CN110695424A - 一种船舶构件自由边处理的装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶构件自由边处理的装置，包括三自由度可移动门架、构件处理平台、升降机构、铣削机构、控制器；三自由度可移动门架包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、定位传感器；构件处理平台上安装升降机构，升降机构包括支撑柱、油缸或气缸；铣削机构安装于Z轴移动机构上，铣削机构包括电机、变速箱、铣刀、多维力矩传感器。还提出基于装置的实现方法。本发明采用专用软件输出可执行程序，提高工作效率，降低对使用者的能力要求；铣刀实现一刀多用，节约成本；多维力矩传感器配合力/位混合控制算法实时调整铣刀位置，保证加工质量；可根据不同的处理要求选用不同的铣刀，调整主轴转速、铣削速度，提高了加工效率，提升了产品质量。

Description

一种船舶构件自由边处理的装置及其实现方法

技术领域

本发明属于机床铣削技术领域，具体地说是一种船舶构件自由边处理的装置及其实现方法，尤其涉及用于船舶肋板、纵桁等大型船舶构件自由边倒圆角的装置。

背景技术

为保证船舶的耐腐蚀性，延长使用寿命，在船舶建造过程中，船体船舶构件需要进行涂装作业。2012年以来，压载舱涂层更需满足PSPC要求。船体结构切割下料后，其边缘呈现为锋利的直角，直接进行涂装作业，防腐涂料不易附着，或漆膜表面极易开裂，不能满足长期的防腐要求。为保证涂装作业效果，防止漆膜脱落，需要对切割后的船舶构件边缘进行倒圆角处理，圆角半径大于2mm。

传统的船舶构件自由边处理，是由工人手持砂轮片进行打磨，同一轨迹重复三次后，形成半径R2以上的圆角。目前国内部分船厂利用气动铣刀代替砂轮片进行船舶构件自由边的倒圆角工作，只需一次铣削即可成型，速度提高三倍，且相较于使用砂轮片降低了粉尘污染。但是处理完自由边的上面后需要对船舶构件进行翻面，大型船舶构件的翻面还需借助门吊等设备，耗时耗力，影响作业效率，增加人力成本，而且对工人的身体健康、环境影响较大。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种船舶构件自由边处理的装置及其实现方法。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种船舶构件自由边处理的装置，包括三自由度可移动门架、构件处理平台、升降机构、铣削机构、控制器；所述三自由度可移动门架包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、定位传感器，所述X轴移动机构设置于构件处理平台的侧面，所述Y轴移动机构设置于构件处理平台的上方且在水平方向上垂直于X轴移动机构，Y轴移动机构安装于X轴移动机构上且在X轴移动机构的带动下移动，所述Z轴移动机构安装于Y轴移动机构上且在Y轴移动机构的带动下移动；所述构件处理平台上安装有升降机构，所述升降机构包括支撑柱、油缸或气缸，多个所述支撑柱嵌装于构件处理平台上，每个支撑柱的底部连接有独立的油缸或气缸；所述铣削机构安装于三自由度可移动门架的Z轴移动机构上且在Z轴移动机构的带动下移动，铣削机构包括电机、变速箱、铣刀、多维力矩传感器，所述多维力矩传感器同轴安装于铣刀上；所述控制器与三自由度可移动门架、升降机构、铣削机构连接。

进一步地，所述X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构均包括基体、直线导轨、滑座、齿条、伺服减速电机、齿轮；所述直线导轨和齿条均安装于基体上，所述齿条沿直线导轨设置，所述伺服减速电机安装于滑座上且其输出轴连接有齿轮，所述齿轮与齿条啮合实现传动。

更进一步地，所述X轴移动机构为双直线导轨结构，并分别安装于构件处理平台的两侧；所述Y轴移动机构的基体两端分别通过基体支架安装于X轴移动机构的双直线导轨的滑座上，Y轴移动机构的基体上安装有定位传感器；所述Z轴移动机构的基体安装于Z轴移动机构的滑座上。

