CN112496112B - 一种多规格船用管材智能成形系统及成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多规格船用管材智能成形系统及成形工艺，对管材进行弯曲成形时无需经过多次弯曲即可确定弯曲成形设备的扭矩、转角等参数，省略了人工试模的环节，不仅降低了工人的劳动强度、提高了生产效率，还提高了资源的利用率及产品的一致性，同时还提高了成形设备的智能化。
Description
技术领域
本发明涉及一种多规格船用管材智能成形系统及成形工艺，属于管材成形领域。
背景技术
在船舶制造的过程中，管件加工制造是船厂生产组织中的一个重要环节。据统计，现在钢质船舶管件使用量巨大，一艘20万吨的油船管件使用数量超过2万根；因此管件制造的工作量比较大，尤其是在多艘船同时建造时，就更加重了管件车间的加工任务，造成了管件车间成为造船过程中的一个瓶颈。
船用管件不仅数量多，种类与规格也较多，比如船用管件可分类为钢管、铝管及双金属管等，而钢管又可分为无缝钢管、焊接钢管及水、煤气输送管等；船用管件的规格比如无缝钢管的公称通径为10～300mm，壁厚为2～8mm；焊接钢管的公称通径为10～140mm，壁厚为0.5～5.5mm；低压流体输送管的公称通径为15～150mm，壁厚为2.75～4.5mm；铝管的外径为6～50mm，壁厚为0.5～5mm；双金属管的外径为6～70mm，壁厚为1.5～6mm。
综上所述，船用管材选材品种多、材质差别大，成形尺寸规格多，且管材壁厚范围广。这就造成每次进行弯曲成形时都需要经过多次试弯确定弯管设备的扭矩、转角等参数，这就导致人工试模周期长，生产效率低，资源利用率低。
发明内容
本发明提供一种多规格船用管材智能成形系统及成形工艺，对管材进行弯曲成形时无需经过多次弯曲即可确定弯曲成形设备的扭矩、转角等参数，不仅提高了生产效率，而且提高了资源的利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多规格船用管材智能成形系统，包括信息输入模块、工艺匹配模块、管材成形工艺库、三维弯管机仿真模块、工艺分析模块、信息输出模块、新工艺生成模块以及成形工艺管理模块；
其中，信息输入模块用于输入管材的基本信息以及成形要求，
工艺匹配模块根据信息输入模块提供的管材信息在管材成形工艺库内查找匹配成形工艺，确定满足条件的成形工艺以及成形工艺参数，
三维弯管机仿真模块通过工艺匹配模块匹配到的成形工艺参数，对管材的弯曲成形过程进行仿真模拟，或者通过新工艺生成模块生成的管材成形新工艺为依据，对管材的弯曲成形过程进行仿真模拟，
工艺分析模块对三维弯管机仿真模块生成的仿真结果进行分析计算，判断相应成形工艺是否匹配，
信息输出模块将工艺分析模块分析出的满足条件的管材成形方案、具体成形工艺参数信息传输至弯曲成形设备，
新工艺生成模块用于生成管材新的成形方案以及新的成形工艺参数，
成形工艺管理模块将新工艺生成模块生成的新的成形方案、新的成形工艺参数进行上传和保存；
作为本发明的进一步优选，前述的管材成形工艺库包括钢管成形工艺库、铝管成形工艺库、铜管成形工艺库以及双金属管成形工艺库；
一种多规格船用管材智能成形工艺，具体包括以下步骤：
第一步，成形管材信息获取，信息输入模块获取管材信息后生成n个相近管材规格信息，并生成管材规格矩阵T；
第二步，工艺匹配模块根据信息输入模块获取的管材信息选择匹配的管材成形工艺库；
第三步，工艺匹配模块以管材规格矩阵T为基础，遍历管材成形工艺库，查询管材规格矩阵T内的管材规格匹配的管材成形工艺，组成管材成形工艺矩阵T1；
第四步，获取成形工艺方法，
其中第4.1步，预设最小支持度m，并初始化扫描次数k的值为1，
第4.2步，扫描管材成形工艺矩阵T1一次，生成1-频繁项目集；
第4.3步，工艺匹配模块进行判断，若存在两个或以上的k-频繁项目集，则继续执行第4.4步，若不存在两个或以上的k-频繁项目集，则执行第4.10步；
第4.4步，根据k-频繁项目集生成候选(k+1)-频繁项目集；
第4.5步，通过工艺匹配模块进行判断，若候选(k+1)-频繁项目集存在k-非频繁项目子集，则删除k-非频繁项目子集，执行第4.6步，若候选(k+1)-频繁项目集不存在k-非频繁项目子集，则直接执行第4.6步；
第4.6步，通过工艺匹配模块扫描管材成形工艺矩阵T1一次，统计各剩余候选集的支持度；
第4.7步，通过工艺匹配模块进行判断，若各剩余候选集的支持度大于最小支持度m，则保留(k+1)-频繁项目候选集，若各剩余候选集的支持度不满足大于最小支持度m，则从剩余候选集中删除非频繁候选集；
