一种造船用数控胎架的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种造船用数控胎架的控制方法，该数控胎架包括多个胎架支柱，所述控制方法包括：步骤一、读取船舶分段曲面数据；步骤二、对读取的船舶分段曲面数据进行曲面拟合；步骤三、将读取的船舶分段曲面数据经坐标变换调整到水平位置；步骤四、确定各个胎架支柱的具体坐标；步骤五、利用双三次非均匀有理B样条曲面（NURBS）技术和数据插值技术，根据调整到水平位置的船舶分段曲面数据拟合出船舶分段曲面的曲面函数；步骤六、计算各个胎架支柱应有的高度；步骤七、根据计算出的各个胎架支柱的高度对各个胎架支柱进行调整。本发明可以实现数控胎架的自动化控制，方便调整数控胎架的高度，控制调节精度高、速度快。
【专利说明】一种造船用数控胎架的控制方法
[【技术领域】]
[0001]本发明涉及一种造船工艺，具体涉及一种造船用数控胎架的控制方法。
[【背景技术】]
[0002]在船舶建造过程中，胎架是船舶分段装配与焊接必不可少的工装设备，是制造船体曲面分段和曲形立体分段的形状胎模和工作台。胎架的种类很多，按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，需对角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情况下，支点角钢的切割造成对钢材的浪费是非常巨大的，同时切割的废料堆在分段建造场地，对工作环境造成了一定的污染；对角钢的切割和焊接过程中，也浪费了焊接所使用的气体，产生的废气也污染了自然环境，有悖于国家节能减排的国策；此外，这类专用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，在造成资源浪费的同时延长了造船的工期；
[0003]现有技术中存在一种框架活络胎板式通用胎架，它主要由框架、活络模板、槽钢横粱和调节杆等构成，根据船体分段的型线，框架选择30。、40。、50。和60。四种角度，角度框架的斜向角钢上开有螺孔，用于固定小活络胎板。活络模板、框架斜向角铁及槽钢横粱之间以螺栓连结；
[0004]现有技术中还存在一种套筒支柱式胎架，每根支柱由内管、外管、活络头、底座、插销、搭焊板凳组成，内外管上各钻三排孔眼，交叉成60度，孔眼呈螺旋形上升，用来调节型值高度，并以插销固定，底座以螺栓与槽钢平台连接，根据分段的肋距、重量及线型弯曲程度，可进行纵横位移。这种胎架虽然可以实现高度的调节，重复利用，但其高度调节不连续，精度低；
[0005]通过对现有技术中的各种通用胎架的分析，可知其依然存在以下几个方面的问题:1、胎架型值的调节精度有限，操作不便；2、对通用胎架的控制都未实现自动化。
[
【发明内容】
]
[0006]针对上述问题，本发明公开了一种造船用数控胎架的控制方法，可以实现数控胎架的自动化控制，方便调整数控胎架的高度，控制调节精度高、速度快。本发明的技术方案如下:
[0007]一种造船用数控胎架的控制方法，该数控胎架包括多个胎架支柱，所述控制方法包括:
[0008]步骤一、利用数据接口技术读取船舶分段曲面数据；
[0009]步骤二、利用NURBS技术对读取的船舶分段曲面数据进行曲面拟合，将实际船舶分段曲面空间位置显示在屏幕上；
[0010]步骤三、利用三维坐标变换技术，将读取的船舶分段曲面数据调整到水平位置，并记录该水平位置下的船舶分段曲面数据；[0011]步骤四、设定船舶分段曲面与胎架支柱框架坐标原点的相对坐标关系，确定在此坐标系下各个胎架支柱在船舶分段曲面的具体坐标；
[0012]步骤五、利用NURBS技术，根据步骤三记录的水平位置下的船舶分段曲面数据拟合出船舶分段曲面的曲面函数；
[0013]步骤六、根据各个胎架支柱在船舶分段曲面的具体坐标和曲面函数，插值计算各个胎架支柱应有的高度；
