水火弯板自动化加工工艺的关键技术研究--《大连理工大学》2007年博士论文
水火弯板自动化加工工艺的关键技术研究
【摘要】：
长期以来，对于船体双曲度外板的加工，国内外造船厂都是依靠有经验的工人采用水火弯板工艺手工作业完成。随着现代造船技术的发展和造船模式的转变，手工经验型的水火弯板工艺模式无论在速度上还是在质量上都已远远满足不了现代造船生产的需要，因此，水火弯板工艺的革新已是船舶制造业迫在眉睫的大事。如果通过计算机技术和数控技术来实现水火弯板加工作业自动化，这对提高劳动生产率、减轻工人的劳动强度、减少返工费用、提高加工精度等都有重大的经济意义，并且能为其它领域的大型复杂曲面钢板加工成形问题做技术储备。
一个完整的水火弯板自动化加工闭环系统是一个包括了船体外板展开、加工工艺参数预报、船体外板自动化加工、加工后钢板自动化成形检测和二次加工等工艺环节的大型系统，同时是一个融合了船舶、数学、机械、电子、自动化等多个学科先进技术的复杂系统，本文对水火弯板自动化加工工艺中的几个关键技术进行了研究。
(1)水火弯板数值模拟中热边界条件的研究
近几年随着计算机技术的发展，数值模拟法在对水火弯板变形机理和变形规律的研究中得到了越来越广泛的应用。在水火弯板过程的数值模拟中，热边界条件的选取和定义，直接影响到耦合的温度场和变形场的计算，对数值模拟结果的精度起着非常重要的作用。本文对水火弯板过程数值模拟中的热边界条件进行了系统研究，包括热源热输入的热流边界条件、空气对流换热边界条件、辐射换热边界条件和水冷对流换热边界条件，并且，应用流动沸腾理论，建立了符合工程实际特点的水火弯板水冷对流换热边界条件，大幅度提高了水火弯板数值模拟分析温度场和变形场的精度，为开展水火弯板数值实验分析奠定了基础。
(2)水火弯板加工工艺参数预报方法研究
采用数值模拟和实验相结合的方法，通过对水火弯板过程中变形影响因素和变形规律的分析，把水火弯板变形规律数学模型改进为单因素局部收缩量水火弯板变形规律系列数学模型，不仅提高了数学模型的精度，应用范围增大，而且能够更加准确、直观的反映出水火弯板过程中影响成形效果的各种因素及影响规律。在此基础上，以船体外板展开计算的局部收缩量为依据，应用了局部变形与所需的能量的对应关系展开水火弯板加工工艺参数预报方法的研究，并开发了鞍形板水火加工工艺参数预报软件系统。该方法避免了只考虑总体能量约束而局部变形所需能量得不到保证的缺陷，并结合了工厂多年的实践经验，生产应用结果证明是切实可行的，提高了生产效率，精度达到工程要求。
(3)船体复杂曲面钢板水火成形自动化检测和二次加工方法研究
在对加工后钢板曲面形状进行测量和表达的基础上，对加工后钢板成形自动化检测方法展开研究，把钢板的加工过程看成是钢板曲面展开的逆过程，通过将钢板成形曲面在检测曲面上展开来判别钢板的纵向成形情况，钢板曲面横向成形的判别则通过对检测曲面和钢板曲面形状横向测量线位置处横向曲率半径的误差分析，来检测加工后钢板的横向成形情况，综合纵向成形和横向成形的检测结果，不仅能够判别钢板是否达到加工成形的标准，而且对二次加工工艺参数预报具有指导意义。结合水火弯板变形规律系列数学模型，利用钢板成形自动检测的结果，提出了未成形钢板的自动化修正加工方法，能够分别预报适合于自动化加工的钢板纵向形状和横向形状修正的工艺参数。
(4)悬臂式水火弯板机器人设计研究
水火弯板自动化加工设备的研制开发是水火弯板自动化加工闭环系统研究中的一个重要环节。本文根据水火弯板实际加工特点和加工要求，在已有的大型复杂曲面钢板水火成型机器人的基础上，提出了灵活性更好的悬臂式水火弯板机器人概念设计要求，确定了机器人的主要性能参数、结构参数、系统构形和总体设计方案。将机器人本体结构设计与结构静力学分析和结构模态分析相结合，在保证结构强度和刚度的情况下，对机器人本体结构进行了优化，减轻结构的重量，并能为运动控制分析起到指导作用，对机器人运动学的分析结果，为机器人运动控制研究奠定了基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：U671.3【目录】：
Abstract6-12
注释说明清单12-16
1 绪论16-35
1.1 水火弯板工艺简介17-21
1.1.1 水火弯板的工艺方法17-20
1.1.2 水火弯板的基本原理20-21
1.2 课题的背景和意义21-22
1.3 国内外研究现状综述22-29
1.3.1 水火弯板机理的研究22-25
1.3.2 水火弯板加工工艺参数预报的研究25
1.3.3 钢板水火加工成形自动检测和二次加工工艺参数预报研究25-26
1.3.4 水火弯板自动化加工系统的研究开发26-29
1.4 当前研究存在的问题和本文的主要研究工作29-35
2 水火弯板过程数值模拟中热边界条件的研究35-65
2.1 水火弯板过程数值模拟中的热流边界条件35-43
2.1.1 水火弯板中常用的热源36-39
