船舶智能制造中船體自動化加工技術研究

摘" 要：智能制造為新一代先進制造技術與信息技術的融合方式，現已成為工業生產領域的核心驅動力，而船舶制造業為解決船舶智能制造生產活動中的一些問題，還需要憑借自動化加工技術，提高生產效率。以某船舶制造項目為例，采用文獻分析法、調查法、觀察法等，對船舶智能制造活動進行研究，提出船舶智能制造中船體自動化加工技術措施，實現對船體的精準制造。

關鍵詞：船舶" "智能制造" "船體" "自動化加工技術

中圖分類號：U67

Research on the Ship Hull Automatic Hull Processing Technology in the Intelligent Manufacturing of Ships

LI Ke" XIONG Tingchao" ZHOU Weiping" ZHANG Yuhui

Engineering Ttraining Ccenter， Jiangxi Ppolytechnic Uuniversity， Jiujiang， Jiangxi Province， 332000 China

Abstract： Intelligent manufacturing is a new generation of advanced manufacturing technology and information technology integration， which has become the core driving force in the industrial production field. In order to solve some problems in the intelligent manufacturing production activities of ships， the shipbuilding industry also needs to rely on automated processing technology to improve production efficiency. Taking a certain shipbuilding project as an example， literature analysis， investigation， observation and other methods should be used to study the intelligent manufacturing activities of ships， propose measures for automated processing technology of ship hulls in intelligent manufacturing of ships， and achieve precise manufacturing of ship hulls.

Key Wwords： Ship; Intelligent manufacturing; Hull; Automatic processing technology

當下，船舶自動化加工技術已經廣泛應用于船舶工業智能制造活動中，且能夠隨著入船舶工業的快速發展，把控產品質量并降低生產能耗。但若結合實際來件，船舶配套設備的國產化率占據30%～40%，而某型高技術的船舶自主配套率僅占據5%，對造船工業的發展造成直接影響。因此，相關單位為提高船舶制造項目的生產效率，需合理應用船體自動化加工技術，以優化生產全過程，避免在生產環節消耗過多能源。通過文獻研究法、觀察法等，加強對船體自動化加工技術的研究，按具體船舶制造項目，提出了船舶智能制造中的船體自動化加工技術措施，使船舶智能制造中的船體自動化加工技術得以充分利用，并展開討論，以發揮自動化加工技術在該領域內的應用價值。

1" 船舶制造項目概況

本項目為某公司的船舶生產項目為例，該地占地面積為1 200 m2，總投資金額高達302萬元，預期的投產時間是2023年1月，旨在通過船舶生產范圍的方式，使自身所具備年新造船舶能力可以提高到16 000 t，改裝能夠提升至7 213 t。

2" 船舶智能制造中船體自動化加工技術措施

核心智能裝備開發滯后，使得相關人員應采用自動化技術，加強對船體的加工，引入數控切割技術等，避免產生過多人工操作誤差。

2.1" 合理建設系統框架

國內智能航運與先進領域相比，較為落后并存在所應用信息技術以傳統模式呈現的方式，導致信息系統的開發方法及理論存在滯后的情況。所以，在建設船舶系統框架時，可以引入自動化加工專家系統。

（1）設置4大模塊及7個子系統，包括數據預處理、參數預報、自學習知識庫及數據接口模塊；面三維點云數據處理、火路加工位置、參數預報子系統、曲面檢測、專家知識庫、運動及視覺數據接口、三維加工路徑規劃7個子系統[1]。

（2）架構船舶系統時，還應以點云濾波算法，讓相關人員可以通過三維激光掃描技術，加強對船體外板等區域的測量，獲取點云數據和高頻的噪聲數據等[2]。以三維激光掃描的方式得到m個點云數據，使個點云數據在三維坐標上的位置為：

式（1）中：為根據所有點的移動情況，單位為m/s；為坐標上獲取的3個外板點云數據。而上述外板點所檢索到的云數據內，存在因外界干擾影響，產生的數據變化，容易造成所測量結果以及真實值之間出現偏差。因此，相關人員為保證所測量數據的準確性，可以借助雙邊濾波函數及時為測量數據進行去噪處理并根據，初始階段測量數據內所獲得船體的輪廓特征信息。在確認后，方可了解點云所移動到的新位置，具體公式如下：

式（2）中：可以是1，2，...，m。表示特德法向量；表示所移動距離，單位為m。隨后，可以借助三維激光掃描技術，利用激光掃描儀，使其每秒完成10萬個點的獲取，掌握實時三維坐標數據。待船體完成曲面掃描后，所檢索到的點云數據量則可是百萬，甚至是千萬級。

2.2" 三維激光掃描技術

2.2.1" 非接觸式測量

通過梯度下降法，明確所采集激光回波信號的權重和偏差。精準對激光回波信號輸出情況進行預測，讓其可以與目標值接近。如此，則可加強確認誤差并利用下述公式完成計算：

式（3）中：E為誤差值；為輸出時的實際值；為輸出時預測值。然后，相關人員即可船體生產情況，重復檢驗，防止所測量數據出現不準確情況，有效預防操作時人員與危險目標物的接觸。

