船體曲形零件加工木質樣板圖快速出圖方法

(江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

現代大型船舶船體結構主要使用鋼質材料，有大量的中厚板零件需要加工成形[1]。為檢驗曲形零件的加工精度是否滿足船舶線形設計要求，在船體生產設計階段，需要以加工木質樣板圖的形式為現場加工部門提供曲形零件線形檢驗依據[2-6]。現場先根據加工木質樣板圖制造出相應的木質樣板，再使用木質樣板對具體位置的零件進行檢驗[7-9]，見圖1。

圖1 木質樣板

船體線形復雜，不同曲形零件之間相似程度低，且同一塊曲形零件不同剖面處的線形也可能不同，使得木質樣板需求量大，相應地，對木質樣板圖的需求量也較大。

傳統出圖方法中人工操作步驟較多，既要識別出零件信息，又要繪制相應的輔助線，還要標出相應圖面信息，出圖工作量大，耗費工時多，出圖周期長。因此，開展快速出圖方法研究，提高設計出圖效率。

1 傳統出圖方法

1.1 木質樣板圖

木質樣板圖以離散的關鍵剖面樣條數據來表達整塊零件的曲面線形，圖面上需要表達的信息包括工程號、零件號、零件板縫線投影線、正檔肋位投影線形、肋位號、樣板標高線、旁路斷線、零件朝向等,見圖2。

1.2 出圖步驟

曲形零件加工木質樣板圖由放樣人員手工繪制完成，具體步驟如下。

1)按放樣需求，在Tribon系統中抽取全船或區域肋位型線及板縫線，并轉換成AutoCAD格式的型線及板縫線圖。

2)對照分段組立圖紙，根據要繪制木質樣板圖的零件號，在型線及板縫線圖中找到該零件所對應的板縫線，作為旁路斷線。

3)使用截斷命令截取零件旁路斷線所圍成的區域內的所有肋位線，刪除旁路斷線以外的多余型線，此時，剩下的型線即為曲形零件上實際對應的肋位線。

4)根據實際肋位線的空間位置及整體形狀，判斷合適的標高線所在平面，使得每根肋位線上的標高線都大致分布在肋位線的中間區域，且標高線盡量垂直于肋位線的切線方向。

5)逐個肋位繪制標高線，因肋位線為空間曲線，所有標高線在同一平面內，所以標高線與肋位線的交點并不能快速判斷出來，在繪制時，需要通過繪制輔助線的方式，找到標高線與肋位線的交點。

6)確定標高線高度，需要同時考慮到現場制作方便和使用方便，既要留足安裝斜拉撐的空間，又要使得整體高度受控，確保后續施工使用方便。

圖2 外板加工木質樣板圖

7)確定底平折角線，對于由平面部分和曲面部分組成的曲形零件，在制作加工樣板時，需標出肋位線的切點位置，即底平折角線與肋位線的交點位置。

8)完善圖面信息，標注每根肋位線的肋位號信息、每根標高線對應的肋位號信息、樣板方向、工程號、零件號、斷線標志信息等。

9)將樣板圖按照1∶1的比例進行套料，并1∶1打印在滌綸薄膜上，交付現場用于制作木質樣板。

2 快速出圖構思

出圖質量與每個人的技能水平、熟練程度、出圖習慣直接相關，使得圖面信息難以統一，而且容易出現失誤，為控制圖紙質量，還需要專門配備圖紙校對人員。

船體結構線形復雜，曲形零件形狀各異，因此，木質樣板必須定制化設計和制造，不能通用。但是，從木質樣板的繪制步驟中可以看出，雖然繪制的零件有所區別，線形和區域有所不同，但是繪制步驟卻是基本固定的。因此，開展快速出圖方法研究，目標是減少規律性重復勞動。

木質樣板圖傳統出圖步驟具有一定的規律性，并且曲形零件本身就是在Tribon環境下進行建模的，與該曲形零件相關的線形都具有與其相關聯的屬性信息和幾何信息，包括圍成曲形零件的板縫線，曲形零件所跨越的肋位線等，只要不將線形導入到AutoCAD環境中，這些信息就不會缺失，并且是可被調用和編輯的，為基于一定規則和算法的快速自動生成木質樣板圖提供了可能性。

