水火彎板項目概況

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水火彎板項目概況 一、研究意義 船體外板曲面的成型加工是船舶制造的關(guān)鍵及重要環(huán)節(jié)之一。各種船舶的外表面大多都是由復雜的、不可展的空間曲面構(gòu)成，通常采用燃氣火焰在鋼板表面局部進行加熱，當加熱區(qū)達到一定溫度后再降溫，利用金屬的熱彈塑性收縮變形原理，以獲得良好的整體變形，這就是所說的水火彎板工藝。其中影響鋼板變形的因素，有板材的形狀參數(shù)(板長、板寬、板厚、曲率大小)，加工參數(shù)(加熱線的長度、寬度及形狀、加熱速度)，熱源(氣體火焰、高頻感應(yīng)、激光加熱)，邊界條件(兩端自由、兩端支撐、四角支撐)，冷卻方式(正面水冷、背面水冷、空冷)等。 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外大部分造船廠的水火彎板工藝都是由技術(shù)熟練的造船工人憑借長期積累的加工經(jīng)驗按照這個一般過程操作的。而這種經(jīng)驗型的手工加熱模式存在如下的不足:①水火彎板加工經(jīng)驗需要在長期的加工實踐中獲得，培養(yǎng)一名有經(jīng)驗的技工很不容易。工作環(huán)境比較艱苦，勞動條件也較差，因此隨著老工人的退休，很多青年工人不愿意從事這一工種。②手工加熱型的水火彎板加工存在加工時間長，成形質(zhì)量不容易控制，難以實現(xiàn)精度控制等困難。這導致了造船周期長，為后續(xù)造船工藝的精度控制設(shè)置了障礙。③當今世界船舶市場的競爭日趨激烈，為了提高自身的造船競爭力，船廠必須在縮短造船周期、提高造船質(zhì)量和降低造船成本等方面下功夫。雙曲率船體板的水火彎板成形是一個不可或缺的造船工藝，而手工加熱型的水火彎板加工在成形效率和成形質(zhì)量上都不能滿足現(xiàn)代造船生產(chǎn)的迫切要求。因此，水火彎板研究具有明顯的工程應(yīng)用背景和重要的學術(shù)價值，實現(xiàn)水火彎板成形的自動化己經(jīng)是造船界的共識，必須盡決加以解決。 作為水火彎板工藝的發(fā)源地，日本早在二十世紀五六十年代就開始了對此工藝的探索，七八十年代開始了自動加工設(shè)備的研究。1999年日本石川島播磨重工業(yè)株式會社研制出一臺曲板成形的自動化加工裝置IHI-。該裝置有以下幾個特點[1]： （1）自動計算出曲板的加熱路徑和加熱頭熱輸入率等參數(shù)，以及加工后曲板形狀變化的誤差。 （2）加工過程中能在PC機顯示屏上對板的實際和理論彎曲狀況進行比較和評估，并進行修正。 （3）采用數(shù)控機器和激光測量器，能連續(xù)進行彎曲加工和形狀測量。工作臺上設(shè)有23個液壓千斤頂，高度可根據(jù)選擇的彎曲形狀自動調(diào)節(jié)。 IHI-系統(tǒng)[1]軟件自動計算出加工方案然后進行加熱，在加熱時除了鋼板翻身需要人工干預外，全部實現(xiàn)了自動化。它的成形速度遠高于基于手工操作或工人經(jīng)驗的加工系統(tǒng)，大大減少了加工時間，一個高度復雜的船體曲面以前要2～3天的手工成形，現(xiàn)在只需要5～6h，其中還包括2～3h的方案計算時間。日本在精細化造船方面走在了世界前沿。 日本鋼管公司(NKK)也試制了這樣的設(shè)備。韓國漢城大學[3,4]研制了自動水火彎板加工系統(tǒng)，它可以進行船體外板建模、外板展開、加熱信息計算、鋼板形狀的自動測量，該系統(tǒng)已經(jīng)在合作船廠進行了試用。美國M.I.T研制用激光作為熱源的全自動水火彎板設(shè)備，在薄板水火變形控制研究方面已經(jīng)有很大的建樹[5]。Atlantic&Edison焊接研究所有簡易自動水火彎板設(shè)備。歐洲如西班牙、意大利、丹麥等也試制過自動水火彎板機。 中國第一臺水火彎板機是由大連理工大學、大連新船重工有限責任公司、清華大學和北京航空航天大學合作研制的，該設(shè)備于2001年初通過了863計劃智能機器人驗收專家小組的驗收，成果水平在當時處于領(lǐng)先地位。該機器人控制器[6]是基于激光測量的高精度仿型測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了三維曲面測量和水火加工測量引導，解決了加工時鋼板隨機變形引起誤差的難題。機器人具有4個自由度，可用于復雜曲面鋼板水火成型自動加工，提高生產(chǎn)效率2倍以上。 廣船國際[7]和上海交大于2005年底也開發(fā)出一臺數(shù)控水火彎板機。它的加工參數(shù)預報系統(tǒng)是基于氧一乙炔火焰對鋼板進行的實驗研究，所以此設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的氧一乙炔火焰對鋼板進行加熱。該設(shè)備經(jīng)過試用，加工了大量的船體外板(以帆形板為主)。 2006年廣東工業(yè)大學采用多軸運動控制系統(tǒng)和三維立體成型的加工方法也研制出一種水火彎板機[8,9]。