一種造船用數控胎架的控制方法
2023-06-02 21:21:16 5
一種造船用數控胎架的控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種造船用數控胎架的控制方法，該數控胎架包括多個胎架支柱，所述控制方法包括：步驟一、讀取船舶分段曲面數據；步驟二、對讀取的船舶分段曲面數據進行曲面擬合；步驟三、將讀取的船舶分段曲面數據經坐標變換調整到水平位置；步驟四、確定各個胎架支柱的具體坐標；步驟五、利用雙三次非均勻有理B樣條曲面（NURBS）技術和數據插值技術，根據調整到水平位置的船舶分段曲面數據擬合出船舶分段曲面的曲面函數；步驟六、計算各個胎架支柱應有的高度；步驟七、根據計算出的各個胎架支柱的高度對各個胎架支柱進行調整。本發明可以實現數控胎架的自動化控制，方便調整數控胎架的高度，控制調節精度高、速度快。
【專利說明】一種造船用數控胎架的控制方法
[【技術領域】]
[0001]本發明涉及一種造船工藝，具體涉及一種造船用數控胎架的控制方法。
[【背景技術】]
[0002]在船舶建造過程中，胎架是船舶分段裝配與焊接必不可少的工裝設備，是製造船體曲面分段和曲形立體分段的形狀胎模和工作檯。胎架的種類很多，按其使用範圍分為專用胎架和通用胎架兩大類。在我國，大部分船廠採用的是支點角鋼胎架，這種專用胎架為滿足特定分段曲面線型的要求，需對角鋼支點進行焊接和切割，不可避免地造成了鋼材的浪費，在我國年造船量巨大的情況下，支點角鋼的切割造成對鋼材的浪費是非常巨大的，同時切割的廢料堆在分段建造場地，對工作環境造成了一定的汙染；對角鋼的切割和焊接過程中，也浪費了焊接所使用的氣體，產生的廢氣也汙染了自然環境，有悖於國家節能減排的國策；此外，這類專用胎架不能針對不同規格、不同外形的船舶進行適應性調節，不能重複利用，在造成資源浪費的同時延長了造船的工期；
[0003]現有技術中存在一種框架活絡胎板式通用胎架，它主要由框架、活絡模板、槽鋼橫粱和調節杆等構成，根據船體分段的型線，框架選擇30。、40。、50。和60。四種角度，角度框架的斜向角鋼上開有螺孔，用於固定小活絡胎板。活絡模板、框架斜向角鐵及槽鋼橫粱之間以螺栓連結；
[0004]現有技術中還存在一種套筒支柱式胎架，每根支柱由內管、外管、活絡頭、底座、插銷、搭焊板凳組成，內外管上各鑽三排孔眼，交叉成60度，孔眼呈螺旋形上升，用來調節型值高度，並以插銷固定，底座以螺栓與槽鋼平臺連接，根據分段的肋距、重量及線型彎曲程度，可進行縱橫位移。這種胎架雖然可以實現高度的調節，重複利用，但其高度調節不連續，精度低；
[0005]通過對現有技術中的各種通用胎架的分析，可知其依然存在以下幾個方面的問題:1、胎架型值的調節精度有限，操作不便；2、對通用胎架的控制都未實現自動化。
[
【發明內容】
]
[0006]針對上述問題，本發明公開了一種造船用數控胎架的控制方法，可以實現數控胎架的自動化控制，方便調整數控胎架的高度，控制調節精度高、速度快。本發明的技術方案如下:
[0007]一種造船用數控胎架的控制方法，該數控胎架包括多個胎架支柱，所述控制方法包括:
[0008]步驟一、利用數據接口技術讀取船舶分段曲面數據；
[0009]步驟二、利用NURBS技術對讀取的船舶分段曲面數據進行曲面擬合，將實際船舶分段曲面空間位置顯示在屏幕上；
[0010]步驟三、利用三維坐標變換技術，將讀取的船舶分段曲面數據調整到水平位置，並記錄該水平位置下的船舶分段曲面數據；[0011]步驟四、設定船舶分段曲面與胎架支柱框架坐標原點的相對坐標關係，確定在此坐標系下各個胎架支柱在船舶分段曲面的具體坐標；
[0012]步驟五、利用NURBS技術，根據步驟三記錄的水平位置下的船舶分段曲面數據擬合出船舶分段曲面的曲面函數；
[0013]步驟六、根據各個胎架支柱在船舶分段曲面的具體坐標和曲面函數，插值計算各個胎架支柱應有的高度；
