船体工件自由边智能打磨装备应用

许迎春， 陈 弓， 刘 华

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引 言

随着造船行业自2008年开始执行国际海事组织(IMO)/国际船级社协会(IACS)的船舶压载舱保护涂层性能标准，船体工件自由边打磨成为船舶制造的一个重要环节。高质量的打磨可减少工件结构锐角，改善船体油漆附着状态，进而延长油漆保护周期，减少船体结构腐蚀[1]。

船舶制造的钢板类工件打磨作业普遍采用手持式气动倒角机，人工作业尽管动作量不大，但蹲或弯腰的姿势、方向维持需要不断用力，加上持续振动，长期工作会造成员工身体的疲劳甚至劳损、打磨质量不稳定等种种弊端[2]。针对这种现象及日益增加的人工成本，研究高质量、高效率的打磨装备成为在船舶制造过程中亟需解决的课题。

1 技术路线

以关键共性技术研究为基础，形成船体工件自由边智能打磨装备应用方案，明确装备应用范围和工艺流程，充分论证装备关键功能与技术体系，依次完成装备总体设计与优化、综合控制系统开发等研制与应用工作，形成船体工件自由边智能打磨装备。具体技术路线如图1所示。

图1 船体工件自由边智能打磨装备应用方案技术路线

2 主要关键技术

2.1 三维生产设计模型导入与处理

研究船体工件自由边智能打磨装备中间文件的生成方式，利用转换软件从船舶设计软件中提取工件模型的工艺信息和几何信息，由倒圆角要求决定铣削方式，由工件材质决定打磨速度和打磨接触力，由焊接要求决定单面/双面打磨，由几何信息决定装备打磨轨迹，并将工艺信息添加至待加工数据库中。

2.2 作业路径规划与仿真

开展基于船体工件模型的智能打磨装备离线编程，实现打磨路径智能规划，并利用打磨工艺仿真技术优化，最终生成打磨装备的执行程序。结合智能打磨装备离线编程及仿真的数据要求(机)、船体工件模型(料)及其自由边打磨工艺(法)，建立打磨工艺模型数据库，实现三者的智能互联。

2.3 复杂环境感知与识别

针对船体工件打磨作业环境恶劣的现状，基于线阵相机和视觉技术识别工件自由边的外形轮廓并获取测量数据。将测量数据与待加工数据库进行比对，调用装备中的打磨执行程序，生成适合当前打磨作业的指令并下发至控制柜[3]。

利用力位感知技术，实时采集自由边打磨过程中的刀头位置信息与力信息，即使实际工件与模型存在一定误差，也能根据力位混合控制算法，实时修正装备末端位置，保证自由边打磨质量。

2.4 自适应控制

实现自由边打磨过程自动化的关键在于行走机构的精确定位和刀头运转的自适应控制。通过在门架式行走机构上应用高精度轨道系统实现刀头的准确卡位；根据待加工工件类型和打磨要求自动选择刀具并更换，使用恒力控制系统带动刀头始终贴合在工件倒角边缘。

3 装备应用方案

3.1 应用范围

装备的主要加工对象是钢板数控切割工件，在打磨工序完成智能化生产后，将匹配后道机器人焊接工位的生产能力，整体提升小组工件主板的加工效率。

为最大程度发挥数控切割机和小组立焊接机器人生产线的生产能力，装备主要应用于尺寸宽度约1～3 m、长度约1～9 m的流水线小组主板，如散货船双层底、顶边舱等分段的肋板。

