船舶合攏管機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

秦嘉岷, 梁 偉, 袁 琛

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

我國造船企業(yè)經(jīng)過多年持續(xù)改進(jìn)，各骨干企業(yè)的精度控制技術(shù)及數(shù)字化智能建造技術(shù)不斷提高，但在船體分段或總段合龍時由于積累誤差及建造精度的問題，大量合攏管無法按設(shè)計圖紙正確安裝，只能采用在現(xiàn)場制作模板或現(xiàn)場修割的傳統(tǒng)制作方法。這種制作方法工藝落后、效率低下、浪費材料并存在現(xiàn)場施工時具有不安全因素等問題。一般如按萬噸級以上船舶統(tǒng)計，在合攏管制作上通常消耗角鋼500余根(每根長6 m)、焊條2 000余根、砂輪片300余張。打樣件在船廠堆積如山，占用大量的場地資源，同時消耗大量的工時和動力能源，為船舶建造增加很大的物力和人力成本[1]。隨著測量技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，船廠、學(xué)校、研究所等已經(jīng)開發(fā)多型合攏管測量裝置， 基本實現(xiàn)合攏管現(xiàn)場快速測量及出圖的需要。由于管子在車間彎制、焊接加工、法蘭校準(zhǔn)時存在人工操作誤差，難以保證人工所加工的合攏管一次安裝成功，因此需要在車間內(nèi)場預(yù)先再現(xiàn)校準(zhǔn)，后再上船安裝。傳統(tǒng)現(xiàn)場修割校準(zhǔn)方法、再現(xiàn)機校準(zhǔn)方法都具有一定局限性。通過深入研究，設(shè)計提出一種新型法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)——機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能達(dá)到適用任何合攏管管形、節(jié)約材料、減少工時、提高精度、降低能耗等目的。

1 典型合攏管法蘭校準(zhǔn)方法概述

1.1 傳統(tǒng)合攏管法蘭校準(zhǔn)方法

國內(nèi)現(xiàn)有的大部分船廠，包括國內(nèi)的一些主流船廠在船舶合攏管制造中還是沿用了傳統(tǒng)的制作工藝，應(yīng)用輔料上船現(xiàn)場制作模板，再下船依照模板測量、繪制管子制造圖，按模板進(jìn)行法蘭校準(zhǔn)，完工后再上船安裝(見圖1)；或采用現(xiàn)場修割制作，即管子加工車間按預(yù)先設(shè)計部門提供的制作管子圖加工，隨后再上船對管子現(xiàn)場修割、點焊，下船焊接完工后再上船安裝。以上2種方法均須二上一下3次吊運，且第1種方法浪費了大量制作模板的材料，第2種方法對已經(jīng)制作的管子須要重新現(xiàn)場修割返工，浪費大量的人力資源，并存在著現(xiàn)場施工時具有不安全因素的問題，特別在對大口徑的合攏管在現(xiàn)場修割加工時，還需占用大量的堆放場地。

圖1 現(xiàn)場制作的合攏管模板圖

1.2 合攏管再現(xiàn)機校準(zhǔn)方法

除采用傳統(tǒng)制作方法外，韓國KBUMHWA CORP公司以2臺數(shù)字控制變位機為主機，研制合攏管的再現(xiàn)機，并有部分船廠正在嘗試應(yīng)用通過專用測量儀器進(jìn)行合攏管現(xiàn)場測量后，在車間內(nèi)場應(yīng)用測量得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再通過上述的再現(xiàn)機制作完成上船安裝。這個方法改進(jìn)了合攏管傳統(tǒng)的校準(zhǔn)工藝，使合攏管制作后能一次安裝成功。但這套裝置較適合大管徑的合攏管校準(zhǔn)(見圖2)，實際應(yīng)用時存在一定的局限性。

圖2 韓國KBUMHWA CORP研制的合攏管再現(xiàn)機

為改變落后的傳統(tǒng)工藝，提高合攏管再現(xiàn)機校準(zhǔn)等方法，實現(xiàn)短時、精準(zhǔn)、更加靈活的作業(yè)，本文設(shè)計提出一種新型法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，力爭做到省時、省力、省料，適用任何合攏管管形、符合綠色造船要求，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

2 機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 總體思路

一般情況合攏管校準(zhǔn)裝置須由2個法蘭(A法蘭和B法蘭)模擬實船空間位置。本文將A法蘭固定在固定架上，其中的一個螺孔按設(shè)定的位置固定，B法蘭固定在機械手上并隨機械手臂移動，系統(tǒng)讀取、計算實船合攏管空間A，B法蘭相對位置，然后機械手將B法蘭移動至指定的空間位置，從而實現(xiàn)合攏管校準(zhǔn)。總體設(shè)計思路如圖3所示。