[0014]步驟七、根據計算出的各個胎架支柱應有的高度同時對各個胎架支柱進行控制調
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[0015]本發明的造船用數控胎架的控制方法，可以讀取船舶分段曲面數據；利用坐標變換技術將讀取的船舶分段曲面數據調整到水平位置；設定船舶分段曲面與胎架支柱框架坐標原點的相對坐標關係，確定在此坐標系下各個胎架支柱位置在船舶分段曲面的具體坐標；利用NURBS技術和數據插值技術，根據調整到水平位置的船舶分段曲面數據，擬合出船舶分段曲面的曲面函數；根據各個胎架支柱具體坐標和曲面函數，計算出各個胎架支柱需要調整的高度；最後由計算機控制技術實現對各個胎架支柱的控制調整，達到數控胎架的自動化控制。本發明方便調整數控胎架的高度，控制調節精度高，速度快，從而實現提高效率、節約材料、降低成本、縮短造船工期的目標。
[【專利附圖】
【附圖說明】]
[0016]圖1為本發明造船用數控胎架的控制方法在一實施例中的流程圖；
[0017]圖2為圖1中控制方法用到的控制程序的流程圖；
[0018]圖3為圖1中所用到的胎架支柱的形狀結構圖；
[0019]圖4為圖3中上立柱的結構示意圖；
[0020]圖5為圖4的俯視圖；
[0021]圖6為圖3中下立柱的結構示意圖；
[0022]圖7為圖6的A-A向視圖；
[0023]圖8為圖3中立杆的結構示意圖；
[0024]圖9為圖3中的頂面圓頭、方塊和可拆卸緊固塊的分解視圖。
[0025]圖10為圖3中的頂面圓頭、方塊的連接結構示意圖。
[【具體實施方式】]
[0026]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0027]圖1所示為本發明的造船用數控胎架控制方法的流程圖，其包括:
[0028]S101、利用數據接口技術讀取船舶分段曲面數據；
[0029]利用數據接口技術，可與目前造船廠廣泛使用的數位化造船系統中直接輸出的船舶分段數據文件實現接口，直接從這些文件中讀取船舶分段的型值數據，應用於船舶分段曲面的生成；
[0030]S102、利用NURBS技術對讀取的船舶分段曲面數據進行曲面擬合，將實際船舶分段曲面空間位置顯示在屏幕上；
[0031]該步驟利用NURBS技術，通過逆運算，求出通過船舶分段曲面各點的NURBS數學表達式的控制點和控制係數，然後利用求出的表達式，直接將需要加工的船舶分段型值數據以三維圖形方式展示預覽，檢查數據合理性，完整性，如發現問題，進行數據預處理，直到數據完善；
[0032]S103、利用三維坐標變換技術，將讀取的船舶分段曲面數據調整到水平位置，並紀錄該水平位置下的船舶分段曲面數據；
[0033]具體調整方法可以如下:設船舶分段曲面各點坐標為P (X，Y，Z)，四個角點原始坐標分別為:Pl (XI，y1，Ζ1)、Ρ2 (Χ2，y2，Ζ2)、Ρ3 (Χ3，y3，Ζ3)、Ρ4 (Χ4，y4，Ζ4)，四個點下標為順時針方向，取分段曲面中心點PO (Χ0, y0, Ζ0)為基準調平點，則分段沿X、Y、Z方向調平計算公式分別為:
[0034]X方向，首先計算需要調平的角度:
[0035]a=arctan ((0.5* (Z1+Z3) -0.5* (Z2+Z4)) / (X4-X1));
[0036]然後計算X方向調平後原始數據坐標:
[0037]fX (P) = (X-XO) *cos (α) + (Z-ZO) *sin (α);
[0038]fY (P) =Y;
[0039]fZ (P) = (Z-ZO) *cos (a) - (X-XO) *sin (a);
[0040]同樣，
[0041]Y方向，首先計算需要調平的角度:
[0042]a=arctan ((0.5* (fZl+fZ4) -0.5* (fZ2+fZ3)) / (fY2-fYl))；
