船体外板水火加工成型技术

第20卷 第8期 中 国 水 运 Vol.20 No.8 2020年 8月 China Water Transport August 2020收稿日期：2020-03-30作者简介：曹文馨（1986-），男，研发设计院，工程师，从事船体结构设计等工作。

船体曲面水火弯板加工工艺算法研究曹文馨，樊洪良，冉建华（研发设计院，上海 200136）摘 要：水火弯板是船舶曲面外板成型的主要工艺，可靠的成型预测方法是板件成形自动化系统研究的基础。

本文研究了水火弯板加工的机理及加工工艺参数确定的算法。

在建立并以实验验证了水火弯板的数值模拟模型的基础上，确定了火焰成形的温度场和变形场等主要影响参数，提出了温度场及变形场的描述方案，并通过计算得出了板的温度场及变形场与主要加工参数之间的关系，最后对给定帆形板典型船体结构曲面板的水火成型过程进行了热弹性有限元模拟并确定加工工艺参数算法。

关键词：水火弯板；数值模拟；加热路径；温度场；变形场中图分类号：U671.3 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）08-0050-03一、引言造船过程中有大量的船体曲面外板需要成型加工，对于较为复杂的给定型值的双曲率曲面板采用的是水火弯板进行加工。

水火弯板是一种曲面板成形的重要方法，该方法需预先布置加热线方案并采用火焰热源沿加热线加工并跟踪水冷的方式实现板件成形。

目前水火弯板的加工单纯是依靠人工和经验来确定加热线的位置和长度以及加热和冷却时间直至最终曲面的成形。

随着造船模式的转变，水火弯板自动加工设备的研制和应用日益成为一项急待解决的课题。

水火弯板自动加工设备是以水火弯板加工参数确定的理论为基础研制的。

加工参数的确定，是指对于一给定型值的双曲度船体外板，如何确定外板展开形状，加热线位置和长度，氧及丙烷的流量，喷嘴高度，加热温度，冷却方式及支撑形式等各种加工工艺参数。