[0014]步骤七、根据计算出的各个胎架支柱应有的高度同时对各个胎架支柱进行控制调
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[0015]本发明的造船用数控胎架的控制方法，可以读取船舶分段曲面数据；利用坐标变换技术将读取的船舶分段曲面数据调整到水平位置；设定船舶分段曲面与胎架支柱框架坐标原点的相对坐标关系，确定在此坐标系下各个胎架支柱位置在船舶分段曲面的具体坐标；利用NURBS技术和数据插值技术，根据调整到水平位置的船舶分段曲面数据，拟合出船舶分段曲面的曲面函数；根据各个胎架支柱具体坐标和曲面函数，计算出各个胎架支柱需要调整的高度；最后由计算机控制技术实现对各个胎架支柱的控制调整，达到数控胎架的自动化控制。本发明方便调整数控胎架的高度，控制调节精度高，速度快，从而实现提高效率、节约材料、降低成本、缩短造船工期的目标。
[【专利附图】
【附图说明】]
[0016]图1为本发明造船用数控胎架的控制方法在一实施例中的流程图；
[0017]图2为图1中控制方法用到的控制程序的流程图；
[0018]图3为图1中所用到的胎架支柱的形状结构图；
[0019]图4为图3中上立柱的结构示意图；
[0020]图5为图4的俯视图；
[0021]图6为图3中下立柱的结构示意图；
[0022]图7为图6的A-A向视图；
[0023]图8为图3中立杆的结构示意图；
[0024]图9为图3中的顶面圆头、方块和可拆卸紧固块的分解视图。
[0025]图10为图3中的顶面圆头、方块的连接结构示意图。
[【具体实施方式】]
[0026]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细说明。
[0027]图1所示为本发明的造船用数控胎架控制方法的流程图，其包括:
[0028]S101、利用数据接口技术读取船舶分段曲面数据；
[0029]利用数据接口技术，可与目前造船厂广泛使用的数字化造船系统中直接输出的船舶分段数据文件实现接口，直接从这些文件中读取船舶分段的型值数据，应用于船舶分段曲面的生成；
[0030]S102、利用NURBS技术对读取的船舶分段曲面数据进行曲面拟合，将实际船舶分段曲面空间位置显示在屏幕上；
[0031]该步骤利用NURBS技术，通过逆运算，求出通过船舶分段曲面各点的NURBS数学表达式的控制点和控制系数，然后利用求出的表达式，直接将需要加工的船舶分段型值数据以三维图形方式展示预览，检查数据合理性，完整性，如发现问题，进行数据预处理，直到数据完善；
[0032]S103、利用三维坐标变换技术，将读取的船舶分段曲面数据调整到水平位置，并纪录该水平位置下的船舶分段曲面数据；
[0033]具体调整方法可以如下:设船舶分段曲面各点坐标为P (X，Y，Z)，四个角点原始坐标分别为:Pl (XI，y1，Ζ1)、Ρ2 (Χ2，y2，Ζ2)、Ρ3 (Χ3，y3，Ζ3)、Ρ4 (Χ4，y4，Ζ4)，四个点下标为顺时针方向，取分段曲面中心点PO (Χ0, y0, Ζ0)为基准调平点，则分段沿X、Y、Z方向调平计算公式分别为:
[0034]X方向，首先计算需要调平的角度:
[0035]a=arctan ((0.5* (Z1+Z3) -0.5* (Z2+Z4)) / (X4-X1));
[0036]然后计算X方向调平后原始数据坐标:
[0037]fX (P) = (X-XO) *cos (α) + (Z-ZO) *sin (α);
[0038]fY (P) =Y;
[0039]fZ (P) = (Z-ZO) *cos (a) - (X-XO) *sin (a);
[0040]同样，
[0041]Y方向，首先计算需要调平的角度:
[0042]a=arctan ((0.5* (fZl+fZ4) -0.5* (fZ2+fZ3)) / (fY2-fYl))；
