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1. 船舶三维数控弯板机的研制介绍（PPT）

2.船舶三维数控弯板机的研制介绍（Video）

一、造船业水火弯板工艺简介 

1、船体外板曲面的成型加工是船舶制造的关键及重要环节之一，是整个造船工艺不可或缺的重要工序。
各种船舶的外表面大多都是由复杂的、不可展的空间曲面构成,把钢板加工成这样的曲面,目前在国内外大部分船厂主要还是采用燃气火焰在钢板表面局部进行加热,当加热区达到一定温度后再降温,利用金属的热弹塑性收缩变形原理,以获得良好的整体变形,这就是所说的水火弯板工艺。其中影响钢板变形的因素,有板材的形状参数(板长、板宽、板厚、曲率大小),加工参数(加热线的长度、宽度及形状、加热速度),热源(气体火焰、高频感应、激光加热),边界条件(两端自由、两端支撑、四角支撑),冷却方式(正面水冷、背面水冷、空冷)等。这种加工都是由有多年实践经验的熟练工人进行手工操作,并反复使用型面模板检查核对成型效果,直至达到质量要求。这种依赖于经验的加工工艺方法,生产效率低、加工时间长、质量波动大,精度难以控制,所以各船厂对此项工艺实现自动化的需求变的十分强烈。国内外许多相关的大学、研究所及船舶制造企业对水火弯板加工自动化作了大量的研究,并取得了阶段性成果。
2、数控水火弯板机国内外发展状况。

作为水火弯板工艺的发源地,日本早在二十世纪五六十年代就开始了对此工艺的探索,七八十年代开始了自动加工设备的研究。1999年日本石川岛播磨重工业株式会社研制出一台曲板成形的自动化加工装置IHI。

该装置有以下几个特点:

(1)自动计算出曲板的加热路径和加热头热输入率等参数,以及加工后曲板形状变化的误差。(2)加工过程中能在PC机显示屏上对板的实际和理论弯曲状况进行比较和评估,并进行修正。(3)采用数控机器和激光测量器,能连续进行弯曲加工和形状测量。工作台上设有23个液压千斤顶,高度可根据选择的弯曲形状自动调节。IHI系统软件自动计算出加工方案然后进行加热,在加热时除了钢板翻身需要人工干预外,全部实现了自动化。它的成形速度远高于基于手工操作或工人经验的加工系统,大大减少了加工时间,一个高度复杂的船体曲面以前要2~3天的手工成形,现在只需要5~6h,其中还包括2--~3h的方案计算时间。日本在精细化造船方面走在了世界前沿。日本钢管公司(NKK)也试制了这样的设备。韩国汉城大学研制了自动水火弯板加工系统,它可以进行船体外板建模、外板展开、加热信息计算、钢板形状的自动测量,该系统已经在合作船厂进行了试用。美国MIT研制用激光作为热源的全自动水火弯板设备,在薄板水火变形控制研究方面已经有很大的建树。Atlantic&Edison焊接研究所有简易自动水火弯板设备。欧洲如西班牙、意大利、丹麦等也试制过自动水火弯板机。中国第一台水火弯板机是由大连理工大学、大连新船重工有限责任公司、清华大学和北京航空航天大学合作研制的,该设备于2001年初通过了863计划智能机器人验收专家小组的验收,成果水平在当时处于领先地位。该机器人控制器是基于激光测量的高精度仿型测量系统,实现了三维曲面测量和水火加工测量引导,解决了加工时钢板随机变形引起误差的难题。机器人具有4个自由度,可用于复杂曲面钢板水火成型自动加工,提高生产效率2倍以上。广船国际[7]和上海交大于2005年底也开发出一台数控水火弯板机。它的加工参数预报系统是基于氧乙炔火焰对钢板进行的实验研究,所以此设备仍采用传统的氧乙炔火焰对钢板进行加热。该设备经过试用,加工了大量的船体外板(以帆形板为主)。2006年广东工业大学采用多轴运动控制系统和三维立体成型的加工方法也研制出一种水火弯板机。该设备的控制系统由多轴运动控制部分和PLC控制部分组成。其中多轴运动控制系统是当前先进的开放体系结构的数控系统,它的特征在于:由工控机把运动数据和运动命令传递给多轴控制器,多轴控制器通过伺服驱动器对多轴的电机系统进行联动控制及位置控制。2007年上海船舶工艺研究所(船舶611所)研制出SGQ1241数控感应加热曲板成形机。该设备采用高频感应加热与计算机数字控制,具有自动加热、自动均载支撑、自动测量、自动画线及手动操作等功能。其中的支撑装置由称重传感器和机电伺服系统构成,它比日本的液压千斤顶所牵涉到的液压伺服系统具有更强的实用性。以上这些设备都是采用龙门架的结构,龙门架结构的优点是结构简单,刚度高,保证定位精度,稳定性能好,不需要太长的机械手臂。此外,还可以将控制主机、伺服驱动器等放置在距离高温区较远的操作平台上。但是移动龙门架结构的不足是体积相对庞大,需要一定的工作空间和专门的工作场地,不适用于随机灵活的工况。基于此,2007年大连理工大学又设计了适合于大挠度曲面钢板自动化加工的悬臂式水火加工机器人和适用于现场施工的小型曲面钢板水火加工装置。

