肋骨冷彎成形測量控制方法綜述

戎文娟，王永威，王佳琳，康占賓

（1.北京機科國創輕量化科學研究院有限公司，北京100044；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州510715）

0 前言

船用肋骨是船舶主要的型材構件之一，主要用于支撐舷側外板、甲板等的船體骨架，保證船體的強度和剛度，用量在船舶建造結構用鋼材總量中占比可達35%~40%[1]。肋骨的冷彎加工工藝是船舶建造重要的前道工序之一，其加工質量和效率直接影響到船舶使用壽命和建造周期。由于船體線型復雜，肋骨型材加工難度較大。因此，優化肋骨冷彎加工工藝，在保證肋骨加工質量的同時提高生產效率，一直是國內外船廠關注的重點問題。

肋骨冷彎工藝的核心是加工控制方法。由于加工過程中肋骨的回彈量和伸長量無法依靠理論計算和統計分析準確預估，肋骨冷彎加工控制大多采用測量控制方法，依靠對肋骨形狀變化的實時檢測，相應調整加工參數，實現對肋骨成形過程的控制。原有的肋骨冷彎采用人工觀察判斷逆直線變直程度的方法來控制加工過程，成形誤差大、效率低。隨著造船生產機械化程度越來越高，新興的肋骨冷彎設備將逐步降低對人工操作的依賴。研究配套的、面向數字化的測量控制方法，對于實現肋骨成形加工自動化的意義就顯得尤其重要，可以從根本上提高肋骨成形加工的質量和效率。肋骨加工的機械化與自動化一直是日本、韓國、美國等眾多造船國家所追求的目標，投入了大量資金與人力進行技術研究和設備改造[2]。為提高我國造船行業競爭力，縮小與國外先進水平差距，國內各造船企業及科研院所自20世紀70年代以來也開始致力于肋骨加工設備及加工技術的改進研究[3]。

近年來，國家陸續發布了《高技術船舶科研項目指南》、《海洋工程裝備科研項目指南》，大力支持造船業轉型升級，推動傳統的勞動密集型船舶制造業向科技含量更高、生產能力更強、產品質量更好的方向發展。隨著造船行業的轉型升級，肋骨冷彎工藝也正在與專家系統、機器視覺等人工智能領域先進技術結合，面向智能制造的肋骨冷彎檢測控制方法會越來越完善。本文圍繞肋骨冷彎成形控制技術，從測量控制原理、檢測裝置、自動化裝備應用現狀等方面進行綜述，為面向智能制造的肋骨冷彎工藝流程再造提供對比分析理論基礎。

1 傳統檢測方法

1.1 樣條法

樣條法是肋骨冷彎加工最為傳統的檢測控制方法。事先按放樣臺上的肋骨型線彎制好鐵制樣條或樣板，在肋骨加工過程中進行反復對樣[4]，直至滿足形狀要求，加工結束。采用樣條法對肋骨加工過程進行測量控制，不僅要制作樣條，浪費材料，而且加工質量完全依賴于工人的操作水平，一致性和穩定性無法保障。這種最早的人工檢測控制方法不具備數字化條件，難以實現計算機化，目前逐漸被各大船廠淘汰，只在小型船廠中尚有應用。

1.2 逆直線法

逆直線法是一種傳統的肋骨成形檢測控制方法，自上世紀70年代自日本引入中國以來，一直被廣泛沿用至今。先依據已知肋骨型材的型值，通過計算得到一定形式的曲線并按坐標點連線的方式畫在肋骨原材料上，然后肋骨彎曲到將所畫曲線成為直線時為止，型材即達到要加工的彎曲形狀。所畫曲線即稱為逆直線。彎曲前后的肋骨形狀及逆直線形狀如圖1所示。

圖1 逆直線測量控制法示意圖

目前船用肋骨實際生產中，應用逆直線方法的手工加工和自動化加工方式同時并存。逆直線法簡便易行，為肋骨手工加工提供可靠的檢驗和控制依據；同時理論較為完備，具備一定的數字化基礎，為自動化加工創造了條件，被看作是肋骨彎曲加工由手工向自動化的過渡方法。目前，我國大中型船廠的型材加工技術改造，多數是以逆直線法為工藝基礎，來實現肋骨冷彎半自動化、自動化高效作業的。國內各船廠、院校也針對逆直線檢測控制方法的原理及應用展開一系列研究。

