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1、 水火弯板项目概况水火弯板项目概况一、研究意义一、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、国内外研究现状二、国内外研究现状目前国
2、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: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。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。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
3、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-。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。（2）加工过程中能在 PC 机显示屏上对板的实际和理论弯曲状况进行比较和评
4、估，并进行修正。（3）采用数控机器和激光测量器，能连续进行弯曲加工和形状测量。工作台上设有 23 个液压千斤顶，高度可根据选择的弯曲形状自动调节。IHI-系统1软件自动计算出加工方案然后进行加热，在加热时除了钢板翻身需要人工干预外，全部实现了自动化。它的成形速度远高于基于手工操作或工人经验的加工系统，大大减少了加工时间，一个高度复杂的船体曲面以前要 23 天的手工成形，现在只需要 56h，其中还包括 23h 的方案计算时间。日本在精细化造船方面走在了世界前沿。日本钢管公司(NKK)也试制了这样的设备。韩国汉城大学3,4研制了自动水火弯板加工系统，它可以进行船体外板建模、外板展开、加热信息计算、
5、钢板形状的自动测量，该系统已经在合作船厂进行了试用。美国 M.I.T 研制用激光作为热源的全自动水火弯板设备，在薄板水火变形控制研究方面已经有很大的建树5。Atlantic&Edison 焊接研究所有简易自动水火弯板设备。欧洲如西班牙、意大利、丹麦等也试制过自动水火弯板机。中国第一台水火弯板机是由大连理工大学、大连新船重工有限责任公司、清华大学和北京航空航天大学合作研制的，该设备于 2001 年初通过了 863 计划智能机器人验收专家小组的验收，成果水平在当时处于领先地位。该机器人控制器6是基于激光测量的高精度仿型测量系统，实现了三维曲面测量和水火加工测量引导，解决了加工时钢板随机变形引起误差
6、的难题。机器人具有 4 个自由度，可用于复杂曲面钢板水火成型自动加工，提高生产效率 2 倍以上。广船国际7和上海交大于 2005 年底也开发出一台数控水火弯板机。它的加工参数预报系统是基于氧一乙炔火焰对钢板进行的实验研究，所以此设备仍采用传统的氧一乙炔火焰对钢板进行加热。该设备经过试用，加工了大量的船体外板(以帆形板为主)。2006 年广东工业大学采用多轴运动控制系统和三维立体成型的加工方法也研制出一种水火弯板机8,9。该设备的控制系统由多轴运动控制部分和 PLC 控制部分组成。其中多轴运动控制系统是当前先进的开放体系结构的数控系统，它的特征在于：由工控机把运动数据和运动命令传递给多轴控制器，
7、多轴控制器通过伺服驱动器对多轴的电机系统进行联动控制及位置控制。2007 年上海船舶工艺研究所(船舶 611 所)研制出 SGQ 一 1241 数控感应加热曲板成形机10。该设备采用高频感应加热与计算机数字控制，具有自动加热、自动均载支撑、自动测量、自动画线及手动操作等功能。其中的支撑装置11由称重传感器和机电伺服系统构成，它比日本的液压千斤顶所牵涉到的液压伺服系统具有更强的实用性。以上这些设备都是采用龙门架的结构，龙门架结构的优点是结构简单，刚度高，保证定位精度，稳定性能好，不需要太长的机械手臂。此外，还可以将控制主机、伺服驱动器等放置在距离高温区较远的操作平台上。但是移动龙门架结构的不足是
8、体积相对庞大，需要一定的工作空间和专门的工作场地，不适用于随机灵活的工况。基于此，2007 年大连理工大学又设计了适合于大挠度曲面钢板自动化加工的悬臂式水火加工机器人12和适用于现场施工的小型曲面钢板水火加工装置13。在数控水火弯板机的加工过程中，加工参数软件系统起着至关重要的作用。数控系统上的激光测量仪能够测出钢板的初始形状，如板长、板宽、曲率大小等，然后由加工参数软件系统自动计算出所需要确定的加工参数以达到目标形状，如在钢板不同位置上的加热线长度、加热线宽度、加热线形状、加热速度、水冷速度、加热路径等，再由执行机构按照此方案进行加热。所以该软件应该能够科学的给出加工参数及其工艺过程，以代替