3、水火弯板加工参数的软件系统在数控水火弯板机的加工过程中,加工参数软件系统起着至关重要的作用。

数控系统上的激光测量仪能够测出钢板的初始形状,如板长、板宽、曲率大小等,然后由加工参数软件系统自动计算出所需要确定的加工参数以达到目标形状,如在钢板不同位置上的加热线长度、加热线宽度、加热线形状、加热速度、水冷速度、加热路径等,再由执行机构按照此方案进行加热。所以该软件应该能够科学的给出加工参数及其工艺过程,以代替工人的经验。日本石川岛播磨重工业株式会社的IHI系统中,MorinobuIshiyama(石山隆庸)通过建立变形场的有限元模型来确定加热方案,并给出了自己的计算软件。韩国汉城大学的Shin等人开发了基于关系数据库管理系统及面向对象技术的水火弯板加工信息系统,它是自动化设备的基础。该软件系统考虑了不同船厂的成型习惯,既可以适应大船厂的辊弯后板的水火成形,也能够应用于中小船厂的完全成形。但其加热时火焰喷头的移动速度需沿加热线分三段变化,这对于实现自动成形是不利的。上海交通大学董大栓等人基于曲面叠加的加工参数确定的算法开发了一套计算机辅加工参数确定软件:CAFF软件(ComputerAidedFlameFormingSystem)。他只是验证了帆形板的加工,而对鞍形板及扭曲板的加工参数的确定的基础理论存在着较大的设计缺陷。第25卷第3期唐伟等:数控水火弯板机及其工艺的发展现状大连理工大学开发的水火弯板加工参数的软件系统[17]具有船体外板精确展开计算、水火弯板变形规律数学模型、船体外板水火加工焰道布置优化、船体外板加工用见通数据计算、与船舶设计软件Tribon系统(2004年由大连新船重工引进)的集成连接、系统的工程数据库等功能,并根据系统功能设计建立相应模块和系统结构流程,应用VisualBasic60软件设计开发了水火成形工艺参数预报系统。它是国内最先进的弯板加工信息的软件系统,并且在不断的日益完善。
4、水火弯板工艺的研究过程实际上,每一种水火弯板机上的加工参数软件系统都对应着一套确定的理论。所以,无论是软件开发还是设备研制,都必须建立在确定的理论基础之上。即对于给定了型值、板厚及材料特性等基本参数的双曲外板,必须能确定出各相应的加工工艺参数。而这些参数的确定又是以水火弯板变形的机理为前提的,其目的就是为了建立温度场和最终变形之间的关系。这样的工作分为三个阶段:第一阶段,定性研究。就是根据金属板的材质和强度要求,限定金属板表面最高温度;根据成型工艺,确定较好的冷却方法等。第二阶段,机理研究。就是通过分析在各个不同加热条件下温度场和变形场之间的关系。其方法一般经历了以下过程。(1)经验法,由工人的实际工作经验形成一个加工参数和变形之间的关系的数据库,辅助后来的专家系统。经验法直接方便,但数据量大,可靠性差,不便于对变形作系统深入的分析。(2)实验法是指通过实验结果得出各种形式的变形与加热线长度、加热速度、加热线间距及板的曲率半径的关系的数学模型。然而水火弯板实验成本较高,且只能给出有限点处的温度,实验操作受人为影响较大。所以简化解析法及数值模拟法都得到广泛的应用。(3)解析法提出一些简化的数学模型,以分析各加工参数与变形间的关系。比如剑桥大学的YuGuoxin等建立了一个简化的热机耦合模型来预测水火弯板过程中钢板的角变形,该模型采用一个半解析的温度场分布,考虑了热损失和移动热源的影响,来确定一个临界热影响区域的大小,通过这个区域的大小来求得角变形的解析解。通过分别与实验值和基于三维有限元法的热机耦合分析结果的比较,采用这种简化模型的计算结果具有足够的精度,并且比有限元法的计算速度快得多。(4)随着有限元计算软件ANSYS的出现,数值模拟法被国内外学者和工程技术人员大量的运用。以上这些方法相辅相成,互相补充。只有水火弯板的机理得到充分研究,下一个阶段的研究才成为可能。第三阶段,确定加工参数的研究。它是完成计算机辅助水火弯板工艺参数软件系统的基础。它的研究内容是为得到目标形状,如何确定板的初始形状,加热线的布置,热源的各参数,冷却条件等加工参数。以上这两个阶段是数控水火弯板机前期研究的关键阶段,也是技术难度最大的阶段。
5、对数字化船体外板装备与工艺的期盼

