CN106251275A - 一种船体帆型外板倒三角形成形自动加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种船体帆型外板倒三角形成形自动加工方法，其技术特点主要包括以下几个步骤：1、获取帆型板中轴线位置，提取倒三角形加热起点；2、确定倒三角形加热区域；3、计算加热火枪在x，y，z三个方向上的速度分量，使得加热枪头以螺旋方式加工。本发明提供的倒三角形加热方法，解决了现有的人工加热板面受热不均匀，受工人经验的主观情况影响性大、效率低下的问题，实现水火弯板的全自动化加热生产，保证水火弯板的板面均匀受热，提高效率，并且保证了烧制的水火弯板的质量，提高产能，在实际的生产过程中具有一定的实用意义。

Description

一种船体帆型外板倒三角形成形自动加热方法

技术领域

本发明涉及一种船体帆型外板的加工领域，更具体的，涉及到一种水火弯板帆型板倒三角形自动加热的方法。

背景技术

水火弯板，也称为线状加热成型，它是一种船体壳体的组成部件，成型工艺起源于二十世纪五十年代的日本，由于加工过程速度快，操作灵活，而在世界的造船企业中广泛的使用。当在金属板表面局部施加一定的热量时，会使得金属板受热发生形变，冷却之后，由于金属的弹性恢复性，会使的金属板有一个整体的弯曲，从而达到烧制的效果。而水火弯板帆型板作为船体外壳的重要组成部件，它的曲面可以看作是由许多个小面积曲面拼接而成的。由曲面的展开原理可知，帆型板曲面一旦展开，边缘地方裂缝大，中间部位裂缝小，在其加工烧制过程中，将焰道布置在裂缝中的位置，收缩量等于裂缝宽度，冷却之后就可得到相应的帆型板。

目前，在大多数的船舶水火弯板帆型板的烧制均采取人工方式进行，一般需要具有3-5年水火弯板烧制经验的工人才能很好的把握烧制时的火力控制，受工人主观约束的影响性较大，面板受热有时会不均匀，影响生产的质量，对于一些较大型的3cm-5cm厚的金属板烧制时间长，通常需要3-5天，效率较为低下，烧制车间中工作环境极其恶劣，充满了大量的粉尘，不利于工人在其中进行长期工作。而目前的自动化倒三角形加热领域中，由于路径规划的不合理，火枪不能很好的跟踪帆型板曲率的变化，路径交叉，加热重复，板面受热不均匀，导致帆型板收缩变形效果较差。

本发明为解决上述的问题，提供了一种解决水火弯板帆型板的倒三角型自动化加热方法，提取帆型板的三维曲面信息之后提取弯板中轴线位置，确定加工的倒三角形区域，计算出加工枪头在x，y，z方向的速度分量，并利用一个十字滑块装置使得枪头在平面上具有一个x，y方向的运动，使得枪头能够以螺旋式的加工方式在确定的倒三角形加工区域中对水火弯板进行加工。保证加工区域内的金属板受热均匀，确保帆型板弯曲的曲率能够保证在一定范围内。

发明内容

本发明针对现有技术中船体帆型外板倒三角形加热的人工加热方式效率较低，加工质量易受工人主观约束性大，自动化程度低等问题，提出一种针对帆型板倒三角形自动化加工的方法，提高水火弯板的加工效率，保证生产的质量。

本发明公开的一种船体帆型外板倒三角形加热方法，包含以下步骤：

步骤1：使用3D激光器扫描帆型板，获取帆型板的三维曲面信息，计算出中轴线位置及长度，确定倒三角形加热的顶点位置；

步骤2：确定帆型板加热的局部倒三角形区域，计算出加热的倒三角形底边长度，以及倒三角形的高；

步骤3：计算加工的火枪枪头在x，y，z方向的速度分量，确保加工的火枪焰道不超出已确定的倒三角型加工区域；

在一种优选的方案中，步骤1中，确定帆型板的三维数据信息，计算帆型板中轴线位置及长度，还包括以下几个步骤：

步骤1.1：确定帆型板的高H，以及它的曲率σ；

步骤1.2：切割中轴线，确定帆型板中倒三角形加工顶点个数及其坐标V(x，y，z)，从而计算出加工的倒三角形区域数和加工的起点位置，切割规则如下：

其中V_n表示顶点个数，C为三角形底边长度，K为中轴线长度，顶点位置 为初始加工起点位置，表示向下取整。

在一种优选的方案中，步骤2中，确定倒三角形加工区域，包含以下几个步骤：

步骤2.1：确定倒三角型底边长度，按照加工工艺要求，底边长度一般为四倍的帆型板厚度d，即底边长度为C＝4d。

步骤2.2：计算加工倒三角形区域内三角形的高，即倒三角形加热区域中心线。过顶点V(x_i，y_i，z_i)，作垂直于中轴线的线段，可得到三角形中心线。由三角形，底边，中心线可作出一个等腰三角形，从而确定加工的倒三角形区域。由于帆型板是一个立体曲面，则加工的倒三角形高(中心线)即为三角形的弧长S；