武漢理工大學的柏俊波等人[7]，通過總結逆直線計算原理及數值求解方法，開發了基于Visual C++的船體型材逆直線計算系統軟件，該系統采用面向對象的程序設計語言，與設備以及其他軟件系統的信息交流與反饋及時充分，可以直接服務于肋骨冷彎機，在滿足生產節拍需求的基礎上提高加工效率。但該系統仍然需要結合人工觀察方法控制型材成形，未能實現自動檢測逆直線控制肋骨成型。

鄭紹春[8]等人首次將專家系統理論與逆直線檢測控制方法結合，應用到肋骨加工成形中，開發了基于仿學的肋骨冷彎專家系統。逆直線方法在各船廠應用已有20余年的歷史，積累了大量的人工經驗，具備肋骨冷彎專家系統的研究基礎。該系統即以采集熟練技工逆直線法加工經驗為基礎，由工藝評估系統對采集到的加工案例進行統計評估，得出不同肋骨型號及逆直線線型對應的優化加工工藝參數，形成工藝數據庫、知識庫，最后形成數控加工指令序列下發，供人工參考和自動加工使用。該專家系統運用熟練技工多年積累的經驗，模擬工人采用逆直線法進行檢測控制的加工過程，保證了加工質量，減少了對人工經驗的依賴，具有實際應用意義。國內關于逆直線計算方法的研究由來已久，然而配套的檢測裝置的開發、改進及應用方面幾乎仍為空白，限制了逆直線法在自動化肋骨成形中的應用。目前逆直線法仍多采用人工肉眼判斷直線變直程度，不夠準確且易受人為因素影響；每彎曲一次，就要觀察一次逆直線是否由曲變直，操作較為繁復。在逆直線視覺檢測方面也有學者進行了探索研究。

武漢理工大學石強等人[9]從理論和試驗兩方面研究了應用先進的計算機視覺檢測技術進行肋骨冷彎的控制原理及工藝過程，建立了逆直線提取、旋轉、擬合的計算模型。在此基礎上，廣東工業大學的曾源圣等人[10]研究了基于機器視覺的肋骨冷彎形檢測控制方法，結合現有的YLW型材冷彎機機型，對其進行機器視覺系統改造，增加圖像采集、視覺照明、雙目攝像機裝置，利用機器視覺檢測逆直線變直程度，實時調整工藝參數，控制型材冷彎機進行加工，實現了肋骨加工的自動控制。然而，由于設備改造成本高、數據處理技術不成熟等問題，這種基于視覺檢測的逆直線檢測控制方法均未能在船廠實際生產中得到推廣應用。隨著機器視覺技術的發展和數據處理效率的提高，機器視覺與逆直線法的結合仍然是肋骨冷彎加工的熱點研究問題。

2 數控肋骨冷彎機的檢測控制方法

2.1 端點控制法

肋骨的端點測量控制法，即通過不斷測量型材的端點相對坐標，使其運動軌跡符合型材的曲線形狀，逐段彎曲，三點壓彎，進而得到整條型材的曲線形狀，其原理圖如圖2所示。

圖2 端點測量控制法示意圖

端點測量控制方法有一定的數字化基礎，可以應用于數控肋骨冷彎機上，但其應用過程中仍存在缺陷。首先，由于實際生產中難以保證檢測的準確性，且支點兩邊的加工程度不一致，所以切線難以準確測定，其加工精度低造成該檢測控制方法未能在生產中大規模推廣使用。其次，端點測量控制法測量控制量為弧長S與端點到初始點處切線距離，但由于實際肋骨彎曲中，型材變形最敏感處為彎曲成圓弧的拱高處，恰恰為弦線無法測量的變形段，因此常常發生過彎現象，影響肋骨的成形質量和精度[11]。