更进一步地，所述X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构均还包括拖链槽、拖链支架、拖链，所述拖链槽安装于基体上且平行于直线导轨，所述拖链支架安装于滑座的一端，所述拖链设置于拖链槽内且其一端与拖链支架连接；所述三自由度可移动门架还包括安全光栅，所述安全光栅安装于Y轴移动机构的基体支架上。

进一步地，所述升降机构的多个支撑柱呈阵列式排布于构件处理平台上。

进一步地，所述铣削机构还包括安装座、润滑油喷嘴，所述安装座安装于Z轴移动机构上，所述润滑油喷嘴安装于安装座上；所述电机和变速箱安装于安装座上，所述铣刀包括铣刀刀柄、铣刀刀片，所述铣刀刀柄沿竖向设置，铣刀刀柄的上端与变速箱的输出轴连接，铣刀刀柄的下端沿周向安装有3-8枚铣刀刀片。

更进一步地，每枚所述铣刀刀片上设有上下对称的两段刀刃，每段刀刃呈内凹且R≥2mm的1/4圆弧状。

一种船舶构件自由边处理的装置的实现方法，包括以下步骤：

S1、从船舶设计软件获取各个类型船舶构件的模型数据，通过装置的专用软件生成对应各个类型船舶构件的可执行程序，并将可执行程序存储到装置中；

S2、将需要自由边处理的船舶构件放置在构件处理平台上的作业区域中，然后启动装置；

S3、构件处理平台上的升降机构的支撑柱上升，将船舶构件顶起，船舶构件利用自重和支撑柱的摩擦力实现固定；

S4、操作控制器的操作面板选取当前作业区域内的船舶构件类型，装置随即调用对应的可执行程序；

S5、执行可执行程序：S501、利用定位传感器对船舶构件在作业区域内的实际位置标定；S502、根据位置标定结果，对可执行程序中的理论规划的铣刀路径进行修正，生成实际的铣削轨迹；S503、选择适合的铣刀，刀具自检后，开始进行船舶构件上表面自由边的处理；S504、再次进行刀具自检，然后进行船舶构件下表面自由边的处理；

S6、可执行程序执行完毕后，将船舶构件装卸至托盘。

进一步地，在步骤S501中，定位传感器测量船舶构件上设定的两个点的实际位置，并计算两点连线的单位向量；在步骤S502中，根据船舶构件上两个点的实际位置与可执行程序中设定的两个点的绝对位置偏差及船舶构件上两点间的单位向量与可执行程序中设定的两点间单位向量的角度偏差，对可执行程序中的铣刀路径进行修正。

进一步地，在步骤S503和S504中，均依靠铣削机构的多维力矩传感器及力/位混合控制算法，保证铣削轨迹实时跟踪船舶构件自由边，使得铣削法向力矩始终保持在设置值范围内，同时在铣刀移动过程中，将升降机构的每个支撑柱所在坐标与实时反馈的铣刀所在坐标进行判断，控制铣刀下方覆盖区域内的支撑柱自动下降，以避免与铣刀发生碰撞。

目前国内还未有此类用于船舶构件自由边处理作业的自动化装备，本发明的技术方案除了整体技术方案外，还包括很多细节方面的优化，具有以下有益效果：

1、采用装置的专用软件，输入为船舶设计软件的模型数据，输出为驱动装备的可执行程序，操作过程不需要使用者具备过高的编程能力，基本由专用软件自主完成，只需要使用者少量的人工干预，省事省力，提高工作效率，降低对使用者的能力要求；

