LNG 船用大型型材切割生產(chǎn)線的研制

鄭婉琳， 陳啟康， 路高平 ， 孔 諒， 吳毅雄， 王宏杰

(1.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129； 2.上海交通大學(xué)， 上海 200240； 3.上海領(lǐng)捷信息技術(shù)有限公司， 上海 200030)

LNG 船用大型型材切割生產(chǎn)線的研制

鄭婉琳1， 陳啟康1， 路高平1， 孔 諒2， 吳毅雄2， 王宏杰3

(1.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129； 2.上海交通大學(xué)， 上海 200240； 3.上海領(lǐng)捷信息技術(shù)有限公司， 上海 200030)

介紹設(shè)計(jì)研制的LNG 船用大型型材切割生產(chǎn)線機(jī)器人自動(dòng)化柔性切割系統(tǒng)。通過導(dǎo)入定制船 用坡口，端頭，切割形狀功能的 MGF 描述文件，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)型材的柔性切割，很好地適應(yīng)了船廠型材切割工藝需求。同時(shí)針對(duì)型材的變形和定位，提出了一種利用激光傳感器，基于邊緣和表面變形測(cè)量的在線式補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)了 LNG 船用大型型材的精度切割，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和高效性。

LNG 船 機(jī)器人 型材切割 激光測(cè)量

1 引言

LNG 船用大型型材切割是船廠的基礎(chǔ)工序之一。所謂型材切割是把長(zhǎng)尺寸的原材料切割出各種形狀的構(gòu)件，并在各個(gè)構(gòu)件上切割出孔、裝配線等信息，以供后續(xù)工序按照構(gòu)件信息進(jìn)行裝配和焊接。目前國內(nèi)船廠型材的切割主要依靠工人手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，切割精度差[1,2]，如圖1所示。國外已經(jīng)初步具備自動(dòng)化切割設(shè)備，得益于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，已實(shí)現(xiàn)了型材的自動(dòng)化加工(如圖2所示)，但設(shè)備投資昂貴，后期維修和維護(hù)成本較高，同時(shí)存在設(shè)備應(yīng)用的實(shí)際困難。開發(fā)和研制一套具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，適用于國內(nèi)船體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具備更好的售后服務(wù)和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的自動(dòng)化切割設(shè)備已迫在眉睫。

本文旨在研制一整套適合國內(nèi) LNG 船用大型型材切割生產(chǎn)線的自動(dòng)化切割解決方案。在國內(nèi)外設(shè)備功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了考慮型材XY方向變形量，補(bǔ)償型材切割加工坐標(biāo)值，使得型材拉直裝配后等于設(shè)計(jì)型材尺寸的算法解決方法，進(jìn)一步提高了型材自動(dòng)化切割和船體建造的精度。該解決方案已在國內(nèi)某知名船廠分段加工車間進(jìn)行實(shí)產(chǎn)驗(yàn)證，目前系統(tǒng)運(yùn)行良好，為船廠提高了效率，節(jié)省了成本， 取得了較大的成功，并具備較大的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

2 基于工業(yè)機(jī)器人型材自動(dòng)化切割的構(gòu)架

LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線自動(dòng)化切割系統(tǒng)(見圖3)包含了上料平臺(tái)，型材進(jìn)給，切割間(除塵系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、切割臺(tái)支架、等離子切割系統(tǒng)等)，型材測(cè)量定長(zhǎng)定位系統(tǒng)，出料平臺(tái)，中控操作室等子系統(tǒng)。

LNG船用大型型材通過吊具上料至上料平臺(tái)，控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)即可感知上料平臺(tái)的型材緩沖數(shù)量， 并在軟件的命令下，自動(dòng)上料到型材進(jìn)給軌道上，供型材機(jī)器人自動(dòng)切割加工。此時(shí)，工人即可操作軟件界面，導(dǎo)入船用型材特征文件*.MGF，經(jīng)軟件解析后，自動(dòng)控制PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化機(jī)器人的型材切割加工和作業(yè)，定長(zhǎng)定位系統(tǒng)配合型材的長(zhǎng)度定位切割，同時(shí)激光測(cè)量補(bǔ)償系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)型材的位置和變形，自動(dòng)補(bǔ)償?shù)綑C(jī)器人切割加工圖形中，實(shí)現(xiàn)大型型材自動(dòng)化機(jī)器人精度切割加工。

3 基于型材變形邊緣曲線的加工圖形坐標(biāo)補(bǔ)償算法

如圖4所示，船用大型型材的運(yùn)輸，儲(chǔ)存，吊裝，搬運(yùn)等操作都會(huì)帶來型材的變形，且其變形的規(guī)則非常復(fù)雜，總結(jié)一般船體建造的要求，型材以沿邊緣變形補(bǔ)償后切割顯得非常重要，因此本文提出了一種基于型材沿邊緣曲線變形的補(bǔ)償算法，有效補(bǔ)償了由于型材變形引起的型材機(jī)器人自動(dòng)化切割加工帶來的裝配誤差，極大提高了本系統(tǒng)的精度和加工質(zhì)量。

