船舶工業4.0模式下智能化柔性胎架系統的開發

顧永鳳，謝　榮

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

?

船舶工業4.0模式下智能化柔性胎架系統的開發

顧永鳳，謝榮

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

結合現代精密工程測量技術，針對快速發展的船舶工業對數字化先進造船設備提出的要求，通過將自主開發的柔性胎架系統與造船精度控制技術進行結合，借助三維數據模擬技術，實現測量自動化、螺桿高度調節的自動化，船舶分段高空吊運模式平地軌道化，從而建立真正意義上的“空間分道、時間有序”的順暢工藝流水線，對構建現代造船工藝流程有著較深刻的實際意義。

工業4.0；柔性胎架；工裝設備；精度造船

0　引言

近年來，造船業遭遇發展瓶頸。作為第一造船大國，卻面臨井噴式增長后的發展瓶頸。控制造船成本，提高產品競爭力是保證船舶企業立于不敗之地的主要有效手段。提高造船精度，實現造船信息化是大勢所趨，此關鍵技術的實現將給智能船舶工業4.0發展提供更多的技術支撐。

現代化精密工程測量技術在船舶分段搭載中得到初步的應用，但在分段建造過程中，信息化技術、柔性胎架與現代化精度控制技術還沒有進行結合，把原本上胎以后才能發現的問題提前得到解決，在提高造船精度的前提下成功地將高空作業轉變成平地作業。通過對現代化測量設備(全站儀)和軟件(EcoMarine)的應用研究，為柔性胎架各螺桿的布陣提供數字化三維精度控制方案，使得在螺桿快速自動定位的前提下建造分段與胎架更貼合，代替了傳統管式胎架插銷式的粗調方式，從而大幅度減少備胎時間，大大提高船舶分段的建造質量和效率。

1　柔性胎架系統的創新

1.1柔性胎架系統的結構創新

本文針對傳統胎架適用分段單一、外板變形較大，并使得船舶的建造呈離散式，分析了現代造船生產空間組織方式，通過對數字化柔性胎架系統的開發與應用，建立“空間分道、時間有序”的順暢工藝流水線，對構建現代造船工藝流程有著深刻的實際意義。柔性胎架系統的仿真渲染如圖1所示。

1.導軌　2.滾輪組　3.剛性環孔　4.胎架底座　5.胎架面　6.滑槽　7.電流控制器　8.電線　9.螺桿　10.螺桿高度調節器　11.360°旋轉頭　12.電磁鐵　13.加強肘板　14.胎架底座支柱

具體結構創新表現在：

(1)通過調節螺桿(圖1中9)的高度滿足不同船體曲線的變化。

(2)采用電磁式弧形托板(圖1中11)支撐船體，改點接觸為面接觸，使得船體變形小，磁力大小可隨著船舶分段的不斷完善進行調整。

(3)胎架在指定的軌道上移動代替了傳統利用大型拖車或吊車吊運模式，可節省大型拖車、吊車的投入，減少高空作業，有利于船舶分段的套造。

1.2柔性胎架系統的方法創新

本集成系統以造船工業為背景，綜合運用TSV-BLS力學分析系統和Eco MES精度測量系統，通過TSV-BLS力學分析系統對柔性胎架進行強度校核，確定胎架螺桿的直徑、布置方案、滾輪的數量等，優化柔性胎架結構。借助Eco MES精度測量系統完成螺桿高度的自動測量及信息反饋，通過并比對實物胎架的數據與設計數據，及時快速精確調整螺桿至合適位置，以適應支撐的船舶分段，滿足不同分段的曲度要求。

具體過程：根據柔性胎架適配的船舶分段的大小確定螺桿的個數、布陣、所需的磁場大小；再通過調節可調控的電磁場，實現磁鐵對船體外板的吸附，隨著分段的不斷完善，適時的調整電磁場；當分段完成后，經過軌道拖曳至下一道合攏區域，此時關閉磁場，完成卸載。這種工藝模式打破了原來的離散式造船，使得造船適當流水化。柔性胎架系統的技術方案如圖2所示。