9、工人的经验。日本石川岛播磨重工业株式会社的 IHI-系统中，Morinobu Ishiyama(石山隆庸)14通过建立变形场的有限元模型来确定加热方案，并给出了自己的计算软件。韩国汉城大学的 Shin 等人15开发了基于关系数据库管理系统及面向对象技术的水火弯板加工信息系统，它是自动化设备的基础。该软件系统考虑了不同船厂的成型习惯，既可以适应大船厂的辊弯后板的水火成形，也能够应用于中小船厂的完全成形。但其加热时火焰喷头的移动速度需沿加热线分三段变化，这对于实现自动成形是不利的。上海交通大学董大栓16等人基于曲面叠加的加工参数确定的算法开发了一套计算机辅助加工参数确定软件：CAFF 软件(Com
10、puterAidedFlameFormingSystem)。他只是验证了帆形板的加工，而对鞍形板及扭曲板的加工参数的确定的基础理论存在着较大的设计缺陷。上海交通大学朱枳锋17,18完成了基于固有应变理论的高频感应加热弯板成型计算机辅助系统的总体设计，在此基础上完成了辅助系统的开发:能根据制定的加热方案，计算出加热后的平板变形情况；建立了弯板成型加热参数和固有应变关系数据库，并进行了大量热弹塑性有限元计算，完善数据库。大连理工大学开发的水火弯板加工参数的软件系统19-21具有船体外板精确展开计算、水火弯板变形规律数学模型、船体外板水火加工焰道布置优化、船体外板加工用见通数据计算、与船舶设计软件T
11、ribon 系统的集成连接、系统的工程数据库等功能，并根据系统功能设计建立相应模块和系统结构流程，应用 VisualBasic6.0 软件设计开发了水火成形工艺参数预报系统。它是国内最先进的弯板加工信息的软件系统，并且在不断的日益完善。三、水平和发展趋势三、水平和发展趋势在现代造船生产中，从前期的船舶设计、板材号料和下料，到后期的船体装配都已基本实现计算机化、机械化和自动化流水线。船体外板的水火加工是整个造船工艺体系中一个不可或缺的环节，它的加工模式无论是在加工速度上还是在成形质量上都拖了现代造船的后腿，这个工艺上的技术革新已是现代船舶制造业迫在眉睫的大事，而且必将带来巨大的经济效益。虽然国内
12、外学者对此问题已经进行了许多有价值的研究工作，但目前弯曲钢板加工这一环节仍靠手工完成的居多，且船板曲面变形受到钢板材质、环境温度、氧及乙炔的流量、喷嘴高度、冷却方式、支撑形式、加热速度、焰道间距和钢板特征等众多因素影响，船板曲面成形机理十分复杂，由于水火弯板过程中最终形状和加工参数间的关系的复杂性，到目前为止仍没有一个可为大多数人接受的关于水火弯板过程中加工参数和最终形状间关系的理论和完美的确定加工参数的方法。即使对于已经取得的结论和方法，或因是其假设条件和工程实际不相符合，或计算过程和步骤过于复杂，或结论仍需作进一步地验证等原因而无法应用于工程实践中。目前国内的广船的设备主要是应用在帆形板的
13、成型过程中，存在加工板形单一，而且工艺软件对加工完不理想的板形不能进行二次计算生成焰道，存在焰道形成过程的数学建模和焰道算法不够完善问题。 同时水火弯板工艺完全实现自动化还有许多有待于完善的地方，例如：数控设备样机存在速度不够理想、缺少与生产设计的数据接口和设备稳定可靠性急需提高等问题，并且在智能化、集成化以及精度上与发达国家同类产品有较大的差距，上述因素直接导致相关技术成果转化困难，没有形成成熟的数控设备产品，因此形成了制约造船生产效率的瓶颈，必须进行深层次的研究。四、研究方法四、研究方法（1 1）船板加热变形机理分析、影响因素分析研究；）船板加热变形机理分析、影响因素分析研究；研究钢板热变
14、形机理和应力分布与热源特性参数的关系，通过模拟实验和实测试验，在获得大量工艺参数数据的基础上，研究热源输入功率、移动速度、加热路径、材料特征、几何参数、冷却条件、附加载荷等因素对船板变形的影响，并通过有限元计算得出影响船板变形的主要因素和成型规律。（2 2）三维船板曲面测量技术研究及系统开发）三维船板曲面测量技术研究及系统开发针对船板曲面加热弯板作业环境和工况条件，开发三维船板曲面实时测量技术，实现三维船板曲面多点动态实时测量，形成船板曲面加热弯板的实时三维数据，并通过实验验证系统的可靠性。（3 3）船板曲面热加工成形数据库及专家系统开发）船板曲面热加工成形数据库及专家系统开发在船板曲面加热弯
15、板机理分析研究的基础上，开发船舶集成制造软件系统接口软件，直接抽取船板曲面三维模型与弯板数据进行匹配，形成工艺参数与变形三维数据库，开发船板加工轨迹、加工指令数据知识库、智能推理的专家系统，自动生成确定一次和二次加工成形工艺参数；五、五、技术路线技术路线六、可行性分析六、可行性分析本项目采用热弹塑性有限元方法，通过建立三维热力耦合有限元模型，深入分析船用钢板热加工成形机理和不同参数条件下的成形规律，对成形过程中的变形进行三维实时动态测量，结合工人的实践经验和实验，直接抽取船板曲面三维模型与弯板数据进行匹配，形成工艺参数与变形三维数据库，和船体建造系统软件（如 Tribon） 相连接，根据输出的目标曲面形状，给出优化的加热方案，并能直接输出数控指令和生产管理信息，最终形成集应用软件、数控设备、加工工艺技术为体的曲面成形加工系统。综上所述，该研究基础理论成熟，研究方向明确，思路清晰，研究梯队合理，研究条件具备。通过 大量的计算和实验，在三年内完成研究目标是完全可能的。