如圖5所示，顯示了型材邊緣變形后圖形坐標(biāo)及其型材設(shè)計(jì)圖形坐標(biāo)的對(duì)照比較；船體建造中要求系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)變形型材在變形條件下進(jìn)行切割，在展平拉直后，加工圖形的要素點(diǎn)坐標(biāo)值等于在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)型材的設(shè)計(jì)值。以某型材加工圖形圓形為例，變形型材與標(biāo)準(zhǔn)型材切割元素對(duì)照?qǐng)D如圖5(a)、(b)所示?？紤]型材變形的Y方向，若在標(biāo)準(zhǔn)型材上設(shè)計(jì)加工切割一圓形孔，其圓心坐標(biāo)為(Tx,Ty)，半徑為R；現(xiàn)要在變形后的型材上精確切割此圓孔，使得該型材在展平后圓孔的圓心坐標(biāo)等于標(biāo)準(zhǔn)型材初始設(shè)計(jì)值，即圓心到型材原點(diǎn)O的水平距離為Tx，垂直距離為Ty，且圓半徑為R。如能保證圖5(a)所示的圓心(Tx′,Ty′)到型材變形邊緣弧的法向距離等于Ty，法線與型材邊緣弧的交點(diǎn)A到鋼板原點(diǎn)的弧線長(zhǎng)度等于Tx，可使型材在展平拉直后，圓心的坐標(biāo)值等于初始設(shè)計(jì)值。

本文提出的圖形坐標(biāo)補(bǔ)償算法將有效地實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)型材上加工圖形的任意要素點(diǎn)坐標(biāo)(Tx,Ty)轉(zhuǎn)換到變形型材上的點(diǎn)(Tx′,Ty′)，供切割系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償型材元素切割作業(yè)。如表1所示為型材邊緣曲線的測(cè)量數(shù)據(jù)序列。

補(bǔ)償算法的基本原理為：將采集型材邊緣弧線擬合為一條三次方曲線，該型材邊緣曲線可由型材邊緣的測(cè)量數(shù)據(jù)序列的三次擬合方程(1)表示：

式中：a0、a1、a2、a3為邊緣變形曲線的擬合系數(shù)，按最小二乘法(2)求得。

式中：(xi,yi)為邊緣曲線的第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)型材上點(diǎn)(Tx,Ty)轉(zhuǎn)換為變形型材上點(diǎn)(Tx′,Ty′)的補(bǔ)償算法為

4 LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線的研制

LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線系統(tǒng)的研制(見圖6)，包括了上料系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，定長(zhǎng)系統(tǒng)，出料系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，切割工作間等，型材切割控制系統(tǒng)含機(jī)器人，PLC，HMI等設(shè)備[4]。

LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線系統(tǒng)的主要設(shè)備在切割間，包含了等離子切割炬，工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)給導(dǎo)軌和支撐，定位測(cè)量小車，型材夾具等設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)有一條28m長(zhǎng)的輸送型材的輥道，沿型材輸送輥道有到位傳感器等裝置，定位測(cè)量小車可離開切割間在該輥道上運(yùn)行，進(jìn)行型材長(zhǎng)度定位測(cè)量。中控室由PLC控制柜、機(jī)器人控制柜、控制服務(wù)器、編程和仿真計(jì)算機(jī)及HMI控制一體機(jī)等組成，操作人員可使用這些設(shè)備對(duì)切割對(duì)象進(jìn)行編程和仿真，并控制整個(gè)自動(dòng)化機(jī)器人型材切割系統(tǒng)[4]。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備硬件在PLC、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)控制軟件的相互通信控制下進(jìn)行自動(dòng)化型材切割。圖7為切割間內(nèi)的實(shí)際布置情況， 驗(yàn)證了該設(shè)備設(shè)計(jì)的可行性和合理性[5,6]。

5 船用型材機(jī)器人自動(dòng)切割系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含：機(jī)器人控制軟件，船用型材機(jī)器人自動(dòng)切割控制HMI軟件，設(shè)備PLC控制軟件，如圖8所示。

LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線系統(tǒng)軟件的操作流程為，設(shè)計(jì)工程師提供從船體設(shè)計(jì)系統(tǒng)導(dǎo)出的*.MGF文件;該文件描述了型材切割的基本信息。車間切割工程師，會(huì)手工將*.MGF文件加載到本系統(tǒng)的型材MGF文件解析軟件模塊；形成切割系統(tǒng)可控制的指令代碼。先以三維模擬仿真和切割仿真操作，確保切割無故障后，操作工通過HMI下達(dá)切割指令代碼，整個(gè)系統(tǒng)將自動(dòng)裝載船用型材，自動(dòng)測(cè)量并定位，并執(zhí)行切割動(dòng)作，監(jiān)控切割過程，形成切割型材的歷史記錄和工藝數(shù)據(jù)，形成歷史記錄[7,8]。本系統(tǒng)還具備管理型材切割生產(chǎn)線監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)處理、保存、查詢等功能，如圖9所示。

6 LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線的試驗(yàn)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

對(duì)本文提出的基于LNG船用大型型材變形的補(bǔ)償算法和機(jī)器人自動(dòng)切割系統(tǒng)的研制成果，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中試用了12m標(biāo)準(zhǔn)船用球扁鋼型材HP370，切割信息以MGF文件形式輸入到軟件中，并進(jìn)行校核、編輯和仿真,最終形成機(jī)器人離線切割代碼，并在船用型材機(jī)器人自動(dòng)切割控制軟件自動(dòng)導(dǎo)入并啟動(dòng)自動(dòng)化切割，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)的高效和實(shí)用性。

試驗(yàn)型材切割圖形如下：定義型材長(zhǎng)12 000mm，寬 370mm；定義的5個(gè)圓形圖形均布在型材上，其圓心為(100，0)，半徑50mm；切割某船廠要求的21E型坡口，切割結(jié)果如圖10所示。

本LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線系統(tǒng)加工對(duì)象是船用球扁鋼型材，扁鋼，角鋼和T型鋼。針對(duì)船用型材的材質(zhì)和厚度，切割設(shè)備采用了凱爾貝(Kejllberg)HiFocus440i等離子切割設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人采用ABBIRB2 600。實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器人切割速

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度為40 mm/s，切割高度為6 mm，切割電流為40 A～60 A，整個(gè)切割周期為400 s。試驗(yàn)結(jié)果顯示了基于補(bǔ)償算法船用型材機(jī)器人自動(dòng)切割系統(tǒng)，具有較高的生產(chǎn)效率，型材切割坡口的光滑和平順性比手動(dòng)切割具有無法比擬的優(yōu)越性，同時(shí)加工工藝參數(shù)還可由切割炬的高度，電流和速度來控制，以達(dá)最優(yōu)。系統(tǒng)還進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的批量運(yùn)行試驗(yàn)，批量試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了基于補(bǔ)償算法的船用機(jī)器人自動(dòng)切割系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了型材的精度自動(dòng)切割，并具備了變形型材加工補(bǔ)償?shù)墓δ?，極大彌補(bǔ)了以往船用型材加工工藝變形的缺陷，滿足精度造船的要求[9]，并具備較高的生產(chǎn)效率。

7 結(jié)語

基于補(bǔ)償算法的LNG船用大型型材切割生產(chǎn)線系統(tǒng)的研制，彌補(bǔ)了國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精度造船型材自動(dòng)切割設(shè)備的空白。同時(shí)，該設(shè)備的高效性，經(jīng)濟(jì)性和持續(xù)良好的技術(shù)維護(hù)，將改變我國造船工業(yè)中長(zhǎng)期手工操作的落后工藝，實(shí)現(xiàn)LNG船用大型型材加工的自動(dòng)化，提高船舶生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，且其批量定制化和產(chǎn)品化特色能為精度造船工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備的國有化做出顯著的貢獻(xiàn)。

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Development on Large Profile Cutting of LNG Shipbuilding

ZHENG Wan-lin1， CHEN Qi-kang1， LU Gao-ping1， KONG Liang2， WU Yi-xiong2， WANG Hong-jie3

(1.Hudong Zhonghua Shipbuilding Group Limited， Shanghai 200129, China； 2.Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240, China； 3.Shanghai LeaderSoft Information Technology Limited， Shanghai 200030, China)

This paper describes the design and development of flexible automatic robot cutting machine system of LNG shipbuilding large profile. The developed machine system can automatic flexible cutting of large profile through input the MGF file of the bevel, head shape and the cutting elements size of the large profile, it is well satisfied the requirement of shipyard profile cutting workshop. Further more, a kind of laser measurement algorithm is developed to compensate the deformation of large profile's edge and shape, which rapidly improve the precision profile cutting of LNG shipbuilding, and the practicality and efficiency are also proved by the system in the paper.

LNG ship Robot Profile cutting Laser measurement

上海市引進(jìn)技術(shù)吸收和創(chuàng)新年度計(jì)劃(編號(hào)：2012-27)，型材切割流水線改造項(xiàng)目。

鄭婉琳(1964-)，女，高級(jí)工程師。

TH 165

A