[0043]然后计算Y方向调平后原始数据坐标:
[0044]fX' (P) =fX;
[0045]fY' (P) = (fY-fYO)*cos(_α)_fZ*sin(_α);
[0046]TL' (P) = (fY-fYO) *sin (_α)+fZ*cos (_α);
[0047]Z方向，调平角度:
[0048]a=arctan ((0.5* (fY' l+fY/ 2)-0.5* (fY' 3+fY/ 4))/(fX' 4-fX' I))；
[0049]Z方向调平后原始数据坐标:
[0050]fX' ' (P)=fX, *cos(a)-fY/ *sin(a);
[0051]W ' (P)=fX, *sin(a)+fT *cos(a);
[0052]W ' (P) =W (P);
[0053]经过以上曲面调平计算，再进行曲面垂直平移，使曲面最低点落在水平零面上。此时，船舶分段曲面高度差处于最小状态，可以减少整个分段曲面的高度差，便于胎架调型和分段焊接加工操作；
[0054]S104、设定船舶分段曲面与胎架支柱框架坐标原点的相对坐标关系，确定在此坐标系下各个胎架支柱在船舶分段曲面的具体坐标；
[0055]具体可以先设定船舶分段曲面的坐标原点放置于数控胎架的整体框架原点(X0，Y0)的相对位置(XO'，Y0')处，并形成一方向角度α (可为O或任意值)；在此基础上，可计算确定各个胎架支柱(原始数控胎架整体框架坐标中的坐标值为(Χ，y))相对于船舶分段曲面的具体坐标，具体坐标如下:
[0056]V = (Χ-Χ0, ) *cos(a) + (Y-Y0/ )*sin(。)；
[0057]V = (Y-YO, ) *cos(a)-(X-X0/ )*sin(a);[0058]以上计算的各胎架支柱相对于放置的船舶分段曲面坐标(X' ,Y')可用于后面步骤计算胎架支柱高度时使用。
[0059]S105、利用NURBS技术，根据步骤S103记录的水平位置下的船舶分段曲面数据拟合出船舶分段曲面的曲面函数；
[0060]与S102步骤相同，利用NURBS技术和水平位置下的船舶分段曲面数据，通过逆运算，求出通过水平位置下船舶分段曲面各点的NURBS数学表达式的控制点和控制系数。通过求出的表达式，可计算分段曲面上任意一点坐标(X'，V )的高度值；
[0061]S106、根据各个胎架支柱在船舶分段曲面的具体坐标和曲面函数，插值计算各个胎架支柱应有的高度；
[0062]利用已求出的船舶分段曲面函数NURBS表达式和每个胎架支柱的位置坐标(X'，
V)，可以计算出每个胎架支柱处的曲面高度坐标Z'，这个Z'就是该支柱应该调整达到的高度；
[0063]S107、根据计算出的各个胎架支柱应有的高度同时对各个胎架支柱进行控制调
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[0064]假设传动齿轮与电机齿轮的齿数比为R，丝杆螺距为d，各胎架支柱当前距水平零面的高度为H，则可计算出电机需要的转数为:
[0065]N= (Z' _H)*R/d
[0066]当(Z' -H) >0，说明应调节高度大于目前高度，电机应正方向旋转N圈后，支柱高度达到要求；
[0067]当(Z' -H)〈0，说明应调节高度小于目前高度，电机应反方向旋转N圈后，支柱高度达到要求；
[0068]当计算得到转数和旋转方向后，可组合成控制指令，控制每个电机转动，使胎架支柱高度达到调节要求。
[0069]上述步骤可以采用相应的计算机控制程序来实现，实现数控胎架的自动化控制，方便调整数控胎架的高度。控制调节精度高，速度快，从而实现提高效率、节约材料、降低成本、缩短造船工期的目标。
[0070]优选的，在根据计算出的各个胎架支柱应有高度对各个胎架支柱进行调整前，还包括步骤:将各个胎架支柱的高度调整到同一个水平面上。以方便统一对各个胎架支柱的闻度进行调整，减少偏差。