[0043]然後計算Y方向調平後原始數據坐標:
[0044]fX' (P) =fX;
[0045]fY' (P) = (fY-fYO)*cos(_α)_fZ*sin(_α);
[0046]TL' (P) = (fY-fYO) *sin (_α)+fZ*cos (_α);
[0047]Z方向，調平角度:
[0048]a=arctan ((0.5* (fY' l+fY/ 2)-0.5* (fY' 3+fY/ 4))/(fX' 4-fX' I))；
[0049]Z方向調平後原始數據坐標:
[0050]fX' ' (P)=fX, *cos(a)-fY/ *sin(a);
[0051]W ' (P)=fX, *sin(a)+fT *cos(a);
[0052]W ' (P) =W (P);
[0053]經過以上曲面調平計算，再進行曲面垂直平移，使曲面最低點落在水平零面上。此時，船舶分段曲面高度差處於最小狀態，可以減少整個分段曲面的高度差，便於胎架調型和分段焊接加工操作；
[0054]S104、設定船舶分段曲面與胎架支柱框架坐標原點的相對坐標關係，確定在此坐標系下各個胎架支柱在船舶分段曲面的具體坐標；
[0055]具體可以先設定船舶分段曲面的坐標原點放置於數控胎架的整體框架原點(X0，Y0)的相對位置(XO'，Y0')處，並形成一方向角度α (可為O或任意值)；在此基礎上，可計算確定各個胎架支柱(原始數控胎架整體框架坐標中的坐標值為(Χ，y))相對於船舶分段曲面的具體坐標，具體坐標如下:
[0056]V = (Χ-Χ0, ) *cos(a) + (Y-Y0/ )*sin(。)；
[0057]V = (Y-YO, ) *cos(a)-(X-X0/ )*sin(a);[0058]以上計算的各胎架支柱相對於放置的船舶分段曲面坐標(X' ,Y')可用於後面步驟計算胎架支柱高度時使用。
[0059]S105、利用NURBS技術，根據步驟S103記錄的水平位置下的船舶分段曲面數據擬合出船舶分段曲面的曲面函數；
[0060]與S102步驟相同，利用NURBS技術和水平位置下的船舶分段曲面數據，通過逆運算，求出通過水平位置下船舶分段曲面各點的NURBS數學表達式的控制點和控制係數。通過求出的表達式，可計算分段曲面上任意一點坐標(X'，V )的高度值；
[0061]S106、根據各個胎架支柱在船舶分段曲面的具體坐標和曲面函數，插值計算各個胎架支柱應有的高度；
[0062]利用已求出的船舶分段曲面函數NURBS表達式和每個胎架支柱的位置坐標(X'，
V)，可以計算出每個胎架支柱處的曲面高度坐標Z'，這個Z'就是該支柱應該調整達到的高度；
[0063]S107、根據計算出的各個胎架支柱應有的高度同時對各個胎架支柱進行控制調
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[0064]假設傳動齒輪與電機齒輪的齒數比為R，絲杆螺距為d，各胎架支柱當前距水平零面的高度為H，則可計算出電機需要的轉數為:
[0065]N= (Z' _H)*R/d
[0066]當(Z' -H) >0，說明應調節高度大於目前高度，電機應正方向旋轉N圈後，支柱高度達到要求；
[0067]當(Z' -H)〈0，說明應調節高度小於目前高度，電機應反方向旋轉N圈後，支柱高度達到要求；
[0068]當計算得到轉數和旋轉方向後，可組合成控制指令，控制每個電機轉動，使胎架支柱高度達到調節要求。
[0069]上述步驟可以採用相應的計算機控制程序來實現，實現數控胎架的自動化控制，方便調整數控胎架的高度。控制調節精度高，速度快，從而實現提高效率、節約材料、降低成本、縮短造船工期的目標。
[0070]優選的，在根據計算出的各個胎架支柱應有高度對各個胎架支柱進行調整前，還包括步驟:將各個胎架支柱的高度調整到同一個水平面上。以方便統一對各個胎架支柱的聞度進行調整，減少偏差。