圖2　柔性胎架系統的技術方案

2　智能化柔性胎架系統的實現

2.1胎架的數據采集

造船精度控制是船舶制造過程中一項重要的內容，應用高精度全站儀的測量系統可為精度控制提供坐標數據采集及輔助計算與分析功能，以達到提高造船質量與效率的目的。Eco MES是一款基于PDA的軟件，它可以和全站儀進行連接，將測量所得的現場實物胎架的數據與設計數據進行對比。

胎架的數據采集是通過攜帶Eco MES軟件的PDA與全站儀及附件組成。PDA與全站儀通過數據線或藍牙等相連，全站儀測量得到的實際數據直接顯示在PDA上，通過對比螺桿高度測量的實際數據與其分段貼合處理論高度值，正確指導螺桿高度調整范圍，將原本上胎后才發現的高度問題在分段上胎前得以解決。柔性胎架系統的自動數據分析系統如圖3所示。

圖3　柔性胎架系統的自動數據分析系統

2.2胎架的數據分析

三維精度管理軟件Eco BLOCK是以三維CAD為基礎，在三維空間與設計值對比，進行分析/轉換/計算等作業，然后進行管理、分析生產胎架的精度數據，使用繪圖/模板功能制作2D檢測表格。具體實施方案如下：

(1)將PDA(Eco MES)上的實物胎架測量文件發送到電腦里(Eco BLOCK)。

(2)讀取胎架設計模型文件，生成管理點。

(3)打開實物胎架測量文件，鏈接測定點和設計點。以胎架某處為基準，調整胎架的最優狀態，并確定胎架的精度偏差，使偏差主要集中在Z方向。

(4)最后輸出三維校對表格，以此為依據進行修正，最大限度減少一道工序的休整量。

原理示意如圖3所示。

2.3胎架與分段的模擬搭載

Eco OTS是一款三維模擬搭載軟件,它對搭載過程中可能出現的構件干涉/段差不良等問題提前進行預測并處理，以此來實現一次性定位。模擬搭載就是預先了解要與胎架切合的船體分段精度偏差值及作為基準的胎架的精度偏差值，在計算機上進行模擬演示并分析偏差原因，提出有效的修正方案，在平臺上進行切割修正，實現吊裝過程在確保精度情況下一次定位。

3　結語

造船設備的陳舊一定程度上抑制了現代造船工業的發展，本文將自主開發的柔性胎架系統與造船精度控制新技術進行結合，實現了造船工裝設備柔性胎架系統的信息集成，使得胎架系統能夠自動精度調整適應不同曲度的分段。該造船技術將推動產業結構調整和優化升級，對提高造船精度、降低造船成本、改善工人的勞動強度、緩解我國的高能耗造船、推動綠色造船以及對貫徹和實施船舶技術設計的標準化、通用化、系列化將有深刻的實際意義。

[1]管官.主船體數字化設計與分段測量數據匹配方法研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[2]顧永鳳，佘建國. 仿真系統中基于成組技術的柔性胎架三維結構設計[J] .艦船科學技術，2015，37(6)：127-129.

[3]袁萍，徐紅昌. 新型造船活絡頭通用胎架的研究[J].船舶工程，2014，36(3)：95-98.

[4]Roh M H,Lee K Y.Improvement of ship design practice using a 3D CAD model of a hull structure [J]. Robotics and Comptureur-Integrated Manufacting，2008, 24(1):105-124.

[5]李光正，宋新剛，徐瑜.基于“工業4.0”的智能船舶系統探討[J].船舶工程，2015，37(11)：58-60，71.

2016-02-20

江蘇海事職業技術學院院級課題“基于TSV-BLS的造船工裝‘柔性胎架’集成系統的開發”(2015KJYB-04)、江蘇海事職業技術學院千帆項目“船舶柴油機尾氣處理技術研究”階段性成果之一。

顧永鳳(1981—)，女，碩士，講師，從事數字化造船方面的教學與研究。

U671.99

A