第4.8步，生成(k+1)-频繁项目集；
第4.9步，通过工艺匹配模块对扫描次数k进行加1操作，继续执行第4.3步；
第4.10步，生成最大的k-频繁项目集；
第4.11步，工艺匹配模块根据生成的最大k-频繁项目集，遍历管材成形工艺矩阵T1，获取匹配的管材成形工艺方案以及成形参数；
第五步，三维弯管机仿真模块根据工艺匹配模块查询的管材成形工艺以及成形参数对钢管进行弯曲加工模拟仿真；
第六步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果与信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径、成形角度分析，获取成形半径误差、成形角度误差；
第七步，工艺分析模块对管材成形工艺进行匹配判断，若满足成形精度，则管材成形工艺相匹配，执行第八步，若未满足成形精度，则执行第十步；
第八步，成形工艺管理模块根据工艺分析模块的匹配结果，结合需要成形的管材规格信息生成新的成形工艺，并保存于管材成形工艺库内；
第九步，信息输入模块将管材成形工艺以及成形参数输出至弯曲成形设备；
第十步，新工艺生成模块进行成形参数计算，即估算管材弯曲成形所需力矩；
第十一步，新工艺生成模块根据管材成形角度计算弯曲成形设备的转角，其中，管材的成形角度即为弯曲成形设备所需的转角；
第十二步，三维弯管机仿真模块根据新工艺生成模块计算的管材成形参数对管材进行弯曲加工模拟仿真；
第十三步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果以及信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径和成形角度分析，获取成形半径误差和成形角度误差；
第十四步，工艺分析模块对成形结果进行判断，若满足成形精度，则成形参数匹配，继续执行第八步，若未满足成形精度，则执行第十五步；
第十五步，新工艺生成模块根据指定规律对计算的成形结果进行扩展；
第十六步，三维弯管机仿真模块根据新工艺生成模块扩展的新管材成形参数对管材进行弯曲加工模拟仿真；
第十七步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果与信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径和成形角度分析，获取成形半径误差和成形角度误差；
第十八步，工艺分析模块对成形结果进行判断，若满足成形精度，则成形参数匹配，继续执行第八步，若未满足成形精度，则循环执行第十五步；
作为本发明的进一步优选，前述管材的成形参数包括所需转矩和所需转角，将管材的成形参数传输至弯曲成形设备上；
作为本发明的进一步优选，第十步中，新工艺生成模块估算管材弯曲成形所需力矩的公式为
其中，
k0为材料相对强度系数，σs为材料屈服极限，D为管材外径，ρ为管材中性层曲率半径，t为管材厚度，Rx代表管材的曲率半径比，w代表管材抗弯截面系数，k1代表管材形状系数；
作为本发明的进一步优选，前述的管材为直径为50mm，管材壁厚为4mm，成形半径为30mm，成形角度为60°，成形精度为成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的管材智能成形系统可以根据管材的规格、材质、成形要求及精度要求等参数，优先从现有成形知识库中优选成形方案和成形工艺参数；
2、本发明提供的管材智能成形系统若在现有的成形知识库中未找到合适的成形方案，管材智能成形系统会形成新的成形方案，计算其成形工艺参数，并对现有成形知识库进行补充更新；
3、本发明提供的管材智能成形系统省略了人工试模的环节，不仅降低了工人的劳动强度、提高了生产效率，还提高了资源的利用率及产品的一致性，同时还提高了弯曲成形设备的智能化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的多规格船用管材智能成形系统；
图2是本发明提供的管材智能成形系统控制流程图；
图3是本发明构建的一种管材成形工艺库的工艺表格。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
基于船用管材选材品种多、材质差别大，成形尺寸规格多以及管材壁厚范围广等特点，现有技术中，在对管材进行弯曲成形时，都需要经过多次试弯来确定弯管设备的扭矩、转角等参数，导致人工试膜周期变长，从而降低了生产效率；本申请旨在提供一种多规格船用管材智能成形系统，通过此系统的成形工艺，解决了现有技术产生的缺陷。
