船舶艉軸管鏜孔補償系統數字模型的研究

彭 帥,周 宏,劉建峰,董子彰,方治臻

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,江蘇 鎮江 212000;2.上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

0 引言

在船舶加工建造過程中,艉軸管加工工序有著不可逆、連續性的特點,需要在加工過程中進行誤差補償,故而在艉軸管加工測量過程中對其進行加工誤差補償對整個船體建造加工的重要性不言而喻。艉軸管鏜孔是以軸系理論中心線作為加工依據,以圖紙設計尺寸為加工精度要求進行的,加工面為艉軸管前、后鑄件的內表面與端面[1]。宋巧蓮等[2]通過增大支承和導向裝置鏜桿伸長量來提高鏜桿撓性和鏜孔加工質量。趙熹[3]基于數控機床誤差生成機制與構建精度誤差補償模型,提出多體系統理論下的數控機床加工精度幾何誤差預測模型。陸勁宇等[4]通過對過程數據的收集分析,完善變形量的加放方法,保證鏜孔及軸系成型的精度。艉軸管的加工需要多次進行調整和重新校準,這不僅影響艉軸管的鏜孔效率,而且也制約其他建造任務的進行,因此需要將上述人工操作流程進行數字化改造,建立艉軸管鏜孔數字化補償加工系統。

本文應用在線測量技術對艉軸管誤差預測和加工補償進行研究,將現有工況中鏜桿實際工作時的跳動、撓度變形、受力變形及溫度影響等因素一并考慮,通過實時測量及精確反饋控制等手段將鏜孔的各項要求指標達到最優化,并通過增加刀具隨動裝置、刀具引導和支撐裝置,保證深孔加工順利進行、加工質量達到要求。

1 艉軸管鏜削后內壁的誤差測量

艉軸管誤差包括圓度誤差、圓柱度誤差及同軸度誤差等。圓度誤差來源主要有鏜桿兩端軸承旋轉跳動誤差、加工過程振動、鏜排軸剛度低及刀具磨損等。本文采用具有成本低、效率高、測量結果精細及數據可溯等特點的數據采集儀法進行測量并且運用LSC法進行圓度計算。

管內第j個內截面實際圓與其理想圓的表面圓度情況假設見圖1。

Oj—理想圓圓心;aj—理想圓圓心橫坐標;bj—理想圓圓心縱坐標;rj—理想圓半徑;ρij—采樣點;O—圓心;rij—圓心半徑;S1—實際圓輪廓;S2—理想圓輪廓;xij—理想圓采樣點橫坐標;yij—理想圓采樣點縱坐標;i—采樣點橫坐標編號;θ—偏差距離。

xij=rijcos(i-1)

(1)

yij=rijsin(i-1)θ

(2)

(3)

式(1)～式(3)中:i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,l。

(4)

fj=ρij,max-ρij,min

(5)

f=max{fj}

(6)

式中:ρij為艉軸管截面采樣點到最小二乘圓S2的圓心距離;fj為第j個管截面的內表面圓度誤差;f為艉軸管的圓度誤差。

采用等截面測量法進行誤差測量,艉軸管鏜削工作結束后,對艉軸管內壁進行測量:有N個測量圈數,每個圈數對應12個測量點,每個點對應一個數值。選擇不同的圈數,微控制器給出指令信號,測量對應12個點的數值,由數據采集卡傳輸給上位機主控軟件,經軟件系統中的算法計算出艉軸管內壁的圓度誤差。

2 補償系統硬件選型與設計

2.1 控制核心的選型

目前,在工業控制過程中運用的控制方式主要有單片機控制系統、PLC控制系統和基于PC的控制系統等。單片機以較高的性能和較低的價格,應用廣泛,但其開發周期長、抗干擾能力較差;而PLC將計算機技術與自動控制技術相結合,擁有較強的抗干擾能力與可靠性[5]。根據現場加工實際需求,選用西門子S7-1500型工業控制計算機控制艉軸管的自動補償加工。

