船舶構件自由邊打磨裝置設計

周榮富， 姜 軍， 楊 虎， 郭海平

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

為保證船舶的耐腐蝕性，延長使用壽命，在船舶建造過程中，船體構件需要進行涂裝作業。2012年以來，壓載艙更需要滿足保護涂層性能標準(Performance Standard of Protective Coatings，PSPS)要求。船體結構在切割下料后其邊緣呈現鋒利的直角，直接進行涂裝作業，防腐涂料不易附著，或漆膜表面較易開裂，不能滿足長期的防腐要求。為保證涂裝作業效果，防止漆膜脫落，需要對切割后的船舶構件邊緣進行倒圓角處理，圓角半徑大于2.0 mm。

傳統的船舶構件自由邊處理，由工人手持砂輪片進行打磨，同一軌跡重復3次。目前國內部分船廠利用氣動銑刀代替砂輪片進行船舶構件自由邊的倒圓角工作，只需要1次銑削即可成型，速度提高3倍，且與使用砂輪片相比降低粉塵污染。但在自由邊的上面處理后需要對構件進行翻面，大型構件的翻面需要借助門式起重機等裝置，耗時耗力，影響作業效率，增加人力成本，且對工人的身體健康和環境影響較大[1]。對此，開發船舶構件自由邊打磨裝置，無須翻面即可實現典型肋板結構人孔、減輕孔、流水孔、透氣孔、型材貫穿切口等非焊接邊的上下面(或單面)自由邊處理。

1 生產對象

典型工件如圖1所示。工件切口打磨部位角隅輪廓半徑≥35.0 mm的切口均可實現打磨，主要技術指標如下：材質為船體結構用鋼(AH～EH40級)；尺寸為1.8 m×3.7 m、2.5 m×2.6 m、2.8 m×3.5 m、3.0 m×(8.0～9.0) m；板厚為8.0～45.0 mm；工件打磨邊下料輪廓切割最大誤差為±1.5 mm；工件打磨邊側面斜度誤差為1.5°以內(按10.0 mm板厚誤差為0.3 mm計算)。

圖1 典型工件

2 設計方案

船舶構件自由邊打磨裝置包括1臺三自由度可移動門架和1套構件處理平臺。該裝置與現有技術的區別在于：門架可移動梁安裝用于構件定位的傳感器，門架可移動末端安裝處理船舶構件自由邊的專用銑刀和多維力矩傳感器；在構件處理平臺中嵌入安裝升降支撐柱，用于構件自由邊處理時固定構件，同時為銑刀處理自由邊下邊提供作業空間[2]。船舶構件自由邊打磨裝置總體結構如圖2所示。

圖2 船舶構件自由邊打磨裝置總體結構示例

該裝置是一種橫梁移動式的船舶構件打磨銑削中心，具有良好的剛性，受力均勻、熱平衡性好、精度穩定，由橫梁-滑板-滑枕移動實現x、y、z等3個坐標軸進給。主軸(z軸)帶c軸結構，由伺服電機驅動，可實現在圓弧倒角加工過程中受力方向始終垂直于打磨銑削方向的功能。主軸除可實現工具端的銑削功能外，可實現沿c軸法向方向和重力方向的補償。橫梁、滑板、滑枕由高強度合金鋼焊接而成，經完善的熱處理工藝過程消除殘余應力，采用經有限元法(Finite Element Method，FEM)分析的薄壁多肋部設計是為保證優秀的動態和靜態穩定性。需要配置1套地面支撐平臺用于工件的支撐固定，實現對工件的支撐功能。

3 系統組成

3.1 地面支撐平臺

地面支撐平臺功能為支撐打磨工件，由第三方提供，組成件包括主體鋼結構件、液壓系統、液壓缸及檢測系統等，由倍福可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)及電箱(支撐EtherCAT通信接口)實現支撐平臺的功能控制。支撐平臺的控制PLC與i5數控系統通過信號及信息對接，包括對支撐平臺控制M代碼接口、向支撐平臺PLC提供工件測量的零點位置、向支撐平臺PLC提供主軸實時位置等功能。

3.2 門式傳動系統

門式傳動系統由x軸、y軸、z軸、主軸補償及視覺零點定位等組成，如圖3所示。

圖3 門式傳動系統示例

x軸是縱向運動的門軸，通過循環滾動導軌進行滑動導向。動力系統包括由4個伺服電機組成的雙驅動系統，x軸的每側均由2個電機驅動，通過電機的電預載消除運動部件(齒輪齒條系統)的反向間隙。

y軸通過循環滾動導軌進行滑動導向。動力系統包括：由2個電機組成的雙伺服驅動系統；1套齒輪齒條系統。

z軸通過電機控制帶預緊力的旋轉滾珠絲杠進行運動。滑枕結構內部為管狀、外部為方形增強部分以保證外部的剛性。滑枕底部經相應加工構成安裝c軸的平臺并保證安裝平臺精度。z軸通過循環滾動導軌進行滑動導向。動力系統包括：1套電機驅動系統；1套滾珠絲杠系統。