該設(shè)備的控制系統(tǒng)由多軸運動控制部分和PLC控制部分組成。其中多軸運動控制系統(tǒng)是當前先進的開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，它的特征在于：由工控機把運動數(shù)據(jù)和運動命令傳遞給多軸控制器，多軸控制器通過伺服驅(qū)動器對多軸的電機系統(tǒng)進行聯(lián)動控制及位置控制。 2007年上海船舶工藝研究所(船舶611所)研制出SGQ一1241數(shù)控感應(yīng)加熱曲板成形機[10]。該設(shè)備采用高頻感應(yīng)加熱與計算機數(shù)字控制，具有自動加熱、自動均載支撐、自動測量、自動畫線及手動操作等功能。其中的支撐裝置[11]由稱重傳感器和機電伺服系統(tǒng)構(gòu)成，它比日本的液壓千斤頂所牽涉到的液壓伺服系統(tǒng)具有更強的實用性。 以上這些設(shè)備都是采用龍門架的結(jié)構(gòu)，龍門架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，剛度高，保證定位精度，穩(wěn)定性能好，不需要太長的機械手臂。此外，還可以將控制主機、伺服驅(qū)動器等放置在距離高溫區(qū)較遠的操作平臺上。但是移動龍門架結(jié)構(gòu)的不足是體積相對龐大，需要一定的工作空間和專門的工作場地，不適用于隨機靈活的工況。基于此，2007年大連理工大學又設(shè)計了適合于大撓度曲面鋼板自動化加工的懸臂式水火加工機器人[12]和適用于現(xiàn)場施工的小型曲面鋼板水火加工裝置[13]。 在數(shù)控水火彎板機的加工過程中，加工參數(shù)軟件系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。數(shù)控系統(tǒng)上的激光測量儀能夠測出鋼板的初始形狀，如板長、板寬、曲率大小等，然后由加工參數(shù)軟件系統(tǒng)自動計算出所需要確定的加工參數(shù)以達到目標形狀，如在鋼板不同位置上的加熱線長度、加熱線寬度、加熱線形狀、加熱速度、水冷速度、加熱路徑等，再由執(zhí)行機構(gòu)按照此方案進行加熱。所以該軟件應(yīng)該能夠科學的給出加工參數(shù)及其工藝過程，以代替工人的經(jīng)驗。 日本石川島播磨重工業(yè)株式會社的IHI-系統(tǒng)中，Morinobu Ishiyama(石山隆庸)[14]通過建立變形場的有限元模型來確定加熱方案，并給出了自己的計算軟件。 韓國漢城大學的Shin等人[15]開發(fā)了基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及面向?qū)ο蠹夹g(shù)的水火彎板加工信息系統(tǒng)，它是自動化設(shè)備的基礎(chǔ)。該軟件系統(tǒng)考慮了不同船廠的成型習慣，既可以適應(yīng)大船廠的輥彎后板的水火成形，也能夠應(yīng)用于中小船廠的完全成形。但其加熱時火焰噴頭的移動速度需沿加熱線分三段變化，這對于實現(xiàn)自動成形是不利的。 上海交通大學董大栓[16]等人基于曲面疊加的加工參數(shù)確定的算法開發(fā)了一套計算機輔助加工參數(shù)確定軟件：CAFF軟件(ComputerAidedFlameFormingSystem)。他只是驗證了帆形板的加工，而對鞍形板及扭曲板的加工參數(shù)的確定的基礎(chǔ)理論存在著較大的設(shè)計缺陷。 上海交通大學朱枳鋒[17,18]完成了基于固有應(yīng)變理論的高頻感應(yīng)加熱彎板成型計算機輔助系統(tǒng)的總體設(shè)計，在此基礎(chǔ)上完成了輔助系統(tǒng)的開發(fā):能根據(jù)制定的加熱方案，計算出加熱后的平板變形情況；建立了彎板成型加熱參數(shù)和固有應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并進行了大量熱彈塑性有限元計算，完善數(shù)據(jù)庫。 大連理工大學開發(fā)的水火彎板加工參數(shù)的軟件系統(tǒng)[19-21]具有船體外板精確展開計算、水火彎板變形規(guī)律數(shù)學模型、船體外板水火加工焰道布置優(yōu)化、船體外板加工用見通數(shù)據(jù)計算、與船舶設(shè)計軟件Tribon系統(tǒng)的集成連接、系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)庫等功能，并根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計建立相應(yīng)模塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程，應(yīng)用VisualBasic6.0軟件設(shè)計開發(fā)了水火成形工藝參數(shù)預報系統(tǒng)。它是國內(nèi)最先進的彎板加工信息的軟件系統(tǒng)，并且在不斷的日益完善。 