鄭婉琳， 陳啟康， 路高平 ， 孔 諒， 吳毅雄， 王宏杰

(1.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129； 2.上海交通大學， 上海 200240； 3.上海領捷信息技術有限公司， 上海 200030)

LNG 船用大型型材切割生產線的研制

鄭婉琳1， 陳啟康1， 路高平1， 孔 諒2， 吳毅雄2， 王宏杰3

(1.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129； 2.上海交通大學， 上海 200240； 3.上海領捷信息技術有限公司， 上海 200030)

介紹設計研制的LNG 船用大型型材切割生產線機器人自動化柔性切割系統(tǒng)。通過導入定制船 用坡口，端頭，切割形狀功能的 MGF 描述文件，系統(tǒng)自動實現機器人對型材的柔性切割，很好地適應了船廠型材切割工藝需求。同時針對型材的變形和定位，提出了一種利用激光傳感器，基于邊緣和表面變形測量的在線式補償算法，實現了 LNG 船用大型型材的精度切割，驗證了該系統(tǒng)的可行性和高效性。

LNG 船 機器人 型材切割 激光測量

1 引言

LNG 船用大型型材切割是船廠的基礎工序之一。所謂型材切割是把長尺寸的原材料切割出各種形狀的構件，并在各個構件上切割出孔、裝配線等信息，以供后續(xù)工序按照構件信息進行裝配和焊接。目前國內船廠型材的切割主要依靠工人手工操作，勞動強度大，生產效率低，切割精度差[1,2]，如圖1所示。國外已經初步具備自動化切割設備，得益于工業(yè)機器人的應用，已實現了型材的自動化加工(如圖2所示)，但設備投資昂貴，后期維修和維護成本較高，同時存在設備應用的實際困難。開發(fā)和研制一套具備自主知識產權，適用于國內船體設計標準，具備更好的售后服務和價格競爭力的自動化切割設備已迫在眉睫。

本文旨在研制一整套適合國內 LNG 船用大型型材切割生產線的自動化切割解決方案。在國內外設備功能的基礎上，進一步提出了考慮型材XY方向變形量，補償型材切割加工坐標值，使得型材拉直裝配后等于設計型材尺寸的算法解決方法，進一步提高了型材自動化切割和船體建造的精度。該解決方案已在國內某知名船廠分段加工車間進行實產驗證，目前系統(tǒng)運行良好，為船廠提高了效率，節(jié)省了成本， 取得了較大的成功，并具備較大的市場前景和應用價值。

2 基于工業(yè)機器人型材自動化切割的構架

LNG船用大型型材切割生產線自動化切割系統(tǒng)(見圖3)包含了上料平臺，型材進給，切割間(除塵系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、切割臺支架、等離子切割系統(tǒng)等)，型材測量定長定位系統(tǒng)，出料平臺，中控操作室等子系統(tǒng)。

LNG船用大型型材通過吊具上料至上料平臺，控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)即可感知上料平臺的型材緩沖數量， 并在軟件的命令下，自動上料到型材進給軌道上，供型材機器人自動切割加工。此時，工人即可操作軟件界面，導入船用型材特征文件*.MGF，經軟件解析后，自動控制PLC控制系統(tǒng)，實現自動化機器人的型材切割加工和作業(yè)，定長定位系統(tǒng)配合型材的長度定位切割，同時激光測量補償系統(tǒng)自動檢測型材的位置和變形，自動補償到機器人切割加工圖形中，實現大型型材自動化機器人精度切割加工。

3 基于型材變形邊緣曲線的加工圖形坐標補償算法

如圖4所示，船用大型型材的運輸，儲存，吊裝，搬運等操作都會帶來型材的變形，且其變形的規(guī)則非常復雜，總結一般船體建造的要求，型材以沿邊緣變形補償后切割顯得非常重要，因此本文提出了一種基于型材沿邊緣曲線變形的補償算法，有效補償了由于型材變形引起的型材機器人自動化切割加工帶來的裝配誤差，極大提高了本系統(tǒng)的精度和加工質量。

如圖5所示，顯示了型材邊緣變形后圖形坐標及其型材設計圖形坐標的對照比較；船體建造中要求系統(tǒng)能實現變形型材在變形條件下進行切割，在展平拉直后，加工圖形的要素點坐標值等于在標準設計型材的設計值。以某型材加工圖形圓形為例，變形型材與標準型材切割元素對照圖如圖5(a)、(b)所示?？紤]型材變形的Y方向，若在標準型材上設計加工切割一圓形孔，其圓心坐標為(Tx,Ty)，半徑為R；現要在變形后的型材上精確切割此圓孔，使得該型材在展平后圓孔的圓心坐標等于標準型材初始設計值，即圓心到型材原點O的水平距離為Tx，垂直距離為Ty，且圓半徑為R。如能保證圖5(a)所示的圓心(Tx′,Ty′)到型材變形邊緣弧的法向距離等于Ty，法線與型材邊緣弧的交點A到鋼板原點的弧線長度等于Tx，可使型材在展平拉直后，圓心的坐標值等于初始設計值。

本文提出的圖形坐標補償算法將有效地實現標準型材上加工圖形的任意要素點坐標(Tx,Ty)轉換到變形型材上的點(Tx′,Ty′)，供切割系統(tǒng)自動補償型材元素切割作業(yè)。如表1所示為型材邊緣曲線的測量數據序列。

