聶建棟* 張 昭

(海軍裝備部,湖北 武漢430060)

針對(duì)船舶軸系現(xiàn)有裝配工裝存在著安裝質(zhì)量難以保證、工作效率低下、設(shè)備簡(jiǎn)陋的突出問(wèn)題,通過(guò)采用無(wú)接觸的3D掃描成像技術(shù)、殘缺圖像分析擬合技術(shù)、空間運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、高精度位置伺服控制技術(shù),研發(fā)該船舶軸系智能裝配系統(tǒng),使船舶軸系的裝配質(zhì)量和裝配效率得到顯著提高,并使軸系的工作性能指標(biāo)具有可溯源性[1-2]。本文通過(guò)開(kāi)展船舶軸系智能裝配系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)分析,并在實(shí)驗(yàn)室軸系試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行中間軸與艉軸的對(duì)中工作,經(jīng)百分表打表檢驗(yàn)表明對(duì)中效果良好。

1 船舶軸系智能裝配系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)分析

1.1 船舶軸系智能裝配系統(tǒng)工作原理

軸系的對(duì)中過(guò)程,可以認(rèn)為是一個(gè)剛體的空間位置和姿態(tài)的調(diào)整過(guò)程。通過(guò)控制剛體上的兩個(gè)支撐點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)剛體的運(yùn)動(dòng)控制。其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 工作原理示意圖

1.2 船舶軸系智能裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備中主控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、作動(dòng)部分、支撐部分及測(cè)量系統(tǒng)的布置及相互關(guān)系如圖2所示。機(jī)械臂攜帶三維測(cè)量?jī)x,根據(jù)主控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制信息,在一定的空間范圍內(nèi)連續(xù)掃描對(duì)接法蘭的狀態(tài),獲得對(duì)接法蘭的空間信息。主控臺(tái)通過(guò)智能算法獲得法蘭之間的相互關(guān)系、規(guī)劃對(duì)接路徑,向驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)指令,驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)指揮作動(dòng)部分運(yùn)動(dòng),同時(shí)主控臺(tái)檢測(cè)力傳感器反饋的信息,對(duì)對(duì)接效果進(jìn)行自主評(píng)判,實(shí)現(xiàn)船舶軸系的智能對(duì)接。在布放該設(shè)備時(shí),由于2個(gè)四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間沒(méi)有剛體相互連接,使用過(guò)程中可以根據(jù)臺(tái)面的實(shí)際情況,允許運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間有其它設(shè)備或障礙物。設(shè)備的應(yīng)用具有良好的工作場(chǎng)地適應(yīng)性。

圖2 三維示意圖

2 船舶軸系智能裝配系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證船舶軸系智能裝配系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果,在試驗(yàn)室軸系試驗(yàn)臺(tái)架上,設(shè)定兩個(gè)工況,分別使用該船舶軸系智能裝配系統(tǒng)完成中間軸與艉軸的對(duì)中工作,并用百分表打表檢驗(yàn)對(duì)中精度及步進(jìn)精度效果。

試驗(yàn)中,在中間軸和艉軸法蘭端面及外圓左右對(duì)稱兩側(cè)均架設(shè)共四塊百分表,并在外圓上、下、左、右各做相隔90°的四等分標(biāo)志點(diǎn),作動(dòng)器調(diào)整姿態(tài)到位后檢驗(yàn)人員轉(zhuǎn)動(dòng)中間軸至標(biāo)志點(diǎn)位置,每轉(zhuǎn)90°測(cè)量一次各百分表數(shù)據(jù),工裝應(yīng)用效果測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 船舶軸系智能裝配系統(tǒng)應(yīng)用效果測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2.1 對(duì)中精度驗(yàn)證效果

使用該智能裝配系統(tǒng)控制作動(dòng)器運(yùn)動(dòng),調(diào)整中間軸姿態(tài)至任一狀態(tài),在該狀態(tài)下使用百分表打表,計(jì)算出初始狀態(tài)的偏差。在該狀態(tài)下,按照最理想狀態(tài)“0-0”要求進(jìn)行對(duì)中,使用該智能裝配系統(tǒng)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行掃描,作動(dòng)器按指定路徑調(diào)整中間軸姿態(tài)進(jìn)行中間軸與尾軸對(duì)中,經(jīng)粗調(diào)與精調(diào)兩次掃描作動(dòng),總用時(shí)在20分鐘以內(nèi),整個(gè)工作完成后使用百分表檢查對(duì)中精度,計(jì)算調(diào)整后偏差。最終,得出初始狀態(tài)與理想狀態(tài)對(duì)中調(diào)整后偏差對(duì)比。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 中間軸與中心軸中心線測(cè)量偏差對(duì)比 單位:0.01 mm

由表1中測(cè)試數(shù)據(jù)可知,中間軸與尾軸之間的對(duì)中精度滿足偏移≤±0.15 mm,曲折≤±0.20 mm/m的技術(shù)要求。

2.2 步進(jìn)精度驗(yàn)證效果

步進(jìn)精度驗(yàn)證在垂直與水平方向分別進(jìn)行。使用該智能裝配系統(tǒng)控制作動(dòng)器運(yùn)動(dòng),調(diào)整中間軸姿態(tài)至任一狀態(tài),同樣在該狀態(tài)下使用百分表打表,計(jì)算出初始狀態(tài)偏差；在該狀態(tài)下控制作動(dòng)器發(fā)出中間軸向-Z方向(垂直)移動(dòng)0.05 mm的指令,狀態(tài)調(diào)整到位后使用百分表打表測(cè)量并計(jì)算中間軸與尾軸之間的對(duì)中精度；在該狀態(tài)下繼續(xù)發(fā)出控制作動(dòng)器向+Y方向(水平)移動(dòng)0.05 mm的指令,狀態(tài)調(diào)整到位后使用百分表打表測(cè)量中間軸與尾軸的對(duì)中精度。具體對(duì)中偏差見(jiàn)表2。

表2 步進(jìn)時(shí)艉軸與中心軸中心線測(cè)量偏差對(duì)比 單位:0.01 mm

由表2數(shù)據(jù)可知,與初始狀態(tài)比較,Z方向移動(dòng)0.05 mm后,中間軸與尾軸的上下偏移變化0.045 mm,其它方向上的偏移、曲折均幾乎無(wú)變化,與作動(dòng)器控制的0.05 mm相比較,此時(shí)的步進(jìn)精度達(dá)到0.005 mm,滿足步進(jìn)精度在0.02 mm以內(nèi)的技術(shù)要求。同樣Y方向(水平)移動(dòng)0.05 mm與垂直方向調(diào)整后的狀態(tài)相比,中間軸與尾軸的左右偏移變化0.04 mm,其它方向上的偏移、曲折均幾乎無(wú)變化,與作動(dòng)器控制的0.05 mm相比較,此時(shí)的步進(jìn)精度達(dá)到0.01 mm,完全滿足步進(jìn)精度在0.03 mm以內(nèi)的技術(shù)要求。

3 結(jié)論

綜上所述,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,船舶軸系智能裝配系統(tǒng)可以高效、準(zhǔn)確的完成中間軸與艉軸的對(duì)中工作,對(duì)中精度及步進(jìn)精度均滿足技術(shù)要求,應(yīng)用效果良好。