智能制造

船舶外板由于其特定的水動(dòng)力等性能要求，是由雙向復(fù)雜曲面板焊接拼合而成。對(duì)于船舶總裝建造，其4大耗工耗時(shí)的基本加工是鋼板切割、成型、焊接和涂裝。其中成型，就是由鋼平板到各種特定的雙向曲率形狀的船舶復(fù)雜曲面板的加工過程，由于它處在承上啟下的關(guān)鍵位置，其加工效率對(duì)整個(gè)船舶總裝的建造節(jié)拍及效率的影響具有舉足輕重的作用。

由于船舶復(fù)雜曲面板成型的非線性基本特征，其最直觀的理解就是技術(shù)難度大。金屬船舶誕生至今，盡管歷經(jīng)漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程，但仍處在高度依賴人工經(jīng)驗(yàn)的手工作業(yè)的狀態(tài)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、生產(chǎn)效率低的問題，已越來(lái)越成為阻礙船舶建造效率的一大瓶頸。隨著勞動(dòng)力市場(chǎng)化，掌握這一特殊加工技術(shù)的工人減少或流失，船舶建造面臨著重大難題。研制自動(dòng)化、智能化的成形裝備是未來(lái)的必由之路，相關(guān)技術(shù)攻關(guān)迫在眉睫。

本成果綜合現(xiàn)有各加工方案的優(yōu)劣，提出一種全新的冷熱一體加工方法，并以自動(dòng)化、智能化和低成本裝備為目標(biāo)，歷經(jīng)十余年研究，完成了理論、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制和實(shí)驗(yàn)等工作，實(shí)現(xiàn)成型需求識(shí)別以及冷熱加工智能配置的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)生成，研制了主要由控制中心、鋼板定位、冷熱加載以及測(cè)量等系統(tǒng)構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)室成形樣機(jī)，系統(tǒng)基本構(gòu)成見圖1。其中，冷熱加載系統(tǒng)由上下一對(duì)凸凹?jí)狠喓痛鸥袘?yīng)加熱線圈集成而成，已可以對(duì)2m×1m范圍內(nèi)和厚度20mm上下的鋼板進(jìn)行滿足精度要求的復(fù)雜曲面板的加工（如常見的風(fēng)帆形和馬鞍形板）。

圖1 冷熱一體成型示意圖

基本技術(shù)原理是在揭示中厚板復(fù)雜曲面成型的內(nèi)在物理變量構(gòu)成條件的基礎(chǔ)上，組合最有效可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)物理變量輸入的冷熱加工工具，并將其安排在一個(gè)加工面內(nèi)，以便于統(tǒng)一驅(qū)使和行動(dòng)；通過把握加工工具物理變量輸入和變形形狀的對(duì)應(yīng)關(guān)系，自動(dòng)生成各部分加工工具的配置和行動(dòng)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，控制加工工具以及相關(guān)單元的行為。加工工具具有以下行為功能：

1. 各系統(tǒng)獨(dú)立組成，在控制中心的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2. 凸凹?jí)狠喤c磁感應(yīng)加熱線圈可垂向同軸任意方向旋轉(zhuǎn)，凸凹?jí)狠喖瓤梢詮澢虞d，又可彈性下壓轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦驅(qū)動(dòng)被加工板朝某方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被加工板的板面上任意位置的加載。

3. 由控制磁感應(yīng)加熱線圈與板間的距離，可啟停熱加載；或者是單獨(dú)控制凸凹?jí)狠喌南聣毫?，將使加載方式可還原成傳統(tǒng)的單線加熱或單線冷壓的加載方式。

4. 通過冷熱組合或單獨(dú)使用，可充分利用和擴(kuò)大凸凹?jí)狠喓痛鸥袘?yīng)加熱各自可施加的應(yīng)變優(yōu)勢(shì)，利用更加多變的應(yīng)變輸入以適應(yīng)復(fù)雜曲率形狀的成型需要。

5. 冷熱加工安排聚集在一個(gè)加工面內(nèi)，有利于加工效率提高。

6. 冷熱線移動(dòng)局部加載方式，加載工具不動(dòng)，被加工板移動(dòng)，使成型系統(tǒng)裝備成本相對(duì)較低。

7. 如在正裝凸凹?jí)狠喌那盎蚝蠓皆黾右簧舷路囱b的凸凹?jí)狠啠簤汉椭茻嵫b備不需要成倍增加，即裝備成本不明顯增加的條件下，可實(shí)現(xiàn)不翻板進(jìn)行板被面的曲率加工，使加工更為流暢，自動(dòng)化程度提高。

圖2 船舶復(fù)雜曲面板冷熱一體成形樣機(jī)全貌

圖3 成形樣機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及作業(yè)流程

圖4 成形加工驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)生成

圖5 冷熱加載系統(tǒng)

圖6 冷卻系統(tǒng)

圖7 利用高速激光掃描進(jìn)行工件形狀測(cè)量與反饋

圖8 典型復(fù)雜曲面板成形結(jié)果（風(fēng)帆形和馬鞍形板）

本成果以2011年承擔(dān)國(guó)家國(guó)際合作專項(xiàng)作為開始，已歷經(jīng)10余年持續(xù)攻關(guān)，圍繞其關(guān)鍵技術(shù)，先后有4名博士生和21名碩士生的圍繞該內(nèi)容開展了研究；獲國(guó)內(nèi)外授權(quán)專利15項(xiàng)；發(fā)表國(guó)內(nèi)外科技論文16篇；獲授權(quán)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)12項(xiàng)；研制成形樣機(jī)1套。

