船舶智能制造中船體自動化加工技術(shù)研究

摘" 要：智能制造為新一代先進(jìn)制造技術(shù)與信息技術(shù)的融合方式，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的核心驅(qū)動力，而船舶制造業(yè)為解決船舶智能制造生產(chǎn)活動中的一些問題，還需要憑借自動化加工技術(shù)，提高生產(chǎn)效率。以某船舶制造項目為例，采用文獻(xiàn)分析法、調(diào)查法、觀察法等，對船舶智能制造活動進(jìn)行研究，提出船舶智能制造中船體自動化加工技術(shù)措施，實現(xiàn)對船體的精準(zhǔn)制造。

關(guān)鍵詞：船舶" "智能制造" "船體" "自動化加工技術(shù)

中圖分類號：U67

Research on the Ship Hull Automatic Hull Processing Technology in the Intelligent Manufacturing of Ships

LI Ke" XIONG Tingchao" ZHOU Weiping" ZHANG Yuhui

Engineering Ttraining Ccenter， Jiangxi Ppolytechnic Uuniversity， Jiujiang， Jiangxi Province， 332000 China

Abstract： Intelligent manufacturing is a new generation of advanced manufacturing technology and information technology integration， which has become the core driving force in the industrial production field. In order to solve some problems in the intelligent manufacturing production activities of ships， the shipbuilding industry also needs to rely on automated processing technology to improve production efficiency. Taking a certain shipbuilding project as an example， literature analysis， investigation， observation and other methods should be used to study the intelligent manufacturing activities of ships， propose measures for automated processing technology of ship hulls in intelligent manufacturing of ships， and achieve precise manufacturing of ship hulls.

Key Wwords： Ship; Intelligent manufacturing; Hull; Automatic processing technology

當(dāng)下，船舶自動化加工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)智能制造活動中，且能夠隨著入船舶工業(yè)的快速發(fā)展，把控產(chǎn)品質(zhì)量并降低生產(chǎn)能耗。但若結(jié)合實際來件，船舶配套設(shè)備的國產(chǎn)化率占據(jù)30%～40%，而某型高技術(shù)的船舶自主配套率僅占據(jù)5%，對造船工業(yè)的發(fā)展造成直接影響。因此，相關(guān)單位為提高船舶制造項目的生產(chǎn)效率，需合理應(yīng)用船體自動化加工技術(shù)，以優(yōu)化生產(chǎn)全過程，避免在生產(chǎn)環(huán)節(jié)消耗過多能源。通過文獻(xiàn)研究法、觀察法等，加強對船體自動化加工技術(shù)的研究，按具體船舶制造項目，提出了船舶智能制造中的船體自動化加工技術(shù)措施，使船舶智能制造中的船體自動化加工技術(shù)得以充分利用，并展開討論，以發(fā)揮自動化加工技術(shù)在該領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用價值。

1" 船舶制造項目概況

本項目為某公司的船舶生產(chǎn)項目為例，該地占地面積為1 200 m2，總投資金額高達(dá)302萬元，預(yù)期的投產(chǎn)時間是2023年1月，旨在通過船舶生產(chǎn)范圍的方式，使自身所具備年新造船舶能力可以提高到16 000 t，改裝能夠提升至7 213 t。

2" 船舶智能制造中船體自動化加工技術(shù)措施

核心智能裝備開發(fā)滯后，使得相關(guān)人員應(yīng)采用自動化技術(shù)，加強對船體的加工，引入數(shù)控切割技術(shù)等，避免產(chǎn)生過多人工操作誤差。

2.1" 合理建設(shè)系統(tǒng)框架

國內(nèi)智能航運與先進(jìn)領(lǐng)域相比，較為落后并存在所應(yīng)用信息技術(shù)以傳統(tǒng)模式呈現(xiàn)的方式，導(dǎo)致信息系統(tǒng)的開發(fā)方法及理論存在滯后的情況。所以，在建設(shè)船舶系統(tǒng)框架時，可以引入自動化加工專家系統(tǒng)。

