基本信息
- 项目名称：
- 数字化绿色造船新型装备——数控样条
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品是船厂用于船体曲板加工时检验曲板成形合格与否的检测设备。它替代当前船厂所用的三角样板和活络样条，实现样条高效快速地自动成形。其推广与应用，省去了传统样板制作的生产环节以及维持该环节所消耗的成本和资源，由此降低了造船成本，避免了传统样板制作、存放和废弃对环境的污染。将为船厂全面实现数字化绿色造船，进一步缩短造船周期作出不可估量的贡献，并产生巨大的经济效益和社会效益。经查新属国内外首创。
- 详细介绍：
- 1、作品目的 在船厂，放样工人根据船体外板放样结果制作三角样板或活络样条，弯板工人再依照三角样板或活络样条进行船体外板（机械或水火）对样加工。当前的三角样板制作工艺存在资源浪费、工艺繁琐、制作精度低、存放空间大、使用寿命短等缺点。为克服上述缺点，本创新小组设计了数控样条。本作品样条快速高效自动成形，提高了样条成形精度；经一次投资，后续样条制作所需材料、人工投入（相对当前的三角样板或活络样条制作工艺的投入）几乎忽略不计；省去了当前的三角样板和活络样条制作生产环节，因而节省了该环节所占用的生产与管理所需各种资源与能耗。本作品一旦为船厂所应用，将进一步实现造船自动化与数字化，对降低造船成本与缩短船舶建造周期具有十分重要的作用。 2、作品功能 数控样条主要是用来代替当前的三角样板和活络样条，对板材弯曲成形合格与否进行检验。 3、组成原理 数控样条整个装备由样条本体, 激光校验装置, 悬臂式弹簧平衡吊，微控系统四部分组成。各部分组成如下: 1）样条本体包括丝杆驱动块、弹簧钢带、梯形骨架、悬挂连接器。梯形骨架用于固定阵列(2N+1)（2≤N≤8）个丝杆驱动块。丝杆驱动块是一种自行设计的光机电一体新型直线位移驱动装置，由微控系统控制其块内带齿轮减速传动机构电机驱动丝杆直线位移单元，由其下端连接的带样条夹支撑头移动担任样条角色的弹簧钢带，钢带移动距离由安装在丝杆驱动块内的光电传感器检测并反馈到微计算机，对钢带移动距离与速度实现半闭环控制；固定在骨架上的(N+1列) 整套丝杆驱动块按照同样的原理，由微机实现PID（根据偏差的大小执行同时不同速）多点数字控制弹簧钢带无坏点光顺成型于目标样条曲线，实现样条数字控制自动调节成形，用于船体外板成形检验。 2)激光校验装置在使用状态下，对数控样条的线形对错与合格与否进行校验。它包括激光传感器及其保护盒、直线运动单元、支撑架。直线运动单元的功能是实现激光传感器对数控样板线形扫描，是一种对样条曲线进行二维（X,Y）检测的机构。样条曲线X值即安装激光传感器滑块的位移量由安装在直线运动单元右端的光电位移传感器测量, 滑块2f的位移由安装在直线运动单元左端的电机拖动实现； 样条曲线Y值由激光传感器测量完成。它自动校验数控样板线形和成型精度，确保数控样条成形的正确性和准确性，避免了人为粗心误操作时出现废品所带来的资源浪费。 3）悬臂式弹簧平衡吊悬挂数控样条,协助操作工人进行板材成形检验，减轻了现场板材加工工人的劳动强度. 数控样条由弹簧平衡吊悬于空中，改变了当前样板堆放在工作场地周围的存放方式，消除板材加工现场零乱的源头，净化操作工人的工作环境。它包括旋转臂（包括配重吊臂、工作转臂的大臂和小臂）、弹簧平衡器、可伸缩立柱、可移动底座。可旋转臂绕可伸缩立柱可以实现数控样条在平面360°范围内转动，工作半径由工作转臂的大臂和小臂夹角确定。吊挂在弹簧平衡器上的数控样板由弹簧平衡器吊索伸缩满足数控样板在不同高度工作台操作的需要，通过旋转臂和弹簧平衡器协同配合，使数控样板可灵活自如移动到工作范围内指定工作面，并稳定地停止指定点上。 4）微控系统通过CAN总线将上位机与下位机系统和下位机系统连接而成，实施样条数字控制自动成型及其成型正确性和精度的检测。上位机执行从HD-SHM、TRIBON、CADDS5数据库提取待加工船体曲板样条数据，并在屏幕上进行可视化显示，在屏幕上选取待加工样条数据通过CAN总线下传到下位机1和2控制系统中，下位机控制系统1根据其数据自动成型于指定样条，在由下位机测控系统2对成型样条曲线复查其正确性和精度。 