2、铣刀的刀片既可以应用于船舶构件上表面自由边的处理，也可应用于船舶构件下表面自由边的处理，实现一刀多用，降低换刀频率，节约了成本，减少了刀具浪费；

3、使用了多维力矩传感器，在船舶构件自由边处理过程中可以捕获铣刀与船舶构件边缘接触的力矩大小，配合力/位混合控制算法，根据力矩大小实时调整铣刀位置，当船舶构件的实际边缘位置与模型不一致时，铣刀可以完成位置微调，并跟踪构件实际边缘，使得自由边处理过程中刀具铣削力矩稳定，保证加工质量一致，而且可有效保护刀具；

4、操作简单高效，船舶构件自由边处理效果好，可以根据不同的处理要求，选用不同的铣刀，调整主轴转速、铣削速度，提高了加工效率，降低了人力成本，同时提升了产品质量。

附图说明

图1为本发明的一实施例的整体结构示意图。

图2为本发明的一实施例的正视图。

图3为本发明的一实施例的侧视图。

图4为本发明的一实施例中的安全光栅和操作面板的示意图。

图5为本发明的一实施例中的铣削机构的局部示意图。

图6为本发明的一实施例在作业状态的局部示意图。

图7为本发明的一实施例中的铣削机构处理船舶构件上表面的示意图。

图中部件标号如下：

1 X轴移动机构

2 Y轴移动机构

3 Z轴移动机构

4构件处理平台

5支撑柱

6铣削机构

7定位传感器

8安全光栅

9操作面板

10安装座

11铣刀刀柄

12铣刀刀片

13润滑油喷嘴

14多维力矩传感器

15船舶构件。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。

参见图1至图3，一种船舶构件自由边处理的装置，包括三自由度可移动门架、构件处理平台4、升降机构、铣削机构6、控制器。

所述三自由度可移动门架包括X轴移动机构1、Y轴移动机构2、Z轴移动机构3。所述X轴移动机构1、Y轴移动机构2、Z轴移动机构3均主要包括基体、直线导轨、滑座、齿条、伺服减速电机、齿轮、拖链槽、拖链支架、拖链，所述直线导轨和齿条均安装于基体上，所述齿条沿直线导轨设置，所述伺服减速电机安装于滑座上且其输出轴连接有齿轮，所述齿轮与齿条啮合实现传动，所述拖链槽安装于基体上且平行于直线导轨，所述拖链支架安装于滑座的一端，所述拖链设置于拖链槽内且其一端与拖链支架连接。进一步地，所述直线导轨的一端设有防冲挡板，滑座的下方设有用以支撑滑座的垫块，滑座上安装有用于安装伺服减速电机的安装板。

所述X轴移动机构1为双直线导轨结构，并分别安装于构件处理平台4的两侧。所述Y轴移动机构2设置于X轴移动机构1和构件处理平台4的上方且在水平方向上垂直于X轴移动机构1，Y轴移动机构2的基体两端分别通过基体支架安装于X轴移动机构1的双直线导轨的滑座上，基体上安装有用于船舶构件15定位的定位传感器7，定位传感器7具体为点激光测距传感器；参见图4，基体支架上安装有安全光栅8和控制器，控制器包括操作面板9。所述Z轴移动机构3的基体安装于Z轴移动机构3的滑座上。所述拖链用于放置控制器信号线缆、传感器信号电缆、润滑油管路，所述控制器信号线缆连接控制器和控制本装置的控制中心，所述传感器信号电缆连接定位传感器7和控制中心，所述润滑油管路连接外接的油箱和铣削机构6的润滑油喷嘴13。

所述三自由度可移动门架实现XYZ三轴联动且互不干扰，可以有效覆盖整个作业区域。由于船舶构件15基本都为片体结构，因此船舶构件15放置时与X、Y轴所在的平面平行，铣削机构6的铣刀刀柄11与Z轴平行，即可进行船舶构件15边缘倒圆角处理。