只有在对以上各加工参数及最终变形之间的关系有了明确的认识之后，才能反过来根据这一关系确定，能够获得所需最终形状的加工参数。

２０１８年８月第４６卷第１５期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｕｇ ２０１８Ｖｏｌ ４６Ｎｏ １５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ １５ ０１１收稿日期：２０１７－０２－２２基金项目：广东省应用型科技研发专项基金项目（２０１５Ｂ０９０９２２０１３）；广东省产学研合作项目（２０１６Ｂ０９０９１８０１７）作者简介：徐金雄（１９９０ ），男，博士研究生，研究方向为自动化装备及技术，数字图像处理㊂Ｅ－ｍａｉｌ：１００７４０５６７９＠ｑｑ ｃｏｍ㊂船体外板成形自动加工系统与关键技术研究徐金雄，程良伦，丘文波，林嘉华（广东工业大学自动化学院，广东广州５１０００６）摘要：针对船体外板自动加工问题，设计了一种水火弯板自动加工系统，并对系统中的关键技术进行了研究㊂该自动加工系统采用龙门式５轴联动设计，从而满足大曲率外板的加工需求㊂此外在三维激光测量技术的基础上，通过坐标系变换㊁轨迹规划和５轴控制量计算方法，实现外板曲面的定位和加工㊂实验测试结果表明：该系统能代替工人进行实际的外板成形加工工作，具有一定的实际应用价值㊂关键词：水火弯板机器人；激光扫描；运动控制中图分类号：ＴＰ２７３㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１５－０４５－５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｃｈｉｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳｈｉｐＨｕｌｌＰｌａｔｅＦｏｒｍｉｎｇＸＵＪｉｎｘｉｏｎｇ，ＣＨＥＮＧＬｉａｎｇｌｕｎ，ＱＩＵＷｅｎｂｏ，ＬＩＮＪｉａｈｕａ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｓｈｉｐｈｕｌｌｐｌａｔｅ，ａｋｉｎｄｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｗａｔｅｒｆｉｒｅｂｅｎｄｉｎｇｐｌａｔｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ５⁃ａｘｉｓｇａｎｔｒｙ⁃ｌｉｎｋｅｄｄｅｓｉｇｎｗａｓｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｓｏａｓｔｏｍｅｅｔｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌａｒｇｅｃｕｒｖａｔｕｒｅｓｈｉｐｈｕｌｌｐｌａｔｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ３Ｄｌａｓｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄ５⁃ａｘｉｓｃｏｎｔｒｏｌｑｕａｎｔｉｔｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｏｒｅａｌ⁃ｉｚｅｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｔｈｅｈｕｌｌｐｌａｔｅ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｓｔｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｃａｎｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｗｏｒｋｅｒｓｆｏｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｗｏｒｋｏｆｔｈｅｈｕｌｌｐｌａｔｅ，ｗｈｉｃｈｈａｓｃｅｒｔａｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗａｔｅｒｆｉｒｅｂｅｎｄｉｎｇｒｏｂｏｔ；Ｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇ；Ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ０㊀前言船体外板曲面的成形加工是船舶制造的关键及重要环节之一㊂目前国内外船厂主要采用水火弯板工艺对船体外板进行加工，即采用燃气火焰在钢板表面进行局部线状加热，当加热区达到一定温度后再用水或空气降温，利用金属的热弹塑性收缩变形原理，以获得良好的整体变形㊂由于成形的影响因素较多，有板材的形状参数㊁加工参数㊁热源㊁边界条件㊁冷却方式等，使得这门工艺只能依靠经验丰富的工人来手工实施㊂这种依赖于经验的加工工艺方法，存在生产效率低㊁加工时间长㊁质量波动大㊁精度难以控制等问题［１－４］㊂因此，在数字化造船和中国制造２０２５的环境下，各船厂都希望实现水火弯板工艺过程的自动化㊂要实现工艺过程的自动化，关键在于如何在加工钢板上自动规划出加热轨迹让机器人执行㊂针对这一问题，陈尤力［５］和黄浩坚［６］提出了一种加热轨迹专家规划方法㊂该方法先对目标曲面的焰道经验规则进行总结，然后通过规则推理的方式实现加热轨迹的自动规划㊂由于规则库不完善，该方法只适用于小部分船体外板的加热轨迹规划㊂ＳＥＯＮＧ等［７］提出了一种几何高度差加热轨迹规划方法㊂该方法先比较目标曲面和加工曲面之间的偏差，然后通过迭代方式找到偏差量最大的点作为焰道点，实现了波浪形钢板曲面的自动加工㊂但该方法只能对单向曲率变化的外板进行加工，而大部分船体外板都具有双向曲率，所以实际应用价值较低㊂ＳＥＯＮＧ等［８］和陈伟［９］提出了一种基于曲面展开的加热轨迹规划方法㊂该方法的原理是把船体外板曲面看成由许多足够小的平面连接而成，然后保持每块小平面形状不变，按一定规律把整张曲面展开铺平，展开后出现的裂缝，即为加热轨迹的位置，其大小即为目标收缩量㊂但该方法难以解决部分可展外板曲面的加热轨迹规划问题㊂目前国内外还没有一种完全能解决各种船体加热轨迹自动规划的方法，导致现有弯板机器人难以实现对各种类型的船体外板进行自动加工㊂与上述研究不同，作者打算采用一种折中方法来实现水火弯板工艺的自动化㊂该方法先利用三维激光测量技术，获取加工外板曲面的三维信息，并在计算机中进行三维重构㊂然后工人根据自身的知识经验，在计算机中画出加热轨迹㊂最后将轨迹坐标转化为机器人的控制量，让机器人执行㊂该方法回避了目前加热轨迹规划方法所存在的问题，减轻了工人９０％的劳动量，并从某种程度上实现了工艺流程的自动化㊂１　硬件系统设计文中所研制的船体复杂外板成形自动加工系统，其硬件主要包括三维激光扫描仪和龙门式水火弯板机器人㊂其中，三维激光扫描仪主要用于获取加工钢板的三维轮廓信息，运动控制系统则负责控制末端的火枪头对钢板实施加工㊂１ １㊀扫描检测系统设计扫描检测系统由三维激光扫描仪和防尘装置组成㊂其中，扫描仪采用美国某公司生产的型号为Ｆｏｃｕｓ３Ｄ１２０的三维激光扫描仪㊂该扫描仪通过对红外波段频率的激光幅度进行正弦调制，然后根据调制光往返扫描仪与目标物间距离所产生的相位差计算出待测距离㊂测量速度达９７ ６万点／ｓ，测量精度达为２５ｍ内的系统误差不大于ʃ２ｍｍ㊂而扫描仪的安装位置和工作方式，如图１所示，安装在龙门架的横梁中部位置，并通过倒挂方式采集加工钢板的轮廓信息㊂图１㊀扫描检测系统实物图防尘装置是扫描仪的附加装置，主要作用是避免扫描仪长时间暴露在粉尘较大的工作环境下从而降低测量精度㊂如图１所示，该装置的组成包括：防尘罩㊁底板㊁气动装置㊁伺服电机和ＰＬＣ等㊂其中防尘罩与气动装置相连接，并通过ＰＬＣ控制气动装置带动防尘罩上升和下降㊂在底板上安装扫描仪，通过齿轮与伺服电机相连接，并通过ＰＬＣ控制伺服电机实现底板的正向和反向旋转㊂当扫描仪待机时，底板与水平面平行，防尘罩下降完全罩住扫描仪；当扫描仪工作时，防尘罩先上升到最高位置，然后伺服电机带动底板旋转１８０ʎ，使扫描仪处于倒挂状态㊂１ ２㊀龙门式水火弯板机器人设计（１）机器人本体设计结合实际加工需求，此运动控制系统采用龙门式五轴联动设计（Ｘ，Ｙ，Ｚ，ＲＸ，ＲＺ），并在末端安装带有火枪头的十字滑块（Ｌ１，Ｌ２）和带有水枪的跟踪轴Ｈ，如图２所示㊂各轴的功能设计和参数如下：Ｘ轴移动装置㊂Ｘ轴的功能是控制整台装置沿Ｘ方向平移，行程设定为１２ｍ㊂考虑到装置的质量和驱动问题，Ｘ轴采用２个功率为３５００Ｗ的伺服电机作为驱动单元，分别安装在轨道的两侧㊂此外在两侧路轨上，各安装了２个接近式限位开关（共４个），起安全保护和定位校准作用㊂Ｙ轴移动装置㊂Ｙ轴的功能是控制整台装置沿Ｙ方向平移，行程设定为４ ５ｍ㊂采用１５００Ｗ的伺服电机作为驱动单元，并在龙门架横梁的两端各安装了１个接近式限位开关，起安全保护和定位校准作用㊂Ｚ轴移动装置㊂Ｚ轴的功能是控制整台装置沿Ｚ（高度）方向平移，行程设定为２ ７ｍ㊂伺服电机功率为１５００Ｗ㊂滑轨端头要有２个接近式限位开关，起安全保护和校准定位作用㊂ＲＸ轴旋转装置㊂ＲＸ轴可以控制火枪头部分绕Ｘ轴旋转ʃ６０ʎ，伺服电机功率为５００Ｗ㊂此外，在行程的末端装有２个接近式限位开关，起安全保护和定位校准作用㊂ＲＺ轴旋转装置㊂ＲＺ轴可以控制火枪头部分绕Ｚ轴旋转ʃ９０ʎ，伺服电机功率为５００Ｗ㊂此外，在行程的末端装有２个接近式限位开关，起安全保护和定位校准作用㊂十字滑块（Ｌ１轴，Ｌ２轴）㊂十字滑块由２个行程方向相互垂直的直线伺服电机组成，２个伺服电机的功率为４００Ｗ㊂该模块通过圆弧插补技术，带动火枪头在空间平面上做圆弧运动㊂水枪跟踪轴Ｈ㊂Ｈ轴的作用是调整水枪头的位置，其运动方式为绕火枪头旋转ʃ１５０ʎ，伺服电机功率为４００Ｗ㊂图２㊀龙门式水火弯板机器人实物图㊃６４㊃机床与液压第４６卷（２）控制系统设计运动控制系统的控制部分，主要由工业计算机㊁控制器和伺服系统控制器组成㊂其中，工业计算机主要作用是提供人机交互界面，为用户提供服务，与成形装备控制器相连接输出控制命令和接收反馈信息；成形装备控制器主要为Ｔｒｉｏ运动控制器和ＰＬＣ控制器，实际中根据控制指令对各个轴进行控制，并通过脉冲编码机制获取各轴的位置信息；伺服系统控制器与伺服电机驱动器相连接，根据设定的程序直接输出脉冲，控制各轴的电机运动㊂２　关键技术研究２ １㊀坐标系转换方法由于三维扫描仪的测量坐标系与弯板机器人的运动坐标系不一致㊂因此在进行相关处理前，需要将测量数据的三维坐标系转换到机器人的运动坐标系下㊂为实现这一流程，取加工平台上的３个角点作为公共点，用于计算测量坐标系到运动坐标系的旋转平移矩阵㊂具体的转换过程如下：（１）公共点坐标提取㊂任意取水火弯板加工平台上的３个角点作为坐标系变换的公共点㊂然后分别在机器人运动坐标系下和三维测量坐标系下，提取这３个公共点的三维空间坐标㊂（２）公共坐标系建立㊂以３个公共点其中的一点作为公共坐标系的原点，以原点和另外一个公共点的连线方向作为公共坐标系的Ｘ轴方向，以垂直于３个公共点形成平面的方向作为公共坐标系的Ｚ轴方向，建立直角坐标系㊂（３）正㊁逆变换矩阵计算㊂假设在运动坐标系或测量坐标系中，３个公共点的坐标分别为（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）（ｉ＝１㊁２㊁３），则将其坐标系转换到公共坐标系的正变换矩阵为：ｘᶄｉｙᶄｉｚᶄｉéëêêêùûúúú＝ｘｉ－ｘ１ｙｉ－ｙ１ｚｉ－ｚ１éëêêêêùûúúúúＴｃｏｓγ１ｓｉｎγ１０－ｓｉｎγ１ｃｏｓγ１０００１éëêêêùûúúú㊃ｃｏｓβ１０－ｓｉｎβ１０１０ｓｉｎβ１０ｃｏｓβ１éëêêêùûúúú１０００ｃｏｓα１ｓｉｎα１０－ｓｉｎα１ｃｏｓα１éëêêêùûúúú（１）式中：γ１＝－ａｒｃｔａｎｙ２－ｙ１ｘ２－ｘ１æèçöø÷，㊀β１＝－ａｒｃｔａｎｚ２－ｚ１ｘ２－ｘ１æèçöø÷，α１＝－ａｒｃｔａｎｚ３－ｚ１ｙ３－ｙ１æèçöø÷㊂公共坐标系到运动坐标系或测量坐标系的逆变换矩阵为：ｘｉｙｉｚｉéëêêêêùûúúúú＝ｘᶄｉｙᶄｉｚᶄｉéëêêêùûúúúＴ１０００ｃｏｓα２ｓｉｎα２０－ｓｉｎα２ｃｏｓα２éëêêêùûúúú㊃ｃｏｓβ２０－ｓｉｎβ２０１０ｓｉｎβ２０ｃｏｓβ２éëêêêùûúúúｃｏｓγ２ｓｉｎγ２０－ｓｉｎγ２ｃｏｓγ２０００１éëêêêùûúúú＋ｘ１ｙ１ｚ１éëêêêêùûúúúú（２）式中：α２＝ａｒｃｔａｎｚ３－ｚ１ｙ３－ｙ１æèçöø÷，㊀β２＝ａｒｃｔａｎｚ２－ｚ１ｘ２－ｘ１æèçöø÷，γ２＝ａｒｃｔａｎｙ２－ｙ１ｘ２－ｘ１æèçöø÷㊂（４）坐标系变换㊂将所有测量数据的三维坐标乘以测量坐标系到公共坐标系的正变换矩阵，使测量数据转到公共坐标系下㊂然后，将测量数据乘以运动坐标系到公共坐标系的逆变换矩阵，使测量数据转换到运动坐标系下㊂具体过程如图３所示㊂图３㊀测量坐标系到运动坐标系变换示意图２ ２㊀加热轨迹规划方法在所设计的船体外板成形自动加工系统中，加热轨迹的规划主要通过工人在人机界面进行规划㊂这样可以充分利用丰富的经验知识，解决轨迹规划这一难题㊂具体的规划过程如图４所示，包括以下４个步骤：（１）工人通过人机交互界面中的三维图形操作按钮调整加工曲面的视角坐标系，然后通过轨迹绘制工具在屏幕上绘制出若干条平面曲线；（２）按一定的距离间隔在每一条绘制曲线上抽取若干个轨迹点的平面坐标，即轨迹的Ｘ㊁Ｙ坐标；（３）在视角坐标系下，通过投影方式找到外板曲面上与轨迹点Ｘ㊁Ｙ坐标相同的点，并提取出来，从而得到每条加工轨迹的三维坐标；（４）将加热轨迹的三维坐标变换到运动坐标系下，从而得到加热轨迹的实际坐标㊂㊃７４㊃第１５期徐金雄等：船体外板成形自动加工系统与关键技术研究㊀㊀㊀图４㊀焰道绘制过程其中，屏幕上的曲线生成方式是通过多段Ｂｅｚｉｅｒ曲线平滑衔接而成㊂而每一段Ｂｅｚｉｅｒ曲线的生成只需在屏幕相应位置点击鼠标４次即可㊂这４次所对应的动作效果如图５所示，分别为：第１次点击，确定分段曲线起点位置；第２次点击，确定分段曲线终点位置；第３次点击后，确定分段起点附近的Ｂｅｚｉｅｒ控制点的位置；第４次点击，确定分段终点附近的Ｂｅｚｉｅｒ控制点的位置，生成曲线㊂图５㊀Ｂｅｚｉｅｒ曲线的生成过程２ ３㊀机器人控制量计算方法（１）机器人运动建模根据图１和图６的弯板机器人各运动轴的设计可知，对Ｘ轴㊁Ｙ轴和Ｚ轴进行联动控制，可实现弯板机器人末端的火枪在三维空间中平移；对ＲＸ轴和ＲＺ轴进行联动控制，可调整火枪在空间中的摆角，即火枪的指向㊂假设，火枪长度为Ｌ（含火枪长度和火焰内焰长度），各轴的位置量为（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ，θｒｘ，θｒｚ），则火枪末端的三维空间坐标值为：ｘ＋Ｐｘ＋Ｌｓｉｎθｒｘ㊃ｃｏｓθｒｚｙ＝Ｐｙ＋Ｌｓｉｎθｒｘ㊃ｓｉｎθｒｚｚ＝Ｐｚ－Ｌｃｏｓθｒｘìîíïïï（３）火枪的指向，即火枪所在的单位法向量：ｎＬ＝（ｓｉｎθｒｘ㊃ｃｏｓθｒｚ，ｓｉｎθｒｘ㊃ｓｉｎθｒｚ，－ｃｏｓθｒｘ）（４）图６㊀龙门式５轴弯板机器人结构图（２）５轴位姿计算假设加工轨迹上各点的三维坐标为Ｓｉ＝（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ），（ｉ＝１，２，．．．．．．，Ｎ），各点在钢板曲面上对应的单位法向量为ｎＳｉ＝（Ｆｘｉ，Ｆｙｉ，Ｆｚｉ），（ｉ＝１，２，．．．．．．，Ｎ）㊂在水火弯板技工过程中为保证加工效率，一般需要保持火枪垂直于钢板曲面，此时有ｎＬｉ＝ｎＳｉ㊂则根据式（４）可得到：Ｆｘｉ＝ｓｉｎＰｒｘｉ㊃ｃｏｓＰｒｚｉＦｙｉ＝ｓｉｎＰｒｘｉ㊃ｓｉｎＰｒｚｉＦｚｉ＝－ｃｏｓＰｒｘｉìîíïïï（５）对式（５）进行变换，可得ＲＸ轴和ＲＺ轴在轨迹各点上的位姿为：θｒｘｉ＝ʃａｒｃｃｏｓ（－Ｆｚｉ）θｒｚｉ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｆｙｉ／ｓｉｎθｒｘｉ）{（６）式中：当Ｆｙｉȡ０时θｒｘｉ取正号；当Ｆｙｉ＜０时θｒｘｉ取负号㊂确定ＲＸ轴和ＲＺ轴的位姿后，根据式（３）反推出Ｘ轴㊁Ｙ轴和Ｚ轴在轨迹各点上的位姿为：Ｐｘｉ＝ｘｉ－Ｌｓｉｎθｒｘｉ㊃ｃｏｓθｒｚｉＰｙｉ＝ｙｉ－Ｌｓｉｎθｒｘｉ㊃ｓｉｎθｒｚｉＰｚｉ＝ｚｉ＋Ｌｃｏｓθｒｘｉìîíïïï（７）（３）５轴分速度计算假设火枪末端的线速度目标设定值为ｖａ㊂为计算各轴的分速度，文中采用微积分思想，将加工轨迹分割成Ｍ条非常短的曲线段，每条曲线段都可近似看作是一条直线㊂则火枪在每条曲线段的运动时间可通过下式进行近似计算：Δｔｉ＝Δｄｉ／ｖａ（ｉ＝１，２，３，．．．．．．，Ｍ）（８）式中：Δｄｉ为曲线段首尾点的直线距离㊂然后，根据式（６）和（７），可计算出５个轴在每条曲线段首尾点处的位移量（ΔＰｘｉ，ΔＰｙｉ，ΔＰｚｉ，Δθｒｘｉ，Δθｒｚｉ），此时５个轴在每条曲线段内的移动速度可近似为：ｖｘｉ＝ΔＰｘｉ／Δｔｉｖｙｉ＝ΔＰｙｉ／Δｔｉｖｚｉ＝ΔＰｚｉ／Δｔｉｖｒｘｉ＝Δθｒｘｉ／Δｔｉｖｒｚｉ＝Δθｒｚｉ／Δｔｉìîíïïïïïï㊀（ｉ＝１，２，．．．．．．