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、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用背景和重要的學術價值,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,所以此設備仍采用傳統(tǒng)的氧一乙炔火焰對鋼板進行加熱。該設備經(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)控感應加熱曲板成形機[10]。該設備采用高頻感應加熱與計算機數(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?;诖耍?007年大連理工大學又設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)了基于關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及面向?qū)ο蠹夹g的水火彎板加工信息系統(tǒng),它是自動化設備的基礎。該軟件系統(tǒng)考慮了不同船廠的成型習慣,既可以適應大船廠的輥彎后板的水火成形,也能夠應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)的確定的基礎理論存在著較大的設計缺陷。 上海交通大學朱枳鋒[17,18]完成了基于固有應變理論的高頻感應加熱彎板成型計算機輔助系統(tǒng)的總體設計,在此基礎上完成了輔助系統(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)和固有應變關系數(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)功能設計建立相應模塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程,應用VisualBasic6.0軟件設計開發(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)人接受的關于水火彎板過程中加工參數(shù)和最終形狀間關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用于工程實踐中。目前國內(nèi)的廣船的設備主要是應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)控設備樣機存在速度不夠理想、缺少與生產(chǎn)設計的數(shù)據(jù)接口和設備穩(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技術成果轉(zhuǎn)化困難,沒有形成成熟的數(shù)控設備產(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力分布與熱源特性參數(shù)的關系,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,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,最終形成集應用軟件、數(shù)控設備、加工工藝技術為—體的曲面成形加工系統(tǒng)。 綜上所述,該研究基礎理論成熟,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。- 配套講稿:
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