LNG 船用大型型材切割生产线的研制

郑婉琳， 陈启康， 路高平 ， 孔 谅， 吴毅雄， 王宏杰

(1.沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129； 2.上海交通大学， 上海 200240； 3.上海领捷信息技术有限公司， 上海 200030)

LNG 船用大型型材切割生产线的研制

郑婉琳1， 陈启康1， 路高平1， 孔 谅2， 吴毅雄2， 王宏杰3

(1.沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129； 2.上海交通大学， 上海 200240； 3.上海领捷信息技术有限公司， 上海 200030)

介绍设计研制的LNG 船用大型型材切割生产线机器人自动化柔性切割系统。通过导入定制船 用坡口，端头，切割形状功能的 MGF 描述文件，系统自动实现机器人对型材的柔性切割，很好地适应了船厂型材切割工艺需求。同时针对型材的变形和定位，提出了一种利用激光传感器，基于边缘和表面变形测量的在线式补偿算法，实现了 LNG 船用大型型材的精度切割，验证了该系统的可行性和高效性。

LNG 船 机器人 型材切割 激光测量

1 引言

LNG 船用大型型材切割是船厂的基础工序之一。所谓型材切割是把长尺寸的原材料切割出各种形状的构件，并在各个构件上切割出孔、装配线等信息，以供后续工序按照构件信息进行装配和焊接。目前国内船厂型材的切割主要依靠工人手工操作，劳动强度大，生产效率低，切割精度差[1,2]，如图1所示。国外已经初步具备自动化切割设备，得益于工业机器人的应用，已实现了型材的自动化加工(如图2所示)，但设备投资昂贵，后期维修和维护成本较高，同时存在设备应用的实际困难。开发和研制一套具备自主知识产权，适用于国内船体设计标准，具备更好的售后服务和价格竞争力的自动化切割设备已迫在眉睫。

本文旨在研制一整套适合国内 LNG 船用大型型材切割生产线的自动化切割解决方案。在国内外设备功能的基础上，进一步提出了考虑型材XY方向变形量，补偿型材切割加工坐标值，使得型材拉直装配后等于设计型材尺寸的算法解决方法，进一步提高了型材自动化切割和船体建造的精度。该解决方案已在国内某知名船厂分段加工车间进行实产验证，目前系统运行良好，为船厂提高了效率，节省了成本， 取得了较大的成功，并具备较大的市场前景和应用价值。

2 基于工业机器人型材自动化切割的构架

LNG船用大型型材切割生产线自动化切割系统(见图3)包含了上料平台，型材进给，切割间(除尘系统、机器人系统、切割台支架、等离子切割系统等)，型材测量定长定位系统，出料平台，中控操作室等子系统。

LNG船用大型型材通过吊具上料至上料平台，控制系统和软件系统即可感知上料平台的型材缓冲数量， 并在软件的命令下，自动上料到型材进给轨道上，供型材机器人自动切割加工。此时，工人即可操作软件界面，导入船用型材特征文件*.MGF，经软件解析后，自动控制PLC控制系统，实现自动化机器人的型材切割加工和作业，定长定位系统配合型材的长度定位切割，同时激光测量补偿系统自动检测型材的位置和变形，自动补偿到机器人切割加工图形中，实现大型型材自动化机器人精度切割加工。

3 基于型材变形边缘曲线的加工图形坐标补偿算法

如图4所示，船用大型型材的运输，储存，吊装，搬运等操作都会带来型材的变形，且其变形的规则非常复杂，总结一般船体建造的要求，型材以沿边缘变形补偿后切割显得非常重要，因此本文提出了一种基于型材沿边缘曲线变形的补偿算法，有效补偿了由于型材变形引起的型材机器人自动化切割加工带来的装配误差，极大提高了本系统的精度和加工质量。

如图5所示，显示了型材边缘变形后图形坐标及其型材设计图形坐标的对照比较；船体建造中要求系统能实现变形型材在变形条件下进行切割，在展平拉直后，加工图形的要素点坐标值等于在标准设计型材的设计值。以某型材加工图形圆形为例，变形型材与标准型材切割元素对照图如图5(a)、(b)所示。考虑型材变形的Y方向，若在标准型材上设计加工切割一圆形孔，其圆心坐标为(Tx,Ty)，半径为R；现要在变形后的型材上精确切割此圆孔，使得该型材在展平后圆孔的圆心坐标等于标准型材初始设计值，即圆心到型材原点O的水平距离为Tx，垂直距离为Ty，且圆半径为R。如能保证图5(a)所示的圆心(Tx′,Ty′)到型材变形边缘弧的法向距离等于Ty，法线与型材边缘弧的交点A到钢板原点的弧线长度等于Tx，可使型材在展平拉直后，圆心的坐标值等于初始设计值。

本文提出的图形坐标补偿算法将有效地实现标准型材上加工图形的任意要素点坐标(Tx,Ty)转换到变形型材上的点(Tx′,Ty′)，供切割系统自动补偿型材元素切割作业。如表1所示为型材边缘曲线的测量数据序列。

补偿算法的基本原理为：将采集型材边缘弧线拟合为一条三次方曲线，该型材边缘曲线可由型材边缘的测量数据序列的三次拟合方程(1)表示：

式中：a0、a1、a2、a3为边缘变形曲线的拟合系数，按最小二乘法(2)求得。

式中：(xi,yi)为边缘曲线的第i个测量点的坐标。

标准型材上点(Tx,Ty)转换为变形型材上点(Tx′,Ty′)的补偿算法为

4 LNG船用大型型材切割生产线的研制

LNG船用大型型材切割生产线系统的研制(见图6)，包括了上料系统，进给系统，切割系统，定长系统，出料系统，除尘系统，切割工作间等，型材切割控制系统含机器人，PLC，HMI等设备[4]。