3.2 工艺流程

装备处于数控切割和中小组立工件焊接两道工序之间，中间过程的搬运方式采用专用吊具，防止边缘磕碰和变形。工艺流程为工件吊入→自由边自动打磨→工件吊出。

3.2.1 工件吊入

该道工序将切割完毕的板材由数控切割机吊装至工作平台，安放前对准在平台上的支撑点，尽可能让板材下方的支撑点均匀布置。

3.2.2 自由边自动打磨

(1)启动顶升装置，将工件顶起。

(2)系统通过视觉系统进行基准点自动识别。每个工件需要识别2个特征点，控制系统根据特征点的坐标数据修正工件的位置及偏转角度，最终实现工件的精确定位。

(3)确认铣削刀具良好，启动自动铣削。

(4)机头运行至铣削零点位置，探测气缸下降，在确认自由边状况后开始对板材自由边上边缘进行铣削。

(5)铣削完成自动换刀，进行下边缘铣削。

(6)铣削完成龙门回到待机位，取下辅助支撑的电磁铁，顶升装置下降。

3.2.3 工件吊出

由工作平台将工件吊出至下一个工位。

3.3 建立打磨工艺数据库

建立打磨工艺数据库便于分段制造装备的关键工艺参数动态辨识。典型工件主要包括油船、集装箱船、散货船的肋板类工件，如表1所示(工件形状略)。

表1 典型工件

3.4 工艺数据导入与处理

通过工艺处理软件实现三维生产设计模型的导入与处理，主要包括：将设计系统中的工件形状信息转化为智能化打磨装备软件可用的中间数据；在装备控制软件中增加各种打磨范围判断条件，自动判断出打磨范围。工艺数据导入与处理过程如图2所示。工艺数据导入与处理步骤包括：(1)运用数据转换系统将设计模型转换为含打磨轨迹图层的绘图交换文件(Drawing Exchange Format，DXF)格式文件和切割机使用的数字控制(Numerical Control，NC)切割数据；(2)从中提取倒角边缘的信息；(3)数据转换系统根据图层提取轨迹信息，自动整合为独立图元，并同用户交互，由用户录入该图纸工件壁厚用于后续工艺分割；(4)独立图元同打磨工艺数据库结合，自动筛分形成独立的打磨任务，例如单一图元结合打磨工艺库筛分为上表面打磨任务、下表面打磨任务；(5)打磨任务的轨迹数据及工艺信息自动转化为NC数据提交给计算机数字控制(Computerized Numerical Control，CNC)调用。

图2 工艺数据导入与处理过程

3.5 装备总体设计与优化

以打磨装备关键功能与技术体系为基础，开展装备总体设计，包括主体结构设计、辅助装置设计、空间布局设计，形成总体设计方案。设计方案从实现数控化、自动化的角度，将NC切割机的机体形式与倒角机打磨机构结合，并进行相应的力矩分析及补偿研究，实现数控化自动打磨。设计方案综合考虑装备高刚性结构、高速高精度的位移控制、与打磨功能端的合理连接、在受力状态下的路径保持、专用工件加工作业平台、刀具自动更换置架等要素。为实现工件物流路径最优化，将装备安置于NC切割机和小组立焊接机器人生产线的中间区域，在装备旁增设肋板待打磨区域及成品托盘放置区域。

整个装备由龙门装置、工作平台、铣削系统、刀库系统和废渣收集系统等组成。

(1)龙门装置。在导轨组件上各安装1套龙门装置，每套龙门装置安装1个行走机构(双驱)、1个横行机构、1个升降机构和1个回转机构。铣削系统安装在回转机构上。

(2)工作平台。基于知识系统在线智能决策技术，构建专用工作平台。一是工件定位：根据工件形状自动激活相应电磁铁，通过支撑柱配合电磁铁以提升工件定位可靠性；二是适应正反面打磨的结构形式：支撑柱智能避让以实现正反面无死角打磨。

(3)铣削系统。电主轴采用主轴与电机一体模式，易于实现高转速、高精度、高稳定性。铣削刀具采用BT30特殊定制刀柄，安装R2倒角旋转刀片。

(4)刀库系统。在横梁上安装若干个夹刀器和刀具，横梁安装在四连杆机构上。在换刀时由气缸带动四连杆机构将横梁推出，从而配合在龙门装置上的铣削头实现自动换刀。

(5)废渣收集系统。在龙门装置后侧安装电磁铁，铣削完成启动电磁铁，龙门在行程范围内将废渣吸附在电磁铁上，到达位置磁力释放，废渣掉落在下方的渣箱里。

3.6 综合控制系统

结合装备运行控制及信息管理等系统功能需求，开展电气设计、控制逻辑编程和人机界面设计等工作，实现对装备状态、打磨进度、打磨效果实时监控及异常状态报警，生产数据制作与实际加工的即时交互等功能，实现装备软硬件的集中控制，促进生产管理标准化[4]。

装备实现全自动打磨作业，人工仅需要进料至上料工位及从下料工位将成品搬出，中间过程无人员作业。整个作业流程(包括工件识别、数据调取和生成、工件定位检测、自动打磨作业、自动刀具更换、自动检测报错等过程)都需要专门的控制软件进行管理。装备综合控制系统包括跟踪系统、视觉系统和CNC控制系统，以分别实现工件高度和边缘跟踪、工件准确定位、工件自动打磨[5]。

4 结 语

为突破船体工件自动打磨技术应用提供解决方案，利用机器视觉、精准定位和自适应控制等技术，在船体工件打磨工序完成智能化生产，匹配后道机器人焊接工位的生产能力，整体提升船体小组工件主板的加工效率。若结合船厂其他工位特点，对自动打磨装备进行推广，将进一步扩大自动打磨覆盖范围，提高船舶建造打磨工序的生产效率和打磨质量，为船体小组加工阶段的全面智能化创造条件。