CN107284620A - 一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其采用电机驱使蜗杆转动，蜗杆带动涡轮转动，蜗轮带动顶升丝杠转动，顶升丝杠驱使顶升导轨上下移动，实现对大型船体结构分段的精确顶升定位，本发明采用数控的顶升装置，替代通过拼装焊接实现定位的传统钢结构胎架。本发明胎架采用模块化设计和制造，可高精度地快速调整胎架方阵的高度定位尺寸，尤其适用于较大型船体和海洋平台分段的复杂曲面，可提高生产效率，缩短造船周期。

Description

一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵

技术领域

本发明涉及一种船体分段定位胎架，特别涉及一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，属于船舶制造设备领域。

背景技术

在船舶建造过程中，胎架是船体分段装配与焊接必不可少的工艺装备，是制造船体曲面分段和曲形立体分段的形状胎膜和工作台。胎架的种类很多，按照其使用范围分为专用胎架和通用胎架两大类。在我国，大部分船厂采用的是支点角钢胎架，这种专用胎架为满足特定分段曲面线型的要求，需要对叫钢支点进行焊接和切割，不可避免地造成了钢材的浪费，在我国年造船量巨大的状况下，支点角钢的切割造成对钢材的浪费是非常庞大的，同时切割的废料如果不及时处理，还会对环境产生严重的固体污染，而切割过程中所使用的气体，也是一种严重的空气污染；此外，由于这类胎架不能针对不同规格、不同外形的船舶进行适应性调节，不能重复利用，所以不但造成了资源的浪费，而且延长了造船周期以及加大了造船成本。

申请号为CN201010623282.2，名称为“超大型海洋石油平台上部组块循环同步液压顶升工艺”的中国发明专利，该专利提出一种能够实现海洋石油平台上部组块的多点、循环同步提升，且可以对提升速度、位移精度进行有效的控制。但该顶升装置并不适合对中小型船体或平台底部有较复杂曲面的分段，不能进行顶升精确定位，采用垫块形式导致定位高度不能连续可调。现今自升式和半潜式平台的发展也更趋于多元化，设计制造的分段也更复杂，因此，发明一种能够承受较大型船体分段并灵活精确地顶升定位的胎架，显得尤为重要。

申请号为CN201420497673.8，名称为“一种便于拆除的小型船舶胎架”的中国实用新型专利，该专利提供的是一种可整体拆除、重复利用、且拆除便捷的小型船舶胎架。该装置主要是由支撑横梁、至少两组支撑组件和若干调节板组成，结构简单灵活但是不能够精确的实现顶升定位，也不能反复使用。

申请号为CN2014100592979，名称为“一种造船用数控胎架”的发明专利，该专利包括按矩阵形式排列的多个数控支柱，外套筒内设有螺杆通孔，支柱上端部设有导向套，用于在竖直方向上对螺杆导向。螺杆的大部分位于外套筒孔内，并与涡轮旋和，小部分伸出上封板。封板、盖板、轴承挡板组成涡轮腔，涡轮位于涡轮腔内，涡轮中部设有内螺纹，涡轮旋在螺杆上，涡轮与蜗杆啮合，蜗杆的两端由轴承与侧封板连接，并都穿过侧封板且各留有一个数控调节头，地址设定器置于涡轮腔内，地址设定器可确定支柱在支柱矩阵中的位置，若数控调节头外接数控调节装置，即可根据支柱的地址信息确定支柱高度值，进而驱动整个机构，提升螺杆，调节支柱高度。能够实现数控操作，调型速度大幅提高，调节准确，且整体结构更加简单，适用于大多数船体曲面和分段场地的建造。然而，该发明中的地址设定器价格比较昂贵，其使用环境要求也较高，对于造船厂这样的恶劣环境，会影响其精确定位；此外，该发明中的数控调节头与数控调节装置对胎架高度进行调节在现有技术范围内均难以实现，所以该发明成本较为昂贵，工程实用价值受到一定限制。

