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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 數(shù)字化綠色造船新型裝備——數(shù)控樣條
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品是船廠用于船體曲板加工時(shí)檢驗(yàn)曲板成形合格與否的檢測(cè)設(shè)備。它替代當(dāng)前船廠所用的三角樣板和活絡(luò)樣條，實(shí)現(xiàn)樣條高效快速地自動(dòng)成形。其推廣與應(yīng)用，省去了傳統(tǒng)樣板制作的生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及維持該環(huán)節(jié)所消耗的成本和資源，由此降低了造船成本，避免了傳統(tǒng)樣板制作、存放和廢棄對(duì)環(huán)境的污染。將為船廠全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化綠色造船，進(jìn)一步縮短造船周期作出不可估量的貢獻(xiàn)，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)查新屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 1、作品目的 在船廠，放樣工人根據(jù)船體外板放樣結(jié)果制作三角樣板或活絡(luò)樣條，彎板工人再依照三角樣板或活絡(luò)樣條進(jìn)行船體外板（機(jī)械或水火）對(duì)樣加工。當(dāng)前的三角樣板制作工藝存在資源浪費(fèi)、工藝繁瑣、制作精度低、存放空間大、使用壽命短等缺點(diǎn)。為克服上述缺點(diǎn)，本創(chuàng)新小組設(shè)計(jì)了數(shù)控樣條。本作品樣條快速高效自動(dòng)成形，提高了樣條成形精度；經(jīng)一次投資，后續(xù)樣條制作所需材料、人工投入（相對(duì)當(dāng)前的三角樣板或活絡(luò)樣條制作工藝的投入）幾乎忽略不計(jì)；省去了當(dāng)前的三角樣板和活絡(luò)樣條制作生產(chǎn)環(huán)節(jié)，因而節(jié)省了該環(huán)節(jié)所占用的生產(chǎn)與管理所需各種資源與能耗。本作品一旦為船廠所應(yīng)用，將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)造船自動(dòng)化與數(shù)字化，對(duì)降低造船成本與縮短船舶建造周期具有十分重要的作用。 2、作品功能 數(shù)控樣條主要是用來代替當(dāng)前的三角樣板和活絡(luò)樣條，對(duì)板材彎曲成形合格與否進(jìn)行檢驗(yàn)。 3、組成原理 數(shù)控樣條整個(gè)裝備由樣條本體, 激光校驗(yàn)裝置, 懸臂式彈簧平衡吊，微控系統(tǒng)四部分組成。各部分組成如下: 1）樣條本體包括絲桿驅(qū)動(dòng)塊、彈簧鋼帶、梯形骨架、懸掛連接器。梯形骨架用于固定陣列(2N+1)（2≤N≤8）個(gè)絲桿驅(qū)動(dòng)塊。絲桿驅(qū)動(dòng)塊是一種自行設(shè)計(jì)的光機(jī)電一體新型直線位移驅(qū)動(dòng)裝置，由微控系統(tǒng)控制其塊內(nèi)帶齒輪減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿直線位移單元，由其下端連接的帶樣條夾支撐頭移動(dòng)擔(dān)任樣條角色的彈簧鋼帶，鋼帶移動(dòng)距離由安裝在絲桿驅(qū)動(dòng)塊內(nèi)的光電傳感器檢測(cè)并反饋到微計(jì)算機(jī)，對(duì)鋼帶移動(dòng)距離與速度實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制；固定在骨架上的(N+1列) 整套絲桿驅(qū)動(dòng)塊按照同樣的原理，由微機(jī)實(shí)現(xiàn)PID（根據(jù)偏差的大小執(zhí)行同時(shí)不同速）多點(diǎn)數(shù)字控制彈簧鋼帶無壞點(diǎn)光順成型于目標(biāo)樣條曲線，實(shí)現(xiàn)樣條數(shù)字控制自動(dòng)調(diào)節(jié)成形，用于船體外板成形檢驗(yàn)。 