4、主要技术指标 （1）成型精度(mm)：±1（船舶建造精度标准：≤±1.5） （2）调节范围(mm)（以1250规格为例） 正/反弯曲：-300～300 双向弯曲：-150～150 （3）调节时间（s）：40～60 （4）样条重量（kg）：10～25 （5）样条伸缩杆阵列点数：(2N+1)（2≤N≤8） （6）伸缩杆阵列间距(mm)：200、250 （7）轻型弹簧平衡吊规格（半径）： 1800mm、2400mm、3000mm、3600mm （6）数控样条本体重量：10～25kg （7）样板伸缩杆阵列点数：(2N+1)伸缩杆阵列间距： 200mm（3 ≤ N ≤8） 250mm（2≤ N ≤6） 300mm（2≤ N ≤5） （8）使用寿命：5年 （9）额定功率：100W 5、应用工艺 数控样条针对不同的使用场合采用不同的支持装置，但其工作部件的使用方法和原理都是相同的。下面针对在水火弯板加工中使用本装置方法的说明。 （1）场地布置 数控样条本体与悬臂式弹簧平衡吊连为一体，在非工作状态下放置于激光校验装置上，整体就位于水火弯板现场适当位置，旋紧螺栓固定支撑腿，准备就绪。 （2）选定加工样条 在数控样条工业测控机的显示屏上运用鼠标点选当前加工板材，屏幕上方显示当前板材三维板型，屏幕下方显示该板材若干条肋位样条数据。点选待检测肋位样条数据，此时屏幕主窗口中板型上当前肋位样条曲线显示为红色。 （3）成形过程 数控样条本体根据选中样条数据，通过微控系统数字控制自动成形于指定样条。其过程为：微控系统控制其盒内带齿轮减速传动机构电机驱动丝杆直线位移单元，经其下端连接的带样条夹支撑头移动担任样条角色的弹簧钢带，多点数字控制弹簧钢带无坏点光顺成型于目标样条曲线。 （4）二次检验 启动激光校验装置，激光位移传感器作水平移动，对当前样条曲线进行扫描，反馈扫描二维（X,Y）数据。显示器显示当前形成曲线形状，与理论曲线进行对比，校准样条曲线。本步骤是否进行根据实际加工情况判断。 （5）样条比对 将数控样条本体沿竖直方向向上托起，使其脱离激光校验装置。工人把持样条与需检验肋位进行比照，若二者形状相符则说明本肋位加工符合要求，若不同则继续加工直至形状相符。此肋位加工完成。重复2～5步，完成当前板材加工。 （6）轻型弹簧平衡吊的使用 使用时，悬臂式弹簧平衡吊通过弹簧平衡器悬挂样条本体，保证操作工人无需费力即将样条本体移至所需加工位置。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品目的 数控样条用以替代三角样板或活络样条对船体外板加工进行成形检验，改变活络样条手工调节方式，避免三角样板全生命周期（制作、使用、存放、报废）存在的资源浪费、环境污染、工艺复杂、效率低、存放空间大、使用寿命短等缺点，进而降低造船成本，促进船厂全面实现自动化和数字化绿色造船。 2、基本思路 数控样条将船舶建造系统提供的船体外板放样数据下传到其控制系统，由其调节机械装置自动成形于实体样条，再通过激光校验装置对样条成型曲线进行检验，确保样条成型曲线的正确性和准确性。工人借助轻型弹簧平衡吊，轻松地将数控样条移到曲板相应肋位进行对样检测，保留了工人当前对样加工的操作习惯。 3、创新点 1）自行设计的光机电一体新型直线位移驱动装置，由微控系统控制实现样条自动调节成形。 2）首创了样板型线的检验设备——激光校验装置，确保数控样条成形的正确性和准确性。 3）新型悬臂式弹簧平衡吊，用于悬挂数控样条，协助操作工人进行板材成形检验。 4、关键技术 1）低成本高可靠光机电一体微型直线位移驱动装置设计制造技术 2）多点控制弹簧钢带无坏点光顺成型及其精度控制技术 3）数控样条在多种船体外板加工设备中应用技术 5、主要技术指标（单位mm） 1）成型精度：±1（规范要求：≤±1.5） 2）调节范围（以长度1250为例） 正/反弯曲：-300～300 双向弯曲：-150～150 3）调节时间（s）：40～60 4）样条最大长度：3500 5）伸缩杆间距：250