2.1.2 水火弯板气体火焰高斯分布热流密度参数研究39-43
2.2 水火弯板过程数值模拟中的空气对流换热边界条件43-45
2.3 水火弯板过程数值模拟中的辐射换热边界条件45
2.4 水火弯板过程数值模拟中的水冷换热边界条件45-58
2.4.1 流动沸腾换热的基本理论46-47
2.4.2 过冷水单相流动对流换热边界条件47-49
2.4.3 过冷水流动泡态沸腾起始点(ONB)49-50
2.4.4 过冷水流动泡态沸腾换热边界条件50-53
2.4.5 过冷水流动泡态沸腾临界点53-58
2.5 水火弯板过程的数值模拟58-61
2.5.1 水火弯板数值模拟的有限元模型59
2.5.2 两种边界条件数值模拟结果和实验值的比较59-61
2.6 本章总结61-65
3 水火弯板加工工艺参数预报方法研究65-84
3.1 水火弯板实验研究65-68
3.1.1 水火弯板实验原理65-66
3.1.2 水火弯板实验的主要设备和仪器66-68
3.2 水火弯板变形影响因素和变形规律分析68-72
3.3 水火弯板的数学模型研究72-74
3.3.1 实验数据的修正和补充73-74
3.3.2 单因素局部收缩量水火弯板变形规律系列数学模型74
3.4 水火弯板加工工艺参数预报方法研究74-82
3.4.1 研究的思路74-75
3.4.2 鞍形板水火加工工艺参数预报的优化设计方法75-80
3.4.3 水火弯板加工工艺参数预报软件系统80-82
3.5 本章总结82-84
4 船体复杂曲面钢板水火成形自动化检测和二次加工方法研究84-104
4.1 加工后钢板曲面形状的测量和表达84-88
4.1.1 加工后钢板曲面形状的测量84-85
4.1.2 加工后钢板曲面形状的表达85-88
4.2 曲面钢板的纵向成形检测88-93
4.2.1 基本原理88-89
4.2.2 考虑加工塑性变形因素的成形曲面在检测曲面上的展开89-92
4.2.3 曲面钢板的纵向成形检测92-93
4.3 曲面钢板的横向成形检测93-94
4.4 未成形钢板曲面形状的修正94-96
4.4.1 钢板纵向形状的修正94-95
4.4.2 钢板横向形状的修正95-96
4.5 算例96-102
4.5.1 钢板成形自动检测的算例96-99
4.5.2 未成形钢板形状修正的算例99-102
4.6 本章总结102-104
5 悬臂式水火弯板机器人设计研究104-138
5.1 悬臂式水火弯板机器人总体设计要求和方案确定105-110
5.1.1 设计要求105
5.1.2 确定方案设计的基本思路和机器人的基本参数105-106
5.1.3 机器人移动底座方案设计106
5.1.4 机器人机械手臂自由度数和系统构形106-107
5.1.5 机器人主要性能参数和结构参数107-108
5.1.6 悬臂式水火弯板机器人设计方案的说明108-110
5.2 机器人驱动电机功率估算和电机选择110-116
5.2.1 电机功率的估算111-115
5.2.2 机器人驱动电机的预选115-116
5.3 机器人本体结构设计研究116-121
5.3.1 本体结构设计117-118
5.3.2 结构的静力学分析118-119
5.3.3 结构的模态分析119-121
5.4 悬臂式水火弯板机器人运动学分析121-134
5.4.1 刚体的位姿描述和齐次坐标变换121-122
5.4.2 连杆坐标系的建立122-124
5.4.3 运动学方程124-126
5.4.4 运动学方程的求解126-128
5.4.5 雅可比矩阵128-133
5.4.6 运动学分析方法概述133-134
5.5 本章总结134-138
6 结论和展望138-141
6.1 本文的主要研究工作138-139
6.2 展望139-141
攻读博士学位期间发表学术论文情况141-142
攻读博士学位期间参与的科研项目142-143
创新点摘要143-144
致谢144-145
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大连理工大学
硕士学位论文
水火弯板机器人控制问题的研究
姓名：王小满
申请学位级别：硕士
专业：控制理论与控制工程
指导教师：杨建华
大连理工大学硕士学位论文
船体曲面钢板水火加工成型 也称水火弯板 是造船过程中对船体外板进行加工成
型的工艺。目前这种加工技术主要是靠作业工人的经验积累才能掌握。在实际工作中，
对于一个有经验的熟练工人来说，要加工出一块弯板，通常需要经过两三遍的水火加工
过程才能完成。而对于一个新手来说，这个工作就是相当困难的。基于这个原因，本文
研究了水火弯板机器人设计过程中的相关问题，希望可以通过对机器人的精确控制来代
替人工操作，提高水火弯板的加工效率。
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