所述升降机构安装于构件处理平台4上，所述升降机构包括支撑柱5、油缸或气缸，多个所述支撑柱5呈阵列式排布于构件处理平台4上，每个支撑柱5沿竖直方向嵌入式安装于构件处理平台4上，每个支撑柱5的底部连接有一独立的油缸或气缸。每个支撑柱5通过液压或气动方式驱动，实现单独信号控制的升降。其中，多个支撑柱5之间的间距根据最小船舶构件15的尺寸设计，间距过大会导致船舶构件15与支撑柱5的接触点的数量太少而无法实现船舶构件15固定，间距过小会增加铣削机构6的铣刀与支撑柱5干涉的可能。

当船舶构件15置于构件处理平台4上时，所有支撑柱5升起，船舶构件15随之被顶起，船舶构件15不仅脱离构件处理平台4的表面，其自由边暴露，易于倒圆角，而且船舶构件15的下表面由平面接触改为多点接触，若支撑柱5的材质选用摩擦力较大的硬质材料，即可保证在铣削机构6的铣刀对船舶构件15自由边进行倒圆角处理时，船舶构件15凭借自重产生的摩擦力大于铣削力，起到固定作用。

铣削时，铣削机构6的铣刀沿船舶构件15自由边运动，若此时恰好经过升起的支撑柱5，则可能造成故障或损坏。为避免此类情况发生，将每个支撑柱5所在坐标与实时反馈的铣刀所在坐标进行判断，当两点直线距离小于设定的安全距离时，对应的支撑柱5下降，待铣刀经过其上空且距离大于安全距离时，这些支撑柱5上升，恢复定位船舶构件15的状态。

参见图3和图5，所述铣削机构6安装于Z轴移动机构3的滑座上，铣削机构6包括安装座10、电机、变速箱、铣刀刀柄11、铣刀刀片12、润滑油喷嘴13、多维力矩传感器14，所述安装座10安装于Z轴移动机构3的滑座上，所述电机和变速箱安装于安装座10上，所述铣刀刀柄11和铣刀刀片12组成铣刀，铣刀刀柄11的上端与变速箱的输出轴同轴连接，铣刀刀柄11的下端沿周向安装有3-8枚铣刀刀片12，所述润滑油喷嘴13安装于安装座10上且向下设置于铣刀刀柄11的旁侧，所述多维力矩传感器14同轴安装于铣刀刀柄11上。其中，每枚铣刀刀片12的中间开孔，可利用螺丝固定在铣刀刀柄11上，铣刀刀片12上设有上下对称的两段刀刃，每段刀刃呈内凹且R≥2mm的1/4圆弧状，铣刀刀片12上部的刀刃用于对船舶构件15的下表面进行倒圆角处理，铣刀刀片12下部的刀刃用于对船舶构件15的上表面进行倒圆角处理，实现一刀多用，降低换刀频率，节约使用成本。

所述控制器安装于Y轴移动机构2的基体支架上，控制器包括控制面板。

本实施例中船舶构件15的材质型号是AH36钢，对应的自由边法向铣削力为500N。执行倒圆角处理时，利用多维力矩传感器14实时捕获铣刀与船舶构件15边缘接触的铣削力。正常作业情况下的铣削力大小为500N，若船舶构件15实际边缘突出模型轮廓，则铣刀按原路径运动，铣削力会大于500N，此时利用控制系统内嵌的力/位混合控制算法重新优化调整铣刀的位置，铣刀往理论轨迹外侧偏移，恰好与实际自由边位置保持一致，避免道具损伤。反之同理，若船舶构件15实际边缘内凹于模型轮廓，则铣刀按原路径运动，铣削力会小于500N，此时利用力/位混合控制算法优化调整铣刀的位置，铣刀往理论轨迹内侧偏移，保证边缘铣削效果。

基于上述装置的实现方法包括以下步骤：

S1、从船舶设计软件（Tribon）获取各个类型船舶构件的模型数据，每个类型船舶构件的模型数据包括三维模型、材质、处理要求、自由边位置，通过装置的专用软件生成对应的以G代码为基础语言的可执行程序，并将可执行程序存储到装置中，可执行程序包括船舶构件定位代码、铣刀路径代码、铣刀设置代码、铣削力、铣削速度；