2.2.2" 高速測量

設置水平、豎直的掃描角與對光束進行控制，讓激光從坐標系遠點出發，向著目標方向發射激光光束，使船體反射后的信號能夠被接收器所接收，然后，按下述公式，則可確認被測點的空間坐標P，具體如下：

式（4）中：S表示從被檢測船體初始點到被測點P之間的距離，單位m。

2.2.3" 數字化測量

以激光三角測距法，實現對船體表面情況的測量，基于船體平面的三角結構關系，借助激光器、聚焦透鏡、成像透鏡燈，確認船體上被測點到原點之間的距離（如圖1所示）。

圖1中顯示的字母，O點為坐標系上的原點；O1表示為被測物體定位點；與分別為水平、豎直的掃描角。

2.3" 數控切割技術

2.3.1" 合理應用數控切割技術

利用數控切割技術，使相關人員通過數控手段，以火焰、激光及等離子切割的方式，完成切割。在掌握船體結構后，方可設計數據保寧以自動化的方式，實現對船板切割。通過數控切割技術，實現對復雜形狀、精準尺寸的切割，以提高切割質量，減少誤差[3]。

2.3.2" 設置船體自動化加工合并程序

在確認船體所在切割位置后，方可結合船體自動化加工合并程序輸出結果，按船體原體積，了解具體的加工方式，確認體積誤差，按要求避免廢品率增加，使材料能夠具有較高利用率（如表1所示）。

由表1內容可知，合并220次耗時約為230 s，船體加工整體效率相對較高，并且能夠滿足工程項目的設計要求。但經測試發現，0～227段忽略不計，表示圖形的斜率相對較小，整體合并速度較慢，而從228～230 s開始計算，表示該區域內程序的執行方式變化了操作，運用局部更新的方式完成計算，變化幅度不大，表明當前合并速度較快，具有較高可行性。

2.4" 虛擬制造技術

在傳播生產前期利用虛擬技術，實現對全體大框的模擬，選擇合理性較高的工藝路線，完成生產。

2.4.1" 水火彎板形變模型

相關人員加強對水火彎板形變因素的考慮，了解到若產生水火彎板影響，則容易造成船體發生形變[4]。因此，相關人員還應加強對船體加工環節加熱線的長度、加熱速度以及鋼板厚度等諸多方面考慮。確保操作人員可以從同一團火焰其實加熱點考慮其他加熱線在使用過程中所發生的局部形變情況。這樣，則可列出船體彎板的局部形變公式，具體如下。

式（5）中：為船體上加熱線周圍局部所產生的收縮量；為加熱的速度；表示為加熱線的長度；表示為鋼板的厚度；表示為加熱線的順序，通常情況下取值“0”或者“1”，而在為0時，表示加熱線并非起始加熱線，為1時，表示加熱線屬于起始加熱線。

2.4.2" 船舶外加電流陰極保護模型

考慮船舶船體后續運行期間所產生電流密度，對其進行計算并保證船舶上的電流平衡。平衡狀態的計算，具體如下：

式（6）中：，表示船舶運行時的電流密度；表示物種數量；表示船體表層發生變化的速度矢量，單位m/s；z表示離子電荷，單位個；表示離子遷移率，單位m2/（伏·秒）；F表示法拉第常數；表示電解液電位；c表示物種濃度，單位ng/L。

2.5" 船體表面加工技術

2.5.1" 注重在船體加工環節的防腐處理

根據船舶的航行條件，考慮船舶所依賴的外加電流，實現陰極保護系統情況，了解船體運行時所產生直流電流源，會跟隨船舶航行逐漸消耗，導致船體上部分鋼鐵材料涂層破損問題。

2.5.2" 成型技術

通過熱成型、彎曲成型以及爆炸成型等方式，可以實現對船體表面加工。一是可以運用冷卻、加熱的手段，使船體的板材發生塑性變形，有助于相關人員獲取需要的形狀[5]。二是采用液壓設備、機械設備等，實現對船體板材的彎曲處理，讓其能夠變成需要的曲面形狀。

3" 結語

綜上所述，船體自動化加工技術的廣泛應用勢必為船舶工業發展增加新動力，使得相關單位應結合船舶智能制造項目，明確核心智能裝備方面的現存短板，通過合理建設系統框架、三維激光掃描技術、數控切割技術、虛擬制造技術、船體表面加工技術等措施，方可推動船舶工業的進一步發展。

參考文獻

[1]武斌.船舶制造過程中舾裝智能化質量控制[J].船舶物資與市場，2024，32（8）：71-73.

[2]李仕麒，張亞東.船舶制造中金屬材料無損探傷檢測技術[J].中國科技信息， 2024（17）：91-93.

[3]馬新雨.中國海洋船舶工業智能化時空分異及影響因素研究[D].沈陽：遼寧師范大學，2023.

[4]王小惠.面向船舶智能制造的舾裝件標識與采集技術應用研究[D].欽州：北部灣大學，2021.

[5]顧一清，王娜娜.船舶總體智能化[J].船舶工程，2022，44（12）：13.