船体曲形零件加工木质样板图快速出图方法

(江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

现代大型船舶船体结构主要使用钢质材料，有大量的中厚板零件需要加工成形[1]。为检验曲形零件的加工精度是否满足船舶线形设计要求，在船体生产设计阶段，需要以加工木质样板图的形式为现场加工部门提供曲形零件线形检验依据[2-6]。现场先根据加工木质样板图制造出相应的木质样板，再使用木质样板对具体位置的零件进行检验[7-9]，见图1。

图1 木质样板

船体线形复杂，不同曲形零件之间相似程度低，且同一块曲形零件不同剖面处的线形也可能不同，使得木质样板需求量大，相应地，对木质样板图的需求量也较大。

传统出图方法中人工操作步骤较多，既要识别出零件信息，又要绘制相应的辅助线，还要标出相应图面信息，出图工作量大，耗费工时多，出图周期长。因此，开展快速出图方法研究，提高设计出图效率。

1 传统出图方法

1.1 木质样板图

木质样板图以离散的关键剖面样条数据来表达整块零件的曲面线形，图面上需要表达的信息包括工程号、零件号、零件板缝线投影线、正档肋位投影线形、肋位号、样板标高线、旁路断线、零件朝向等,见图2。

1.2 出图步骤

曲形零件加工木质样板图由放样人员手工绘制完成，具体步骤如下。

1)按放样需求，在Tribon系统中抽取全船或区域肋位型线及板缝线，并转换成AutoCAD格式的型线及板缝线图。

2)对照分段组立图纸，根据要绘制木质样板图的零件号，在型线及板缝线图中找到该零件所对应的板缝线，作为旁路断线。

3)使用截断命令截取零件旁路断线所围成的区域内的所有肋位线，删除旁路断线以外的多余型线，此时，剩下的型线即为曲形零件上实际对应的肋位线。

4)根据实际肋位线的空间位置及整体形状，判断合适的标高线所在平面，使得每根肋位线上的标高线都大致分布在肋位线的中间区域，且标高线尽量垂直于肋位线的切线方向。

5)逐个肋位绘制标高线，因肋位线为空间曲线，所有标高线在同一平面内，所以标高线与肋位线的交点并不能快速判断出来，在绘制时，需要通过绘制辅助线的方式，找到标高线与肋位线的交点。

6)确定标高线高度，需要同时考虑到现场制作方便和使用方便，既要留足安装斜拉撑的空间，又要使得整体高度受控，确保后续施工使用方便。

图2 外板加工木质样板图

7)确定底平折角线，对于由平面部分和曲面部分组成的曲形零件，在制作加工样板时，需标出肋位线的切点位置，即底平折角线与肋位线的交点位置。

8)完善图面信息，标注每根肋位线的肋位号信息、每根标高线对应的肋位号信息、样板方向、工程号、零件号、断线标志信息等。

9)将样板图按照1∶1的比例进行套料，并1∶1打印在涤纶薄膜上，交付现场用于制作木质样板。

2 快速出图构思

出图质量与每个人的技能水平、熟练程度、出图习惯直接相关，使得图面信息难以统一，而且容易出现失误，为控制图纸质量，还需要专门配备图纸校对人员。

船体结构线形复杂，曲形零件形状各异，因此，木质样板必须定制化设计和制造，不能通用。但是，从木质样板的绘制步骤中可以看出，虽然绘制的零件有所区别，线形和区域有所不同，但是绘制步骤却是基本固定的。因此，开展快速出图方法研究，目标是减少规律性重复劳动。

木质样板图传统出图步骤具有一定的规律性，并且曲形零件本身就是在Tribon环境下进行建模的，与该曲形零件相关的线形都具有与其相关联的属性信息和几何信息，包括围成曲形零件的板缝线，曲形零件所跨越的肋位线等，只要不将线形导入到AutoCAD环境中，这些信息就不会缺失，并且是可被调用和编辑的，为基于一定规则和算法的快速自动生成木质样板图提供了可能性。