S2、利用门吊将需要进行自由边处理的船舶构件15放置在构件处理平台4上的作业区域中，然后启动装置；

S3、构件处理平台4上的升降机构的支撑柱5上升，将船舶构件15顶起，船舶构件15利用自重和支撑柱5的摩擦力实现固定；

S4、操作控制器的操作面板9，选取当前作业区域内的船舶构件类型，装置随即调用该类型船舶构件的可执行程序；

S5、确认可执行程序与装置中的船舶构件15匹配后，执行可执行程序：

S501、执行可执行程序的船舶构件定位代码，利用定位传感器7测量船舶构件15上设定好的两个点的实际位置，并计算两点连线的单位向量，完成船舶构件15在作业区域内的实际位置标定；

S502、根据船舶构件15上两个点的实际位置与铣刀路径代码中对应两点的绝对位置偏差，对铣刀路径代码中的参数进行修正，对生成的铣削轨迹表现为平移变换，根据船舶构件15上两点间的单位向量与铣刀路径代码中对应两点间单位向量的角度偏差，对铣刀路径代码中的参数进行修正，对生成的铣削轨迹表现为旋转平移，由此完成根据位置标定结果对理论规划的铣刀路径进行偏移，生成实际的铣削轨迹；

S503、利用安全光栅8确认人员退出危险区域后，装置根据可执行程序的铣刀设置代码选择适合的铣刀，刀具自检后，开始进行船舶构件15上表面自由边的处理，见图6和图7；

S504、船舶构件15的上表面处理完成后，装置再次进行刀具自检，然后进行船舶构件15下表面自由边的处理；

S6、可执行程序执行完毕后，利用门吊将船舶构件15装卸至托盘。

其中，在S504的船舶构件15上表面自由边处理和S505的船舶构件15下表面自由边处理的过程中，均依靠多维力矩传感器14及力/位混合控制算法，保证铣削轨迹实时跟踪船舶构件15自由边，使得铣削法向力矩始终保持在设置值左右，确保加工质量，同时在铣刀移动过程中，将升降机构的每个支撑柱5所在坐标与实时反馈的铣刀所在坐标进行判断，铣刀下方覆盖区域内的升降机构的支撑柱5自动下降，以避免与铣刀发生碰撞。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (10)

1.一种船舶构件自由边处理的装置，其特征在于，包括三自由度可移动门架、构件处理平台、升降机构、铣削机构、控制器；

所述三自由度可移动门架包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、定位传感器，所述X轴移动机构设置于构件处理平台的侧面，所述Y轴移动机构设置于构件处理平台的上方且在水平方向上垂直于X轴移动机构，Y轴移动机构安装于X轴移动机构上且在X轴移动机构的带动下移动，所述Z轴移动机构安装于Y轴移动机构上且在Y轴移动机构的带动下移动；

所述构件处理平台上安装有升降机构，所述升降机构包括支撑柱、油缸或气缸，多个所述支撑柱嵌装于构件处理平台上，每个支撑柱的底部连接有独立的油缸或气缸；

所述铣削机构安装于三自由度可移动门架的Z轴移动机构上且在Z轴移动机构的带动下移动，铣削机构包括电机、变速箱、铣刀、多维力矩传感器，所述多维力矩传感器同轴安装于铣刀上；

所述控制器与三自由度可移动门架、升降机构、铣削机构连接。

2.根据权利要求1所述的船舶构件自由边处理的装置，其特征在于，所述X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构均包括基体、直线导轨、滑座、齿条、伺服减速电机、齿轮；所述直线导轨和齿条均安装于基体上，所述齿条沿直线导轨设置，所述伺服减速电机安装于滑座上且其输出轴连接有齿轮，所述齿轮与齿条啮合实现传动。