基于以上技术问题，如何提高胎架定位的精准度、提高造船效率及降低造船成本是本发明要解决的主要技术问题。本发明的胎架采用模块化设计和制造，可以高精度地快速调整胎架方阵的高度定位尺寸，尤其适用于较大型船体和海洋平台分段的复杂曲面，可提高船体制造精度和生产效率，缩短造船周期。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其包括组成方阵的纵横设置的N×M组定位胎架和控制系统，其中，N为大于1的整数，M为大于1的整数；其中，每个所述定位胎架包括顶升丝杠、顶升导轨、顶升头、导向连接套、壳体和驱动组件；所述壳体内的顶端沿着其轴线向下延伸设置有所述导向连接套，所述导向连接套的中心轴线设置有上下贯通的导向孔；所述导向连接套的导向孔内设置有可上下滑动但不能相对于导向连接套转动的顶升导轨；所述顶升导轨的中心沿着轴向延伸设置有与所述顶升丝杠螺旋连接的螺纹孔，且所述顶升丝杠与所述顶升导轨组成的螺纹副能反向锁死；所述顶升导轨的螺纹孔的顶端固定设置有所述顶升头，所述顶升头伸入顶升导轨的一端对所述顶升丝杠进行限位；所述驱动组件驱动所述顶升丝杠转动进而实现顶升导轨沿着导向连接套的导向孔上下升降；所述控制系统分别控制N×M组定位胎架的驱动组件的转动与停止，使得方阵中所有定位胎架升高到与待定位件的曲面坐标高度对应的高度。

进一步，作为优选，所述驱动组件包括电机、蜗杆和蜗轮，其中，所述电机支撑于所述壳体外部，所述蜗杆可转动支撑设置在壳体上，且所述蜗杆的一端伸出壳体外与所述电机输出轴连接，所述顶升丝杠的下部固定设置有涡轮，所述蜗轮与蜗杆组成传动副。

进一步，作为优选，N×M组定位胎架的各个定位胎架通过底部设置的若干纵横布置的肋条固定连接而组成胎架方阵。

进一步，作为优选，所述顶升丝杠的下端可转动支撑设置在壳体底部，且所述壳体或者顶升丝杠上设置有限制顶升丝杠沿其轴向上位移的限位件。

进一步，作为优选，所述壳体的下端采用底部连接板固定在肋条上。

进一步，作为优选，所述壳体的内腔的下部设置有阶梯孔，阶梯孔上部的大孔为安装顶升丝杠的轴承座孔，阶梯孔下部的小孔为容纳限位件的小孔，所述限位件为限位螺母。

进一步，作为优选，所述顶升头的顶部为呈曲面的顶头结构，该曲面为圆面、椭圆面、双叶双曲面或抛物面。

进一步，作为优选，所述顶升丝杠、顶升导轨、顶升头和导向连接套的材料均为高强度耐磨材料。

进一步，作为优选，所述壳体为分体式结构。

还包括一种胎架方阵的数控调节升降高度的方法，具体包括以下步骤，

S1：调节控制系统将方阵中的定位胎架进行归至最低位，控制所有电机(16)逆转，使得所有电机(16)不能再逆转为止，所述最低位为顶升头(3)的下底面接触顶升丝杠(1)的上端面；

S2：将船体分段的曲面坐标数据和归位后的顶升头(3)的最顶处坐标数据读入控制系统，控制所有电机(16)正转，升高方阵中所有顶升导轨(2)和顶升头(3)；方阵中某个胎架的顶升头(3)需要升高H，如果顶升丝杠(1)的导程为P，则顶升丝杠(1)需转动蜗轮(20)的分度圆半径为r，蜗杆(19)导程为P_x，则蜗杆(19)转动角度即控制系统调节电机(16)正转，而对于一个N×M的胎架方阵，所有的N×M个电机(16)转过相应的的角度，即转角矩阵

S3：将方阵中所有胎架升高到船体分段曲面的相应坐标高度，通过控制系统控制电机(16)恒定不转动，由于所述顶升丝杠(1)与所述顶升导轨(2)组成的滑动丝杠副能反向锁死，所以只要保持电机(16)不转即能使方阵中各个胎架升起的高度恒定；、

所述胎架方阵采用上述的定位胎架方阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用滑动丝杆螺旋副和蜗轮蜗杆副，两种运动副都是反向锁死机构，所以本发明胎架省去了繁琐的锁死结构，结构上大大简化；

2、本发明的蜗杆转动一圈，蜗轮才传动几个齿，从而这种传动的减速特性使得定位的相对误差减小，提高了定位精度；

3、本发明的整个胎架方阵均采用自动控制系统进行定位，使得所有胎架可一次性完成定位操作，提高了定位精度和操作效率，对于典型船体分段，所设定的自动控制系统程序可反复使用；

4、本发明的胎架内部采取高度可升降的装置设计，而且本发明的胎架可以重复利用，节约了成本；

5、本发明胎架采取模块化设计与制造，零部件便于拆卸和维修；

6、本发明不单限于船体分段的使用，也可用于陆地机械的维修安装与制造。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明A向剖视图；

