CN101633005B - 三角加热模式的路径生成系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在热轧加工船体外板的曲面形状中，通过使三角加热的加热模式和加热路径的生成数值化后生成算法，能够使三角加热自动化的三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法。本发明的三角加热的加热模式和路径生成方法包括：计算热源中心的移动坐标后存储在存储装置的存储器中的步骤；使用上述存储装置的存储器中存储着的坐标值决定加热顺序的步骤；根据按热源进行数据库化后的热源信息，设定热源的旋转加热的步骤。

Description

三角加热模式的路径生成系统及其方法

技术领域

本发明涉及三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法，更详细地说，涉及在热轧加工船体外板的曲面形状中，通过将三角加热的加热模式和加热路径的生成数值化后生成算法，能够使三角加热自动化的三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法。 

背景技术

一般地，船舶的外板特别是曲面外板是基于流体力学、结构力学、振动等工程技术而设计的三维曲面，是加工一定厚度的铁板后制成的，可以说这样的曲面外板的加工精度影响着整个船舶的性能。这样的船舶外板的三维形状的加工大体上运用了两个步骤的加工方法，即、使用压力机和滚子等的机械性一次冷轧加工和使用用气焊炬等对铁板加热所产生的残留热弹塑性变形的二次热轧加工，由于控制方便，因此，在仅一个方向上具有一定曲率的缓坡中，以及在单纯的外板的曲面加工和双曲面外板的一次加工中，主要使用机械性一次冷轧加工方法，在精加工操作和双曲面外板的二次加工、去除焊接变形等的操作中主要使用热轧加工方法，这是10年以上的熟练者都较难进行的操作。 

根据曲面的高斯曲率，将船舶的曲面外板大致分为凹面型(concave)(高斯曲率＞0)、鞍型(Saddle)(高斯曲率＜0)和圆筒型(高斯曲率＝0)。此外，凹面型还分为纯粹的凹面型和挠曲(变形)型，在大部分的造船企业中，根据这样的曲面形状来使热轧加工方法不同，利用操作者的手动加热制成了最终形状。 

这样的现有的热轧加工方法大致被分为线形加热(Line Heating)和三角加热(Triangle Heating)。 

线形加热法是在适用于船体的外板加工时，通过将气体作为主要热源，按直线或任意曲线形，对钢板的表面进行加热然后冷却，来使钢板发生弯曲的方法，其发生弯曲的原理如下。 

如图1所示，局部被加热的部分随着温度上升而膨胀，在金属材料的内部产 生热应力，产生的热应力具有在被加热部分中最大，从加热部分开始越远越减少的分布。另一方面，由于热源按照特定的速度直线移动，因此，从加热部分向两侧周边的热传导不充分，所以，加热部分的两侧周边就维持比较低的温度状态。从而，加热部分的左右和下部的膨胀变形被约束，仅上部膨胀，就产生了压缩塑性变形。这时，假设材料的厚度几乎没有变化。热源远离加热部分后一进入到冷却过程，因为产生的压缩塑性变形而收缩的力就起作用，由该收缩力引起角变形(angular distortion)。这样地，由于线形加热法只要决定单纯的直线形状的加热位置，就构成利用操作者的手动加热和自动化装置，比较容易开发，因此，随之进行了更多的研究并开发出了更多的线形加热自动化装置等，一部分在现场中适用。 

但是，三角加热法别称部分加热法，是局部加热钢板的边缘部分后冷却以诱发收缩的方法，是通过使其冷却来防止热量向其他部位传递，诱导局部的面内的收缩(Inplane Deformation)的方法。因为加热表面接近于三角形，故此称作三角加热，这样的收缩变形的原理如下。即，若使热源的移动非常慢，或者按照画小圆的形状进行加热，热量就向板的厚度方向渗透，厚度方向的温差就变小，与线形加热法不同，如图2所示，表面和背面两者都向外部膨胀，由于该膨胀部分在冷却过程中引起塑性变形，因此不恢复到原来的状态，但在其他部分中在板的宽度方向中产生收缩。 

这样地，在三角加热的情况下，若以收缩为目的，在钢材的一定区域和厚度方向中就必须要充分地渗透和传递很多热量，在假设热源的投入量调节失败了的情况下，就能产生表面的溶化(melting)现象，该操作很难，除了有关现场操作者的手动加热方法的技术信息以外还完全不知道其他技术。 