2)激光校驗(yàn)裝置在使用狀態(tài)下，對(duì)數(shù)控樣條的線形對(duì)錯(cuò)與合格與否進(jìn)行校驗(yàn)。它包括激光傳感器及其保護(hù)盒、直線運(yùn)動(dòng)單元、支撐架。直線運(yùn)動(dòng)單元的功能是實(shí)現(xiàn)激光傳感器對(duì)數(shù)控樣板線形掃描，是一種對(duì)樣條曲線進(jìn)行二維（X,Y）檢測(cè)的機(jī)構(gòu)。樣條曲線X值即安裝激光傳感器滑塊的位移量由安裝在直線運(yùn)動(dòng)單元右端的光電位移傳感器測(cè)量, 滑塊2f的位移由安裝在直線運(yùn)動(dòng)單元左端的電機(jī)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)； 樣條曲線Y值由激光傳感器測(cè)量完成。它自動(dòng)校驗(yàn)數(shù)控樣板線形和成型精度，確保數(shù)控樣條成形的正確性和準(zhǔn)確性，避免了人為粗心誤操作時(shí)出現(xiàn)廢品所帶來的資源浪費(fèi)。 3）懸臂式彈簧平衡吊懸掛數(shù)控樣條,協(xié)助操作工人進(jìn)行板材成形檢驗(yàn)，減輕了現(xiàn)場(chǎng)板材加工工人的勞動(dòng)強(qiáng)度. 數(shù)控樣條由彈簧平衡吊懸于空中，改變了當(dāng)前樣板堆放在工作場(chǎng)地周圍的存放方式，消除板材加工現(xiàn)場(chǎng)零亂的源頭，凈化操作工人的工作環(huán)境。它包括旋轉(zhuǎn)臂（包括配重吊臂、工作轉(zhuǎn)臂的大臂和小臂）、彈簧平衡器、可伸縮立柱、可移動(dòng)底座。可旋轉(zhuǎn)臂繞可伸縮立柱可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控樣條在平面360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，工作半徑由工作轉(zhuǎn)臂的大臂和小臂夾角確定。吊掛在彈簧平衡器上的數(shù)控樣板由彈簧平衡器吊索伸縮滿足數(shù)控樣板在不同高度工作臺(tái)操作的需要，通過旋轉(zhuǎn)臂和彈簧平衡器協(xié)同配合，使數(shù)控樣板可靈活自如移動(dòng)到工作范圍內(nèi)指定工作面，并穩(wěn)定地停止指定點(diǎn)上。 4）微控系統(tǒng)通過CAN總線將上位機(jī)與下位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)連接而成，實(shí)施樣條數(shù)字控制自動(dòng)成型及其成型正確性和精度的檢測(cè)。上位機(jī)執(zhí)行從HD-SHM、TRIBON、CADDS5數(shù)據(jù)庫提取待加工船體曲板樣條數(shù)據(jù)，并在屏幕上進(jìn)行可視化顯示，在屏幕上選取待加工樣條數(shù)據(jù)通過CAN總線下傳到下位機(jī)1和2控制系統(tǒng)中，下位機(jī)控制系統(tǒng)1根據(jù)其數(shù)據(jù)自動(dòng)成型于指定樣條，在由下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)2對(duì)成型樣條曲線復(fù)查其正確性和精度。 4、主要技術(shù)指標(biāo) （1）成型精度(mm)：±1（船舶建造精度標(biāo)準(zhǔn)：≤±1.5） （2）調(diào)節(jié)范圍(mm)（以1250規(guī)格為例） 正/反彎曲：-300～300 雙向彎曲：-150～150 （3）調(diào)節(jié)時(shí)間（s）：40～60 （4）樣條重量（kg）：10～25 （5）樣條伸縮桿陣列點(diǎn)數(shù)：(2N+1)（2≤N≤8） （6）伸縮桿陣列間距(mm)：200、250 （7）輕型彈簧平衡吊規(guī)格（半徑）： 1800mm、2400mm、3000mm、3600mm （6）數(shù)控樣條本體重量：10～25kg （7）樣板伸縮桿陣列點(diǎn)數(shù)：(2N+1)伸縮桿陣列間距： 200mm（3 ≤ N ≤8） 250mm（2≤ N ≤6） 300mm（2≤ N ≤5） （8）使用壽命：5年 （9）額定功率：100W 5、應(yīng)用工藝 數(shù)控樣條針對(duì)不同的使用場(chǎng)合采用不同的支持裝置，但其工作部件的使用方法和原理都是相同的。