船體外板自動化加工專家系統(tǒng)研究

陳文雄，程良倫

（廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣州 510006）

0 引言

目前船體雙曲度外板的形成主要是采用水火彎板工藝方法。水火彎板工藝在二十世紀五六十年代起源于日本，由于其加工快，操作靈活等優(yōu)點而迅速應用于各造船廠中。現(xiàn)在世界各造船廠的水火彎板都是有由熟練的工人依靠多年的經(jīng)驗積累確定加工的各個參數(shù)并且由手工完成的。隨著現(xiàn)代造船模式的轉(zhuǎn)換和造船技術的發(fā)展，這種模式已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)在的造船需求。因此，水火彎板造船工藝革新迫在眉睫。現(xiàn)在各國造船界已經(jīng)認識到了這一點，在水火彎板自動加工設備研制也取得了一定的成果。

日本在水火彎板模擬系統(tǒng)中加入了計算機輔助自動加工技術，并且已經(jīng)實現(xiàn)了部分彎板的自動加工。美國在水火彎板自動加工中加入了激光束技術，有了一定的突破。韓國漢城大學也研制了iCALM水火彎板自動加工系統(tǒng)。大連理工大學劉玉君等[1,2]人與大連新船重工合作聯(lián)合開發(fā)了水火彎板加工工藝參數(shù)預報系統(tǒng)。上海交通大學董大栓等[3～5]人與廣州廣船國際股份公司聯(lián)合進行研發(fā)了數(shù)控設備第二代水火彎板自動加工系統(tǒng)解決了一些曲度較小的帆型板，而且只能進行一次加工，不能進行二次加工。雖然世界各造船界在研制水火彎板加工工藝參數(shù)預報以及自動加工上取得了一定的效果，但是距離全自動生產(chǎn)還有一段距離。

廣東工業(yè)大學與廣州廣船國際股份公司聯(lián)合進行第三代水火彎板機器人自動加工系統(tǒng)研發(fā)。該系統(tǒng)主要是功能是通過機器視覺[6]對待加工鋼板進行云點采集，從采集到的云點中提取其特征點坐標，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)和成型板數(shù)據(jù)進行匹配，從而確定火焰加工參數(shù)和火路規(guī)劃路線，最后將專家系統(tǒng)確定的參數(shù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)[7]進行全自動加工。當?shù)谝淮渭庸や摪宄尚瓦€沒有達到要求時，可以按照之前的步驟進行二次加工，盡量減少人工操作。

本文主要研究水火彎板自動化加工過程中加工工藝參數(shù)確定以及火路線路規(guī)劃生成，從而建立船體外板自動化加工專家系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

船體外板水火彎板自動化加工專家系統(tǒng)主要包括四大模塊和七大子系統(tǒng)。

四大模塊：

數(shù)據(jù)預處理模塊；

火路及加工參數(shù)預報模塊；

自學習知識庫模塊；

數(shù)據(jù)接口模塊。

七個子系統(tǒng)：

面三維點云數(shù)據(jù)預處理及顯示子系統(tǒng)；

檢測曲面及成形曲面匹配子系統(tǒng)；

船體外板形變規(guī)律數(shù)學建模子系統(tǒng)；

火路位置、火路加工參數(shù)預報子系統(tǒng)；

復雜曲面三維加工路徑規(guī)劃子系統(tǒng)；

工藝參數(shù)專家知識庫子系統(tǒng)；

專家系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能模塊設計

針對船體外板設計和生產(chǎn)加工的需求，我們設計的專家系統(tǒng)根據(jù)上一節(jié)介紹的功能框架，為其設計了如下功能：

2.1 數(shù)據(jù)預處理模塊

外板的數(shù)據(jù)主要是以橫、縱向特征線上特征點的三維坐標表示。外板的橫向特征線之間的相互間隔具有一定的距離，通過廣船國際提供的數(shù)據(jù)即可得知，一般一條特征線上提供奇數(shù)個特征點。

2.2 火路及加工參數(shù)預報模塊

2.2.1 外形板匹配

第三代水火彎板機工作之前，首先應用木塊或數(shù)字胎架將帆形板墊好并達到：鋼板中線與地面相貼放平穩(wěn)定不搖晃的效果，這樣才能保證與成形的特征點在xoy面的投影時其增量相同。