[0071]在根据计算出的各个胎架支柱应有高度对各个胎架支柱进行调整后，还应包括步骤:监测各个胎架支柱的高度是否调整到位，如果调整到位则发出提示信息，告知胎架调整完成。如果发现异常，如某个电机转数没有变化或长时间转动不到位，则发出提示，由操作人员检查并继续发送调整指令，直到各支柱转动到位为止，胎架调型结束。
[0072]为了实现数控胎架的精密自动化，使数控更智能更精确，数控胎架控制方法的具体实现的程序流程图如图2所示。胎架支柱结构具体可以如图3至图10所示，每个胎架支柱可以包括下立柱4、上立柱9、立杆和传动机构，下立柱4包括下套管3和设在下套管3下部的胎架底座1，下套管3的上部设有连接底座16 ;上立柱9包括上套管10，上套管10下部设有上套管底座15，上套管底座15的上部设有传动机构安装盒7，传动机构安装盒7内设有电机20，电机20的输出轴上同轴固定有电机齿轮5 ;上套管10的上部设有顶部构件11，顶部构件11的中部设有圆形缺口 17和一段导向轨；所述立杆包括丝杆8，丝杆8的外部设有用于传动的外螺纹，丝杆8的上部设有一段与导向轨匹配的导向槽；所述传动机构安装盒7内还设有与丝杆8同轴的传动齿轮6，传动齿轮6的中部设有与所述外螺纹对应的内螺纹，传动齿轮6与电机齿轮5啮合，通过电机齿轮5的带动在传动机构安装盒7内做轴向旋转，因传动齿轮6在垂直方向的位置固定，同时丝杆8在径向的旋转自由度被所述导向轨和导向槽消除，使得传动齿轮6带动丝杆8上下运动。
[0073]由电机20提供动力，通过电机齿轮5和传动齿轮6传动，并通过螺纹传动带动丝杆8上下运动，从而对胎架支柱的高度进行调节，螺纹传动可以实现无级调节，高度调节快速、连续且精度高；通过计算机控制技术控制电机20的转数和转向，从而使丝杆8运动的控制更加智能和精确。
[0074]此时，根据计算出的各个胎架支柱的高度对各个胎架支柱进行调整，具体可以为:
[0075]利用电机齿轮、传动齿轮的齿数比，以及丝杆的螺距值，根据计算出的各个胎架支柱的应有高度，计算出电机的转向和转数，然后利用计算机控制技术，将每个支柱电机的转数和转向，组合成控制指令，发送到每个电机，控制每个电机转动。
[0076]电机根据接收到的控制指令运转后，可以利用计算机控制技术对电机运行状态进行监控，接收电机发送的运行状态实时反馈信息，并根据接收的反馈信息与计算出的转数和转向进行对比，确定是否继续向该电机发出相应的控制指令；如果转动到位，则胎架调型完成。如果发现异常，如某个电机转数没有变化或长时间转动不到位，则控制程序发出提示，由操作人员检查并继续发送调整指令，直到各支柱转动到位为止，胎架调型结束。
[0077]优选的，每个胎架支柱还包括顶面圆头12和两块方块14，顶面圆头12固定在丝杆8上部，顶面圆头12的上部为一球面，所述方块14设有与所述球面对应的凹形球面，两方块通过螺丝4a固紧连接后铰接在顶面圆头上部；两方块固定后与顶面圆头以球面副的形式铰接，使得方块可以在一定的角度范围内任意转动，进而使方块14上部形成所需任意角度的平面，与船体的分段曲面贴合，形成面接触，提供了较大的接触面积，并使载荷的分布均匀；
[0078]进一步的，所述丝杆8的顶部开有用于固定顶面圆头12的内螺纹孔，所述顶面圆头12的下部设有一与所述内螺纹孔匹配的螺杆3a ;顶面圆头12通过所述螺杆3a与内螺纹孔的配合固定在丝杆8的顶部，连接方便可靠；
[0079]进一步的，还包括可拆卸紧固块13，所述方块14上表面的中部设有用于放置所述可拆卸紧固块13的凹槽2a，所述可拆卸紧固块13插入凹槽2a内；当方块上部的平面与船体分段外板不能紧密接触时，将外板通过外力与可拆卸紧固块13接触后，通过点焊把外板与可拆卸紧固块13固定连接，便于保持船体分段型值和整体加工；
[0080]进一步的，所述凹槽2a为燕尾槽，所述可拆卸紧固块13为与所述燕尾槽形状对应的梯形块，使连接更方便；