图1所示，是本申请提供的管材成形系统，主要包括信息输入模块、工艺匹配模块、管材成形工艺库、三维弯管机仿真模块、工艺分析模块、信息输出模块、新工艺生成模块以及成形工艺管理模块；
其中，信息输入模块用于输入管材的基本信息以及成形要求等信息，这些信息可以通过扫描FRID芯片或者二维码获取，包括管材的材质、规格(直径、长度、壁厚)、成形要求(成形半径、成形角度)、成形后的三维模型、成形精度以及其他相关信息；
工艺匹配模块根据信息输入模块提供的管材信息在管材成形工艺库内查找匹配成形工艺，确定满足条件的成形工艺以及成形工艺参数，确定满足条件的成形工艺与成形工艺参数等信息；
管材成形工艺库，是以管材的材质、规格、成形要求、精度要求等为基础，根据实际管材成形加工的工艺知识，并结合相关专家的建议进行构建的，在本申请中提供的图3即为提供的构建表格；管材成形工艺库包括钢管成形工艺库、铝管成形工艺库、铜管成形工艺库以及双金属管成形工艺库等；此外，管材成形工艺库具有可更新功能；
三维弯管机仿真模块通过工艺匹配模块匹配到的成形工艺参数，对管材的弯曲成形过程进行仿真模拟，或者通过新工艺生成模块生成的管材成形新工艺为依据，对管材的弯曲成形过程进行仿真模拟；
工艺分析模块对三维弯管机仿真模块生成的仿真结果进行分析计算，判断相应成形工艺是否匹配；
信息输出模块将工艺分析模块分析出的满足条件的管材成形方案、具体成形工艺参数信息传输至弯曲成形设备，这些信息包括弯曲成形设备对管材成形时所需的扭矩、转角等信息；
新工艺生成模块用于生成管材新的成形方案以及新的成形工艺参数，
成形工艺管理模块将新工艺生成模块生成的新的成形方案、新的成形工艺参数进行上传和保存。
图2所示是本申请提供的基于上述多规格船用管材智能成形系统进行的成形工艺，具体包括以下步骤：
第一步，成形管材信息获取，信息输入模块扫描FRID芯片或者二维码获取管材信息后生成n个相近管材规格信息，并生成管材规格矩阵T；
在这里假设管材的材质为钢管，获取的管材信息包括管材直径(假设直径为50mm)、管材壁厚(假设壁厚为4mm)、成形半径(假设成形半径为30mm)、成形角度(假设成形角度为60°)、成形后的三维模型及成形精度(假设成形精度：成形半径±0.1mm，成形角度±0.2°)；
同时假设n为4，那么4个相近的管材直径假设分别为46mm、48mm、52mm、54mm，那么对应的管材壁厚分别为2mm、3mm、4mm、5mm，构成若干个新的管材规格(直径×壁厚)组合(例如50×4、46×4、50×3等)，那么生成的管材规格矩阵T：
T＝[50*4，46*4，50*3，…，54*2，48*3]
第二步，工艺匹配模块根据信息输入模块获取的管材信息选择匹配的管材成形工艺库(即为钢管成形工艺库)；
第三步，工艺匹配模块以管材规格矩阵T为基础，遍历钢管成形工艺库，查询管材规格矩阵T内的管材规格匹配的管材成形工艺，组成管材成形工艺矩阵T1；
第四步，获取成形工艺方法，
其中第4.1步，预设最小支持度m，并初始化扫描次数k的值为1，
第4.2步，扫描管材成形工艺矩阵T1一次，生成1-频繁项目集；
第4.3步，工艺匹配模块进行判断，若存在两个或以上的k-频繁项目集，则继续执行第4.4步，若不存在两个或以上的k-频繁项目集，则执行第4.10步；
第4.4步，根据k-频繁项目集生成候选(k+1)-频繁项目集；
第4.5步，通过工艺匹配模块进行判断，若候选(k+1)-频繁项目集存在k-非频繁项目子集，则删除k-非频繁项目子集，执行第4.6步，若候选(k+1)-频繁项目集不存在k-非频繁项目子集，则直接执行第4.6步；
第4.6步，通过工艺匹配模块扫描管材成形工艺矩阵T1一次，统计各剩余候选集的支持度；
第4.7步，通过工艺匹配模块进行判断，若各剩余候选集的支持度大于最小支持度m，则保留(k+1)-频繁项目候选集，若各剩余候选集的支持度不满足大于最小支持度m，则从剩余候选集中删除非频繁候选集；
第4.8步，生成(k+1)-频繁项目集；
第4.9步，通过工艺匹配模块对扫描次数k进行加1操作，继续执行第4.3步；
第4.10步，生成最大的k-频繁项目集；
第4.11步，工艺匹配模块根据生成的最大k-频繁项目集，遍历管材成形工艺矩阵T1，获取匹配的管材成形工艺方案以及成形参数；
第五步，三维弯管机仿真模块根据工艺匹配模块查询的管材成形工艺以及成形参数对信号50×4的钢管进行弯曲加工模拟仿真；
第六步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果与信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径、成形角度分析，获取成形半径误差、成形角度误差；