，Ｍ）（９）㊃８４㊃机床与液压第４６卷３㊀实验测试为验证文中所提出的方法，以编号为Ｄ３２－ＣＡＳ的外板作为实验测试对象，其形状如图７所示㊂然后开启激光扫描仪对钢板的三维轮廓进行测量，获取加工外板的三维数据，其测量过程如图８所示㊂然后根据上述内容对测量数据进行坐标系转换，并通过工人在人机界面中画出加热轨迹，结果如图９所示㊂接着根据上述内容计算出弯板机器人的运动控制量，并输入到机器人控制系统中让机器人执行，结果如图１０所示㊂由现场加工图片可知，此系统和方法能满足船厂的外板加工需求，减轻工人９０％的工作量㊂图７㊀Ｄ３２－ＣＡＳ外板实物图图８㊀加工外板的扫描检测图９㊀焰道规划结果图１０㊀成形自动加工４㊀总结水火弯板成形加工是船体外板加工的重要工艺，也是整个船舶生产制造中的一个不可或缺环节㊂研制新一代水火弯板自动化装备及突破相关关键技术，将提高船体外板加工效率和质量，促进船舶业的转型升级㊂实际测试表明，所研制的船体复杂外板成形加工装备具备数字化测量和非接触式自动加工能力，能满足船体的大部分外板的加工需求㊂参考文献：［１］刘平革，胡怀建，程利民，等．船舶三维数控弯板的研究现状及实际应用［Ｊ］．船舶标准化工程师，２０１６，４９（４）：２７－２９．ＬＩＵＰＧ，ＨＵＨＪ，ＣＨＥＮＧＬＭ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄＰｒａｃｔｉｃａｌＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｈｉｐ３ＤＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＢｅｎ⁃ｄｉｎｇＰｌａｔｅ［Ｊ］．ＳｈｉｐＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒ，２０１６，４９（４）：２７－２９．［２］ＰＡＲＫＪ，ＫＩＭＤ，ＨＹＵＮＣ，ｅｔａｌ．ＴｈｅｒｍａｌＦｏｒｍｉｎｇＡｕｔｏｍａ⁃ｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣｕｒｖｅｄＨｕｌｌＰｌａｔｅｓｉｎＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ：Ａｎａｌｙ⁃ｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅ⁃ｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２０１６，２９（３）：２８７－２９７．［３］汪骥．水火弯板自动化加工工艺的关键技术研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００６．［４］潘伟杰，程良伦，王涛，等．一种水火弯板外板曲面表面火路定位算法［Ｊ］．图学学报，２０１５，３６（５）：６９７－７０２．ＰＡＮＷＪ，ＣＨＥＮＧＬＬ，ＷＡＮＧＴ，ｅｔａｌ．ＡＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＰｌａｔｅＳｕｒｆａｃｅｉｎＬｉｎｅＨｅａｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｒａｐｈｉｃｓ，２０１５，３６（５）：６９７－７０２．［５］陈尤力．水火弯板专家系统研究［Ｄ］．镇江：江苏科技大学，２０１５．［６］黄浩坚．智能水火弯板成形机器人专家系统［Ｄ］．广州：广东工业大学，２０１６．［７］ＳＥＯＮＧＷＪ，ＡＨＮＪ，ＮＡＳＪ，ｅｔａｌ．ＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌＡｐｐｒｏａｃｈｆｏｒＦｌａｍｅＦｏｒｍｉｎｇｏｆＳｉｎｇｌｅＣｕｒｖｅｄＳｈｉｐＨｕｌｌＰｌａｔｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，２１０（１３）：１８１１－１８２０．［８］ＳＥＯＮＧＷＪ，ＪＥＯＮＹＣ，ＮＡＳＪ．ＳｈｉｐＨｕｌｌＰｌａｔｅＦｏｒｍｉｎｇｏｆＳａｄｄｌｅＳｈａｐｅｂｙＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌＡｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３（１１）：１８８５－１８９３．［９］陈伟．船体板水火弯板成形焰道布置优化研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２０１３．（责任编辑：卢文辉）㊃９４㊃第１５期徐金雄等：船体外板成形自动加工系统与关键技术研究㊀㊀㊀。