3.根据权利要求2所述的船舶构件自由边处理的装置，其特征在于，所述X轴移动机构为双直线导轨结构，并分别安装于构件处理平台的两侧；所述Y轴移动机构的基体两端分别通过基体支架安装于X轴移动机构的双直线导轨的滑座上，Y轴移动机构的基体上安装有定位传感器；所述Z轴移动机构的基体安装于Z轴移动机构的滑座上。

4.根据权利要求3所述的船舶构件自由边处理的装置，其特征在于，所述X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构均还包括拖链槽、拖链支架、拖链，所述拖链槽安装于基体上且平行于直线导轨，所述拖链支架安装于滑座的一端，所述拖链设置于拖链槽内且其一端与拖链支架连接；所述三自由度可移动门架还包括安全光栅，所述安全光栅安装于Y轴移动机构的基体支架上。

5.根据权利要求1所述的船舶构件自由边处理的装置，其特征在于，所述升降机构的多个支撑柱呈阵列式排布于构件处理平台上。

6.根据权利要求1所述的船舶构件自由边处理的装置，其特征在于，所述铣削机构还包括安装座、润滑油喷嘴，所述安装座安装于Z轴移动机构上，所述润滑油喷嘴安装于安装座上；所述电机和变速箱安装于安装座上，所述铣刀包括铣刀刀柄、铣刀刀片，所述铣刀刀柄沿竖向设置，铣刀刀柄的上端与变速箱的输出轴连接，铣刀刀柄的下端沿周向安装有3-8枚铣刀刀片。

7.根据权利要求6所述的船舶构件自由边处理的装置，其特征在于，每枚所述铣刀刀片上设有上下对称的两段刀刃，每段刀刃呈内凹且R≥2mm的1/4圆弧状。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的船舶构件自由边处理的装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、从船舶设计软件获取各个类型船舶构件的模型数据，通过装置的专用软件生成对应各个类型船舶构件的可执行程序，并将可执行程序存储到装置中；

S2、将需要自由边处理的船舶构件放置在构件处理平台上的作业区域中，然后启动装置；

S3、构件处理平台上的升降机构的支撑柱上升，将船舶构件顶起，船舶构件利用自重和支撑柱的摩擦力实现固定；

S4、操作控制器的操作面板选取当前作业区域内的船舶构件类型，装置随即调用对应的可执行程序；

S5、执行可执行程序：

S501、利用定位传感器对船舶构件在作业区域内的实际位置标定；

S502、根据位置标定结果，对可执行程序中的理论规划的铣刀路径进行修正，生成实际的铣削轨迹；

S503、选择适合的铣刀，刀具自检后，开始进行船舶构件上表面自由边的处理；

S504、再次进行刀具自检，然后进行船舶构件下表面自由边的处理；

S6、可执行程序执行完毕后，将船舶构件装卸至托盘。

9.一种根据权利要求8所述的船舶构件自由边处理的装置的实现方法，其特征在于，

在步骤S501中，定位传感器测量船舶构件上设定的两个点的实际位置，并计算两点连线的单位向量；

在步骤S502中，根据船舶构件上两个点的实际位置与可执行程序中设定的两个点的绝对位置偏差及船舶构件上两点间的单位向量与可执行程序中设定的两点间单位向量的角度偏差，对可执行程序中的铣刀路径进行修正。

10.一种根据权利要求8或9所述的船舶构件自由边处理的装置的实现方法，其特征在于，在步骤S503和S504中，均依靠铣削机构的多维力矩传感器及力/位混合控制算法，保证铣削轨迹实时跟踪船舶构件自由边，使得铣削法向力矩始终保持在设置值范围内，同时在铣刀移动过程中，将升降机构的每个支撑柱所在坐标与实时反馈的铣刀所在坐标进行判断，控制铣刀下方覆盖区域内的支撑柱自动下降，以避免与铣刀发生碰撞。

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