第七步，工艺分析模块对管材成形工艺进行匹配判断，若满足成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内，则管材成形工艺相匹配，执行第八步，若未满足成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内，则执行第十步；
第八步，成形工艺管理模块根据工艺分析模块的匹配结果，结合需要成形的管材规格信息生成新的成形工艺，并保存于管材成形工艺库(即钢管成形工艺库)内；
第九步，信息输入模块将管材成形工艺以及成形参数(包括所需转矩以及所需转角)输出至弯曲成形设备；
第十步，新工艺生成模块估算管材弯曲成形所需力矩的公式为
其中，
k0为材料相对强度系数，σs为材料屈服极限(MPa)，D为管材外径(mm)，ρ为管材中性层曲率半径(mm)，t为管材厚度(mm)，Rx代表管材的曲率半径比，w代表管材抗弯截面系数，k1代表管材形状系数；
第十一步，新工艺生成模块根据管材成形角度计算弯曲成形设备的转角，其中，管材的成形角度即为弯曲成形设备所需的转角；
第十二步，三维弯管机仿真模块根据新工艺生成模块计算的管材成形参数对型号为50×4的钢管进行弯曲加工模拟仿真；
第十三步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果以及信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径和成形角度分析，获取成形半径误差和成形角度误差；
第十四步，工艺分析模块对成形结果进行判断，若满足成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内，则成形参数匹配，继续执行第八步，若未满足成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内，则执行第十五步；
第十五步，新工艺生成模块根据指定规律对计算的成形结果进行扩展；
第十六步，三维弯管机仿真模块根据新工艺生成模块扩展的新管材成形参数对型号为50×4的钢管进行弯曲加工模拟仿真；
第十七步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果与信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径和成形角度分析，获取成形半径误差和成形角度误差；
第十八步，工艺分析模块对成形结果进行判断，若满足成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内，则成形参数匹配，继续执行第八步，若未满足成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内，则循环执行第十五步。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种多规格船用管材智能成形工艺，其特征在于：
多规格船用管材智能成形工艺采用的多规格船用管材智能成形系统包括信息输入模块、工艺匹配模块、管材成形工艺库、三维弯管机仿真模块、工艺分析模块、信息输出模块、新工艺生成模块以及成形工艺管理模块；
其中，信息输入模块用于输入管材的基本信息以及成形要求，
工艺匹配模块根据信息输入模块提供的管材信息在管材成形工艺库内查找匹配成形工艺，确定满足条件的成形工艺以及成形工艺参数，
三维弯管机仿真模块通过工艺匹配模块匹配到的成形工艺参数，对管材的弯曲成形过程进行仿真模拟，或者通过新工艺生成模块生成的管材成形新工艺为依据，对管材的弯曲成形过程进行仿真模拟，
工艺分析模块对三维弯管机仿真模块生成的仿真结果进行分析计算，判断相应成形工艺是否匹配，
信息输出模块将工艺分析模块分析出的满足条件的管材成形方案、具体成形工艺参数信息传输至弯曲成形设备，
新工艺生成模块用于生成管材新的成形方案以及新的成形工艺参数，
成形工艺管理模块将新工艺生成模块生成的新的成形方案、新的成形工艺参数进行上传和保存；
前述的管材成形工艺库包括钢管成形工艺库、铝管成形工艺库、铜管成形工艺库以及双金属管成形工艺库；
多规格船用管材智能成形工艺具体包括以下步骤：
第一步，成形管材信息获取，信息输入模块获取管材信息后生成n个相近管材规格信息，并生成管材规格矩阵
；
第二步，工艺匹配模块根据信息输入模块获取的管材信息选择匹配的管材成形工艺库；
第三步，工艺匹配模块以管材规格矩阵T为基础，遍历管材成形工艺库，查询管材规格矩阵