（1）設(shè)置4大模塊及7個子系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、參數(shù)預(yù)報、自學(xué)習(xí)知識庫及數(shù)據(jù)接口模塊；面三維點云數(shù)據(jù)處理、火路加工位置、參數(shù)預(yù)報子系統(tǒng)、曲面檢測、專家知識庫、運動及視覺數(shù)據(jù)接口、三維加工路徑規(guī)劃7個子系統(tǒng)[1]。

（2）架構(gòu)船舶系統(tǒng)時，還應(yīng)以點云濾波算法，讓相關(guān)人員可以通過三維激光掃描技術(shù)，加強對船體外板等區(qū)域的測量，獲取點云數(shù)據(jù)和高頻的噪聲數(shù)據(jù)等[2]。以三維激光掃描的方式得到m個點云數(shù)據(jù)，使個點云數(shù)據(jù)在三維坐標(biāo)上的位置為：

式（1）中：為根據(jù)所有點的移動情況，單位為m/s；為坐標(biāo)上獲取的3個外板點云數(shù)據(jù)。而上述外板點所檢索到的云數(shù)據(jù)內(nèi)，存在因外界干擾影響，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化，容易造成所測量結(jié)果以及真實值之間出現(xiàn)偏差。因此，相關(guān)人員為保證所測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以借助雙邊濾波函數(shù)及時為測量數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理并根據(jù)，初始階段測量數(shù)據(jù)內(nèi)所獲得船體的輪廓特征信息。在確認(rèn)后，方可了解點云所移動到的新位置，具體公式如下：

式（2）中：可以是1，2，...，m。表示特德法向量；表示所移動距離，單位為m。隨后，可以借助三維激光掃描技術(shù)，利用激光掃描儀，使其每秒完成10萬個點的獲取，掌握實時三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。待船體完成曲面掃描后，所檢索到的點云數(shù)據(jù)量則可是百萬，甚至是千萬級。

2.2" 三維激光掃描技術(shù)

2.2.1" 非接觸式測量

通過梯度下降法，明確所采集激光回波信號的權(quán)重和偏差。精準(zhǔn)對激光回波信號輸出情況進(jìn)行預(yù)測，讓其可以與目標(biāo)值接近。如此，則可加強確認(rèn)誤差并利用下述公式完成計算：

式（3）中：E為誤差值；為輸出時的實際值；為輸出時預(yù)測值。然后，相關(guān)人員即可船體生產(chǎn)情況，重復(fù)檢驗，防止所測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)不準(zhǔn)確情況，有效預(yù)防操作時人員與危險目標(biāo)物的接觸。

2.2.2" 高速測量

設(shè)置水平、豎直的掃描角與對光束進(jìn)行控制，讓激光從坐標(biāo)系遠(yuǎn)點出發(fā)，向著目標(biāo)方向發(fā)射激光光束，使船體反射后的信號能夠被接收器所接收，然后，按下述公式，則可確認(rèn)被測點的空間坐標(biāo)P，具體如下：

式（4）中：S表示從被檢測船體初始點到被測點P之間的距離，單位m。

2.2.3" 數(shù)字化測量

以激光三角測距法，實現(xiàn)對船體表面情況的測量，基于船體平面的三角結(jié)構(gòu)關(guān)系，借助激光器、聚焦透鏡、成像透鏡燈，確認(rèn)船體上被測點到原點之間的距離（如圖1所示）。

圖1中顯示的字母，O點為坐標(biāo)系上的原點；O1表示為被測物體定位點；與分別為水平、豎直的掃描角。

2.3" 數(shù)控切割技術(shù)

2.3.1" 合理應(yīng)用數(shù)控切割技術(shù)

利用數(shù)控切割技術(shù)，使相關(guān)人員通過數(shù)控手段，以火焰、激光及等離子切割的方式，完成切割。在掌握船體結(jié)構(gòu)后，方可設(shè)計數(shù)據(jù)保寧以自動化的方式，實現(xiàn)對船板切割。通過數(shù)控切割技術(shù)，實現(xiàn)對復(fù)雜形狀、精準(zhǔn)尺寸的切割，以提高切割質(zhì)量，減少誤差[3]。