科学性、先进性
- 1、样条数字控制自动、快速、精确成形，改变了当前三角样板的手工制作与活络样条人工调节的落后工艺。 2、样板成形由人工检测转为激光自动检测，为保证数控样条成形的正确性和准确性提供了一种先进的检验设备。从而提高了样板检测质量，降低了质检人员的劳动强度。 3、改变了当前样板堆放在工作场地周围的存放方式。数控样条由弹簧平衡吊悬于空中，消除了板材加工现场零乱的源头，净化了工人的工作环境；同时数控样条由弹簧平衡吊支撑，工人能轻松地将其移至对应检测位置，减轻了现场板材加工工人的劳动强度。 数控样条替代了当前的三角样板或活络样条，省去了当前样板的生产环节，改变活络样条手工调节方式，避免三角样板全生命周期（制作、使用、存放、报废）存在的资源浪费、环境污染、工艺复杂、效率低下、存放空间大、使用寿命短等缺点，进而降低造船成本，促进船厂全面实现数字化绿色造船。 （参考文献见研制报告附件）
获奖情况及鉴定结果
- 获湖北省第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 样品，现场演示，图纸，图片，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、使用说明： 数控样条就位，在显示屏上选择待加工样条数据，执行自动成形指令，激光校验样条成形曲线，移动数控样条对正加工曲板检验，检验完毕，数控样条放回原处。 2、技术特点和优势： 较当前样条，数控样条自动成形，成形时间可忽略不计。省去当前样板制作环节及其成本和资源。激光校验成型曲线，保证型线正确性和准确性。样条数据存于计算机中随时调用，工作时样条由地面存放转为空中悬挂，改变了存储方式。 3、适应范围及推广前景的技术性说明，市场分析和经济效益预测 主要适用于船舶修造行业。我国每家船舶制造企业每年建造两种新船型，加上老船型样板的维修，则需制作样板、样箱费用约60万元（尚不计人员安全、社保、管理和环境维护潜在支出）。用活络样条检验，仍需10余万元。若用数控样条，仅一次投资，后续材料、人工等投入几乎不计，能为船厂创造巨大的经济效益。据中国船舶工业行业协会数据，截至2011年4月全国规模以上的船舶企业1518家，市场巨大；若考虑国外市场，数控样条市场前景更加可观。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外造船厂对船舶外板加工主要采用机械冷弯和水火加工方法。而船厂对船体曲面加工检验，采用接触式和非接触式两种测量方法。 当前船厂主要采用接触式检验方法，即三角样板或活络样条检验。 木制三角样板采用纯手工制作方法，需经断料、划样、锯型、刨线、钉制号缝及编号操作等七八道工序，费时、耗力，制作流程极其复杂；当前较先进的三角样板制作方法是中海长兴工业船舶有限公司所采用的数控切割木制样板技术，仍消耗大量的木材。 活络样条于上世纪90年代由南通创伟工贸、大连造船厂工具实业公司、南通三联船舶等公司借鉴国外制作技术，为适应计算机辅助船体建造系统和取消1:1地板放样而研制的一种替代木质样板、样箱的检验工具。工人利用船舶建造系统提供的活络样条调节表，在带有刻度的钢质平台上，经由按磁铁摆点、型值复核、样板靠点等一系列工序手工调节而成。 非接触式测量方法主要运用于曲板自动成型数控设备中。如数控弯板机采用激光检测法。但对于水火弯板加工现场，其环境较差，火焰产生的强光，板材上残留着积水，周围存在水雾和烟气，使得激光在不均匀的介质中而难以保证激光检测法测量精度，因而使用受到局限。此外，非接触式检测方法还有采用CCD双目成像测量技术对板材成型状态进行评估。在国内，武汉理工大学和山东硕力机械制造公司、上海交通大学和广船国际、大连理工大学和大连造船新厂、611所和外高桥船厂，已分别合作进行数控弯板自动加工系统的开发研制；在国外，西班牙、意大利、丹麦等试制过自动水火弯板设备，韩国汉城大学研制出了自动水火弯板加工系统。上述板材自动加工方法均尝试了非接触式测量方法。 注：参考文献及现有卡样方法的特点详见研制报告的相关部分。