在现代造船生产中,从前期的船舶设计、板材号料和下料,到后期的船体装配都已基本实现计算机化、机械化和自动化流水线。船体外板的水火加工是整个造船工艺体系中一个不可或缺的环节,它的加工模式无论是在加工速度上还是在成形质量上都拖了现代造船的后腿,这个工艺上的技术革新已是现代船舶制造业迫在眉睫的大事,而且必将带来巨大的经济效益。现阶段,各国的自动化水火加工设备虽然取得了一些阶段性的成果,但都存在这样或那样的问题,并没有形成产业化,需要我们进一步的研究。

二、最新科技成果---数字化造船工艺与装备

SKWB型船舶三维数控弯板机
2008年山东硕力机械制造有限公司同武汉理工大学王呈方教授针对船体外板数字化加工这一国内外难题，签订战略合作协议，通过原始创新联合研发三维数控弯板机，经过小试、中试、经过7年潜心研究，研发出SKWB型船舶三维数控弯板机这一高端造船重大装备，该产品是国际首创的、具有完全自主知识产权、已授权发明专利两项、实用新型专利七项，PCT国际专利1项（美国、日本、欧盟、韩国、澳大利亚、印度）。
全新的船体外板冷弯成形加工的造船重大装备，是集成了先进的工艺技术、测量技术、现代信息技术和控制技术等为一体的高科技产品。该产品能够根据造船软件系统提供的船板加工数据，使用专业计算和控制软件，自动进行曲面造型和三维曲面船板成形加工，使三维曲面船体外板冷压及自动成形的世界性技术难题获得基本解决。
2011年研发的中试机“SKWB-800三维数控弯板机”主要由四柱式压力机、下压头群（由步进机、减速机电驱动）、上压头群（由液压油缸驱动）、推拉模机构、进退料机构、提放料机构、三维激光测量装置、自动调形系统、液压系统、控制和计算系统等组成。它与TRIBON和HD-SHM2000等系统所输出的船体外板胎架数据相匹配，有良好的接口，是我国高端重大船舶制造装备。2012年研发SKWB-2500型船舶三维数控弯板机，该产品设计先进、运行可靠、性能优异，适合于长时间连续工作，是国际上最先进的设备，能够高效、高质量的加工出符合造船精度要求的三维曲面外板，是船厂进行三维曲面船体外板加工的理想智能化设备，能够完全满足船厂数字化造船生产发展的要求。其成形外板表面光顺、无压痕，特别适合于船首尾等双曲度外板成形，是一种全新的绿色环保加工制造装备。SKWB-2500型数控弯板机，装备自重1200吨，工作压力6000吨，2500mm宽、30mm厚的板材（特殊板材均可）冷弯成形。该设备有进出料等辅助系统功能，是专利产品、安全可靠。各种规格型号的设备能满足船厂外板双曲面冷弯成形，就像船体外板水火加工困难的球鼻首也能分段冷弯成形。“三维曲面板材冷弯成形装备关键技术”是目前国内外船舶行业最新研究课题，项目在充分研究国内外可重构模具成形技术（包括多点成形技术）的基础上，开发出了能充分抑制板材冷弯时皱折和压痕的创新技术，该技术装备能根据造船生产软件系统提供的船体外板加工数据，自动进行三维曲面造型和三维曲面船板外板成形加工，产品主要应用于船舶、航空航天、高速列车等领域三维曲面金属厚板板材成形。
本项目由山东硕力机械制造有限公司提出立项研究并组织实施。以武汉理工大学为技术依托，共同进行船舶三维数控弯板机的科技攻关，合作开发出“方形压头可调活络模具板材成形装置”。
其主要突破如下：
①使用带方形压头的可重构技术：可迅速构筑一个三维曲面。
 ②上、下可调活络模具中的方形压头采用非对压方式，在纵向和横向均交错对称排列，压合面大。
③采用快速逐步逼近弯曲法解决了复杂的板材弯曲回弹问题。
 ④运用现代计算机技术、激光在线检测技术、电机驱动技术，开发了包含曲面计算造型、弯板过程检测控制、回弹实时测量补偿等的自动弯板的成套控制技术和软件。
主要的创新点：
（1）独特的活络方形压头装置：能较好的替代昂贵的整体式模具，接触面大压痕小。
（2）采用非对压方式：可有效抑制船板冷弯发生皱折。
（3）具有上模可移动装置。
（4）研发出适于船体三维曲面外板加工的三维激光扫描曲面测量装置。
（5）研发出船舶三维数控弯板机。
船舶三维数控弯板机通过了由中国造船工程学会组织，吴有生院士和段正澄院士主持的项目鉴定会。鉴定认为：船舶三维数控弯板机是目前国内外唯一实现数字冷弯船板的先进造船工艺装备，总体达到国际领先水平。
下一步研发内容及目标主要为研究开发三维曲面板材冲压成形技术、自动控制技术，加工钢材厚度6-35mm，研发出具有自主知识产权的大型三维曲面板材冷弯成形加工装备，建立起船舶板材成形加工装备制造基地。