船体外板水火成型工艺参数预报系统设计与实现在造船生产过程中，会出现一系列的问题，导致船舶生产存在安全隐患，其中船体双曲度外板水火加工成型自动化是最严重的问题。

为了解决这一问题，文章对船体外板水火成型工艺参数预报系统设计与实现进行了研究，通过分析系统的特点、阐述功能设计形式、概述系统的实现与应用效果，对文章进行深入的剖析，通过文章的研究，能够充分得出，依据该系统的设计形式与实现效果，在船体双曲度外板水火加工成型自动化问题上能够得到有效地解决，确保安全性能。

标签：船体外板；水火成型工艺；参数预报；系统设计引言在造船生产过程中，水火弯板加工工艺方法较为常见，其以技术性强、难度大的板材加工形式被人们广泛应用，主要应用于船体双曲度的外板曲面成型方面。

依据当前造船厂的情况，老工人退休，年轻工人对该工艺方法掌握不够娴熟，出现工艺断层的危险。

为了有效解决这一状况，相关部门采取了一系列的方式，引入了船舶设计软件系统，在此基础进行研究，开发出了船体外板水火成型工艺参数预报系统。

该系统的设计与实现对于造船事业来说，具有一定的影响。

因此，文章的研究势在必行。

1 系统的特点分析船体外板水火成型工艺参数预报系统在其设计与实现过程中，要依据其自身的特点，具体特点形式包括以下几个方面：首先，高技术的焰道预报系统。

在系统构成方面主要是帆型与鞍型外板展开与加工集成形式，在系统形成过程中，主要采取了高精度的外板展开方式，在此基础上对进入焰道的模块予以优化，进而提供有效的数据与加工信息。

焰道预报系统主要指的是焰道的具体位置、有效长度以及加工的时间等，对这些内容的有效数据进行提炼，与此同时，将船体曲型外板的加工与火工进行校正，以提炼出有效的数据；其次，为船厂使用提供批量处理。

在许多船厂在进行船体生产设计过程中，大多采用批量处理的方式，能够有效地提高船体生产中钢板的利用率以及生产效率[1]。

运用该系统，可以有效的将单个或者是多个形式组成批量予以处理，在实施批量处理的过程中，其计算方式较为灵活，既可以依据批量概念进行选取，也可以按照人工形式按次序选取；最后，该系统具有灵活的数据接口。

船体火工矫正原则工艺1. 火工矫正的作用原理船体结构的火工矫正，就是利用金属局部受热后，所引起的新的变形去矫正原先的变形。

而非始4）利用刚性约束能加大热塑变形量的原理进行矫正。

如果取水冷却的火工矫正办法，让周围的金属尽量保持冷却以提高周围约束的刚性，从而增大矫正效果；5）利用预应力进行矫正。

如果用辅助工夹具等，以使冷金属区域预先有一个附加的应力压缩加热区金属，促使压缩应力提早达到屈服点，而加快热塑变形以增大矫正效果。

2.2 加热方法方 法优缺点、适用范围线状加热法加热线宽度一般为钢板厚度的0.5~2倍，矫正质量好、效率高，适用于矫正板架、变形“瘦马”变形,板架的起伏波浪变形等.点状加热法各点直径一般不小于15mm,变形量越大,点与点距离越小,一般为50~100mm,加热参数易掌握、但速度慢、工效低.三角形加热法适用于矫正较大构件的弯曲变形.2.3 按冷却方法划分方 法优点、适用范围常规矫正法（空冷法）用于矫正各种钢结构。