圖3 總體設(shè)計思路

2.2 設(shè)計原理

本系統(tǒng)設(shè)置有多個坐標(biāo)系，主要為：全局參考坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系，設(shè)計中需要解決坐標(biāo)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。設(shè)定固定的機器人第1軸坐標(biāo)系為全局參考坐標(biāo)系，用x,y,z軸表示全局參考坐標(biāo)系Sx,y,z；設(shè)定運動的機器人第6軸坐標(biāo)系(或B法蘭中心坐標(biāo)系)為相對于參考坐標(biāo)系的一個工具坐標(biāo)系，用n,o,a軸表示工具坐標(biāo)系En,o,a[2]。設(shè)定固定的A法蘭中心坐標(biāo)系為相對于參考坐標(biāo)系的一個用戶固定坐標(biāo)系，用l,h,c軸表示用戶坐標(biāo)系Ul,h,c。上述3個坐標(biāo)系關(guān)系如圖4所示。

圖4 參考坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系示例

全局參考坐標(biāo)系Sx,y,z位置固定，系統(tǒng)中A法蘭端固定架位置也固定，所以用戶坐標(biāo)系U對參考坐標(biāo)系S的轉(zhuǎn)換矩陣UTS為已知；根據(jù)測量裝置導(dǎo)入的合攏管兩端法蘭中心位置數(shù)據(jù)，同樣可知工具坐標(biāo)系E對用戶坐標(biāo)系U的轉(zhuǎn)換矩陣ETU。這樣可求出工具坐標(biāo)系E對參考坐標(biāo)系S的轉(zhuǎn)換矩陣為ETS為

ETS=ETU×UTS

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

即

(5)

根據(jù)機器人的逆運動學(xué)方程，可求得機器人6軸參數(shù)，以此控制機器人將B端法蘭放置在正確的位置[3]。

2.3 系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計的機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)由機器臂、機器臂端口的B法蘭夾具、A法蘭固定夾具、機器人控制柜、機器人操控臺、安全欄及報警系統(tǒng)等軟、硬件組成(見圖5)。該系統(tǒng)設(shè)計最大校準(zhǔn)管徑為DN 400 mm，能夠滿足目前船廠在船舶建造中常規(guī)應(yīng)用的管徑使用要求。

圖5 機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1) 系統(tǒng)設(shè)計采用6軸機器人。船舶建造中的合攏管，按管子工藝要求，合攏管一般是不超過2個彎的管型，合理地布置6軸機器人完全能滿足合攏管的空間坐標(biāo)位置。

(2) 機器人運載負(fù)荷為50 kg，滿足DN 400的合攏管校準(zhǔn)，根據(jù)不同的需求，同樣可以采用更大的運載負(fù)荷。

(3) 機器人系統(tǒng)手臂運行范圍滿足(相對A坐標(biāo))：沿x軸方向運行為1 200 mm，沿y軸方向運行為1 200 mm，沿z軸方向運行為2 000 mm的活動范圍。按工藝要求的規(guī)定，在一般情況下合攏管的管段長度在2 000 mm以內(nèi)，原則上A法蘭與B法蘭的法蘭中心點距離不超過2 000 mm，所以機器人手臂的運行范圍能滿足管子的校準(zhǔn)要求。

(4) 機器人系統(tǒng)運行精度：長度誤差≤1 mm/m；螺孔旋轉(zhuǎn)角度誤差≤0.2°，精度滿足行業(yè)工藝要求。

(5) 數(shù)據(jù)庫格式為SQ LiteStudio，系統(tǒng)包含了管子附件標(biāo)準(zhǔn)庫、管子坐標(biāo)圖形等數(shù)據(jù)庫。

(6) 系統(tǒng)運行符合機器人的安全條例及合攏管裝配的安全操作規(guī)程。

2.4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

軟件應(yīng)用C#語言開發(fā)編程，指令數(shù)據(jù)存儲在SQ LiteStudio格式的數(shù)據(jù)庫中，由機器人系統(tǒng)自動讀取識別，并按指令數(shù)據(jù)要求運動到位(見圖6)。同時，在系統(tǒng)中建立管子標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括所有常用管徑類型、標(biāo)準(zhǔn)法蘭等信息，可實現(xiàn)多組測量數(shù)據(jù)存儲、工作清單等功能。

3 樣機及試用效果

3.1 樣機制造

機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機主要部件機器人選用國產(chǎn)SR50B機器人，系統(tǒng)場地占地面積為4 000 mm×5 000 mm (見圖6)。該樣機現(xiàn)由上海船舶工藝研究所開發(fā)集成，在廣州某船廠的管子車間進(jìn)行組裝、調(diào)試以及實船應(yīng)用。