L²＝r²+r²-2×r×r×cosθ

$r=\frac{1}{\mathrm{\σ}}$

其中L为帆型板中轴线与曲面顶点之间的直线段，即为弧面的弦长，r为弧所在的圆的半径。

在一种优选的方案中，步骤3中，设火枪头处加热火焰的直径为Φ，计算火枪枪头在x，y，z方向上的速度分量包含以下几个步骤：

步骤3.1：以弧长S为加工倒三角形高，底边边长为4d，在平面上构建一个三角形模型。

步骤3.2：火枪枪头运动轨迹为椭圆型的螺旋轨迹，是由多个椭圆轨迹叠加而成的螺旋轨迹，为保证倒三角形区域内每条焰道之间不发生重叠，则单个椭圆短轴长应为2Φ，椭圆短半轴长为a，长半轴长为b，为确保加热区域受热均匀，火枪在倒三角形区域内的每一点加工时间应该相同，即

2a＝3Φ

$V_{x1}=\frac{a_1}{t_1},V_{x2}=\frac{a_2}{t_2},V_{x3}=\frac{a_3}{t_3},...,V_{xn}=\frac{a_n}{t_n}$

$V_y=\frac{b_1}{t_1}=\frac{b_2}{t_2}=\frac{b_3}{t_3}=...=\frac{b_n}{t_n}$

其中V_xi表示每一个椭圆在短半轴方向速度分量，V_y表示每一个椭圆在长半轴方向的速度分量，由于a＝a₁＝a₂＝a₃＝…a_n，b₁＜b₂＜b₃＜…＜b_n，因此在Y轴方向的速度分量保持不变，X轴方向分量速度以此递减，才能保证加热的每一点受热均匀。

步骤3.3：在帆型板曲面上，将弧长S分割成等大小的小段弧长s＝a，计算每一小段在垂直高度上上升的距离h。

h_i+h_i-1＝r-r×cosθ_i，h₀＝0，i∈N^*

$V_{zi}=\frac{h_i}{t_i},i\∈N^{*}$

其中θ_i为弧长i×s_i所对应的角度，h_i相应弧长在垂直方向上上升的相对高度，V_z为火枪枪头在z轴方向上的速度分量。

附图说明

图1为帆型板示意图，其中(a)为帆型板三维曲面示意图，(b)为倒三角形加工区域示意图。

图2为帆型板侧视图。

图3为火枪枪头运动示意图，其中(a)为在平面上倒三角形加工的椭圆轨迹叠加原理曲线，(b)为火枪枪头实际运行轨迹，(c)为火枪枪头倒三角形加热轨迹的设计原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。需要特别说明的是，附图仅用用于示例性说明，不能理解为本专利的限制；

本发明提供了一种船体帆型外板倒三角形加热方法，其包含以下几个步骤；

步骤1：使用3D激光器扫描帆型板，获取帆型板的三维曲面信息，计算出中轴线位置及长度，如图1(a)所示，确定倒三角形加热的顶点位置，作为加热的初始位置；

步骤2：确定帆型板加热的局部倒三角形区域，如图1(b)中所示的阴影部分即为倒三角形加热区域，计算出加热的倒三角形底边长度，以及倒三角形的高；

步骤3：计算加工的火枪枪头在x，y，z方向的速度分量，焰道宽度，确保加工的火枪焰道不超出已确定的倒三角型加工区域，如图3(b)所示的是火枪枪头实际运动轨迹，火枪焰道能够覆盖到倒三角形中的每一个区域，确保金属板受热均匀；