下面針對(duì)在水火彎板加工中使用本裝置方法的說明。 （1）場(chǎng)地布置 數(shù)控樣條本體與懸臂式彈簧平衡吊連為一體，在非工作狀態(tài)下放置于激光校驗(yàn)裝置上，整體就位于水火彎板現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)位置，旋緊螺栓固定支撐腿，準(zhǔn)備就緒。 （2）選定加工樣條 在數(shù)控樣條工業(yè)測(cè)控機(jī)的顯示屏上運(yùn)用鼠標(biāo)點(diǎn)選當(dāng)前加工板材，屏幕上方顯示當(dāng)前板材三維板型，屏幕下方顯示該板材若干條肋位樣條數(shù)據(jù)。點(diǎn)選待檢測(cè)肋位樣條數(shù)據(jù)，此時(shí)屏幕主窗口中板型上當(dāng)前肋位樣條曲線顯示為紅色。 （3）成形過程 數(shù)控樣條本體根據(jù)選中樣條數(shù)據(jù)，通過微控系統(tǒng)數(shù)字控制自動(dòng)成形于指定樣條。其過程為：微控系統(tǒng)控制其盒內(nèi)帶齒輪減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿直線位移單元，經(jīng)其下端連接的帶樣條夾支撐頭移動(dòng)擔(dān)任樣條角色的彈簧鋼帶，多點(diǎn)數(shù)字控制彈簧鋼帶無壞點(diǎn)光順成型于目標(biāo)樣條曲線。 （4）二次檢驗(yàn) 啟動(dòng)激光校驗(yàn)裝置，激光位移傳感器作水平移動(dòng)，對(duì)當(dāng)前樣條曲線進(jìn)行掃描，反饋掃描二維（X,Y）數(shù)據(jù)。顯示器顯示當(dāng)前形成曲線形狀，與理論曲線進(jìn)行對(duì)比，校準(zhǔn)樣條曲線。本步驟是否進(jìn)行根據(jù)實(shí)際加工情況判斷。 （5）樣條比對(duì) 將數(shù)控樣條本體沿豎直方向向上托起，使其脫離激光校驗(yàn)裝置。工人把持樣條與需檢驗(yàn)肋位進(jìn)行比照，若二者形狀相符則說明本肋位加工符合要求，若不同則繼續(xù)加工直至形狀相符。此肋位加工完成。重復(fù)2～5步，完成當(dāng)前板材加工。 （6）輕型彈簧平衡吊的使用 使用時(shí)，懸臂式彈簧平衡吊通過彈簧平衡器懸掛樣條本體，保證操作工人無需費(fèi)力即將樣條本體移至所需加工位置。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品目的 數(shù)控樣條用以替代三角樣板或活絡(luò)樣條對(duì)船體外板加工進(jìn)行成形檢驗(yàn)，改變活絡(luò)樣條手工調(diào)節(jié)方式，避免三角樣板全生命周期（制作、使用、存放、報(bào)廢）存在的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、工藝復(fù)雜、效率低、存放空間大、使用壽命短等缺點(diǎn)，進(jìn)而降低造船成本，促進(jìn)船廠全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化綠色造船。 2、基本思路 數(shù)控樣條將船舶建造系統(tǒng)提供的船體外板放樣數(shù)據(jù)下傳到其控制系統(tǒng)，由其調(diào)節(jié)機(jī)械裝置自動(dòng)成形于實(shí)體樣條，再通過激光校驗(yàn)裝置對(duì)樣條成型曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，確保樣條成型曲線的正確性和準(zhǔn)確性。工人借助輕型彈簧平衡吊，輕松地將數(shù)控樣條移到曲板相應(yīng)肋位進(jìn)行對(duì)樣檢測(cè)，保留了工人當(dāng)前對(duì)樣加工的操作習(xí)慣。 3、創(chuàng)新點(diǎn) 1）自行設(shè)計(jì)的光機(jī)電一體新型直線位移驅(qū)動(dòng)裝置，由微控系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)樣條自動(dòng)調(diào)節(jié)成形。 