傳統的端點控制法理論簡單，但在操作上存在準確性低、成形質量不穩定等不可避免的問題，在肋骨冷彎的自動化發展進程中逐步被淘汰。但這種適用于數控肋骨冷彎機的控制法打開了國內外學者關于肋骨冷彎檢測控制的新思路。基于端點控制理論，以武漢理工大學為代表的各研究機構進行了進一步的改進，提出了更多的、更具有應用價值的檢測控制方法。

2.2 弦線測量控制法

上世紀80年代，武漢理工大學的王呈方[12]等人在端點測量控制法的基礎上，改進加工參數，提出了弦線測量控制法。弦線控制測量法也是通過控制加工過程中端點的運動軌跡，最終得到整條肋骨曲線形狀的；與傳統的端點控制法相比，弦線法更易獲得較準確的檢測控制參數。

弦線測量法加工控制法原理如圖3所示，其原理與傳統的端點控制法相同，都是通過控制肋骨端點的運動軌跡來最終得到滿足加工要求的曲線形狀，因此加工時需配套精確的在線檢測裝置及高效的數據處理系統，來追蹤端點坐標、分析檢測數據、控制加工過程。初始的檢測機構形式由鋼絲、進料長度檢測傳感器和彎曲角度檢測傳感器組成，這種檢測方式操作繁復，每彎制一段就需要重新改變鋼絲的位置，且鋼絲會妨礙其他機構的運動，加工效率低。武漢理工大學的王呈方[13]等人針對鋼絲檢測裝置進行改進，提出了一種新的基于大地坐標系的檢測方法，裝置示意圖如圖4所示。該檢測機構簡單可靠，取消了妨礙運動的鋼絲裝置，極大地方便了現場操作，簡化操作流程，降低了人工依賴。

圖3 弦線測量控制法示意圖

圖4 大地式弦線測量裝置示意圖

在數控肋骨冷彎機檢測裝置改進的基礎上，武漢理工大學的胡勇[14]等人研究了配套的數據采集處理系統。通過大地檢測裝置實時獲取加工參數后，將數據上傳至數據處理系統，經分析處理后評估肋骨成形狀態，并反饋至控制系統，指導控制系統完成下一步的進料、彎曲等動作，實現肋骨冷彎的實時智能控制。其數據采集、處理及反饋的準確度及效率是數控肋骨冷彎工藝的關鍵。

武漢理工大學開發的采用弦線法為測量控制方法的肋骨冷彎機，檢測裝置如圖4所示。其檢測精度、加工效率較之端點測量控制方法均有很大改善，與傳統的檢測控制方法相比更是大大減少了對工人經驗的依賴，降低人工成本和勞動強度，目前在部分船廠已有一定程度的推廣應用。

弦線檢測控制方法在實際生產應用中仍然具有一定的局限性。弦線法本質仍然是在加工過程中檢測控制型材端點的坐標，最終獲得整條肋骨曲線的，需要較復雜的測量裝置，完成端點運動軌跡的追蹤。測量裝置的復雜性決定了其制造、安裝、使用、維護的難度；同時大尺寸船用肋骨的加工需要體積龐大的檢測機構，增加設備成本和操作難度。但弦線法作為一種計算機化程度較高的檢測控制方法，隨著檢測技術的發展和應用水平的提高，仍然有進一步研究應用的前景。

3 非端點測量控制方法

針對端點測量法、弦線法檢測機構龐大、檢測裝置復雜的問題，在船舶建造行業諸多學者對端點測量法進行研究的同時，也有其他學者提出一種與端點測量控制相對應的型材成形檢測控制方法，即非端點控制法。由于不以型材的端點的運動軌跡作為檢測的控制參量，該方法可以免去了端點測量控制法中龐大復雜的檢測機構，減少了占地面積，節省了投資成本。

折線法即為一種典型的非端點測量控制方法，其控制原理是采用一根折線來表征船體肋骨型線的實際形狀，如圖5所示。折線上所有線段長度均取定值L，控制加工肋骨時，只需要控制折線上相鄰線段的夾角θ，使之等于肋骨型線所要求的相應角度，就能夠達到控制肋骨成形的目的。早在八十年代初期，湖北省船廠的龍熙陵等人[15]就在肋骨冷彎機上配套檢測控制機構，開展了折線測量控制肋骨成形的試驗。試驗結果顯示折線法用于檢測控制肋骨成形，其試件的成形偏差可控制在1 mm以內。