希望通過工程機(jī)升級(jí)的相關(guān)研制，轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用推廣。由造船界總裝建造的成形加工現(xiàn)狀，該裝備將解決上述長(zhǎng)期困擾造船界（包括國(guó)外絕大多數(shù)船廠）的難題，可在國(guó)內(nèi)外船廠全面推廣。

1）真正意義上邁出該項(xiàng)加工的自動(dòng)化和智能化的步伐，改變受制于勞動(dòng)力市場(chǎng)的被動(dòng)局面；

2）成本低，綜合成本低于市場(chǎng)產(chǎn)品30%；

3）成形加工方式靈活、效率高，通過冷熱一體作用或混合搭配使用來(lái)提高成形加工范圍和效率。

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)已進(jìn)行過驗(yàn)證的加工能力：

（1）可加工厚度10mm~20mm范圍的鋼板；

（2）可加工長(zhǎng)度2m、寬度1m的矩形鋼板；

（3）可加工屈服強(qiáng)度低于355MPa的船用鋼板。

（注：以上僅為已進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)的鋼板數(shù)據(jù)，樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪最大驅(qū)動(dòng)力矩為8kN?m；可提供最大輪下壓力為100噸，故對(duì)超過20mm板厚和355Mpa屈服強(qiáng)度鋼板在滿足樣機(jī)能力的前提下，同樣具有加工能力）

開展工程化應(yīng)用升級(jí)后，船舶復(fù)雜曲面板冷熱一體成形工程樣機(jī)的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)可以達(dá)到：

（1）可加工厚度10mm~30mm鋼板；

（2）可加工長(zhǎng)度6m、寬度3m的矩形鋼板；

（3）曲板縱橫向曲率分別在0.3m^-1和0.6m^-1；

（3）成形流程人工干預(yù)程度不超過10%；

（4）較傳統(tǒng)手工作業(yè)，成形效率提高大于50%。

已有樣品/樣機(jī)。

圖9 帆型板成形應(yīng)用案例

圖10 鞍型板成形應(yīng)用案例

(1) 具有國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)

船舶復(fù)雜曲面板加工是船舶建造中不可缺少的加工環(huán)節(jié)，由于該項(xiàng)技術(shù)的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外造船企業(yè)大多處在同一加工水平上，沒有徹底擺脫已基于人工經(jīng)驗(yàn)的手工加工是普遍狀態(tài)，其困擾點(diǎn)基本一樣，故對(duì)其自動(dòng)化成型裝備的需求具有普遍的需求。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的工程化，搶占技術(shù)高地，其產(chǎn)業(yè)化除國(guó)內(nèi)市場(chǎng)外，應(yīng)具有國(guó)際市場(chǎng)推廣前景。

(2) 對(duì)船舶復(fù)雜曲面板加工效率有大幅提高

船舶復(fù)雜曲面板冷熱一體成形智能加工裝備可以替代繁重的人工作業(yè)，提高加工效率，從而曲面分段的建造效率也會(huì)相應(yīng)提高，補(bǔ)足船舶建造過程中的短板，有效縮短船舶建造周期。采用冷熱一體式的方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水火彎板成型工藝，不同加工工具之間可以相互輔助、相互促進(jìn)，將曲面板成形中三輥冷壓、水火彎板等不同的階段整合到同一個(gè)加工作業(yè)面，取消傳統(tǒng)水火彎板工作中的前期冷彎工作，直接加工成型。

(3) 提高加工精度，控制成本，提高核心制造能力

船舶復(fù)雜曲面板冷熱一體成形智能加工裝備的應(yīng)用可以極大的降低成型加工對(duì)熟練工人的依賴，縮短工人培訓(xùn)上崗時(shí)間，降低用工成本。智能決策代替人工經(jīng)驗(yàn)評(píng)判可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的精細(xì)控制，更好地控制成形過程中的收縮量等變形，推動(dòng)無(wú)余量造船技術(shù)的發(fā)展，控制建造過程中的物料成本。同時(shí)，能夠提高船舶建造精度、提高船舶建造質(zhì)量、降低船舶建造成本，提升船舶企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(4) 推動(dòng)船舶建造企業(yè)智能化升級(jí)與發(fā)展

船舶行業(yè)的智能化進(jìn)程正在逐步推進(jìn)，船廠數(shù)字化、智能化的要求不斷提高，應(yīng)用自動(dòng)化、智能化的成形裝備可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過程的集中控制和集中管理。并且實(shí)現(xiàn)船舶建造企業(yè)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相貫通，與上下游加工工序相連，實(shí)現(xiàn)從任務(wù)分配到加工作業(yè)的快速響應(yīng)。

從該項(xiàng)加工的自動(dòng)化和智能化技術(shù)上看，由于存在非常復(fù)雜的非線性理論以及與之相對(duì)應(yīng)的加工裝備，因此困擾國(guó)內(nèi)外造船企業(yè)至今，本成果的技術(shù)突破已解決相應(yīng)的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，從大的規(guī)劃步驟上，首先完成工程機(jī)升級(jí)研制，從實(shí)驗(yàn)室走出去，進(jìn)而進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

該成果包括多項(xiàng)已授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利。

專利許可、專利轉(zhuǎn)讓、作價(jià)入股、技術(shù)開發(fā)、面談等。