在具体的实施过程中，步骤1中，确定帆型板的三维数据信息，计算帆型板中轴线位置及长度，还包括以下几个步骤：

步骤1.1：确定帆型板的高H，以及它的曲率σ；

步骤1.2：切割中轴线，确定帆型板中倒三角形加工顶点个数及其坐标V(x，y，z)，从而计算出加工的倒三角形区域数和加工的起点位置，切割规则如下：

其中V_n表示顶点个数，C为三角形底边长度，K为中轴线长度，顶点位置 为初始加工起点位置，表示向下取整。

如图1(b)所示，将中轴线分割成均等的六段，将每一段中点位置作为倒三角形顶角位置开始点。

在具体实施过程中，步骤2中，确定倒三角形加工区域，包含以下几个步骤：

步骤2.1：确定倒三角型底边长度，按照加工工艺要求，底边长度一般为四倍的帆型板厚度d，即底边长度为C＝4d。

步骤2.2：计算加工倒三角形区域内三角形的高，即倒三角形加热区域中心线。过顶点V(x_i，y_i，z_i)，作垂直于中轴线的线段，可得到三角形中心线。由三角形，底边，中心线可作出一个等腰三角形，从而确定加工的倒三角形区域。由于帆型板是一个立体曲面，则加工的倒三角形高(中心线)即为三角形的弧长S；

L²＝r²+r²-2×r×r×cosθ

$r=\frac{1}{\mathrm{\σ}}$

其中L为帆型板中轴线与曲面顶点之间的直线段，即为弧S的弦长，r为弧所在的圆的半径。

在具体的实施过程中，步骤3中，焰道宽度Φ，计算火枪枪头在x，y，z方向上的速度分量包含以下几个步骤：

步骤3.1：以弧长S为加工倒三角形高，底边边长为4d，在平面上构建一个三角形模型，如图2中所示，即是所构建的平面区域内的倒三角形模型示意图。

步骤3.2：火枪枪头运动轨迹为椭圆型的螺旋轨迹，是由多个椭圆轨迹叠加而成为的螺旋轨迹，如图3(a)中所示，为保证倒三角形区域内每条焰道之间不发生重叠，则单个椭圆短轴长应为3Φ，椭圆短半轴长为a，长半轴长为b，为确保加热区域受热均匀，火枪在倒三角形区域内的每一点加工时间应该相同，即

2a＝3Φ

$V_{x1}=\frac{a_1}{t_1},V_{x2}=\frac{a_2}{t_2},V_{x3}=\frac{a_3}{t_3},...,V_{xn}=\frac{a_n}{t_n}$

$V_y=\frac{b_1}{t_1}=\frac{b_2}{t_2}=\frac{b_3}{t_3}=...=\frac{b_n}{t_n}$

其中V_xi表示每一个椭圆在短半轴方向速度分量，V_y表示每一个椭圆在长半轴方向的速度分量，由于a＝a₁＝a₂＝a₃＝…＝a_n，b₁＜b₂＜b₃＜…＜b_n，因此在Y轴方向的速度分量保持不变，X轴方向分量速度以此递减，才能保证加热的每一点受热均匀。

如图3(b)中是火枪枪头运动的实际轨迹，由椭圆特性可知，火枪运动在x轴方向上的速度分量是先向正方向以速度V_xi行驶2a位移，时间为2t_i，再向x轴负方向以速度V_xi行驶时间为t_i。在y轴的速度分量方向上，火枪先以速度V_y在负方向行驶时间t_i，再向正方向行驶，行驶时间为t_i，再向负方向行驶的时间为t_i，依次重复。火枪枪头在x,y方向速度分量的合成，形成如图3(b)实际行驶轨迹。X，y方向的行驶速度和时间的关系可用下式表示。

步骤3.3：在帆型板曲面上，将弧长S分割成等大小的小段弧长s＝a，计算每一小段在垂直高度上上升的相对距离h。

h_i+h_i-1＝r-r×cosθ_i，h₀＝0，i∈N^*

$V_{zi}=\frac{h_i}{t_i},i\∈N^{*}$

其中θ_i为弧长i×s_i所对应的角度，h_i相应弧长在垂直方向上上升的相对高度，V_z为火枪枪头在z轴方向上的速度分量。如图2中所示，h_i是相对于前一个枪头位置上升的相对高度，由于帆型板上的等大弧长垂直上升的高度不等，因此在Z轴上应该实时的调整Z轴分量速度。

步骤3.4：使用倒三角型自动加热十字滑块装置，进行倒三角形的自动加热。十字滑块装置，它是由一个控制向Y轴方向运动，一个控制向X轴方向运动的两个电机组成的，用于控制加热火枪打圈。加热开始启动时，对X轴方向的运动控制电机施加V_x1速度，经过2t₁的时间之后，运动方向反向，即运动速度变为-V_x1，再经过t₁时间之后运动速度变为V_x2，具体的运动速度变化参照具体实施步骤3.2中所述。同理，Y轴方向的运动控制电机施加恒定V_y速度。Z轴方向的运动由一个独立控制电机完成，同理，对其施加V_z1速度，经过t₁时间之后，施加的速度变为V_z2，以此类推。X、Y、Z轴三轴的运动速度合成之后，火枪加热的运动轨迹将会依照设计的倒三角形轨迹运动。