圖5 折線測量控制法示意圖

廣東工業大學的李湘偉等人[16]，提出了一種弧角測量控制法。這種方法與傳統的折線法并無本質不同，只將檢測控制量換為折線法中檢測角的補角，如圖6所示。這種基于近似弧長三次參數樣條曲線的弧角測量控制法，只要知道兩個已知點及三點間弦線的夾角和長度，就可以導出第三點的坐標，不依靠端點的坐標軌跡。因此利用弧角測量控制法不需要跟蹤端點軌跡，省去了端點測量法和弦線測量法中復雜的端點跟蹤裝置如導軌、小車等，其方法有獨特的優勢。在實驗室中利用銅線模擬中性層設計了試驗裝置，檢測裝置如圖7所示。

圖6 弧角測量控制法示意圖

圖7 弧角測量裝置示意圖

非端點測量控制法已經進行了試驗驗證，試驗結果顯示其準確、易行，加工精度和效率均滿足要求。與端點測量控制法相比，只需在被加工段附近布置檢測裝置，大大減少了測量系統的占地面積和復雜程度；但由于缺乏配套的自動檢測裝置以及計算機數據處理系統研究開發，尚未在船廠進行實地安裝調試。應用非端點測量控制法的數控肋骨冷彎機造價較低、占用場地小、安裝維護方便，更適用于中小型船廠，促進其生產技術水平的提升。在實際生產中推廣應用之前，非端點測量控制法還需進行部分現場加工數據的采集，進行分析評估后進一步完善。

4 測量控制方法對比

自上世紀六十年代肋骨冷彎機在國外研制成功以來，迄今為止，國內外研究學者對肋骨冷彎成形控制方法的改進進行了諸多探索。從傳統的樣條法到最近提出的非端點控制法，測量控制方法未來仍會向更加數字化、智能化的趨勢發展。

表2從控制原理、檢測手段、數據能力、自動化程度及應用情況五個方面，對本文介紹的5種成形控制方法進行比較。將對比結果用圖8所示維恩圖表示。對比可知，除樣條法外，其他4種成形控制方法均有一定的數字化基礎；樣條法、逆直線法、非端點控制法的檢測裝置具有簡單易行，占地面積小等優勢；成形控制方法的準確性需結合大量實際生產數據進行檢驗，樣條法、逆直線法和弦線法均已在船廠中推廣應用，具備一定的生產經驗和數據積累。綜合分析可知，逆直線法和非端點控制法數字化、自動化程度基礎較好，檢測裝置簡單，在柔性制造的發展趨勢下優勢明顯。逆直線法與視覺檢測技術結合，不僅具備較高的數字化、自動化程度，在實際生產數據獲取能力方面也體現出較強的生命力。

表2 測量控制方法對比

圖8 檢測控制方法對比維恩圖

船體型材的冷彎加工因每一個船廠場地、設備等實際情況有其獨特性。因此，在恰當選擇成形控制方法的同時，需進一步與數據庫技術結合，進行現場加工數據的采集、上傳、處理、分析。在積累大量實際工藝數據的基礎上，嚴格按照一定的標準進行工藝評估，通過分析總結，不斷優化工藝，從而得到更新、更完善的工藝方案，降低人工依賴，提高加工質量和效率。

5 結論

（1）肋骨冷彎成形工藝方法自樣條法發展至今，成形精確、檢測準確是肋骨冷彎成形控制的基本要求，也是工藝方法生命力的體現。隨著檢測和控制技術的發展，逆直線法、端點法、弦線法及非端點法等相繼提出，在保證加工精度的同時，降低人工依賴。

（2）船舶工藝的智能制造需要數字化基礎好的肋骨成形控制方法與之相匹配，各冷彎方法的數據獲取及處理能力尤為重要；同時，智能生產趨勢下，柔性生產要求設備占地面積小，因此簡單易行的檢測裝置是未來發展趨勢。綜合比較，結合視覺檢測技術的逆直線檢測控制方法應用基礎好、易實現數字化，同時檢測裝置結構簡單，與其它檢測控制方法相比較具優勢。