2.3.2" 設(shè)置船體自動化加工合并程序

在確認(rèn)船體所在切割位置后，方可結(jié)合船體自動化加工合并程序輸出結(jié)果，按船體原體積，了解具體的加工方式，確認(rèn)體積誤差，按要求避免廢品率增加，使材料能夠具有較高利用率（如表1所示）。

由表1內(nèi)容可知，合并220次耗時約為230 s，船體加工整體效率相對較高，并且能夠滿足工程項目的設(shè)計要求。但經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，0～227段忽略不計，表示圖形的斜率相對較小，整體合并速度較慢，而從228～230 s開始計算，表示該區(qū)域內(nèi)程序的執(zhí)行方式變化了操作，運用局部更新的方式完成計算，變化幅度不大，表明當(dāng)前合并速度較快，具有較高可行性。

2.4" 虛擬制造技術(shù)

在傳播生產(chǎn)前期利用虛擬技術(shù)，實現(xiàn)對全體大框的模擬，選擇合理性較高的工藝路線，完成生產(chǎn)。

2.4.1" 水火彎板形變模型

相關(guān)人員加強對水火彎板形變因素的考慮，了解到若產(chǎn)生水火彎板影響，則容易造成船體發(fā)生形變[4]。因此，相關(guān)人員還應(yīng)加強對船體加工環(huán)節(jié)加熱線的長度、加熱速度以及鋼板厚度等諸多方面考慮。確保操作人員可以從同一團(tuán)火焰其實加熱點考慮其他加熱線在使用過程中所發(fā)生的局部形變情況。這樣，則可列出船體彎板的局部形變公式，具體如下。

式（5）中：為船體上加熱線周圍局部所產(chǎn)生的收縮量；為加熱的速度；表示為加熱線的長度；表示為鋼板的厚度；表示為加熱線的順序，通常情況下取值“0”或者“1”，而在為0時，表示加熱線并非起始加熱線，為1時，表示加熱線屬于起始加熱線。

2.4.2" 船舶外加電流陰極保護(hù)模型

考慮船舶船體后續(xù)運行期間所產(chǎn)生電流密度，對其進(jìn)行計算并保證船舶上的電流平衡。平衡狀態(tài)的計算，具體如下：

式（6）中：，表示船舶運行時的電流密度；表示物種數(shù)量；表示船體表層發(fā)生變化的速度矢量，單位m/s；z表示離子電荷，單位個；表示離子遷移率，單位m2/（伏·秒）；F表示法拉第常數(shù)；表示電解液電位；c表示物種濃度，單位ng/L。

2.5" 船體表面加工技術(shù)

2.5.1" 注重在船體加工環(huán)節(jié)的防腐處理

根據(jù)船舶的航行條件，考慮船舶所依賴的外加電流，實現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)情況，了解船體運行時所產(chǎn)生直流電流源，會跟隨船舶航行逐漸消耗，導(dǎo)致船體上部分鋼鐵材料涂層破損問題。

2.5.2" 成型技術(shù)

通過熱成型、彎曲成型以及爆炸成型等方式，可以實現(xiàn)對船體表面加工。一是可以運用冷卻、加熱的手段，使船體的板材發(fā)生塑性變形，有助于相關(guān)人員獲取需要的形狀[5]。二是采用液壓設(shè)備、機械設(shè)備等，實現(xiàn)對船體板材的彎曲處理，讓其能夠變成需要的曲面形狀。

3" 結(jié)語

綜上所述，船體自動化加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用勢必為船舶工業(yè)發(fā)展增加新動力，使得相關(guān)單位應(yīng)結(jié)合船舶智能制造項目，明確核心智能裝備方面的現(xiàn)存短板，通過合理建設(shè)系統(tǒng)框架、三維激光掃描技術(shù)、數(shù)控切割技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、船體表面加工技術(shù)等措施，方可推動船舶工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[3]馬新雨.中國海洋船舶工業(yè)智能化時空分異及影響因素研究[D].沈陽：遼寧師范大學(xué)，2023.

[4]王小惠.面向船舶智能制造的舾裝件標(biāo)識與采集技術(shù)應(yīng)用研究[D].欽州：北部灣大學(xué)，2021.

[5]顧一清，王娜娜.船舶總體智能化[J].船舶工程，2022，44（12）：13.