拟将传统出图方法中重复的出图步骤通过系统模块一键完成，系统具体实施步骤见图3。

图3 快速出图的构想

3 技术实现与实船应用

3.1 技术实现

快速出图首先要实现的功能是样条线(板缝线和肋位线)的获取与剪切，并利用剪切好的曲线系列计算标高线，也就是Sight Line Plane(视线面)。根据现场生产的需求，Sight Line Plane最好设置在经过外板零件的中心位置，并且尽可能使零件放置平坦。Sight Line(视线)的设置最好使标高线的长度和样条线弧长(肋位线的弧长)成正比函数关系，即肋位线越长，标高线也越长。样条线的获取可直接抽取Tribon系统的SB_CGDB数据库，这里面保存了各类线形数据，包括板缝线和肋位线，但保存的数据格式是点，所以软件的几何模型是构建在点之上的。结构关系见图4。

图4 软件几何模型结构关系

类ShellPlate表示Surface， Surface一般由Net of curves(曲线系列)组成，Curve的数学表达式是B样条曲线，在Tribon中一般是三次B样条曲线，转化成平面曲线后退化为二次曲线，开发的模块是Spline模块，里面有类Tribon2DSpline，处理Tribon中所有2D样条曲线，该样条曲线是由一系列Spline Segment连接而成，每个Segment对应模块MyArc2D中的Arc2D类，表示直线段或者圆弧。Tribon提供的API中没有任何的剪切、求交点及曲线在不同视图投影下样条转化等接口，需要用户开发。开发的起点是模型中一系列的点值(Point2D and Point3D )，在此基础上构筑自己的几何模型，并对几何模型中的对象实行求交、剪切、样条转换等操作。

样条剪切和转换完成后，利用几何对象和样条曲线的长度、中点等属性计算Sight Line Plane的位置。Sight Line Plane经过板的中心可以选取最靠近首、尾边界的2个肋位中点，然后再给出一个条件就可以确定这个平面的位置，程序选取的条件是尽可能使零件放平，也就是放置的时候Sight Line Plane垂直地面。Sight Line Plane计算完成后，需要进一步确定标高线上端点的位置，上端点的位置可以用一个垂直于Sight Line Plane的平面去截取，这个平面可以称为Assembly Plane(基平面)。现场制作的三角木质样板样条曲线长度和标高线长度成正比关系，利用前面的肋位中点沿标高线移动一个距离，这个距离在靠近尾部边界的肋位称为尾标高，靠近首部的肋位称为首标高，确定好这2个距离之后，利用Assembly Plane 垂直Sight Line Plane的性质，就可以把Assembly Plane 计算出来，进而截取出所有的标高线，并开始图面相关信息的标注，具体流程见图5。

图5 程序流程

3.2 实船应用与优化

基于Tribon系统开发木质样板图快速出图程序，可在Tribon内部以插件方式运行。在程序GUI界面，用户选取所要绘制木质样板图分段号后，程序会自动分析并筛选出该分段内所需绘制木质样板图的所有板架及零件号，供用户选择，程序根据用户的选择自动生成的1∶1木质样板图。

实船分段曲形零件木质样板图出图应用测试表明，快速出图方法可提升出图效率90%以上，大幅度的缩减了设计出图工作量。

为增加程序的适应性和人机交互性，对程序做进一步优化，允许用户根据需求控制中间的某些过程参数，从而生成符合生产需求的木质样板信息。可以自定义首、尾标高值，从而控制Sight Line 的位置；可以选择是肋位样板还是法向样板，选择样板是在曲板的内表面还是外表面，是做正切样板还是非正切样板；可以增加样板的密度，如半档肋位一个样板；可以降低样板的密度，删除不需要的样板；可以增加需要额外添加的划线信息，如边平线(FOS)、底平线(FOB)等。见表1。

4 结论

通过详细分析木质样板图传统出图方法，理清每个出图步骤所要完成的主要工作内容和关键质量控制要素，针对这些要素对Tribon系统内部几何模型表达和属性数据关系进行分析，建立模型和数据的自动运算规则，再造出图流程。以零件名为索引自动抽取板缝线、肋位线、截取样条线、绘制标高线和标注图面信息，实现了曲形零件木质样板图的自动生成，使出图效率大幅度提高，出图一致性得到保证，达到了降本、提质、增效的目的。

表1 实船分段曲形零件样板图出图效率对比