图3是本发明B向剖视图；

图4是本发明单个胎架壳体连接三维图；

图5是本发明胎架3×3方阵三维图；

图6是控制系统连接框图。

图中：1为顶升丝杠、2为顶升导轨、3为顶升头、4为导向连接套、5为螺栓A、6为壳体A、7为螺栓B、8为轴承限位环A、9为轴承A、10为轴承限位环B、11为轴承B、12为底部连接板、13为限位螺母、14为螺栓C、15为螺栓D、16为电机、17为联轴器、18为壳体B、19为蜗杆、20为蜗轮、21为键、22为肋条。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。在描述时各个部件的结构位置例如上、下、顶部、底部等方向的表述不是绝对的，而是相对的。当各个部件如图中所示布置时，这些方向表述是恰当的，但图中各个部件的位置改变时，这些方向表述也相应改变。

如图1-5所示，一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其包括组成方阵的纵横设置的N×M组定位胎架和控制系统，其中，N为大于1的整数，M为大于1的整数；

其中，每个所述定位胎架包括顶升丝杠1、顶升导轨2、顶升头3、导向连接套4、壳体和驱动组件；所述壳体内的顶端沿着其轴线向下延伸设置有所述导向连接套4，所述导向连接套4的中心轴线设置有上下贯通的导向孔；所述导向连接套4的导向孔内设置有可上下滑动但不能相对于导向连接套4转动的顶升导轨2；所述顶升导轨2的中心沿着轴向延伸设置有与所述顶升丝杠1螺旋连接的螺纹孔，且所述顶升丝杠1与所述顶升导轨2组成的螺纹副能反向锁死；所述顶升导轨的螺纹孔的顶端固定设置有所述顶升头3，所述顶升头3伸入顶升导轨2的一端对所述顶升丝杠1进行限位；所述驱动组件驱动所述顶升丝杠1转动进而实现顶升导轨2沿着导向连接套4的导向孔上下升降；所述控制系统分别控制N×M组定位胎架的驱动组件的转动与停止，使得方阵中所有定位胎架升高到与待定位件的曲面坐标高度对应的高度。

如图1所示，所述驱动组件包括电机16、蜗杆19和蜗轮20，其中，所述电机支撑于所述壳体外部，所述蜗杆19可转动支撑设置在壳体上，且所述蜗杆的一端伸出壳体外与所述电机输出轴连接，所述顶升丝杠1的下部固定设置有涡轮20，所述蜗轮20与蜗杆19组成传动副。具体的，作为优选的实施例，在壳体的侧面设置凸台，电机16布置于所述壳体侧面设有的凸台上，且电机16的轴通过所述联轴器17与所述蜗杆19伸出所述壳体B18的部分连接，对于涡轮固定方式，可以将蜗轮20通过键21固定于顶升丝杠1上，蜗杆19通过两个所述轴承A9安装于壳体内部，所述顶升丝杠1下端通过上下并排使用的两个所述轴承B11安装于上述壳体内，其中，在本实施中，如图1所示，通过若干个螺栓A5将导向连接套4与上述壳体设有的上部凸缘固定连接起来。

如图5，在本实施例中，其采用3×3组定位胎架，且在本实施例中的各个定位胎架通过底部设置的若干纵横布置的肋条22固定连接而组成胎架方阵，肋条22的数量为两根平行布置为一组，比如，在本实施例中，为纵横搭建3×3组，且所述壳体的下端采用底部连接板12固定在肋条22上，具体为所述底部连接板12为工字型结构，底部连接板12通过若干个螺栓C14连接于壳体底部开有的匹配螺栓盲孔中，所述若干个螺栓C14的数量为左右对称的两列，每列3个；所述若干个螺栓A5的数量为左右对称的两列，每列3个；所述若干个螺栓B7为周向均布于上述壳体侧面设有的阶梯孔的6个；所述若干个螺栓D15为周向均布于上述壳体内腔大台阶孔端面上的6个

上述所述轴承A9内圈过盈配合于所述蜗杆19的轴两端，外圈的一个底面限位于上述壳体侧面设有的阶梯孔中，外圈的另一个底面通过若干个螺栓B7连接于上述阶梯孔周围均布的匹配螺栓盲孔中的所述轴承限位环A8进行限位。