内的管材规格匹配的管材成形工艺，组成管材成形工艺矩阵
；
第四步，获取成形工艺方法，
其中第4.1步，预设最小支持度m，并初始化扫描次数
的值为1，
第4.2步，扫描管材成形工艺矩阵
一次，生成1-频繁项目集；
第4.3步，工艺匹配模块进行判断，若存在两个或以上的
-频繁项目集，则继续执行第4.4步，若不存在两个或以上的
-频繁项目集，则执行第4.10步；
第4.4步，根据k-频繁项目集生成候选（
）-频繁项目集；
第4.5步，通过工艺匹配模块进行判断，若候选（
+1）-频繁项目集存在k-非频繁项目子集，则删除
-非频繁项目子集，执行第4.6步，若候选（
+1）-频繁项目集不存在
-非频繁项目子集，则直接执行第4.6步；
第4.6步，通过工艺匹配模块扫描管材成形工艺矩阵
一次，统计各剩余候选集的支持度；
第4.7步，通过工艺匹配模块进行判断，若各剩余候选集的支持度大于最小支持度m，则保留（
+1）-频繁项目候选集，若各剩余候选集的支持度不满足大于最小支持度m，则从剩余候选集中删除非频繁候选集；
第4.8步，生成（
+1）-频繁项目集；
第4.9步，通过工艺匹配模块对扫描次数k进行加1操作，继续执行第4.3步；
第4.10步，生成最大的
-频繁项目集；
第4.11步，工艺匹配模块根据生成的最大k-频繁项目集，遍历管材成形工艺矩阵T1，获取匹配的管材成形工艺方案以及成形参数；
第五步，三维弯管机仿真模块根据工艺匹配模块查询的管材成形工艺以及成形参数对钢管进行弯曲加工模拟仿真；
第六步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果与信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径、成形角度分析，获取成形半径误差、成形角度误差；
第七步，工艺分析模块对管材成形工艺进行匹配判断，若满足成形精度，则管材成形工艺相匹配，执行第八步，若未满足成形精度，则执行第十步；
第八步，成形工艺管理模块根据工艺分析模块的匹配结果，结合需要成形的管材规格信息生成新的成形工艺，并保存于管材成形工艺库内；
第九步，信息输入模块将管材成形工艺以及成形参数输出至弯曲成形设备；
第十步，新工艺生成模块进行成形参数计算，即估算管材弯曲成形所需力矩；
第十一步，新工艺生成模块根据管材成形角度计算弯曲成形设备的转角，其中，管材的成形角度即为弯曲成形设备所需的转角；
第十二步，三维弯管机仿真模块根据新工艺生成模块计算的管材成形参数对管材进行弯曲加工模拟仿真；
第十三步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果以及信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径和成形角度分析，获取成形半径误差和成形角度误差；
第十四步，工艺分析模块对成形结果进行判断，若满足成形精度，则成形参数匹配，继续执行第八步，若未满足成形精度，则执行第十五步；
第十五步，新工艺生成模块根据指定规律对计算的成形结果进行扩展；
第十六步，三维弯管机仿真模块根据新工艺生成模块扩展的新管材成形参数对管材进行弯曲加工模拟仿真；
第十七步，工艺分析模块将三维弯管机仿真模块模拟的弯管结果与信息输入模块获取的管材成形后的三维模型进行成形半径和成形角度分析，获取成形半径误差和成形角度误差；
第十八步，工艺分析模块对成形结果进行判断，若满足成形精度，则成形参数匹配，继续执行第八步，若未满足成形精度，则循环执行第十五步。
2.根据权利要求1所述的多规格船用管材智能成形工艺，其特征在于：前述管材的成形参数包括所需转矩和所需转角，将管材的成形参数传输至弯曲成形设备上。
3.根据权利要求2所述的多规格船用管材智能成形工艺，其特征在于：第十步中，新工艺生成模块估算管材弯曲成形所需力矩的公式为
其中，
，
，
4.根据权利要求3所述的多规格船用管材智能成形工艺，其特征在于：前述的管材为直径为50mm，管材壁厚为4mm，成形半径为30mm，成形角度为60°，成形精度为成形半径误差在±0.1mm内，并且成形角度误差在±0.2°内。
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| CN202011123167.9A CN112496112B (zh) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 一种多规格船用管材智能成形系统及成形工艺 |
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