LNG船用大型型材切割生产线系统的主要设备在切割间，包含了等离子切割炬，工业机器人，进给导轨和支撑，定位测量小车，型材夹具等设备。整个系统有一条28m长的输送型材的辊道，沿型材输送辊道有到位传感器等装置，定位测量小车可离开切割间在该辊道上运行，进行型材长度定位测量。中控室由PLC控制柜、机器人控制柜、控制服务器、编程和仿真计算机及HMI控制一体机等组成，操作人员可使用这些设备对切割对象进行编程和仿真，并控制整个自动化机器人型材切割系统[4]。整个系统设备硬件在PLC、机器人和计算机控制软件的相互通信控制下进行自动化型材切割。图7为切割间内的实际布置情况， 验证了该设备设计的可行性和合理性[5,6]。

5 船用型材机器人自动切割系统的软件设计

LNG船用大型型材切割生产线系统软件设计包含：机器人控制软件，船用型材机器人自动切割控制HMI软件，设备PLC控制软件，如图8所示。

LNG船用大型型材切割生产线系统软件的操作流程为，设计工程师提供从船体设计系统导出的*.MGF文件;该文件描述了型材切割的基本信息。车间切割工程师，会手工将*.MGF文件加载到本系统的型材MGF文件解析软件模块；形成切割系统可控制的指令代码。先以三维模拟仿真和切割仿真操作，确保切割无故障后，操作工通过HMI下达切割指令代码，整个系统将自动装载船用型材，自动测量并定位，并执行切割动作，监控切割过程，形成切割型材的历史记录和工艺数据，形成历史记录[7,8]。本系统还具备管理型材切割生产线监控，历史数据处理、保存、查询等功能，如图9所示。

6 LNG船用大型型材切割生产线的试验生产运行实验

对本文提出的基于LNG船用大型型材变形的补偿算法和机器人自动切割系统的研制成果，进行了实验性验证。实验中试用了12m标准船用球扁钢型材HP370，切割信息以MGF文件形式输入到软件中，并进行校核、编辑和仿真,最终形成机器人离线切割代码，并在船用型材机器人自动切割控制软件自动导入并启动自动化切割，试验证明该系统的高效和实用性。

试验型材切割图形如下：定义型材长12 000mm，宽 370mm；定义的5个圆形图形均布在型材上，其圆心为(100，0)，半径50mm；切割某船厂要求的21E型坡口，切割结果如图10所示。

本LNG船用大型型材切割生产线系统加工对象是船用球扁钢型材，扁钢，角钢和T型钢。针对船用型材的材质和厚度，切割设备采用了凯尔贝(Kejllberg)HiFocus440i等离子切割设备，工业机器人采用ABBIRB2 600。实验中的机器人切割速

[][]

度为40 mm/s，切割高度为6 mm，切割电流为40 A～60 A，整个切割周期为400 s。试验结果显示了基于补偿算法船用型材机器人自动切割系统，具有较高的生产效率，型材切割坡口的光滑和平顺性比手动切割具有无法比拟的优越性，同时加工工艺参数还可由切割炬的高度，电流和速度来控制，以达最优。系统还进行长达3个月的批量运行试验，批量试运行实验结果证实了基于补偿算法的船用机器人自动切割系统实现了型材的精度自动切割，并具备了变形型材加工补偿的功能，极大弥补了以往船用型材加工工艺变形的缺陷，满足精度造船的要求[9]，并具备较高的生产效率。

7 结语

基于补偿算法的LNG船用大型型材切割生产线系统的研制，弥补了国内自主知识产权的精度造船型材自动切割设备的空白。同时，该设备的高效性，经济性和持续良好的技术维护，将改变我国造船工业中长期手工操作的落后工艺，实现LNG船用大型型材加工的自动化，提高船舶生产的机械化和自动化水平，且其批量定制化和产品化特色能为精度造船工业基础设备的国有化做出显著的贡献。

[1] 周明新. 型钢自动加工系统的开发[J]. 中外船舶科技, 1996,24(1):1-5.

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[6] 鲁士文. 计算机网络协议和实现技术[M]. 北京：清华大学出版社, 2000.

[7] Dale Rogerson. COM 技术内幕 [M]. 北京：清华大学出版社, 1999.

[8] Viktor Torth. Windows 98/NT 编程大全 [M]. 北京：电子工业出版社, 1999.

[9] 吴毅雄. GTAW 端环缝自动焊机的接触短路引弧控制 [J] .焊接学报，1998，19 (1): 42-46.

Development on Large Profile Cutting of LNG Shipbuilding

ZHENG Wan-lin1， CHEN Qi-kang1， LU Gao-ping1， KONG Liang2， WU Yi-xiong2， WANG Hong-jie3

(1.Hudong Zhonghua Shipbuilding Group Limited， Shanghai 200129, China； 2.Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240, China； 3.Shanghai LeaderSoft Information Technology Limited， Shanghai 200030, China)

This paper describes the design and development of flexible automatic robot cutting machine system of LNG shipbuilding large profile. The developed machine system can automatic flexible cutting of large profile through input the MGF file of the bevel, head shape and the cutting elements size of the large profile, it is well satisfied the requirement of shipyard profile cutting workshop. Further more, a kind of laser measurement algorithm is developed to compensate the deformation of large profile's edge and shape, which rapidly improve the precision profile cutting of LNG shipbuilding, and the practicality and efficiency are also proved by the system in the paper.

LNG ship Robot Profile cutting Laser measurement

上海市引进技术吸收和创新年度计划(编号：2012-27)，型材切割流水线改造项目。

郑婉琳(1964-)，女，高级工程师。

TH 165

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