船用型材的非端点测量及冷弯自动成形的方法研究

发布时间：2017-10-23 03:31

  本文关键词：船用型材的非端点测量及冷弯自动成形的方法研究

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【摘要】：自从2008年以来,我国船舶行业的三大造船指标：造船完工量、新承接船舶订单量和手持船舶订单量都列世界第一,目前正由造船大国向造船强国迈进,采用现代化生产技术的先进制造装备的研发与使用将成为一个重要的环节。在船体的建造过程中,船用型材(特别是肋骨)的弯制是一件复杂而繁重的工作任务,船用型材的弯制精度、加工效率会影响船体的制造质量、生产效率和制造成本。基于中小型船舶修造企业对船体型材的生产装备需求,进行船用型材的非端点测量及冷弯自动成形的方法研究,并预期在此研究基础上研发数控船用型材冷弯成形设备,应用于生产,将大大提高企业的制造水平、效率,产生良好的经济效益和社会效益。本文首先叙述了国内船舶行业的发展现状,针对船用型材(如肋骨)的弯制需求,介绍了船用型材传统的弯制方法,叙述了国内外常见的肋骨成形测量控制方法的原理和数控冷弯机的现状。重点介绍了目前比较流行的数控冷弯测量控制法：端点测量控制法和弦线测量控制法,并对它们的优劣性进行了分析。针对中小型船厂对数控冷弯设备的需求,创造性的提出了一种非端点测量控制方法。利用计算机软件根据肋骨样条型值数据生成基于累加弦长的近似弧长三次参数样条函数和曲线,在此数学样条曲线的基础上,提出一种基于进料弧长和角度的非端点测量控制方法。此测量控制方法避免了端点测量控制法和弦线测量控制法庞大的测量机构,能够在生产过程中根据进料误差,实时测量和调整加工参数,最终实现高精度、高效率、低成本生产目标。随后,使用铜线模拟型材的中性层曲线,在实验装置上进行了模拟实验研究,采用合适的支点距离和进料距离对新型非端点测量控制方法进行了验证。在验证其合理性的基础上,针对型材加工工艺的一些典型问题提出了一些解决方法,利用逐步接近法来克服型材弯制过程中的回弹；利用正反弯交替法来控制逐段弯曲角度误差产生的累积误差；根据实时进料距离调整弯曲角度参数的自适应法来控制进料累计误差等,并分别针对这些方法进行了实验研究,实验结果证明了这些方法的合理性和实用性。接着,推导出主弯曲缸压弯位移和弯曲目标角度之间的计算公式,通过铜线的压弯位移实验进行验证,采用弧角测量法来加工型材曲线,加工后的铜线曲线达到了船体型材加工的误差要求。在理论和实验上验证了采用伺服油缸来代替普通油缸进行压弯,通过精确控制弯曲位移来达到弯曲目标角度的方案是可行的。按照某船厂要求,设计了数控型材冷弯机,包括：总体控制方案、机构设计、液压系统设计和主弯曲缸的设计,最后为主弯曲缸选择了合适的电液比例方向阀。建立压弯控制系统的自动控制模型并进行相应的仿真。根据系统的工作原理,通过Simulink建立相应的仿真模型,并设置相关的参数进行仿真。在仿真过程中,为保持冷弯自动成形的准确性,引入模糊滑模控制器对液压缸的运动进行控制。仿真结果表明,液压缸能够在控制器的控制作用下跟随输入的曲线运动,跟踪误差比较小,证明了该控制策略良好的控制效果。在已经研制成功的半自动冷弯机的基础上上,应用新型非端点弧角测量控制法对实际船用型材进行了加工实验。通过对加工好的工件进行实测,将测量数据和船厂提供的肋骨CAD数据进行误差分析,所有测量点的偏差都满足船厂的肋骨加工误差要求。证明基于累加弦长的近似弧长三次参数样条曲线的弧角测量控制法在工程上是可行的。最后,对全文的研究内容进行了总结,并给出本文的研究结论和创新之处以及对未来的展望。
【关键词】：船用型材 冷弯成形 非端点测量 弧角测量控制法 液压伺服控制
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U671
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-12
• CONTENTS12-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 研究背景和目的15-16
• 1.1.1 研究背景15-16
• 1.1.2 研究目的16
• 1.2 研究现状16-24
• 1.2.1 型材冷弯机概述16-19
• 1.2.2 国外研究现状19-20
• 1.2.3 国内研究现状20-24
• 1.3 课题的提出与本文的主要研究内容24-26
• 1.3.1 课题的提出24-25
• 1.3.2 课题的主要研究内容及技术路线25-26
• 1.4. 本文的结构安排26-27
• 第二章 非端点弧角测量控制法的研究27-45
• 2.1 非端点弧角测量控制法27-31
• 2.1.1 弧角测量控制法的原理27-28
• 2.1.2 弧角测量控制法的数学验证28-31
• 2.2 近似弧长三次参数样条曲线31-43
• 2.2.1 船体放样和样条曲线32-36
• 2.2.2 近似弧长三次参数样条曲线36-43
• 2.3 弧角测量控制法角度参数43-44
• 2.4 本章小结44-45
• 第三章 基于弧角测量控制法的冷弯模拟实验研究45-68
• 3.1 实验方案45-48
• 3.1.1 实验装置45-47
• 3.1.2 实验方案47-48
• 3.2 回弹问题的工艺研究48-57
• 3.2.1 实验原理48-49
• 3.2.2 实验过程49-56
• 3.2.3 实验总结56-57
• 3.3 压弯角度误差补偿的工艺研究57-63
• 3.3.1 实验原理57-58
• 3.3.2 实验过程58-62
• 3.3.3 实验总结62-63
• 3.4 进料误差的自适应控制法的工艺研究63-66
• 3.4.1 实验原理63
• 3.4.2 实验过程63-66
• 3.4.3 实验总结66
• 3.5 本章小结66-68
• 第四章 弧角检测控制法在船用型材冷弯机上的设计实现68-81
• 4.1 弯曲缸压弯位移和弯曲角度之间的工艺研究68-73
• 4.1.1 弯曲缸压弯位移和弯曲角度之间的数学关系68-70
• 4.1.2 实验研究70-72
• 4.1.3 实验总结72-73
• 4.2 船用型材冷弯机的总体设计73-75
• 4.2.1 整体控制方案73-74
• 4.2.2 总体结构设计74-75
• 4.3 液压系统设计75-80
• 4.3.1 液压系统总体设计75-76
• 4.3.2 主弯曲缸的设计计算76-80
• 4.4 本章小结80-81
• 第五章 主弯曲缸成形控制的数学建模及仿真研究81-93
• 5.1 基于等效控制的模糊滑膜弯曲控制系统的数学建模81-86
• 5.1.1 比例阀控制不对称液压缸数学建模81-82
• 5.1.2 模糊滑模控制方法的原理82-84
• 5.1.3 模糊滑模控制方法的设计84-85
• 5.1.4 模糊控制器的设计85-86
• 5.2 液压压弯控制系统的计算机仿真86-92
• 5.3 本章小结92-93
• 第六章 弧角测量控制法的工程实验93-106
• 6.1 实验方案93-94
• 6.2 实验过程94-105
• 6.3 本章小结105-106
• 总结与展望106-110
• 参考文献110-118
• 附录118-123
• 攻读学位期间发表的论文123-125
• 致谢12

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本文编号：1081437