船舶肋骨成型數字化檢測設備研制

韓峻峰，夏義江，馮志強，楊潤黨，甄希金1,，蒙占彬

(1. 北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011；

2. 北部灣大學 廣西船舶數字化設計與先進制造工程技術研究中心，廣西 欽州 535011；

3. 上海船舶工藝研究所，上海 200032)

1 背景

船體建造過程中，船體設計、放樣、展開、號料、切割等均實現了數字化，后續的裝配、焊接也基本實現了機械化和流水作業，對于復雜船舶肋骨完工檢測環節仍然普遍采用手工工藝，這個環節逐漸成為船體建造過程的“瓶頸”[1]。

船舶肋骨成型就是將肋骨腹板邊緣彎曲成與要求肋骨曲線一致的工藝過程[2]，因此，需要一定控制成型和檢測方法在加工過程中實時測量腹板邊緣的變化，以保證肋骨的成型質量。肋骨成型的測量方法，包括比較傳統的測量方法和適用于數控系統的測量方法，傳統的測量方法即為人工對樣測量方法如樣條、樣鐵和逆直線法，這些測量方法適用于傳統的肋骨成型方法，如肋骨的熱加工成型和傳統冷彎加工成型；適用于數控系統的測量方法一般用于肋骨的數控冷彎成型，如端點測量法、適應控制法和弦線測量法，這些方法一般集成到肋骨冷彎機的數控系統中，用于肋骨成型的在線測量。

1.1 應用現狀

目前，船體肋骨的成型方法大致分為冷加工成型和熱加工成型，對于熱加工方法和早期的冷彎成型設備，肋骨的成型檢測一般采用人工對樣的方法，如利用樣鐵（鐵樣）或者樣條或者逆直線方法來檢驗[3]。

傳統樣鐵和樣條的檢測方法，如圖1 所示。該方法需要工作人員反復進行肋骨的成型測量，其檢測結果據人員目測方式確定，因此，樣鐵、樣條測量方法存在工作強度大、檢測精度底的缺點。此外，該檢測方法需要根據肋骨的形狀和尺寸訂樣鐵或樣條，由于肋骨外形多變、尺寸較大的原因，導致樣鐵和樣條的重用性差，需要大量的木材訂制樣鐵或樣條，因此增加了肋骨加工成型的成本，而且樣鐵和樣條需要加工時間，增加了船舶肋骨的加工周期。

圖 1 樣條檢測方法Fig. 1 Spline detection method

在總結樣鐵和樣條不足的基礎上，經過大量的摸索和實踐，出現了逆直線的檢測方法，可通過不斷檢測該曲線是否變直，來判斷肋骨是否加工成所需形狀[4]。該方法首先根據理論肋骨型線在角鋼或T 型鋼上繪制多端樣條曲線，之后進行肋骨的冷加工成型或者熱加工成型，直到樣條曲線變成直線，就表示肋骨加工完成。與樣條和樣鐵的方法相比，逆直線法的應用節省大量材料，減輕了加工檢驗的勞動強度，提高了型材的彎制質量和工藝效率[5]。但是，逆直線法的應用對工作人員的要求較高，要求工作經驗豐富的工作人員。逆直線法的的本質仍是人工對樣檢測，所以不可避免具有以下缺點：通過眼睛觀察成型偏差，精度無法保證；與加工過程相互影響，效率難以大幅提高。

綜上所述，人工對樣測量方式主要存在以下問題：

1）加工精度難以保證。肋骨成型精度由樣鐵、樣條工具精度確定，這些工具大多數為木質材料，受環境影響較大，且測量過程需要眼睛觀察，誤差較大，根據調研，這種加工誤差有時可達20 mm。

2）樣鐵樣條可重用性差。每條肋骨測量完以后樣條、樣鐵就會報廢，浪費了大量的材料，同時還增加了大量的人力物力；在加工現場需要留出空間來存放樣板、樣箱，還要采取措施防止樣板、樣箱發生變形；

3）勞動強度大、效率低。每次測量的時候，工人需要將用樣鐵反復對肋骨的多處進行測量，有時候需要多人同時操作，借助吊車將肋骨移動至樣條曲線處進行肋骨的成型測量，這樣就導致了肋骨成型測量的勞動強度大、效率低。

1.2 發展趨勢

在現代造船生產中，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計算機化、機械化和自動化流水線。船體肋骨加工是整個造船工藝體系中一個不可或缺的環節。目前船舶肋骨成型方法在向數控冷彎成型發展，對肋骨的數控冷彎成型的在線檢測研究取得了一定成果并且已經產業化，肋骨完工檢測依舊采用傳統人工對樣的檢測方法，如何實現數字化、自動化的肋骨完工成型檢測方法，提高其完工檢測速度和質量是亟待解決的技術問題。

2 船舶肋骨成型數字化檢測設備需求分析

2.1 船舶肋骨成型加工過程分析

船體肋骨的加工，首先需要從船舶設計軟件中導出肋骨的理論線型線，并將型線理論數據文件導入數控肋骨冷彎機。一般數控肋骨冷碗機都提供曲線數據的接口，如dxf 文件；其次需要切割下料，肋骨加工一般采用船用型材，如球扁鋼、雙球頭球扁鋼以及T 型材等，如圖2 和圖3 所示。最后，在數控肋骨冷彎機上將型材彎曲成型。

圖 2 球扁鋼及其規格Fig. 2 Bulb flat and its specifications

圖 3 T 型材截面圖Fig. 3 T profile cross section

2.2 影響成型肋骨檢測的因素

2.3 船舶肋骨成型數字化檢測設備功能需求

根據以上規則，所開發的船舶肋骨成型數字化檢測設備應具備如下功能：

1）模型數據接口。具備針對計算機輔助設計軟件三維曲線模型數據（如*.dxf）解析，測量數據點云數據（ru*.dxf）解析，同時支持三維模型顯示狀態控制、位置操作等。

