船舶軸系智能裝配系統應用研究

聶建棟* 張 昭

(海軍裝備部,湖北 武漢430060)

針對船舶軸系現有裝配工裝存在著安裝質量難以保證、工作效率低下、設備簡陋的突出問題,通過采用無接觸的3D掃描成像技術、殘缺圖像分析擬合技術、空間運動控制技術、高精度位置伺服控制技術,研發該船舶軸系智能裝配系統,使船舶軸系的裝配質量和裝配效率得到顯著提高,并使軸系的工作性能指標具有可溯源性[1-2]。本文通過開展船舶軸系智能裝配系統的功能及結構分析,并在實驗室軸系試驗臺架上進行中間軸與艉軸的對中工作,經百分表打表檢驗表明對中效果良好。

1 船舶軸系智能裝配系統功能及結構分析

1.1 船舶軸系智能裝配系統工作原理

軸系的對中過程,可以認為是一個剛體的空間位置和姿態的調整過程。通過控制剛體上的兩個支撐點,可以實現整個剛體的運動控制。其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 工作原理示意圖

1.2 船舶軸系智能裝配系統結構設計

本設備中主控制系統、驅動控制系統、作動部分、支撐部分及測量系統的布置及相互關系如圖2所示。機械臂攜帶三維測量儀,根據主控系統發來的控制信息,在一定的空間范圍內連續掃描對接法蘭的狀態,獲得對接法蘭的空間信息。主控臺通過智能算法獲得法蘭之間的相互關系、規劃對接路徑,向驅動控制系統發送協調運動指令,驅動控制系統指揮作動部分運動,同時主控臺檢測力傳感器反饋的信息,對對接效果進行自主評判,實現船舶軸系的智能對接。在布放該設備時,由于2個四軸運動機構之間沒有剛體相互連接,使用過程中可以根據臺面的實際情況,允許運動機構之間有其它設備或障礙物。設備的應用具有良好的工作場地適應性。

圖2 三維示意圖

2 船舶軸系智能裝配系統應用效果分析

為驗證船舶軸系智能裝配系統的實際應用效果,在試驗室軸系試驗臺架上,設定兩個工況,分別使用該船舶軸系智能裝配系統完成中間軸與艉軸的對中工作,并用百分表打表檢驗對中精度及步進精度效果。

試驗中,在中間軸和艉軸法蘭端面及外圓左右對稱兩側均架設共四塊百分表,并在外圓上、下、左、右各做相隔90°的四等分標志點,作動器調整姿態到位后檢驗人員轉動中間軸至標志點位置,每轉90°測量一次各百分表數據,工裝應用效果測試現場如圖3所示。

圖3 船舶軸系智能裝配系統應用效果測試現場

2.1 對中精度驗證效果

使用該智能裝配系統控制作動器運動,調整中間軸姿態至任一狀態,在該狀態下使用百分表打表,計算出初始狀態的偏差。在該狀態下,按照最理想狀態“0-0”要求進行對中,使用該智能裝配系統對標記點進行掃描,作動器按指定路徑調整中間軸姿態進行中間軸與尾軸對中,經粗調與精調兩次掃描作動,總用時在20分鐘以內,整個工作完成后使用百分表檢查對中精度,計算調整后偏差。最終,得出初始狀態與理想狀態對中調整后偏差對比。結果見表1。

表1 中間軸與中心軸中心線測量偏差對比 單位:0.01 mm

由表1中測試數據可知,中間軸與尾軸之間的對中精度滿足偏移≤±0.15 mm,曲折≤±0.20 mm/m的技術要求。

2.2 步進精度驗證效果

步進精度驗證在垂直與水平方向分別進行。使用該智能裝配系統控制作動器運動,調整中間軸姿態至任一狀態,同樣在該狀態下使用百分表打表,計算出初始狀態偏差；在該狀態下控制作動器發出中間軸向-Z方向(垂直)移動0.05 mm的指令,狀態調整到位后使用百分表打表測量并計算中間軸與尾軸之間的對中精度；在該狀態下繼續發出控制作動器向+Y方向(水平)移動0.05 mm的指令,狀態調整到位后使用百分表打表測量中間軸與尾軸的對中精度。具體對中偏差見表2。

表2 步進時艉軸與中心軸中心線測量偏差對比 單位:0.01 mm

由表2數據可知,與初始狀態比較,Z方向移動0.05 mm后,中間軸與尾軸的上下偏移變化0.045 mm,其它方向上的偏移、曲折均幾乎無變化,與作動器控制的0.05 mm相比較,此時的步進精度達到0.005 mm,滿足步進精度在0.02 mm以內的技術要求。同樣Y方向(水平)移動0.05 mm與垂直方向調整后的狀態相比,中間軸與尾軸的左右偏移變化0.04 mm,其它方向上的偏移、曲折均幾乎無變化,與作動器控制的0.05 mm相比較,此時的步進精度達到0.01 mm,完全滿足步進精度在0.03 mm以內的技術要求。

3 結論

綜上所述,經試驗驗證,船舶軸系智能裝配系統可以高效、準確的完成中間軸與艉軸的對中工作,對中精度及步進精度均滿足技術要求,應用效果良好。