圖6 機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機

3.2 樣機車間調(diào)試

機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機安裝完畢，分3步進(jìn)行調(diào)試。第一步先開展系統(tǒng)各裝置位置坐標(biāo)的定位調(diào)試工作，通過調(diào)整工具坐標(biāo)系E與用戶坐標(biāo)系U的參數(shù)，修正參考坐標(biāo)系S與用戶坐標(biāo)系U的坐標(biāo)值。第二步通過內(nèi)場預(yù)先制造管子法蘭固定支架模型，開展多種型號、不同形狀的管子測量試驗。第三步根據(jù)合攏管測量裝置獲取的管架模型空間數(shù)據(jù)信息計算繪制成管子加工圖，按加工圖制作合攏管管子，再與機械手按照指令自動移動到指定空間位置的法蘭進(jìn)行裝配驗證(見圖7)。即根據(jù)合攏管測量裝置獲取支架模型的空間數(shù)據(jù)信息，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，機械手按照指令自動移動到指定空間位置，模擬管子法蘭固定支架模型(見圖8)的相對空間位置，根據(jù)此空間位置制成合攏管管型，并將該合攏管管型在原測量固定支架模型上進(jìn)行試裝、對比。經(jīng)過多種類型、各種典型空間位置的調(diào)試，樣機達(dá)到了設(shè)計的各項技術(shù)指標(biāo)，圓滿完成樣機調(diào)試工作。

圖7 車間內(nèi)場合攏管試裝、校準(zhǔn)

圖8 管子法蘭固定支架模型

3.3 實船應(yīng)用

以廣州某船廠在建的船舶為載體，分別對不同實船的分段階段、船臺階段和船塢階段的合攏管進(jìn)行測量，選取測量管徑包括DN 200，DN 150，DN 100，DN 89，DN 50，DN 32等多種類型合攏管，選取的法蘭包括JIS，GB 2506，CB/T 46等多種標(biāo)準(zhǔn)。將多組實測數(shù)據(jù)同時輸入機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，存儲在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(見圖9)，并生成工作清單。隨后，機械手根據(jù)清單，分別完成相應(yīng)動作指令，開展相關(guān)合攏管試裝和校準(zhǔn)工作。

圖9 實船測量合攏管數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

經(jīng)過機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)后，多種管形的合攏管進(jìn)行實船安裝，安裝效果如圖10所示，合攏管均達(dá)到一次安裝成功。經(jīng)船廠檢驗，合攏管與二端連接管法蘭連接符合《船用管子布置和安裝通用技術(shù)條件》(CB/Z 345-2008)[4]，滿足船舶建造的行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 不同位置合攏管安裝效果

4 結(jié) 論

針對船舶合攏管的傳統(tǒng)制作現(xiàn)狀，提出并設(shè)計機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)，并闡述設(shè)計思路、基本原理、系統(tǒng)組成、軟件實現(xiàn)、樣機制作等，通過實船應(yīng)用取得了較好效果，得出如下結(jié)論：

(1) 設(shè)計的機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種類型、多種空間位置的合攏管校準(zhǔn)工作，實現(xiàn)實船一次安裝成功，達(dá)到節(jié)約材料、減少工時、提高精度、降低能耗、綠色造船等目的。

(2) 建立合攏管標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括所有常用管徑類型、標(biāo)準(zhǔn)法蘭等信息，可以實現(xiàn)多組測量數(shù)據(jù)存儲、工作清單等功能，能夠滿足多批不同合攏管的制作需求，制作合攏管后的安裝效果符合船舶建造的行業(yè)(CB/Z 345-2008)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 機器人法蘭校準(zhǔn)系統(tǒng)樣機研發(fā)成功，徹底改變落后的傳統(tǒng)工藝方法，實現(xiàn)短時、精準(zhǔn)、更加靈活的作業(yè)，也標(biāo)志著我國船舶工業(yè)合攏管技術(shù)向數(shù)字化、智能化發(fā)展邁進(jìn)。

[1] 朱航, 王志勇, 秦嘉岷，等. 一種測量裝置制造方法：201320628801.3[P]. 2013-10-12.

[2] (美)JOHN J.機器人學(xué)導(dǎo)論[M].3版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[3] 吳挺,吳國魁,吳海彬.6R工業(yè)機器人運動學(xué)算法的改進(jìn)[J].機電工程, 2013，30(7): 882-887.

[4] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.船舶管系布置和安裝工藝要求：CB/Z 345-2008[S].北京：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院， 2008.