该装备在船舶行业中起着至关重要的作用，对于改变造船业传统的“水火弯板”手工作业方式，实现复杂曲面船体外板加工的机械化、自动化、数字化、绿色化，推动行业技术进步具有重要意义，能够充分提高科技成果的成熟度、配套性和工程化水平，从而将对船舶制造业技术进步起到重大的推动作用。

       山东硕力机械制造有限公司于2009年注册成立，是建筑塔机配套行业技术带头企业，拥有国内最先进的船体三维曲面板材冷弯成形装备关键技术。公司产品塔机液压顶升系统具有很高知名度，与全国知名企业如中联重科公司、克瑞集团、沈阳三洋重工等多家单位建立合作关系。企业获得ISO9001、ISO14000认证。2011年公司被山东省政府评为产学研合作突出贡献单位”。

       公司组建了以国家级专家王呈方教授为项目技术负责人，胡勇教授为项目负责人，以中青年专家为技术中坚力量的科技攻关团队，专业覆盖造船工艺、自动控制、测量等科学技术领域。项目负责人胡勇博士，武汉理工大学船舶先进制造技术方向带头人，任公司技术副总，负责船舶三维数控弯板装备技术的研究，曾主持国家自然科学基金、程控/数控机械手肋骨冷弯机项目研究。

三、 提高造船效率、提高板材利用率、实现节能减排

首先分析我国造船业的现状，经过几十年的改革开放，我国制造业特别是造船业取得了长足的进步和发展，与国外造船业的差距逐步缩小，但是据国防科工委船舶处等有关部门分析我国造船与日、韩近邻相比存在以下问题：
1、生产效率低，在生产效率方面按人均生产修正总吨                   计算与日、韩相比差距较大，日本为185.6修正总吨/人年，韩国为123.33修正总吨/人年，我国为19.54修正总吨/人年，与日本相差10倍，与韩国相差6倍。按修正吨消耗工时计算，日韩为10小时/修正吨,而我国为95小时/修正吨。
2、制造周期长，由于无效劳动时间占有效劳动时间的比例较大，我国造船企业建造工时远超日韩。
3、产品物耗高，我国同型主流船舶设计自重比日韩高7-13%，钢材利用率是85-88%，日韩是92-95%，因此主材消耗高于日韩。
4、能耗辅材消耗大，我国造船企业在粗放的管理模式下，追求吨位及产值的热情高，习惯于外延扩大再生产方式发展造船经济，对降低造船资源消耗缺乏紧迫感，我国能源消耗、辅材氧气、乙炔气消耗高，能耗辅材消耗超过日韩3倍。
5、落后的生产加工工艺得不到改进。大部分船厂采取外包方式，放松了先进工艺的推广应用。
  我们通过原始创新研发的三维数控弯板机用数字化取代了传统的水火船体外板工艺、提高了外板加工效率10倍以上，通过无余量下料，提高了板材利用率、缩小了同发达国家的差距，数字冷弯取代水火工艺，节能减排成效显著。推行数字造船、绿色造船使我国造船尽快赶上发达国家，实现由造船大国成为造船强国的目标用先进备提升造船水平势在必行。