對點的作用是為了得到檢測曲面成形特征點的當前位置。機器視覺掃描后得到的外板三維點云中對點的坐標值，無論鋼板成形狀況如何，都可通過特征點之間的成形數(shù)據(jù)x和y坐標值的關系進行推算，得到成形時候的特征點目前在鋼板上的位置。

匹配步驟1：每次根據(jù)成形數(shù)據(jù)中x和y方向的增量：dx1，dx2，dx3，dx4和dy1，dy2，dy3，dy4，dy5，dy6去找到成形特征點在加工板(掃描板)上當前的位置。

匹配步驟2：然后換算出各個每條特征線上各個特征點的到xoy平面的弦距線：L1、L2、L3、L4、L5、L6。

匹配步驟3：將L1、L2、L3、L4、L5、L6與成形板所要求的進行對比。

匹配步驟4：不斷重復步驟1，2和3，直到成形。

待加工外板和成型外板特征點弦距線對比匹配示意圖如圖1所示。

圖1 成形特征點在加工板上的弦距線對比匹配

令檢測板中其中一個特征Ni,j點的弦距線為Iti,j,該特征點在目標板中對應的弦距線Imi,j。

如果該特征點滿足（1）式，則表示該特征點成型良好。對于整塊板令：

如果整塊板上的特征點滿足（2）式，則表示整塊板成型良好，不需要進行二次加工，否則，還需要進行二次加工。

2.2.2 火路線路規(guī)劃

水火彎板的加工主要有三種類型的火路，橫向火路，縱向火路和扭位火路。

1）橫向火路規(guī)劃

根據(jù)工人推算方法，橫向火路的加工一般為兩種形式。

形式1：根據(jù)匹配找到未成形的橫向特征點，然后這些未成形的橫向特征點之間的連線為橫向火路（未成形特征線相鄰形式）。

形式2：根據(jù)匹配找到未成形的橫向特征點，然后這些未成形的橫向特征點之間的連線為橫向火路，其中火路不經(jīng)過成形的特征線（未成形特征線之間夾著成形的特征線）。

2）縱向火路規(guī)劃

根據(jù)工人推算方法，縱向火路根據(jù)縱向特征線上的特征點距離xoy面的弦距線與成形時候的需求對比，哪個點不夠則該特征點附近到上、下板邊的為縱向火路，每個特征點附件的縱向火路條數(shù)布置兩條。再不停的進行匹配，不斷生成火路，直至縱向基本成形。

縱向火路決策，去各條特征線的中間特征點，然后對比其他點的弦距線。

決策規(guī)則：若檢測特征點未達到成形的需求，則火路布置方法如所示，第一條位置：左板縫開始余量+d，一次類推，條數(shù)則根據(jù)欠缺的弦距線的總和多少來確定布置多少條。

3）扭位火路規(guī)劃

根據(jù)工人推算方法，該種火路的特征點的匹配方式和橫向匹配一樣，但是其火路的生成形式不一樣，編制船體外板成形專家系統(tǒng)軟件時，由人工選擇火路按鈕生成不同形式的火路。

2.2.3 水火彎板形變數(shù)學模型

通過實驗驗證，影響水火彎板形變的主要工藝參數(shù)有，加熱速度，加熱線長度，鋼板厚度、加熱順序，等。加熱速度與彎板變形的關系是：加熱速度越慢，彎板在加熱線附近的收縮量就越大，但是也會因為加熱速度過慢，局部的溫度過高，從而破壞了彎板的材質(zhì)。如果加熱速度較慢，彎板局部溫度較低，彎板產(chǎn)生的形變也較小。所以要根據(jù)彎板的厚度來確定加熱的速度。在其他影響因素不變的情況下，實驗表明：加熱線長度越長，彎板局部收縮量越大。鋼板厚度越大，所需加熱的能量也就越大，彎板的形變也就越小。在加熱順序影響因素上，同一焰道的起始加熱線產(chǎn)生的局部形變小于其他加熱線產(chǎn)生的局部形變。