[0071]在根據計算出的各個胎架支柱應有高度對各個胎架支柱進行調整後，還應包括步驟:監測各個胎架支柱的高度是否調整到位，如果調整到位則發出提示信息，告知胎架調整完成。如果發現異常，如某個電機轉數沒有變化或長時間轉動不到位，則發出提示，由操作人員檢查並繼續發送調整指令，直到各支柱轉動到位為止，胎架調型結束。
[0072]為了實現數控胎架的精密自動化，使數控更智能更精確，數控胎架控制方法的具體實現的程序流程圖如圖2所示。胎架支柱結構具體可以如圖3至圖10所示，每個胎架支柱可以包括下立柱4、上立柱9、立杆和傳動機構，下立柱4包括下套管3和設在下套管3下部的胎架底座1，下套管3的上部設有連接底座16 ;上立柱9包括上套管10，上套管10下部設有上套管底座15，上套管底座15的上部設有傳動機構安裝盒7，傳動機構安裝盒7內設有電機20，電機20的輸出軸上同軸固定有電機齒輪5 ;上套管10的上部設有頂部構件11，頂部構件11的中部設有圓形缺口 17和一段導向軌；所述立杆包括絲杆8，絲杆8的外部設有用於傳動的外螺紋，絲杆8的上部設有一段與導向軌匹配的導向槽；所述傳動機構安裝盒7內還設有與絲杆8同軸的傳動齒輪6，傳動齒輪6的中部設有與所述外螺紋對應的內螺紋，傳動齒輪6與電機齒輪5嚙合，通過電機齒輪5的帶動在傳動機構安裝盒7內做軸向旋轉，因傳動齒輪6在垂直方向的位置固定，同時絲杆8在徑向的旋轉自由度被所述導向軌和導向槽消除，使得傳動齒輪6帶動絲杆8上下運動。
[0073]由電機20提供動力，通過電機齒輪5和傳動齒輪6傳動，並通過螺紋傳動帶動絲杆8上下運動，從而對胎架支柱的高度進行調節，螺紋傳動可以實現無級調節，高度調節快速、連續且精度高；通過計算機控制技術控制電機20的轉數和轉向，從而使絲杆8運動的控制更加智能和精確。
[0074]此時，根據計算出的各個胎架支柱的高度對各個胎架支柱進行調整，具體可以為:
[0075]利用電機齒輪、傳動齒輪的齒數比，以及絲杆的螺距值，根據計算出的各個胎架支柱的應有高度，計算出電機的轉向和轉數，然後利用計算機控制技術，將每個支柱電機的轉數和轉向，組合成控制指令，發送到每個電機，控制每個電機轉動。
[0076]電機根據接收到的控制指令運轉後，可以利用計算機控制技術對電機運行狀態進行監控，接收電機發送的運行狀態實時反饋信息，並根據接收的反饋信息與計算出的轉數和轉向進行對比，確定是否繼續向該電機發出相應的控制指令；如果轉動到位，則胎架調型完成。如果發現異常，如某個電機轉數沒有變化或長時間轉動不到位，則控制程序發出提示，由操作人員檢查並繼續發送調整指令，直到各支柱轉動到位為止，胎架調型結束。
[0077]優選的，每個胎架支柱還包括頂面圓頭12和兩塊方塊14，頂面圓頭12固定在絲杆8上部，頂面圓頭12的上部為一球面，所述方塊14設有與所述球面對應的凹形球面，兩方塊通過螺絲4a固緊連接後鉸接在頂面圓頭上部；兩方塊固定後與頂面圓頭以球面副的形式鉸接，使得方塊可以在一定的角度範圍內任意轉動，進而使方塊14上部形成所需任意角度的平面，與船體的分段曲面貼合，形成面接觸，提供了較大的接觸面積，並使載荷的分布均勻；
[0078]進一步的，所述絲杆8的頂部開有用於固定頂面圓頭12的內螺紋孔，所述頂面圓頭12的下部設有一與所述內螺紋孔匹配的螺杆3a ;頂面圓頭12通過所述螺杆3a與內螺紋孔的配合固定在絲杆8的頂部，連接方便可靠；
[0079]進一步的，還包括可拆卸緊固塊13，所述方塊14上表面的中部設有用於放置所述可拆卸緊固塊13的凹槽2a，所述可拆卸緊固塊13插入凹槽2a內；當方塊上部的平面與船體分段外板不能緊密接觸時，將外板通過外力與可拆卸緊固塊13接觸後，通過點焊把外板與可拆卸緊固塊13固定連接，便於保持船體分段型值和整體加工；
[0080]進一步的，所述凹槽2a為燕尾槽，所述可拆卸緊固塊13為與所述燕尾槽形狀對應的梯形塊，使連接更方便；