由现场操作者进行的三角加热的形状如图3所示，大部分成为如图a、b、c这样的形状，为了按照这样的形状进行加热来诱发收缩，具有如图4所示的A、B、C的加热模式和加热路径，用多半容易投入充分热量的C的方法，手动进行伴随着交织(Weaving)效果的三角加热。 

但是，如上所述的三角加热的加热操作复杂，其特性难以掌握，因此，还没有全面展开相关研究，也没有进一步试着开发用于三角加热操作的自动化系统的加热模式和加热路径生成的数值化方法及算法。 

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法，该三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法是在热轧加工船体外板的曲面形状中，通过使三角加热的加热模式和加热路径的生成数值化后生成算法，能够使三角加热自动化。 

用于达到上述目的的本发明提供一种三角加热的加热模式和路径生成方法，该方法包括：计算热源中心的移动坐标后存储在存储装置的存储器中的步骤；使用存储在上述存储装置的存储器中的坐标值决定加热顺序的步骤；根据按热源进行数据库化的热源信息，设定热源的旋转加热的步骤。 

如以上所述，根据本发明涉及的三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法，起到了在热轧加工船体外板的曲面形状中，通过使三角加热的加热模式和加热路径的生成数值化后生成算法，起到了能够使三角加热自动化的效果。 

附图说明

图1是示出线形加热时的弯曲变形的过程的图。 

图2是示出三角加热时的收缩变形的过程的图。 

图3是三角加热的加热形状的例示图。 

图4是三角加热模式和加热路径的例示图。 

图5是本发明的适合的一个实施方式涉及的三角加热的加热模式和路径生成系统的结构图。 

图6是用于生成本发明的系统的加热模式和路径的顺序图。 

图7是说明3条边的中点计算的图解图。 

图8是说明顶点和对应边的1：(N-1)等分点的计算的图解图。 

图9是说明新定义的边的N等分点的计算的图解图。 

图10是说明用热源中心的移动坐标最终生成的等分点的图解图。 

图11是生成的热源中心的移动坐标的排列存储图。 

图12是示出通过了热源的旋转加热的交织效果的图。 

图13是示出加热区域的重叠的图。 

图14是示出实际适用了本发明的系统的加热模式和路径的图。 

图15是示出在本发明的系统中计算并存储的三角加热的加热路径文件数据  的图。 

图16是利用本发明的系统输出生成了任意形状的三角形的加热模式的结果的输出画面。 

附图标记的说明 

100输入装置 

200热源特性DB 

300运算装置 

400存储装置 

500控制系统 

600自动化加热装置 

700输出装置 

具体实施方式

以下，参照附图，关于本发明的适合实施方式详细地说明。 

图5是本发明的适合的一个实施方式涉及的三角加热的加热模式和路径生成系统的结构图，图6是用于生成本发明系统的加热模式和路径的顺序图。 

如图所示，本发明的三角加热的加热模式和路径生成系统具有：输入装置100，为了决定三角加热的形状和其位置，接收适合三角形状的坐标的输入；热源特性DB200，将热源半径、转速和次数等热源特性的信息数据库化；运算装置300，将开发后的算法程序化后进行运算；存储装置400，用由开发者定义的文件形式存储计算后的加热模式和路径的数据；输出装置部700，输出并显示。输出装置部700具有打印机和LCD等。此外，存储装置400用网络连接着控制系统500和自动化加热装置600，该控制系统500控制自动化加热装置600进行三角加热。 

运算装置300通过基于从输入装置100和热源特性DB200分别收到的输入值和热源特性的信息进行运算，由此将所述自动化控制变量提供给上述自动化加热装置，所述自动化控制变量包含将加热模式和路径生成进行数值化而生成的加热坐标600。 

根据这样的结构，本发明的三角加热的加热模式和路径生成方法如图6所示，包括计算热源中心的移动坐标的步骤S100、决定加热顺序的步骤S200和设定热源的旋转加热等的步骤S300。 