2）首創(chuàng)了樣板型線的檢驗(yàn)設(shè)備——激光校驗(yàn)裝置，確保數(shù)控樣條成形的正確性和準(zhǔn)確性。 3）新型懸臂式彈簧平衡吊，用于懸掛數(shù)控樣條，協(xié)助操作工人進(jìn)行板材成形檢驗(yàn)。 4、關(guān)鍵技術(shù) 1）低成本高可靠光機(jī)電一體微型直線位移驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)制造技術(shù) 2）多點(diǎn)控制彈簧鋼帶無壞點(diǎn)光順成型及其精度控制技術(shù) 3）數(shù)控樣條在多種船體外板加工設(shè)備中應(yīng)用技術(shù) 5、主要技術(shù)指標(biāo)（單位mm） 1）成型精度：±1（規(guī)范要求：≤±1.5） 2）調(diào)節(jié)范圍（以長(zhǎng)度1250為例） 正/反彎曲：-300～300 雙向彎曲：-150～150 3）調(diào)節(jié)時(shí)間（s）：40～60 4）樣條最大長(zhǎng)度：3500 5）伸縮桿間距：250
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、樣條數(shù)字控制自動(dòng)、快速、精確成形，改變了當(dāng)前三角樣板的手工制作與活絡(luò)樣條人工調(diào)節(jié)的落后工藝。 2、樣板成形由人工檢測(cè)轉(zhuǎn)為激光自動(dòng)檢測(cè)，為保證數(shù)控樣條成形的正確性和準(zhǔn)確性提供了一種先進(jìn)的檢驗(yàn)設(shè)備。從而提高了樣板檢測(cè)質(zhì)量，降低了質(zhì)檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 3、改變了當(dāng)前樣板堆放在工作場(chǎng)地周圍的存放方式。數(shù)控樣條由彈簧平衡吊懸于空中，消除了板材加工現(xiàn)場(chǎng)零亂的源頭，凈化了工人的工作環(huán)境；同時(shí)數(shù)控樣條由彈簧平衡吊支撐，工人能輕松地將其移至對(duì)應(yīng)檢測(cè)位置，減輕了現(xiàn)場(chǎng)板材加工工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 數(shù)控樣條替代了當(dāng)前的三角樣板或活絡(luò)樣條，省去了當(dāng)前樣板的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，改變活絡(luò)樣條手工調(diào)節(jié)方式，避免三角樣板全生命周期（制作、使用、存放、報(bào)廢）存在的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、工藝復(fù)雜、效率低下、存放空間大、使用壽命短等缺點(diǎn)，進(jìn)而降低造船成本，促進(jìn)船廠全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化綠色造船。 （參考文獻(xiàn)見研制報(bào)告附件）
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 獲湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 樣品，現(xiàn)場(chǎng)演示，圖紙，圖片，錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1、使用說明： 數(shù)控樣條就位，在顯示屏上選擇待加工樣條數(shù)據(jù)，執(zhí)行自動(dòng)成形指令，激光校驗(yàn)樣條成形曲線，移動(dòng)數(shù)控樣條對(duì)正加工曲板檢驗(yàn)，檢驗(yàn)完畢，數(shù)控樣條放回原處。 2、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 較當(dāng)前樣條，數(shù)控樣條自動(dòng)成形，成形時(shí)間可忽略不計(jì)。