Claims (4)

1.一种船体帆型外板倒三角形加热方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：使用3D激光器扫描船体帆型外板，获取船体帆型外板的三维曲面信息，计算出中轴线位置及长度，确定倒三角形加热的顶点位置；

步骤2：确定船体帆型外板加热的局部倒三角形区域，计算出加热的倒三角形底边长度，以及倒三角形的高；

步骤3：计算加工的火枪枪头在x，y，z方向的速度分量，确保加工的火枪焰道不超出已确定的倒三角型加工区域。

2.根据权利要求1中所述的一种船体帆型外板倒三角形加热方法，其特征在于，步骤1中，确定船体帆型外板的三维数据信息，计算船体帆型外板中轴线位置及长度，包括以下几个步骤：

步骤1.1：确定船体帆型外板的高H，以及它的曲率σ；

步骤1.2：切割中轴线，确定船体帆型外板中倒三角形加工顶点个数及其坐标V(x，y，z)，从而计算出加工的倒三角形区域数和加工的起点位置，切割规则如下：

其中v_n表示顶点个数，C为三角形底边长度，k为中轴线长度，顶点位置为初始加工起点位置，表示向下取整。

3.根据权利要求2所述的一种船体帆型外板倒三角形加热方法，其特征在于，步骤2中，确定倒三角形加工区域，包含以下几个步骤：

步骤2.1：确定倒三角型底边长度，按照加工工艺要求，底边长度一般为四倍的船体帆型外板厚度d，即底边长度为C＝4d；

步骤2.2：计算加工倒三角形区域内三角形的高，即倒三角形加热区域中心线，过顶点V(x_i，y_i，z_i)，作垂直于中轴线的线段，可得到三角形中心线，由三角形的底边和中心线可作出一个等腰三角形，从而确定加工的倒三角形区域。由于船体帆型外板是一个立体曲面，则加工的倒三角形高即为三角形的弧长S；

L²＝r²+r²-2×r×r×cosθ

$r=\frac{1}{\mathrm{\σ}}$

其中L为船体帆型外板中轴线与曲面顶点之间的直线段，即为弧面的弦长，r为弧所在的圆的半径，θ表示半个弧面对应的圆心角度。

4.根据权利要求3所述的一种船体帆型外板倒三角形加热方法，其特征在于，步骤3中，计算火枪枪头在x，y，z方向上的速度分量包含以下几个步骤：

步骤3.1：以弧长S为加工倒三角形高，底边边长为4d，在平面上构建一个三角形模型；

步骤3.2：火枪枪头运动轨迹为多个椭圆形叠加形成的螺旋轨迹，单个椭圆短轴长为2Φ，第i个椭圆的短半轴长为a_i，长半轴长为b_i，火枪在倒三角形区域内的每一点加工时间相同，满足：

a＝Φ

$V_{x1}=\frac{a_1}{t_1},V_{x2}=\frac{a_2}{t_2},V_{x3}=\frac{a_3}{t_3},...,V_{xn}=\frac{a_n}{t_n}$

$V_y=\frac{b_1}{t_1}=\frac{b_2}{t_2}=\frac{b_3}{t_3}=...=\frac{b_n}{t_n}$

其中Φ为焰道的宽度，V_xi表示第i个椭圆在短半轴方向速度分量，V_y表示每一个椭圆在长半轴方向的速度分量，由于a＝a₁＝a₂＝a₃＝…＝a_n，b₁＜b₂＜b₃＜…＜b_n，因此在短半轴方向的速度分量保持不变，长半轴方向分量速度依次递减，使得加热的每一点受热均匀；

步骤3.3：在船体帆型外板曲面上，将弧长S分割成等大小的小段弧长s＝a，计算每一小段在垂直高度上上升的距离h；

h_i+h_i-1＝r-r×cosθ_i，h₀＝0，i∈N^*

$V_{zi}=\frac{h_i}{t_i},i\∈N^{*}$

其中θ_i为弧长i×s_i所对应的角度，h_i为相应弧长在垂直方向上上升的相对高度，V_z为火枪枪头在z轴方向上的速度分量。