)程中溫度的影響較為復(fù)雜，目前沒(méi)有較為成熟的技術(shù)應(yīng)用。本方案擬在艉軸管內(nèi)外及兩側(cè)等處添加多個(gè)溫度傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，形成艉軸孔加工的溫度場(chǎng)，作為加工補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。

5)可視化測(cè)量及在線質(zhì)量控制預(yù)警。在綜合控制系統(tǒng)中預(yù)置加工質(zhì)量控制方案，實(shí)際加工過(guò)程中傳感器系統(tǒng)的各種測(cè)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(shù)據(jù)，在與基準(zhǔn)測(cè)量軸線對(duì)比后，通過(guò)中間支撐架實(shí)現(xiàn)鏜桿軸中間撓度的在線實(shí)時(shí)智能化微調(diào)、同時(shí)進(jìn)一步配合調(diào)整鏜刀刀尖位置，實(shí)現(xiàn)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(shí)采用三維立體可視化的方式，通過(guò)軟件在屏幕上顯示出加工孔的三維可視化模型，并可進(jìn)行局部形狀放大顯示，展示艉軸管內(nèi)部情況，解決操作工人看不到艉軸管內(nèi)部工作情況的問(wèn)題，減少工作失誤。

3 改造實(shí)施效果

1)鏜刀進(jìn)給實(shí)現(xiàn)由人工進(jìn)刀改進(jìn)為伺服電機(jī)自動(dòng)化進(jìn)刀，進(jìn)刀效率與精度大幅提升。

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

3)現(xiàn)場(chǎng)人員作業(yè)環(huán)境與工效大幅改善，人工無(wú)需手動(dòng)進(jìn)給鏜刀，無(wú)需爬入艉軸管內(nèi)部測(cè)量鏜削精度及進(jìn)行中間支撐調(diào)整；鏜孔作業(yè)過(guò)程中無(wú)需鏜孔裝置的二次拆卸，可以實(shí)現(xiàn)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(guò)程中的鏜刀進(jìn)給、測(cè)量等工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，無(wú)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(dá)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。