2.2 主副電機的選型與校核

根據對補償系統的數字化改造方案,需要1個帶動鏜桿進行旋轉鏜孔任務的主電機、2個實現鏜刀自動進給的副電機、2個帶動絲杠進行自動進退刀的副電機、4個調整中間支撐螺栓的副電機。

2.2.1 主啟動電機及主減速器的選型與校核

影響鏜桿轉動的因素中,最主要的是鏜桿的靜力矩和鏜削過程中鏜桿的切向力Fc。現在對鏜桿的靜力矩和鏜桿切向力造成的力矩進行計算,從而完成電機和減速機的選型。

為了確定電機帶動刀具實時補償裝置的切削參數,設計以切削速度Vc、進給量f和背吃刀量ap為變量的三因素三水平正交試驗。根據切削材料、切削效率及現場的條件和工人經驗,給出粗鏜、半精鏜和精鏜切削三要素的三個水平,見表1。

表1 正交實驗因素水平取值表

鏜桿角速度ω9的計算公式如下:

(7)

式中:n2為鏜桿轉速,rad/min。

為保證質量,取n2=60 rad/min,得ω9=2π rad/min。

鏜桿的質量m計算公式如下:

(8)

式中:ρ為鏜桿的材料密度,kg/m3;V為鏜桿的體積,m3;D為鏜桿外徑,m;d為鏜桿內徑,m;L為鏜桿長度,m。

將數據代入式(8),由此可得m=2 590.5 kg。

靜力矩I2的計算公式如下:

(9)

將數據代入式(9),得I2=26.74 kg·m2。

鏜桿力矩的計算公式如下:

M7=I2α

(10)

將數據代入式(10)可得到M7=2.8 N·m。

根據上述計算結果,鏜孔粗鏜時切向力Fc=6 825 N,鏜桿外圈半徑R3=0.125 m,切向力矩M8=FcR3=853 N·m,大帶輪力矩M9=M7+M8=855.8 N·m。

同步帶大輪直徑為同步帶小輪直徑的2倍,故傳動比i4=2,小帶輪力矩M10=427.9 N·m。

綜合考慮鏜削現場的惡劣環境和傳動的平穩性,根據數據選擇YP160L電機,其額定扭矩為98 N·m,電壓為380 V。減速機選擇與電機配套的減速機,減速比為5。

電機額定扭矩M11=98 N·m,減速比i5=5,M11i5=490 N·m>M10,符合要求。

2.2.2 副電機的選型與校核

在進行副電機的選擇時,相比較步進電機,伺服電機更能滿足艉軸管的加工特點,精度更高且具有較好的低頻特性,因此選擇伺服電機作為副電機。經過現場扭力扳手測量,所需安裝的8個副電機最大扭矩為4 N·m就可滿足需求。

T= 9 550P/n

(11)

式中:T為轉矩,N·m;P為功率,kW;n為電機的額定轉速,r/min。

計算得到電機所需額定功率最低為1.26 kW。綜合考慮后選擇了DC130M-05030A5-X型號伺服電機,其額定功率為1 550 W,額定轉速3 000 r/min,額定轉矩5 N·m,滿足數字化改造過程中副電機的所有場景的應用要求。同時選擇了配套的伺服電機驅動器,型號為DCPC-09016-OPE。

3 艉軸管補償系統的控制原理及流程

根據艉軸管鏜孔補償系統的相關需求,對原有鏜孔設備部分機械結構重新設計并進行數字化改造。選裝相應的電機等電氣設備,建立艉軸管鏜孔補償加工系統的數字模型,實現艉軸管鏜孔過程進退刀和中間支撐的自動調節功能、鏜刀刀頭的自動補償功能。其組成見圖2。

圖2 加工補償系統的組成

艉軸管鏜孔誤差補償系統主要由機械系統部分作支撐,電氣控制系統內置電路控制程序。數控加工監測系統和數字化測量系統測得加工過程中機械各部分實時數據及偏差,經數據采集卡把這些數據傳輸到數字化鏜孔數據分析系統中;經過算法,給出合理的控制策略。然后借助微控制器,控制相應的電機及傳動機構進行調整,并向傳感器和上位機發出指令,將采集和調整的數據、加工位置及偏差實時顯示在界面中,實現數字化測量及實時補償調節的功能,保證艉軸管鏜孔的精度和效率。具體的控制策略見圖3。