在计算热源中心的移动坐标的步骤S100中，首先，按照决定后的加热位置和三角形状，对三角形的3个顶点提供X、Y、Z坐标值(S110)。 

接着，如图7所示，计算各顶点间的线段的中点(Xa、Ya、Za)～(Xc、Yc、Zc)(S120)，如图8所示，将连结各顶点和与之相对应的边的中点的线段进行1：(N-1)等分，计算其内分点(X1c、Y1c、Z1c)～(X3a、Y3a、Z3a)，在内部构成新的三角形状(S130)。这时，N的值是顶点和中点的距离除以EL(EL：加工中使用的热源的有效距离或者热源的半径)的商，根据热源适当地调节EL。 

接着，使用新计算出的内分点(X1c、Y1c、Z1c)～(X3a、Y3a、Z3a)，计算(X1c、Y1c、Z1c)～(X2b、Y2b、Z2b)之间的N1、(X1c、Y1c、Z1c)～(X3a、Y3a、Z3a)之间的N2、(X2b、Y2b、Z2b)～(X3a、Y3a、Z3a)之间的N3(S140)。这时，N1～N3是各新三角形的顶点间的距离除以EL的商。 

然后，用N1和N2中的较大值，N等分(X1c、Y1c、Z1c)、(X2b、Y2b、Z2b)之间线段和(X1c、Y1c、Z1c)、(X3a、Y3a、Z3a)之间线段，用N3将(X2b、Y2b、Z2b)、(X3a、Y3a、Z3a)之间线段N等分(S150)。 

接着，为了在生成加热路径时容易决定加热方向和加热顺序，如图9所示，将各边的等分点区分为RM1和RMe、BM(下边)等(S160)。在此，M按2、3、4、5等依次增加。 

接着，如图10所示，计算连结在除了下边以外的2条边中生成的等分点RM1和RMe的线段的N等分点(S170)。在此，N是连结RM1和RMe的距离除以EL的商。 

最后，对计算出的各RM1和RMe的等分点给予索引(Index)，如图11所示地，使用排列(array)将上述计算步骤中生成的等分点的X、Y、Z坐标值存储在存储装置400的存储器中(S180)。 

另一方面，接在计算热源中心的移动坐标的步骤S100后的、决定加热顺序的步骤S200，按照上述存储装置400的存储器中存储着的坐标值的排列顺序，依次(1、1)→(2、1)→(2、2)→(3、1)→地接收加热顺序的提供，在想改变加热方向的情况下，交替使用排列的顺序。 

最后，在设定热源的旋转加热等的步骤S300中，按照从热源特性DB200提供的信息，设定热源的旋转加热等，在此，由于在上述S100步骤中生成的各坐标的位置相当于热源中心应该移动的坐标，因此，为了在向各坐标移动了热源时实  现交织效果，因而进行步骤S300。从图12可知，由于能够根据转速和旋转次数来控制投入的热量，因此，能够防止由过度的热量在钢材表面所能产生的熔融现象。能够使必须以热源的移动中心点为基准进行旋转的旋转半径的大小，根据热源的大小而不同，这也在热源特性DB200中数据库化后被使用。 

另一方面，为了在生成各热源的移动坐标时，在加热效率的旁边也实现热源的重叠加热效果，选择了如图13所示的考虑了热源半径的等分方法。这与旋转加热方法结合后，就能够投入能充分产生收缩变形的热量，能够实现与利用实际操作者的手工操作的方法相同的加热效果。 

在这样地使用由本发明的三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法所生成的热源的移动坐标和旋转加热方法的情况下，自动化系统就能取代进行对目的位置和形状的三角加热操作。 

若举实际适用的事例进行说明，图14示出了为了对400＊500＊29mm(横＊宽＊厚)的钢板进行258＊254mm(下边＊高)大小的三角加热而生成的加热模式和加热路径。这时所使用的热源特性DB200使用了高频感应加热的热源，热源的直径设定为50mm后自动计算出了加热模式和加热路径。在图14中，各个圆示出由高频感应加热所加热的区域，各圆的中心点是用本发明的三角加热的加热模式和路径生成系统所求得的热源中心的移动坐标。整体上重叠的加热区域多，有效地利用热源特性DB200，考虑29mm的钢材的厚度，决定了旋转次数。 