省去當(dāng)前樣板制作環(huán)節(jié)及其成本和資源。激光校驗(yàn)成型曲線，保證型線正確性和準(zhǔn)確性。樣條數(shù)據(jù)存于計(jì)算機(jī)中隨時(shí)調(diào)用，工作時(shí)樣條由地面存放轉(zhuǎn)為空中懸掛，改變了存儲(chǔ)方式。 3、適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明，市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 主要適用于船舶修造行業(yè)。我國(guó)每家船舶制造企業(yè)每年建造兩種新船型，加上老船型樣板的維修，則需制作樣板、樣箱費(fèi)用約60萬元（尚不計(jì)人員安全、社保、管理和環(huán)境維護(hù)潛在支出）。用活絡(luò)樣條檢驗(yàn)，仍需10余萬元。若用數(shù)控樣條，僅一次投資，后續(xù)材料、人工等投入幾乎不計(jì)，能為船廠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，截至2011年4月全國(guó)規(guī)模以上的船舶企業(yè)1518家，市場(chǎng)巨大；若考慮國(guó)外市場(chǎng)，數(shù)控樣條市場(chǎng)前景更加可觀。
同類課題研究水平概述
- 目前國(guó)內(nèi)外造船廠對(duì)船舶外板加工主要采用機(jī)械冷彎和水火加工方法。而船廠對(duì)船體曲面加工檢驗(yàn)，采用接觸式和非接觸式兩種測(cè)量方法。 當(dāng)前船廠主要采用接觸式檢驗(yàn)方法，即三角樣板或活絡(luò)樣條檢驗(yàn)。 木制三角樣板采用純手工制作方法，需經(jīng)斷料、劃樣、鋸型、刨線、釘制號(hào)縫及編號(hào)操作等七八道工序，費(fèi)時(shí)、耗力，制作流程極其復(fù)雜；當(dāng)前較先進(jìn)的三角樣板制作方法是中海長(zhǎng)興工業(yè)船舶有限公司所采用的數(shù)控切割木制樣板技術(shù)，仍消耗大量的木材。 活絡(luò)樣條于上世紀(jì)90年代由南通創(chuàng)偉工貿(mào)、大連造船廠工具實(shí)業(yè)公司、南通三聯(lián)船舶等公司借鑒國(guó)外制作技術(shù)，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)輔助船體建造系統(tǒng)和取消1:1地板放樣而研制的一種替代木質(zhì)樣板、樣箱的檢驗(yàn)工具。工人利用船舶建造系統(tǒng)提供的活絡(luò)樣條調(diào)節(jié)表，在帶有刻度的鋼質(zhì)平臺(tái)上，經(jīng)由按磁鐵擺點(diǎn)、型值復(fù)核、樣板靠點(diǎn)等一系列工序手工調(diào)節(jié)而成。 非接觸式測(cè)量方法主要運(yùn)用于曲板自動(dòng)成型數(shù)控設(shè)備中。如數(shù)控彎板機(jī)采用激光檢測(cè)法。但對(duì)于水火彎板加工現(xiàn)場(chǎng)，其環(huán)境較差，火焰產(chǎn)生的強(qiáng)光，板材上殘留著積水，周圍存在水霧和煙氣，使得激光在不均勻的介質(zhì)中而難以保證激光檢測(cè)法測(cè)量精度，因而使用受到局限。此外，非接觸式檢測(cè)方法還有采用CCD雙目成像測(cè)量技術(shù)對(duì)板材成型狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。在國(guó)內(nèi)，武漢理工大學(xué)和山東碩力機(jī)械制造公司、上海交通大學(xué)和廣船國(guó)際、大連理工大學(xué)和大連造船新廠、611所和外高橋船廠，已分別合作進(jìn)行數(shù)控彎板自動(dòng)加工系統(tǒng)的開發(fā)研制；在國(guó)外，西班牙、意大利、丹麥等試制過自動(dòng)水火彎板設(shè)備，韓國(guó)漢城大學(xué)研制出了自動(dòng)水火彎板加工系統(tǒng)。上述板材自動(dòng)加工方法均嘗試了非接觸式測(cè)量方法。 注：參考文獻(xiàn)及現(xiàn)有卡樣方法的特點(diǎn)詳見研制報(bào)告的相關(guān)部分。