表 1 成型肋骨特征及其環境因素表Tab. 1 Research table on the characteristics of formed ribs and their environmental factors

2）掃描控制模塊。主要包括全站儀控制命令發送、坐標數據接收等功能。

3）點云處理模塊。主要包括重復點提取功能、測量點云的偏置。

4）點云配準模塊。主要包括通過二維矢量的粗匹配，手動控制的配準微調，通過算法進行精確匹配。

5）偏差計算及表示。針對匹配完成的點云，實現偏差計算和顯示的功能，主要包括偏差計算功能、偏差色斑圖顯示、偏差的數據表格顯示和肋骨成型偏差報表功能。

6）肋骨成型偏差數據庫。主要功能包括存儲完肋骨的理論數據、測量數據及其偏差信息，對肋骨成型數據的刪除功能，從肋骨成型偏差數據庫向軟件場景導入肋骨數據功能。

7）人機交互界面。系統界面（模型導入及管理，曲面匹配與偏差計算，偏差顯示配置及可視化），系統操作導向界面（操作流程提示界面）。

2.4 肋骨成型數字化檢測設備性能需求

設定系統各主要功能要達到的性能指標。

1）模型數據接口。

能夠讀入計算機輔助設計軟件（如AutoCAD）輸出的DXF 模型，將肋骨的DXF 模型導入并顯示；

能夠讀入肋骨的測量數據（*.asc）文件并顯示；

具有良好的工作界面，用戶可在界面中對要輸出的信息種類、輸出的文件名和存取路徑等等進行設定或選取。

2）數據處理能力

可支持100 萬以上點云數據的顯示和實施操作，場景的更新幀率不小于20 f/s。

型面匹配（包括特征粗匹配、精確匹配）的時間不大于10 s。

3）硬件掃描時間

對于長度小于12 m 的肋骨，掃描時間小于400 s。

4）精度要求

工作場景為50 m×50 m 時，系統的測量精度小于0.2 mm。

2.5 基本工作流程

1）系統啟動與初始化

打開全站儀、計算機。

2）肋骨掃描及測量點云加載

明確參數配置內容、硬件驅動接口，提供掃描點云預處理方法（簡化）、掃描點云的加載。

圖 4 掃描及型面處理過程Fig. 4 Scanning and profile processing

3）點云去噪功能

根據全站儀的測量模式及測量點云，去除點云的噪聲點及冗余點。

圖 5 掃描及型面處理過程Fig. 5 Scanning and profile processing

4）理論型線加載5）偏差計算6）偏差顯示

偏差顯示功能應包括軟件場景的色斑圖顯示、數據表格顯示及零件報表顯示。

7）肋骨成型偏差數據庫

肋骨成型偏差數據庫，提供從軟件場景導入并增加偏差信息、刪除偏差信息、偏差數據檢索等功能，此外也能將偏差數據添加到場景顯示。

2.6 工作模式

本裝備是肋骨完工檢測使用。全站儀需要固定并提供減震工裝，計算機系統位置可以固定也可以移動，設備需要有電源供電。

圖 6 理論型線加載流程Fig. 6 Theoretical line loading process

圖 7 曲面匹配與偏差計算流程Fig. 7 Surface matching and deviation calculation process

圖 8 偏差顯示Fig. 8 Deviation display

圖 9 肋骨成型偏差數據庫Fig. 9 Rib forming deviation database

3 設備研制的總體方案

以計算機視覺技術為代表的數字化檢測技術具有非接觸、速度快、精度高和成本低等優點，為實現船舶曲板成型過程的精密、高效、低成本、數字化在線檢測提供了可能[6]。針對船舶復雜曲率船板、肋骨的更換、加工過程，以提高船板和肋骨加工效率和成型精度為目標，重點突破數字化在線測量技術、數模匹配與對比技術、檢測結果多形式表達技術，并根據現場條件，研制可在位使用的船板、肋骨成型在線檢測設備。通過對加工過程中曲板型面和肋骨型材的測量，獲取成型過程中曲板、型材的型面點云數據。開發理論型面獲取接口從設計系統中獲取被測曲板、肋骨型面的理論點云數據。通過測量型面點云數據和理論型面點云數據的配準，計算出理論曲面和測量曲面的偏差。最后將偏差數據通過友好的方式反饋給現場工人。

基于光學-AGV 技術的肋骨型線快速測量裝置，是采用全站儀、AGV 小車及相應的配套軟件，實現肋骨型線的快速測量，過程全部自動化，只需要操作人員手動開啟和關閉裝置即可，數據傳輸為無線藍牙傳輸，系統布局如圖10 所示。系統數據傳輸方式采用無線藍牙傳輸，移動靶標沿著肋骨表面運動，全站儀跟蹤靶球并進行定位，實時返回靶球坐標數據給計算機系統，計算機系統實現測量點云的處理和顯示、理論數據加載、點云配準及偏差計算顯示等功能，最后，軟件系統完成肋骨成型偏差數據的存儲和管理等功能。

圖 10 測量系統整體布局Fig. 10 Measuring system overall layout

4 結 語

本文分析船舶肋骨成型數字化檢測的功能需求、技術需求、需要的工作模式等，列出設備研制的總體方案及應用基本流程，實現了肋骨完工檢測數字化、自動化，并據此完成船舶肋骨成型數字化檢測系統的總體方案設計，為船體修造中間產品信息采集設備研制以及以機器人和自決策執行的智能化修造奠定基礎。