如图1，所述顶升丝杠1的下端可转动支撑设置在壳体底部，且所述壳体或者顶升丝杠上设置有限制顶升丝杠1沿其轴向上位移的限位件。所述壳体的内腔的下部设置有阶梯孔，阶梯孔上部的大孔为安装顶升丝杠的轴承座孔，阶梯孔下部的小孔为容纳限位件的小孔，所述限位件为限位螺母。在本实施例中，具体如图1所示，通过若干个所述螺栓D15匹配大台阶孔端面设有的螺栓盲孔，将所述轴承限位环B10固定于大台阶孔端面上，上下并排使用的两个所述轴承B11的外圈上端面限位于所述轴承限位环B10下端面，其外圈下端面支承于上述小台阶孔端面上，其内圈上端面限位于所述顶升丝杠1下端设有的凸缘下端面上，其内圈下端面限位于所述顶升丝杠1下端通过螺纹连接的两个所述限位螺母13上，为了固定安装顶升头，在本实施例中，所述顶升导轨2上端端头开设有一段内螺纹，并且通过螺纹连接一个顶部呈曲面的所述顶升头3。

为了实现更好的高精度控制，上述所述电机16的类型为直流电机、交流电机、自态角电机或步进电机；所述联轴器17类型为刚性联轴器或挠性联轴器；所述轴承B11类型为推力调心滚子轴承或圆锥滚子轴承或推力球轴承或角接触球轴承或推力圆柱滚子轴承；所述顶升头3的顶部为呈曲面的顶头结构，该曲面为圆面、椭圆面、双叶双曲面或抛物面。

为了保证使用寿命，所述顶升丝杠1、顶升导轨2、顶升头3和导向连接套4的材料均为高强度耐磨材料,比如经过渗氮处理或喷丸处理或淬火处理的材料。

为了便于组装与拆卸维修，所述壳体为分体式结构，在本实施例中，作为一个优选，所述壳体包括壳体A6和壳体B18，所述壳体A6和所述壳体B18固定连接于所述导向连接套4和所述底部连接板12之间而组成整个壳体。

如图6所示，所述控制系统的CPU类型为单片机、PLC或计算机；前述CPU位数为8位或16位或32位或64位；所述控制系统类型为闭环控制系统、半闭环控制系统或开环控制系统；所述伺服驱动器类型为位置控制伺服驱动器、速度控制伺服驱动器或力矩控制伺服驱动器。

此外，本发明还提供了一种所述胎架方阵的数控调节升降高度的方法，包括以下步骤：

S1：将本发明的方阵中所有胎架进行归至最低位，所述最低位为顶升头3的下底面接触顶升丝杠1的上端面，具体做法为调节控制系统，控制所有电机16逆转，使得所有电机16不能再逆转为止。

S2：将船体分段的曲面坐标数据和归位后的顶升头3的最顶处坐标数据读入控制系统，控制所有电机16正转，升高本发明方阵中所有顶升导轨2和顶升头3，具体的，方阵中某个胎架的顶升头3需要升高H，查询产品说明书，顶升丝杠1的导程为P，则顶升丝杠1需转动蜗轮20的分度圆半径为r，蜗杆19导程为P_x，则蜗杆19转动角度即控制系统调节电机16正转α。而对于一个N×M的胎架方阵，所有的N×M个电机16转过角度也即一个转角矩阵

S3：将方阵中所有胎架升高到船体分段的曲面坐标高度，通过控制系统控制电机16恒定不转动，由于所述顶升丝杠1与所述顶升导轨2组成的滑动丝杠副能反向锁死，所以只要控制电机16不转即能保证方阵中各个胎架升起的高度不变。

工作原理：如图6所示，方阵中某个胎架的顶升头3需要升高H，查询产品说明书，顶升丝杠1的导程为P，则顶升丝杠1需转动蜗轮20的分度圆半径为r，蜗杆19导程为P_x，则蜗杆19转动角度即控制系统调节电机16正转α。而对于一个N×M的胎架方阵，所有的N×M个电机16转过角度也即一个转角矩阵系统自动计算得到的转角矩阵A会在HMI上显示出来，供工程人员检查调整，而HMI与PLC之间的通信为RS232，HMI将核对调整过的结果传递至PLC，而PLC与伺服驱动器之间的数据交换依靠RS485通讯，PLC又将数据传递至伺服驱动器，最后伺服驱动器控制电机16走过的角度，最终完成胎架方阵中各个胎架高底的调节。

对于本发明的装配来说，装配工艺如下：如图1和5所示，第一步，将蜗杆20通过键21装配到顶升丝杠1上，将轴承B固定安装到顶升丝杠1上，将轴承A分别安装到壳体A6和壳体B18上；第二步，将壳体A6和壳体B18从蜗杆19两边过盈套入，用底部连接板12将壳体A6和壳体B18连接起来，从而组成整个壳体，将底部连接板12连接至；第三步，将顶升丝杠1安装到上述壳体中去，并且注意蜗轮蜗杆副的配合安装；第四步，将顶升头3旋入顶升导轨2，并且将顶升导轨2旋入顶升丝杠1；第五步，将导向连接板4套入上述壳体，并且固定连接，而组成一个完整胎架；第六步，用肋条22将N×M个胎架固定连接起来；第七步，通过联轴器17将N×M电机16连接至蜗杆20，并且将所有电机16连接至控制系统，见图6。