水火矫正法用于矫正低碳钢等。

2.4 火工矫正参数1）火工矫正参数包括火焰性质、火焰功率、加热温度、加热区规格、火焰至工件表面距离；火焰一般采用氧-乙炔焰。

2）钢板四边波浪变形时，加热长度一般为板宽的1/2~1/3，加热距离视变形越大，距离越近，一般50~200mm。

矫正厚钢板弯曲变形时，加热深度不超过板厚的1/3。

3）加热点至工件表面的距离应以能获得最高的热效率为宜。

水火矫正厚度为5~6mm 钢板时，水火间距离为约25~30mm。

4)低碳钢火焰矫正时,常采用600°C~800°C的加热温度,一般不超过850°C。

一般凭钢材的颜色判断加热温度，见下表：颜色温度（°C）深褐红色 550~580褐红色 580~650暗樱红色 650~730深樱红色 730~770樱红色 770~800淡樱红色 800~830亮樱红色 830~900橘黄色 900~1050暗黄色 1050~11503. 火工矫正的时机、范围及处理方法4. 火工矫正的工艺要求4.1矫正前工作状态的要求。

水火弯板项目概况一、研究意义船体外板曲面的成型加工是船舶制造的关键及重要环节之一。

各种船舶的外表面大多都是由复杂的、不可展的空间曲面构成，通常采用燃气火焰在钢板表面局部进行加热，当加热区达到一定温度后再降温，利用金属的热弹塑性收缩变形原理，以获得良好的整体变形，这就是所说的水火弯板工艺。

其中影响钢板变形的因素，有板材的形状参数(板长、板宽、板厚、曲率大小)，加工参数(加热线的长度、宽度及形状、加热速度)，热源(气体火焰、高频感应、激光加热)，边界条件(两端自由、两端支撑、四角支撑)，冷却方式(正面水冷、背面水冷、空冷)等。

二、国内外研究现状目前国内外大部分造船厂的水火弯板工艺都是由技术熟练的造船工人凭借长期积累的加工经验按照这个一般过程操作的。

而这种经验型的手工加热模式存在如下的不足:①水火弯板加工经验需要在长期的加工实践中获得，培养一名有经验的技工很不容易。

工作环境比较艰苦，劳动条件也较差，因此随着老工人的退休，很多青年工人不愿意从事这一工种。

②手工加热型的水火弯板加工存在加工时间长，成形质量不容易控制，难以实现精度控制等困难。

这导致了造船周期长，为后续造船工艺的精度控制设置了障碍。

③当今世界船舶市场的竞争日趋激烈，为了提高自身的造船竞争力，船厂必须在缩短造船周期、提高造船质量和降低造船成本等方面下功夫。

双曲率船体板的水火弯板成形是一个不可或缺的造船工艺，而手工加热型的水火弯板加工在成形效率和成形质量上都不能满足现代造船生产的迫切要求。

因此，水火弯板研究具有明显的工程应用背景和重要的学术价值，实现水火弯板成形的自动化己经是造船界的共识，必须尽决加以解决。

作为水火弯板工艺的发源地，日本早在二十世纪五六十年代就开始了对此工艺的探索，七八十年代开始了自动加工设备的研究。

1999年日本石川岛播磨重工业株式会社研制出一台曲板成形的自动化加工装置IHI-α。

该装置有以下几个特点[1]：（1）自动计算出曲板的加热路径和加热头热输入率等参数，以及加工后曲板形状变化的误差。

三维曲面船体外板成形加工的新方法王呈方1胡勇1李继先1张灿勇2范正勇2马军伟2（武汉理工大学交通学院1） 430063） （山东硕力机械制造有限公司2） 210007）A Novel Forming Method for 3D Ship Hull Forming Wang Chengfang Hu Yong Li Jixian Zhang Canyong Fang Zhengyong Ma Junwei School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063 1)Shandong Shuoli Machinery Manufacturing Co. Ltd, Shandong 210007 2)Abstract: Different from traditional line-heating forming and rolling forming for ship hull plate in shipyard, a novel forming process for 3D ship hull plate is proposed in the paper. It is multi-point forming mechanism with square press heads, which is reconfigurable die. By adjusting the height of each press head, the upper die and lower die can form. The plate can stamped by the dies. The paper presented the composite and working principle, and experiments for the sail-shaped plate and saddle-shaped plate forming were carried out. The results show it is practical.Keywords: ship hull plate; forming; doubly curvature; reconfigurable die；shipbuilding摘要：国内外船厂通常采用人工操作压力机与水火弯曲相结合的方式进行双曲度船体外板加工，这种方式生产效率低、质量差、环境差，成为造船过程中的瓶颈。