下述表1中示出生成的热源的各位置中的移动坐标值，图15示出使用这样的表1的坐标值存储在存储装置400中的三角加热控制系统用控制文件的实际数据的一例。 

【表1】 

x	y	z
			200.000000	217.714286	0.000000
173.657178	156.953678	0.000000
			226.342822	156.953678	0.000000
147.314356	96.193069	0.000000
			200.000000	96.193069	0.000000
252.685644	96.193069	0.000000
			120.971535	35.432461	0.000000

[0058] 

173.657178	35.432461	0.000000
			226.342822	35.432461	0.000000
279.028465	35.432461	0.000000

如上所述，本发明涉及的三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法能够使热源的特性DB化，但不仅是气体热源，通过掌握预计今后使用的高频感应加热的热源特性等，进行实验和有限元分析后DB化加以适用，就能有效地利用在加热模式和路径的生成中。从图14可以确认，这样的特征使得离开被加热对象物的端部的一部分区域也成为加热区域，生成了加热模式。这是因为正确地反映了高频感应加热的热源的特征，构成了本发明的算法，使得按照做为目的三角加热形状进行加热，。 

本发明能够通过该应用实现三角加热的多种图形。即，在上述的计算过程中使用适当的EL值进行热源移动坐标值的变更和在存储装置400的存储器中按排列方式存储的热源移动坐标值的顺序的变更等，通过利用上述变更的加热顺序变化和各坐标中的非旋转加热的其他方式的坐标间移动设定等，能够生成多种方式的三角加热模式和加热路径，因此，作为结果，能根据在自动化热轧加工系统中使用的热源和加热模式来实现多种加热模式和加热路径。例如，通过减小EL值后生成热源移动坐标，按照特定顺序对生成的热源移动坐标单纯地移动进行加热操作，就实现了图4中提示的A的加热模式，虽然减小EL值后生成热源移动坐标，但是通过从三角形的顶点向下边的方向设定用排列方式存储着的坐标的顺序，就实现了B的加热模式，利用上述的实际的适用事例实现了C的加热模式。 

另外，作为其他的一例，也生成如图16所示的任意形状的三角形的加热模式。 

以上的说明只不过是用于实施本发明涉及的三角加热的加热模式和路径生成系统及其方法的一个实施方式，本发明不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明涉及的技术思想的范围内做各种各样的变更，这都属于本发明的技术范围。 

Claims (6)

1.一种三角加热模式的路径生成方法，其特征在于，包括：

计算热源中心的移动坐标并存储在存储装置的存储器中的步骤；

使用上述存储装置的存储器中存储着的坐标值决定加热顺序的步骤；

根据按热源进行数据库化后的热源特性信息，设定热源的旋转加热的步骤，该热源特性信息包括热源半径、转速以及旋转次数，

计算/存储上述热源中心的移动坐标的步骤包括：

按照决定的加热位置和三角形状，对三角形的3个顶点提供X、Y、Z坐标值的步骤；

计算各顶点间的线段的中点(Xa、Ya、Za)、(Xb、Yb、Zb)、(Xc、Yc、Zc)的步骤；

将连结各顶点和与之相对应的边的中点的线段进行1∶(N-1)等分，计算其内分点(X1c、Y1c、Z1c)、(X2b、Y2b、Z2b)、(X3a、Y3a、Z3a)，在内部构成新的三角形状的步骤，这时，N的值是将顶点和中点的距离除以EL的商，其中EL是作为加工中使用的热源的有效距离或者热源的半径，根据热源适当地调节EL；

使用新计算出的内分点(X1c、Y1c、Z1c)、(X2b、Y2b、Z2b)、(X3a、Y3a、Z3a)，计算(X1c、Y1c、Z1c)和(X2b、Y2b、Z2b)之间的N1、(X1c、Y1c、Z1c)和(X3a、Y3a、Z3a)之间的N2、(X2b、Y2b、Z2b)和(X3a、Y3a、Z3a)之间的N3的步骤，这时，N1～N3是各内分点间的距离除以EL的商；

用N1和N2中的较大值，将(X1c、Y1c、Z1c)和(X2b、Y2b、Z2b)之间线段以及(X1c、Y1c、Z1c)和(X3a、Y3a、Z3a)之间线段等分，用N3将(X2b、Y2b、Z2b)和(X3a、Y3a、Z3a)之间线段等分的步骤；

为了在生成加热路径时决定加热方向和加热顺序，将连结上述内分点而构成的三角形的除了底边以外的两条边中的等分点区分为RM1和RMe、位于底边的等分点为BM的步骤，在此，M为2以上的整数，从2起依次增加1；