三、水平和發(fā)展趨勢 在現(xiàn)代造船生產(chǎn)中，從前期的船舶設(shè)計、板材號料和下料，到后期的船體裝配都已基本實現(xiàn)計算機化、機械化和自動化流水線。船體外板的水火加工是整個造船工藝體系中一個不可或缺的環(huán)節(jié)，它的加工模式無論是在加工速度上還是在成形質(zhì)量上都拖了現(xiàn)代造船的后腿，這個工藝上的技術(shù)革新已是現(xiàn)代船舶制造業(yè)迫在眉睫的大事，而且必將帶來巨大的經(jīng)濟效益。雖然國內(nèi)外學者對此問題已經(jīng)進行了許多有價值的研究工作，但目前彎曲鋼板加工這一環(huán)節(jié)仍靠手工完成的居多，且船板曲面變形受到鋼板材質(zhì)、環(huán)境溫度、氧及乙炔的流量、噴嘴高度、冷卻方式、支撐形式、加熱速度、焰道間距和鋼板特征等眾多因素影響，船板曲面成形機理十分復雜，由于水火彎板過程中最終形狀和加工參數(shù)間的關(guān)系的復雜性，到目前為止仍沒有一個可為大多數(shù)人接受的關(guān)于水火彎板過程中加工參數(shù)和最終形狀間關(guān)系的理論和完美的確定加工參數(shù)的方法。即使對于已經(jīng)取得的結(jié)論和方法，或因是其假設(shè)條件和工程實際不相符合，或計算過程和步驟過于復雜，或結(jié)論仍需作進一步地驗證等原因而無法應(yīng)用于工程實踐中。目前國內(nèi)的廣船的設(shè)備主要是應(yīng)用在帆形板的成型過程中，存在加工板形單一，而且工藝軟件對加工完不理想的板形不能進行二次計算生成焰道，存在焰道形成過程的數(shù)學建模和焰道算法不夠完善問題。 同時水火彎板工藝完全實現(xiàn)自動化還有許多有待于完善的地方，例如：數(shù)控設(shè)備樣機存在速度不夠理想、缺少與生產(chǎn)設(shè)計的數(shù)據(jù)接口和設(shè)備穩(wěn)定可靠性急需提高等問題，并且在智能化、集成化以及精度上與發(fā)達國家同類產(chǎn)品有較大的差距，上述因素直接導致相關(guān)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化困難，沒有形成成熟的數(shù)控設(shè)備產(chǎn)品，因此形成了制約造船生產(chǎn)效率的瓶頸，必須進行深層次的研究。 四、研究方法 （1）船板加熱變形機理分析、影響因素分析研究； 研究鋼板熱變形機理和應(yīng)力分布與熱源特性參數(shù)的關(guān)系，通過模擬實驗和實測試驗，在獲得大量工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究熱源輸入功率、移動速度、加熱路徑、材料特征、幾何參數(shù)、冷卻條件、附加載荷等因素對船板變形的影響，并通過有限元計算得出影響船板變形的主要因素和成型規(guī)律。 （2）三維船板曲面測量技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā) 針對船板曲面加熱彎板作業(yè)環(huán)境和工況條件，開發(fā)三維船板曲面實時測量技術(shù)，實現(xiàn)三維船板曲面多點動態(tài)實時測量，形成船板曲面加熱彎板的實時三維數(shù)據(jù)，并通過實驗驗證系統(tǒng)的可靠性。 （3）船板曲面熱加工成形數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)開發(fā) 在船板曲面加熱彎板機理分析研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)船舶集成制造軟件系統(tǒng)接口軟件，直接抽取船板曲面三維模型與彎板數(shù)據(jù)進行匹配，形成工藝參數(shù)與變形三維數(shù)據(jù)庫，開發(fā)船板加工軌跡、加工指令數(shù)據(jù)知識庫、智能推理的專家系統(tǒng)，自動生成確定一次和二次加工成形工藝參數(shù)； 五、技術(shù)路線 六、可行性分析 本項目采用熱彈塑性有限元方法，通過建立三維熱力耦合有限元模型，深入分析船用鋼板熱加工成形機理和不同參數(shù)條件下的成形規(guī)律，對成形過程中的變形進行三維實時動態(tài)測量，結(jié)合工人的實踐經(jīng)驗和實驗，直接抽取船板曲面三維模型與彎板數(shù)據(jù)進行匹配，形成工藝參數(shù)與變形三維數(shù)據(jù)庫，和船體建造系統(tǒng)軟件（如Tribon） 相連接，根據(jù)輸出的目標曲面形狀，給出優(yōu)化的加熱方案，并能直接輸出數(shù)控指令和生產(chǎn)管理信息，最終形成集應(yīng)用軟件、數(shù)控設(shè)備、加工工藝技術(shù)為—體的曲面成形加工系統(tǒng)。 綜上所述，該研究基礎(chǔ)理論成熟，研究方向明確，思路清晰，研究梯隊合理，研究條件具備。通過大量的計算和實驗，在三年內(nèi)完成研究目標是完全可能的。