擬將傳統出圖方法中重復的出圖步驟通過系統模塊一鍵完成，系統具體實施步驟見圖3。

圖3 快速出圖的構想

3 技術實現與實船應用

3.1 技術實現

快速出圖首先要實現的功能是樣條線(板縫線和肋位線)的獲取與剪切，并利用剪切好的曲線系列計算標高線，也就是Sight Line Plane(視線面)。根據現場生產的需求，Sight Line Plane最好設置在經過外板零件的中心位置，并且盡可能使零件放置平坦。Sight Line(視線)的設置最好使標高線的長度和樣條線弧長(肋位線的弧長)成正比函數關系，即肋位線越長，標高線也越長。樣條線的獲取可直接抽取Tribon系統的SB_CGDB數據庫，這里面保存了各類線形數據，包括板縫線和肋位線，但保存的數據格式是點，所以軟件的幾何模型是構建在點之上的。結構關系見圖4。

圖4 軟件幾何模型結構關系

類ShellPlate表示Surface， Surface一般由Net of curves(曲線系列)組成，Curve的數學表達式是B樣條曲線，在Tribon中一般是三次B樣條曲線，轉化成平面曲線后退化為二次曲線，開發的模塊是Spline模塊，里面有類Tribon2DSpline，處理Tribon中所有2D樣條曲線，該樣條曲線是由一系列Spline Segment連接而成，每個Segment對應模塊MyArc2D中的Arc2D類，表示直線段或者圓弧。Tribon提供的API中沒有任何的剪切、求交點及曲線在不同視圖投影下樣條轉化等接口，需要用戶開發。開發的起點是模型中一系列的點值(Point2D and Point3D )，在此基礎上構筑自己的幾何模型，并對幾何模型中的對象實行求交、剪切、樣條轉換等操作。

樣條剪切和轉換完成后，利用幾何對象和樣條曲線的長度、中點等屬性計算Sight Line Plane的位置。Sight Line Plane經過板的中心可以選取最靠近首、尾邊界的2個肋位中點，然后再給出一個條件就可以確定這個平面的位置，程序選取的條件是盡可能使零件放平，也就是放置的時候Sight Line Plane垂直地面。Sight Line Plane計算完成后，需要進一步確定標高線上端點的位置，上端點的位置可以用一個垂直于Sight Line Plane的平面去截取，這個平面可以稱為Assembly Plane(基平面)。現場制作的三角木質樣板樣條曲線長度和標高線長度成正比關系，利用前面的肋位中點沿標高線移動一個距離，這個距離在靠近尾部邊界的肋位稱為尾標高，靠近首部的肋位稱為首標高，確定好這2個距離之后，利用Assembly Plane 垂直Sight Line Plane的性質，就可以把Assembly Plane 計算出來，進而截取出所有的標高線，并開始圖面相關信息的標注，具體流程見圖5。

圖5 程序流程

3.2 實船應用與優化

基于Tribon系統開發木質樣板圖快速出圖程序，可在Tribon內部以插件方式運行。在程序GUI界面，用戶選取所要繪制木質樣板圖分段號后，程序會自動分析并篩選出該分段內所需繪制木質樣板圖的所有板架及零件號，供用戶選擇，程序根據用戶的選擇自動生成的1∶1木質樣板圖。

實船分段曲形零件木質樣板圖出圖應用測試表明，快速出圖方法可提升出圖效率90%以上，大幅度的縮減了設計出圖工作量。

為增加程序的適應性和人機交互性，對程序做進一步優化，允許用戶根據需求控制中間的某些過程參數，從而生成符合生產需求的木質樣板信息。可以自定義首、尾標高值，從而控制Sight Line 的位置；可以選擇是肋位樣板還是法向樣板，選擇樣板是在曲板的內表面還是外表面，是做正切樣板還是非正切樣板；可以增加樣板的密度，如半檔肋位一個樣板；可以降低樣板的密度，刪除不需要的樣板；可以增加需要額外添加的劃線信息，如邊平線(FOS)、底平線(FOB)等。見表1。

4 結論

通過詳細分析木質樣板圖傳統出圖方法，理清每個出圖步驟所要完成的主要工作內容和關鍵質量控制要素，針對這些要素對Tribon系統內部幾何模型表達和屬性數據關系進行分析，建立模型和數據的自動運算規則，再造出圖流程。以零件名為索引自動抽取板縫線、肋位線、截取樣條線、繪制標高線和標注圖面信息，實現了曲形零件木質樣板圖的自動生成，使出圖效率大幅度提高，出圖一致性得到保證，達到了降本、提質、增效的目的。

表1 實船分段曲形零件樣板圖出圖效率對比