[0081]優選的，所述下套管3外側與胎架底座I之間設有多個第一加強筋2，對下立柱4受力時起到加強作用；
[0082]優選的，所述上套管10外側與上套管底座15之間設有多個第二加強筋19，對上立柱9受力時起到加強作用；[0083]優選的，所述上套管底座15和連接底座16的對應位置均設有多個螺釘孔18，上套管底座15和連接底座16通過螺釘孔18採用螺釘連接；
[0084]進一步的，所述多個螺釘孔18沿周向均布，使連接均勻可靠；
[0085]優選的，所述上套管10或下套管3採用無縫鋼管制成，使其抗彎、抗扭性能好、重量輕，且便於批量生產。
[0086]以上所述的本發明實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種造船用數控胎架的控制方法，該數控胎架包括多個胎架支柱，其特徵在於，所述控制方法包括: 步驟一、利用數據接口技術讀取船舶分段曲面數據； 步驟二、利用NURBS技術對讀取的船舶分段曲面數據進行曲面擬合，將實際船舶分段曲面空間位置顯示在屏幕上； 步驟三、利用三維坐標變換技術，將讀取的船舶分段曲面數據調整到水平位置，並記錄該水平位置下的船舶分段曲面數據； 步驟四、設定船舶分段曲面與胎架支柱框架坐標原點的相對坐標關係，確定在此坐標系下各個胎架支柱在船舶分段曲面的具體坐標； 步驟五、利用NURBS技術，根據步驟三記錄的水平位置下的船舶分段曲面數據擬合出船舶分段曲面的曲面函數； 步驟六、根據各個胎架支柱在船舶分段曲面的具體坐標和曲面函數，插值計算各個胎架支柱應有的高度； 步驟七、根據計算出的各個胎架支柱應有的高度同時對各個胎架支柱進行控制調整。
2.根據權利要求1所述的造船用數控胎架的控制方法，其特徵在於:在根據計算出的各個胎架支柱的應有高度對各個胎架支柱進行控制調整前，還包括步驟:將各個胎架支柱的高度調整到同一個水平面上。
3.根據權利要求1或2所述的造船用數控胎架的控制方法，其特徵在於:在根據計算出的各個胎架支柱的高度對各個胎架支柱進行調整後，還包括步驟:監測各個胎架支柱的高度是否調整到應有高度，如果調整到位則發出提示信息。
4.根據權利要求1所述的造船用數控胎架的控制方法，其特徵在於:每個胎架支柱包括下立柱、上立柱、立杆和傳動機構，下立柱包括下套管和設在下套管下部的胎架底座，下套管的上部設有連接底座；上立柱包括上套管，上套管下部設有與連接底座固定連接的上套管底座，上套管底座的上部設有傳動機構安裝盒，傳動機構安裝盒內安裝電機，電機輸出軸上同軸固定有電機齒輪；上套管的上部設有頂部構件，頂部構件的中部設有圓形缺口和導向軌；所述立杆包括絲杆，整個絲杆設有外螺紋，絲杆的上部設有一段與導向軌匹配的導向槽；所述傳動機構安裝盒內還安裝有與絲杆同軸的傳動齒輪，傳動齒輪的中部設有與所述外螺紋對應的內螺紋，傳動齒輪與所述電機齒輪嚙合並通過電機齒輪的帶動在傳動機構安裝盒內作軸向旋轉，傳動齒輪帶動絲杆上下運動。
5.根據權利要求4所述的造船用數控胎架的控制方法，其特徵在於:步驟七、根據計算出的各個胎架支柱應有的高度同時對各個胎架支柱進行控制調整，具體為: 利用電機齒輪、傳動齒輪的齒數比，以及絲杆的螺距值，根據計算出的各個胎架支柱的應有高度，計算出電機的轉向和轉數，根據計算出的電機的轉向和轉數同時向電機發出相應的控制指令。
6.根據權利要求5所述的造船用數控胎架的控制方法，其特徵在於:在電機根據接收到的控制指令轉動後，接收電機發出的反饋信息，根據反饋信息與計算出的轉向和轉數進行比對，確定是否繼續向該電機發出相應的控制指令。
【文檔編號】B63B9/00GK103738463SQ201310336944
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年8月5日 優先權日:2013年8月5日
【發明者】李繼先, 趙成壁 申請人:李繼先, 趙成壁