主軸的c軸結構由伺服電機驅動，可實現圓弧倒角加工過程中的角度調整功能。在主軸的z方向配置1套氣動補償結構，實現在加工過程中主軸始終壓住工件表面，進而保證倒角的一致性。在法向上配置1套力位執行器，用于保證預定力完成主軸加工功能。

工件零點檢測采用視覺式工件檢測，采用視覺識別工件自有特征的方式，如直線、圓弧或角點等特征。由于視覺識別的特征可能已帶有位置和角度信息，因此只需要1個特征。若確定工件尺寸，則需要多個特征，在線視覺識別的特征較為清晰。

3.3 數控系統

該裝置的控制系統選用i5數控系統，該系統為基于低功耗高性能的可編程控制器(Programmable Controller，PC)基礎結構設計，滿足數控機床系統進行操作、編程、調試，對機床參數進行設定和修改，查詢機床系統的運行狀態[3]。

配置包括：高速分布式處理單元(Distributed Processing Unit，DPU)；固態硬盤；電阻式觸摸屏圖形終端；標準按鍵鍵盤；DC 24 V±1.2 V電壓；3 A(最大)電流；通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)接口，USB 2.0，1個；局域網(Local Area Network，LAN)端口，10/100/1 000 Mbit/s，2個；手持設備(可選)。

4 刀具作業路徑

刀具為帶有滾輪結構的專用倒角刀，在加工過程中為滿足主軸頭浮動結構的使用和壽命要求，須在進刀和出刀時按不同方案執行。

外部輪廓相對簡單，為輪轂方向正常加工。

內部輪廓分別按開放區域和閉合區域進行劃分，進刀要求如下：

(1)開放區域。根據加工區域圓角大小及刀具強度，刀具直徑應為50.0～60.0 mm，起刀點應在被加工邊緣中心位置附近，由起刀點進刀，沿加工邊緣向一個方向走刀直至該方向邊緣加工完成再抬刀，回到起刀點重新進刀，沿相反方向加工另外一側邊緣，加工完成再抬刀。加工至邊緣結尾處應避免對面邊緣產生干涉，可提前抬刀。構件自由邊開放區域走刀如圖4所示。

圖4 構件自由邊開放區域走刀示例

(2)閉合區域。起刀點應選擇在c軸0°或負角度位置，即加工區域的右下方。刀具由起刀點下刀，沿加工邊緣逆時針加工直至回到起刀點再抬刀。構件自由邊閉合區域走刀如圖5所示。

圖5 構件自由邊閉合區域走刀示例

在完成直角邊出刀時，應降低轉速或減少推力等以保證刀具刀片的壽命，需要在G代碼和后處理的計算過程中進行判斷和處理。

5 技術路線及關鍵技術

5.1 技術路線

通過數控機床高精定位、末端旋轉主軸可補償z方向和自由邊法線方向相應技術，解決船舶構件上下面自由邊自動打磨問題。技術路線如圖6所示。

圖6 技術路線

5.2 關鍵技術

在實際打磨過程中，工件公差和裝夾誤差較大會造成工件定位不準確。若打磨操作使用固定加工軌跡，則很可能出現不接觸工件或過打磨現象，導致磨削精度降低。為消除工件定位誤差對打磨加工的影響，在打磨過程中通過混合力位控制進行動態打磨軌跡規劃是保證打磨質量的關鍵技術。該技術需要通過打磨控制器獲取打磨頭當前的實時位置信息，即末端打磨工具的坐標值，進而求取打磨運動的法向向量；將六維力矩傳感器實時采集的三維力信息進行重力補償和法向方向轉化；將通過控制策略得到的位移偏移量轉化為打磨頭坐標值，傳遞至打磨裝置控制器，控制打磨頭移動至調整后的位置，實現動態打磨過程中的恒力控制。

6 結 語

船舶構件自由邊打磨裝置可用于船體構件自由邊的智能打磨，無須翻面即可實現典型肋板結構人孔、減輕孔、貫穿孔、流水孔等非焊接邊的上下面打磨。打磨速度達30.0 mm/s，打磨質量完全滿足PSPC要求，達到替代人工的目標。主要突破力位混合控制、打磨對象類型機器視覺識別與定位等關鍵核心技術，實現肋板打磨軌跡智能生成、打磨工藝智能匹配、打磨路徑智能跟蹤等功能。該裝置可完全實現高效優質、長時間肋板打磨作業需求，為船廠現代化工藝裝備更新換代提供保障。