圖3 數字控制策略實施過程

(1)中間支撐定位微調機構控制過程

中間支撐部分包含水平和垂直2個傳感器。在補償系統的中間支撐定位微調過程中,微控制器對2個傳感器信號進行測量,再經過數據采集卡傳回上位機,經上位機主控軟件中的算法給出調整策略,確定中間支撐部分在水平和垂直方向應該調整的量。由微控制器發送指令給M1～M4電機及傳動機構調整中間支撐的位置。在電機轉動過程中,通過調節中間支撐使得鏜桿撓度最小。

(2)鏜刀實時補償模塊控制過程

鏜刀加工過程中,左右鏜刀的數據由2個傳感器采集。微控制器給2個傳感器信號進行測量,數值由數據采集卡傳回上位機;經上位機主控軟件中的基于神經網絡的BP算法及其內置函數給出鏜刀調整值,由微控制器發送指令給M5、M6電機及鏜刀實時補償機構調整刀具的切削量,并判斷是否超差。該過程可實現超差預警、實時微調等功能,保證鏜孔的精度。

(3)鏜桿及絲杠傳動控制過程

按下啟動按鈕SB1后,鏜桿傳動電機M9工作。在上位機軟件調試界面中按下左右鏜刀啟動按鈕,絲杠電機M7、M8開始工作。當檢測到超差時,絲杠電機和鏜桿電機都停止工作,等待檢查原因后重啟。

4 補償系統的總體結構設計

通過對鏜桿的改造及加裝相應的電氣設備,實現了鏜孔補償加工數字模型系統的構建,其總體布置見圖4。

1—鏜桿傳動部分;2—端部支撐部分;3—鏜刀加工部分;4—中間支撐部分;5—鏜桿主體部分。

4.1 鏜桿傳動部分的設計

傳動部分作為艉軸管鏜孔的動力來源,負責為整個鏜削過程和傳感器測量過程提供相應的動力,其設計方案見圖5。

圖5 鏜桿傳動部分設計

4.2 端部支撐部分的設計

鏜桿的端部支撐部分在原裝置的基礎上加裝了無線位移傳感器裝置,可以在鏜孔的準備階段根據測量數據反復對鏜桿的位置進行調整,直至鏜桿的位置符合要求。鏜桿端部支撐的設計方案見圖6。

圖6 端部支撐部分設計

4.3 鏜刀加工部分的設計和中間支撐部分的設計

鏜刀加工部分重新設計了刀頭裝夾裝置。為其加裝電機實現刀頭的自動進退,并在刀頭的后方加裝了毛刷,及時清掃鏜刀切削產生的鐵屑。在刀頭的對立面設計安裝了無線位移傳感器,當加工結束后將刀頭退下,利用鏜刀架帶動傳感器對艉軸管進行測量。具體設計方案見圖7(a)。

圖7 鏜刀加工和中間支撐部分設計

中間支撐裝置加裝了2個無線位移傳感器和4個伺服電機。傳感器測量鏜桿撓度變化,進而為電機提供數據支持。通過調整4個方向的電機進而控制中間支撐向不同的方向調整,避免人工反復進入艉軸管調整。具體設計方案見圖7(b)。

5 結論

(1)提高艉軸管誤差檢測精度的同時加工補償也更及時,提升了船廠的造船質量;而且,誤差預測能及時排查出加工偏差并及時進行加工補償或超差預警,一定程度上避免了殘次品及廢品的發生。

(2)艉軸管誤差預測和實時補償系統的開發,改善了以往鏜孔因機構復雜、系統剛性等誤差影響因素所導致的加工補償困難的問題,實現了加工誤差可控制、加工過程可優化、加工故障可自主決策、以往事件可自主存儲和學習。

(3)分析了艉軸管鏜孔補償加工系統的相關需求,為補償系統的數字化改造提供方向指引,推進了我國船舶工業加工效率和加工質量雙向提高的數字化改造進程。