计算连结在除了底边以外的2条边中生成的等分点RM1和RMe的线段的K等分点的步骤，在此，K是连结RM1和RMe的距离除以EL的商；

对计算出的各RM1和RMe的等分点给予索引，使用阵列将上述的热源中心的移动坐标的计算步骤中生成的等分点的X、Y、Z坐标值存储在上述存储装置的存储器中的步骤。

2.如权利要求1所述的三角加热模式的路径生成方法，其特征在于，

为了在生成各热源的移动坐标时实现热源的重叠加热效果，选择考虑了热源半径的等分方法。

3.如权利要求1所述的三角加热模式的路径生成方法，其特征在于，

在计算/存储上述热源中心的移动坐标的步骤和加热顺序决定步骤中，根据热源特性信息计算热源中心的移动坐标并决定加热路径，使得加热操作进行到加工对象物的端部，该热源特性信息包括热源半径、转速以及旋转次数。

4.一种三角加热模式的路径生成系统，其特征在于，具有：

输入装置，为了决定三角加热的形状和其位置，接收适合三角形状的坐标的输入；

热源特性DB，其是将热源半径、转速和旋转次数的热源特性信息按热源进行了数据库化的；

运算装置，生成三角加热的加热模式和路径的数据；

存储装置，用已设定的文件形式存储上述数据；

自动化加热装置，进行三角加热；

控制系统，基于上述存储装置中存储的数据，进行控制以使上述自动化加热装置进行三角加热，

计算/存储热源中心的移动坐标的步骤包括：

按照决定的加热位置和三角形状，对三角形的3个顶点提供X、Y、Z坐标值的步骤；

计算各顶点间的线段的中点(Xa、Ya、Za)、(Xb、Yb、Zb)、(Xc、Yc、Zc)的步骤；

将连结各顶点和与之相对应的边的中点的线段进行1∶(N-1)等分，计算其内分点(X1c、Y1c、Z1c)、(X2b、Y2b、Z2b)、(X3a、Y3a、Z3a)，在内部构成新的三角形状的步骤，这时，N的值是将顶点和中点的距离除以EL的商，其中EL是作为加工中使用的热源的有效距离或者热源的半径，根据热源适当地调节EL；

使用新计算出的内分点(X1c、Y1c、Z1c)、(X2b、Y2b、Z2b)、(X3a、Y3a、Z3a)，计算(X1c、Y1c、Z1c)和(X2b、Y2b、Z2b)之间的N1、(X1c、Y1c、Z1c)和(X3a、Y3a、Z3a)之间的N2、(X2b、Y2b、Z2b)和(X3a、Y3a、Z3a)之间的N3的步骤，这时，N1～N3是各内分点间的距离除以EL的商；

用N1和N2中的较大值，将(X1c、Y1c、Z1c)和(X2b、Y2b、Z2b)之间线段以及(X1c、Y1c、Z1c)和(X3a、Y3a、Z3a)之间线段等分，用N3将(X2b、Y2b、Z2b)和(X3a、Y3a、Z3a)之间线段等分的步骤；

为了在生成加热路径时决定加热方向和加热顺序，将连结上述内分点而构成的三角形的除了底边以外的两条边中的等分点区分为RM1和RMe、位于底边的等分点为BM的步骤，在此，M为2以上的整数，从2起依次增加1；

计算连结在除了底边以外的2条边中生成的等分点RM1和RMe的线段的K等分点的步骤，在此，K是连结RM1和RMe的距离除以EL的商；

对计算出的各RM1和RMe的等分点给予索引，使用阵列将上述的热源中心的移动坐标的计算步骤中生成的等分点的X、Y、Z坐标值存储在上述存储装置的存储器中的步骤。

5.如权利要求4所述的三角加热模式的路径生成系统，其特征在于，

上述运算装置基于从上述输入装置和上述热源特性DB分别提供的输入值和热源特性信息进行运算，由此将自动化控制变量提供给自动化加热装置，所述自动化控制变量包含将加热模式和路径生成进行数值化而生成的加热坐标。

6.如权利要求4所述的三角加热模式的路径生成系统，其特征在于，上述热源是高频感应加热的热源。

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