肋骨自动加工参数实时计算方法的研究＊

2013-07-09周永清王呈方

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2013年2期

关键词：弦长肋骨机械手

周永清王呈方胡勇

（武汉理工大学交通学院武汉 430063）

0 引言

在近年来的船厂建设与技术改造中，机械手数控肋骨冷弯机［1－3］已大量应用到船体肋骨的自动加工中.其自动加工原理采用弦线测量控制法［4］，肋骨采用分段加工，逐段成形.

1 弦线测量法原理

肋骨自动加工采用的弦线测量控制法原理见图1.首先根据船体肋骨型值参数，采用样条函数进行曲线拟合，可以得到船体肋骨曲线f（x）.然后，从肋骨加工的起点端开始，用弦长等于S0的弦线将曲线分割成若干个弧线段，其分点分别为1，2，3，…，i，并作出其定长弦线S0，再由起点1向相反方向作出该曲线的切线，在上面量取等于型材甩头（即荒料）的长度01记为L0，然后过0点分别向各分点i作弦线，0点到加工分点i的弦线长记为Li，该弦线Li与相邻的定长弦线又形成了θi.Li反映了被弯曲加工段船体肋骨的位置情况，即进料长度控制量.θi表示被加工段船体线形的曲率情况，即为弯曲角度控制量.

图1 弦线测量控制法原理

因为Li和θi惟一地决定了各分点i一定在肋骨曲线f（x）上.加工过程中，用弦长Li控制进料位置，用θi控制成形精度.当进料达到Li时，控制机器将型材弯曲Li与S0的夹角为相应的θi，就能将型材弯制成所要求的曲线形状.因此，采用该设备进行数控加工时，通常是在加工前计算出控制参数数组｛Li，θi｝，把它作为加工指令文件传输给现场控制的NC装置，在加工过程中按照该指令先进料到Li，然后弯曲工件，使之达到弦长Li与定弦长S0的夹角为θi.

2 机械手肋骨冷弯机的组成与控制

机械手肋骨冷弯机由控制系统、机械、液压、电气等部分组成.其移动部件有左中右3个夹紧油缸、2个左右摆动进料油缸、1个主弯曲油缸、2个反变形的驱动液压马达和2个检测杆驱动电机等10个部件.

其移动部件的控制，首先由控制软件根据加工工艺过程和检测数据，生成控制指令；然后通过计算机接口和I／O模块输出，控制继电器线圈的得电或失电；再由继电器的常开触头的闭合与断开来控制液压站上电磁阀的得电与失电，从而控制油缸活塞杆的进退、检测杆驱动电机的正反转动，最终实现机器的加工动作.通过5个拉绳传感器、3个压力继电器和20多个接近开关，将机器移动部件的运动位移、限位等信息反馈给控制软件［5］.

在实际加工过程中，执行进料指令时，由于控制系统的延迟、电路和液压元件的响应延迟，以及机器惯性等原因，进料总会有误差，进料后的实际弦长为L′i，它与理论弦长Li有差别.若此时仍然采用加工指令中的θi来控制肋骨的成形，必然会引起肋骨成形误差.

3 进料误差分析

3.1 进料误差统计

在某船厂使用400t机械手数控肋骨冷弯机进行肋骨数控加工时，记录每段的进料目标弦长、进料后的实际弦长和进料误差.将每次的进料误差绘制在图上，见图2.

图2 按进料顺序记录的进料误差

根据记录的进料结果，对进料误差进行统计分析，可以得出每段进料的平均误差为8.60 mm，进料超过值最大为15.13mm，进料不足最大为11.98mm.

3.2 进料误差原因分析

机械手肋骨冷弯机自动加工的控制过程见图3.其中控制软件的反应速度、液压油路响应速度和机器响应速度等都会影响进料误差值.

图3 控制过程简图

控制软件的检测周期约为20ms.软件检测到机器运动的位移参数后，然后根据弦长计算模型计算实测弦长L′i是否达到进料要求的目标弦长Li附近.由于2次检测之间存在一定的时间间隔，因此进料误差不可避免.

液压油路响应速度又受到油泵流量大小、阀件响应速度、液压油粘性等因素的影响.在程序命令发出和液压油路响应之后，机器由于惯性会过冲或抖动也会造成进料误差.

另外，在肋骨弯曲过程中，2个检测杆的检测头紧贴着肋骨的腹板边沿，2个检测头的位置会随着肋骨形状而变化，而且并不一定是同步的前进或后退，因此检测头的距离并不是总等于检测杆的间距S0.

因此，进料精度可以提高，但要很精确几乎不可能.在加工过程中，为了弥补机械手数控肋骨冷弯机进料存在误差的不足，根据实际进料长度和检测头的实际间距计算肋骨弯曲加工的目标角度，是很有必要的.

4 弯曲角度实时计算方法

弯曲角度的实时计算需要的参数有：肋骨冷弯机机器参数首端荒料L0和定弦长S0，肋骨线型参数｛xi，yi｝和首尾端部切线方向P0，P1，和进料后的检测数据L′i和S′i，见图4.其中，甩头长L0和定弦长S0与机器的制造安装有关，机器安装完成后标定时可以测量出来；肋骨线型参数则是在船体生产设计后加工文件形式给出的；实时进料参数在进料过程结束后由检测机构捡取并计算得出.

图4 弯曲角度实时计算方法图

将离散的肋骨型值点（0，1，2，…，n）拟合成连续的光顺曲线.采用三次样条函数，根据型线首尾切线方向P0，P1和型值点坐标｛xi，yi｝进行曲线拟合，得出肋骨型线的插值函数f（x），使得

用追赶法对三次样条函数的各个系数进行求解.

求甩头点Q的坐标，从型值的起点（图4中的0点）开始，沿着曲线切线方向反向延长，延长距离为L0，即可点到甩头点，见图4中Q.甩头点的坐标为

根据实际进料弦长L′i，求实际加工分点坐标（x′i，y′i），使得

求取下一个加工分点（x′i＋1，y′i＋1），使得

求取弦长L′i＋1

求角度θ′i：在Li、Li＋1和S0构成的三角形中求取角度θ′i

5 计算结果

根据上述方法，在每次进料后根据实际进料长度重新计算.理论角为加工前计算的Li所对应的弯曲角度θi，计算角是根据实际进料长度L′i重新计算的弯曲角度θ′i.在加工过程中，记录每段的理论角、计算角及他们之间的误差（简称误差角），每段的误差角度见图5.

图5 理论角与实时计算角的误差

图中显示，该肋骨零件分为47段进行加工.首段和尾段的弯曲角由于特殊原因单独处理，其误差角为0°.其余45各段中，误差角小于0.02°的有1段，占2.2% 在0.02°到0.04°之间的有15段，占33.3%；在0.04°～0.06°之间的有22段，占48.8%；大于0.06°的有7段，占15.5%.各段误差值的绝对值平均为0.044 7°，最大值为0.08°.

而实际控制过程中，每段肋骨的实际成形角度与理论角的最大允许误差为0.06°.上述计算结果显示，由于进料误差，导致理论角本身的误差超过0.04°的就有29段，占64.3%.也就是说，大部分加工段的理论角本身的误差已经接近或超过误差极限.根据它进行肋骨弯曲加工时，再加上其他原因产生的误差，将使每段肋骨的误差角超过允许误差，使产品精度难以保证.所以，根据实际进料长度实时计算弯曲角度是必要的.

在船厂的肋骨自动加工实践中采用该方法后，得到的加工产品精度可以达到8m弦长的肋骨拱高误差为±3mm，满足船厂加工精度要求（其船舶行业标准为±1mm／m）.