[0081]优选的，所述下套管3外侧与胎架底座I之间设有多个第一加强筋2，对下立柱4受力时起到加强作用；
[0082]优选的，所述上套管10外侧与上套管底座15之间设有多个第二加强筋19，对上立柱9受力时起到加强作用；[0083]优选的，所述上套管底座15和连接底座16的对应位置均设有多个螺钉孔18，上套管底座15和连接底座16通过螺钉孔18采用螺钉连接；
[0084]进一步的，所述多个螺钉孔18沿周向均布，使连接均匀可靠；
[0085]优选的，所述上套管10或下套管3采用无缝钢管制成，使其抗弯、抗扭性能好、重量轻，且便于批量生产。
[0086]以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1.一种造船用数控胎架的控制方法，该数控胎架包括多个胎架支柱，其特征在于，所述控制方法包括: 步骤一、利用数据接口技术读取船舶分段曲面数据； 步骤二、利用NURBS技术对读取的船舶分段曲面数据进行曲面拟合，将实际船舶分段曲面空间位置显示在屏幕上； 步骤三、利用三维坐标变换技术，将读取的船舶分段曲面数据调整到水平位置，并记录该水平位置下的船舶分段曲面数据； 步骤四、设定船舶分段曲面与胎架支柱框架坐标原点的相对坐标关系，确定在此坐标系下各个胎架支柱在船舶分段曲面的具体坐标； 步骤五、利用NURBS技术，根据步骤三记录的水平位置下的船舶分段曲面数据拟合出船舶分段曲面的曲面函数； 步骤六、根据各个胎架支柱在船舶分段曲面的具体坐标和曲面函数，插值计算各个胎架支柱应有的高度； 步骤七、根据计算出的各个胎架支柱应有的高度同时对各个胎架支柱进行控制调整。
2.根据权利要求1所述的造船用数控胎架的控制方法，其特征在于:在根据计算出的各个胎架支柱的应有高度对各个胎架支柱进行控制调整前，还包括步骤:将各个胎架支柱的高度调整到同一个水平面上。
3.根据权利要求1或2所述的造船用数控胎架的控制方法，其特征在于:在根据计算出的各个胎架支柱的高度对各个胎架支柱进行调整后，还包括步骤:监测各个胎架支柱的高度是否调整到应有高度，如果调整到位则发出提示信息。
4.根据权利要求1所述的造船用数控胎架的控制方法，其特征在于:每个胎架支柱包括下立柱、上立柱、立杆和传动机构，下立柱包括下套管和设在下套管下部的胎架底座，下套管的上部设有连接底座；上立柱包括上套管，上套管下部设有与连接底座固定连接的上套管底座，上套管底座的上部设有传动机构安装盒，传动机构安装盒内安装电机，电机输出轴上同轴固定有电机齿轮；上套管的上部设有顶部构件，顶部构件的中部设有圆形缺口和导向轨；所述立杆包括丝杆，整个丝杆设有外螺纹，丝杆的上部设有一段与导向轨匹配的导向槽；所述传动机构安装盒内还安装有与丝杆同轴的传动齿轮，传动齿轮的中部设有与所述外螺纹对应的内螺纹，传动齿轮与所述电机齿轮啮合并通过电机齿轮的带动在传动机构安装盒内作轴向旋转，传动齿轮带动丝杆上下运动。
5.根据权利要求4所述的造船用数控胎架的控制方法，其特征在于:步骤七、根据计算出的各个胎架支柱应有的高度同时对各个胎架支柱进行控制调整，具体为: 利用电机齿轮、传动齿轮的齿数比，以及丝杆的螺距值，根据计算出的各个胎架支柱的应有高度，计算出电机的转向和转数，根据计算出的电机的转向和转数同时向电机发出相应的控制指令。
6.根据权利要求5所述的造船用数控胎架的控制方法，其特征在于:在电机根据接收到的控制指令转动后，接收电机发出的反馈信息，根据反馈信息与计算出的转向和转数进行比对，确定是否继续向该电机发出相应的控制指令。
【文档编号】B63B9/00GK103738463SQ201310336944
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年8月5日 优先权日:2013年8月5日
【发明者】李继先, 赵成壁 申请人:李继先, 赵成壁