以上已揭示本发明的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的构思作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。

Claims (10)

1.一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：其包括组成方阵的纵横设置的N×M组定位胎架和控制系统，其中，N为大于1的整数，M为大于1的整数；

其中，每组所述定位胎架包括顶升丝杠(1)、顶升导轨(2)、顶升头(3)、导向连接套(4)、壳体和驱动组件；

所述壳体内的顶端沿着其轴线向下延伸设置有所述导向连接套(4)，所述导向连接套(4)的中心轴线设有贯通的导向孔；

所述导向连接套(4)的导向孔内设置有可上下滑动但不能相对于导向连接套(4)转动的顶升导轨(2)；

所述顶升导轨(2)沿其轴向延伸设置有与所述顶升丝杠(1)螺旋连接的螺纹孔，且所述顶升丝杠(1)与所述顶升导轨(2)组成的螺纹副能反向锁死；

所述顶升导轨的螺纹孔的顶端固定设置有所述顶升头(3)，所述顶升头(3)伸入顶升导轨(2)的一端对所述顶升丝杠(1)进行限位；

所述驱动组件驱动所述顶升丝杠(1)转动进而实现顶升导轨(2)沿着导向连接套(4)的导向孔上下升降；所述控制系统分别控制N×M组定位胎架的驱动组件的转动与停止，使得方阵中所有定位胎架升高到与待定位件的曲面坐标高度对应的高度。

2.根据权利要求1所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：所述驱动组件包括电机(16)、蜗杆(19)和蜗轮(20)，其中，所述电机固定设置于所述壳体外部，所述蜗杆(19)可转动支撑设置在壳体上，且所述蜗杆(19)的一端伸出壳体外与所述电机输出轴连接，所述顶升丝杠(1)的下部连接有蜗轮(20)，所述蜗轮(20)与蜗杆(19)组成传动副。

3.根据权利要求1所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：N×M组定位胎架的各定位胎架通过底部设置的若干纵横布置的肋条(22)固定连接而组成胎架方阵。

4.根据权利要求1所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：所述顶升丝杠(1)的下端可转动支撑设置在壳体底部，且所述壳体或者顶升丝杠上设置有限制顶升丝杠(1)沿其轴线位移的限位件。

5.根据权利要求3所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：所述壳体的下端采用底部连接板(12)固定在肋条(22)上。

6.根据权利要求4所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：所述壳体的内腔的下部设置有阶梯孔，阶梯孔上部的大孔为安装顶升丝杠的轴承座孔，阶梯孔下部的小孔为容纳限位件的小孔，所述限位件为限位螺母(13)。

7.根据权利要求1所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：所述顶升头(3)的顶部为呈曲面的顶头结构，该曲面为圆面、椭圆面、双叶双曲面或抛物面。

8.根据权利要求1所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：所述顶升丝杠(1)、顶升导轨(2)、顶升头(3)和导向连接套(4)的材料均为高强度耐磨材料。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种数控调节升降的船体分段定位胎架方阵，其特征在于：所述壳体为分体式结构。

10.一种胎架方阵的数控调节升降高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：调节控制系统将方阵中的定位胎架进行归至最低位，控制所有电机(16)逆转，使得所有电机(16)不能再逆转为止，所述最低位为顶升头(3)的下底面接触顶升丝杠(1)的上端面；

S2：将船体分段的曲面坐标数据和归位后的顶升头(3)的最顶处坐标数据读入控制系统，控制所有电机(16)正转，升高方阵中所有顶升导轨(2)和顶升头(3)；方阵中某个胎架的顶升头(3)需要升高H，如果顶升丝杠(1)的导程为P，则顶升丝杠(1)需转动蜗轮(20)的分度圆半径为r，蜗杆(19)导程为P_x，则蜗杆(19)转动角度即控制系统调节电机(16)正转，而对于一个N×M的胎架方阵，所有的N×M个电机(16)转过相应的的角度，即转角矩阵

S3：将方阵中所有胎架升高到船体分段曲面的相应坐标高度，通过控制系统控制电机(16)恒定不转动，由于所述顶升丝杠(1)与所述顶升导轨(2)组成的滑动丝杠副能反向锁死，所以只要保持电机(16)不转即能使方阵中各个胎架升起的高度恒定；

其中，所述胎架方阵采用权利要求1-9任意一项所述的定位胎架方阵。