綜上所述，彎板局部產(chǎn)生的形變函數(shù)表示形式為：

式中△表示加熱線附近的局部收縮量，v表示加熱速度，l表示加熱線長度，h表示鋼板厚度，s表示加熱順序。s的取值為0或1 。s=0表示該加熱線不是起始加熱線，s=1表示該加熱線為起始加熱線。

2.3 自學習專家?guī)炷K

2.3.1 船體外板信息數(shù)據(jù)庫建立

自學習專家?guī)熘饕ǎ和獍寤拘畔⒈怼⒊尚投缺怼⑼獍孱愋捅怼⑼獍宄尚蜖顟B(tài)表、火路工藝表和火路位置表。專家系統(tǒng)通過SQL Server開發(fā)接口函數(shù)實現(xiàn)相互調(diào)用。

專家系統(tǒng)通過SQL Server編程語句，實現(xiàn)對應鋼板的參數(shù)調(diào)用，和外板的信息參數(shù)、編輯、刪除、添加等功能。主要用于對于外板火路工藝的存儲和工藝參數(shù)的調(diào)用：每張加工過的板材，生成的火路工藝參數(shù)可以用于下次的加工。

2.3.2 火路坐標備份

外板板形自學習形式，主要學習的內(nèi)容為：板型三維點云坐標、火路位置信息等。

其中加熱線的位置分布主要由下距尾、距前排、準線距尾、距前排、上距尾、距前排、距上邊和距下邊各個參數(shù)決定。

外板火路備份成形表都對應其下步火路坐標，保存在數(shù)據(jù)庫中，通過SQL Server 關系數(shù)據(jù)庫調(diào)用函數(shù)進行調(diào)用生成火路。

加工參數(shù)專家知識庫中保存的有船體外板當前的成形狀態(tài)，即三維點云，及它的下步火路位置參數(shù)和火路工藝參數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)接口模塊

2.4.1 專家系統(tǒng)與機器視覺數(shù)據(jù)接口

專家系統(tǒng)采用后臺運行的方式，與機器視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式具體如下：

視覺系統(tǒng)將掃描到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)，專家系統(tǒng)生成三維點云數(shù)據(jù)進行預處理，通過計算預報出火路規(guī)劃路線和加工工藝參數(shù)。

2.4.2 專家系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)接口

專家系統(tǒng)生成的火路工藝參數(shù)和火路位置參數(shù)通過進程間的通訊與運動控制系統(tǒng)進程進行通訊。首先專家系統(tǒng)運行在后臺，通過創(chuàng)建套接字：Socket，將每一條火路坐標的離散點發(fā)送至運動控制系統(tǒng)，再發(fā)送火路參數(shù)。Socket具體做法如圖2所示。

圖2 Socket具體做法

3 系統(tǒng)應用

應用本系統(tǒng)對廣州廣船國際股份有限公司建造的5.5萬噸船中的一個BG3-DD帆型板進行實驗測試。該板的基本信息如表1所示。

表1 實驗外板基本信息

將待加工鋼板放置平穩(wěn)之后，通過機器視覺掃描鋼板，提取其特征點的三維坐標，特征點三維坐標。本次實驗獲取到的特征點坐標和目標板中特征點坐標如圖3所示。經(jīng)過專家系統(tǒng)后自動確定的火路加工參數(shù)起始點坐標如圖4所示。

圖3 待加工板和目標板中特征點坐標

4 結(jié)論

圖4 火路加工餐宿起始點其坐標

通過專家系統(tǒng)確定水火彎板加工參數(shù)是水火彎板成型自動化研究的一個重要組成部分。本文將工人的彎板加工經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為計算機算法以及建立工程數(shù)據(jù)庫，應用VS2010開發(fā)環(huán)境開發(fā)了船體外板成型專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過機器視覺獲取到的船體外板特征點的坐標和目標板對應的特征點坐標進行匹配，確定該板的加工工藝。該系統(tǒng)還有自學習功能，但是自學習功能現(xiàn)在還不完善，還需進一步改進。通過將來的進一步升級，該系統(tǒng)有望在廣船第三代水火彎板機器人自動加工系統(tǒng)中使用，并得到進一步推廣。

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