補償算法的基本原理為：將采集型材邊緣弧線擬合為一條三次方曲線，該型材邊緣曲線可由型材邊緣的測量數據序列的三次擬合方程(1)表示：

式中：a0、a1、a2、a3為邊緣變形曲線的擬合系數，按最小二乘法(2)求得。

式中：(xi,yi)為邊緣曲線的第i個測量點的坐標。

標準型材上點(Tx,Ty)轉換為變形型材上點(Tx′,Ty′)的補償算法為

4 LNG船用大型型材切割生產線的研制

LNG船用大型型材切割生產線系統(tǒng)的研制(見圖6)，包括了上料系統(tǒng)，進給系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，定長系統(tǒng)，出料系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，切割工作間等，型材切割控制系統(tǒng)含機器人，PLC，HMI等設備[4]。

LNG船用大型型材切割生產線系統(tǒng)的主要設備在切割間，包含了等離子切割炬，工業(yè)機器人，進給導軌和支撐，定位測量小車，型材夾具等設備。整個系統(tǒng)有一條28m長的輸送型材的輥道，沿型材輸送輥道有到位傳感器等裝置，定位測量小車可離開切割間在該輥道上運行，進行型材長度定位測量。中控室由PLC控制柜、機器人控制柜、控制服務器、編程和仿真計算機及HMI控制一體機等組成，操作人員可使用這些設備對切割對象進行編程和仿真，并控制整個自動化機器人型材切割系統(tǒng)[4]。整個系統(tǒng)設備硬件在PLC、機器人和計算機控制軟件的相互通信控制下進行自動化型材切割。圖7為切割間內的實際布置情況， 驗證了該設備設計的可行性和合理性[5,6]。

5 船用型材機器人自動切割系統(tǒng)的軟件設計

LNG船用大型型材切割生產線系統(tǒng)軟件設計包含：機器人控制軟件，船用型材機器人自動切割控制HMI軟件，設備PLC控制軟件，如圖8所示。

LNG船用大型型材切割生產線系統(tǒng)軟件的操作流程為，設計工程師提供從船體設計系統(tǒng)導出的*.MGF文件;該文件描述了型材切割的基本信息。車間切割工程師，會手工將*.MGF文件加載到本系統(tǒng)的型材MGF文件解析軟件模塊；形成切割系統(tǒng)可控制的指令代碼。先以三維模擬仿真和切割仿真操作，確保切割無故障后，操作工通過HMI下達切割指令代碼，整個系統(tǒng)將自動裝載船用型材，自動測量并定位，并執(zhí)行切割動作，監(jiān)控切割過程，形成切割型材的歷史記錄和工藝數據，形成歷史記錄[7,8]。本系統(tǒng)還具備管理型材切割生產線監(jiān)控，歷史數據處理、保存、查詢等功能，如圖9所示。

6 LNG船用大型型材切割生產線的試驗生產運行實驗

對本文提出的基于LNG船用大型型材變形的補償算法和機器人自動切割系統(tǒng)的研制成果，進行了實驗性驗證。實驗中試用了12m標準船用球扁鋼型材HP370，切割信息以MGF文件形式輸入到軟件中，并進行校核、編輯和仿真,最終形成機器人離線切割代碼，并在船用型材機器人自動切割控制軟件自動導入并啟動自動化切割，試驗證明該系統(tǒng)的高效和實用性。

試驗型材切割圖形如下：定義型材長12 000mm，寬 370mm；定義的5個圓形圖形均布在型材上，其圓心為(100，0)，半徑50mm；切割某船廠要求的21E型坡口，切割結果如圖10所示。

本LNG船用大型型材切割生產線系統(tǒng)加工對象是船用球扁鋼型材，扁鋼，角鋼和T型鋼。針對船用型材的材質和厚度，切割設備采用了凱爾貝(Kejllberg)HiFocus440i等離子切割設備，工業(yè)機器人采用ABBIRB2 600。實驗中的機器人切割速

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度為40 mm/s，切割高度為6 mm，切割電流為40 A～60 A，整個切割周期為400 s。試驗結果顯示了基于補償算法船用型材機器人自動切割系統(tǒng)，具有較高的生產效率，型材切割坡口的光滑和平順性比手動切割具有無法比擬的優(yōu)越性，同時加工工藝參數還可由切割炬的高度，電流和速度來控制，以達最優(yōu)。系統(tǒng)還進行長達3個月的批量運行試驗，批量試運行實驗結果證實了基于補償算法的船用機器人自動切割系統(tǒng)實現了型材的精度自動切割，并具備了變形型材加工補償的功能，極大彌補了以往船用型材加工工藝變形的缺陷，滿足精度造船的要求[9]，并具備較高的生產效率。

7 結語

基于補償算法的LNG船用大型型材切割生產線系統(tǒng)的研制，彌補了國內自主知識產權的精度造船型材自動切割設備的空白。同時，該設備的高效性，經濟性和持續(xù)良好的技術維護，將改變我國造船工業(yè)中長期手工操作的落后工藝，實現LNG船用大型型材加工的自動化，提高船舶生產的機械化和自動化水平，且其批量定制化和產品化特色能為精度造船工業(yè)基礎設備的國有化做出顯著的貢獻。

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Development on Large Profile Cutting of LNG Shipbuilding

ZHENG Wan-lin1， CHEN Qi-kang1， LU Gao-ping1， KONG Liang2， WU Yi-xiong2， WANG Hong-jie3

(1.Hudong Zhonghua Shipbuilding Group Limited， Shanghai 200129, China； 2.Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240, China； 3.Shanghai LeaderSoft Information Technology Limited， Shanghai 200030, China)

This paper describes the design and development of flexible automatic robot cutting machine system of LNG shipbuilding large profile. The developed machine system can automatic flexible cutting of large profile through input the MGF file of the bevel, head shape and the cutting elements size of the large profile, it is well satisfied the requirement of shipyard profile cutting workshop. Further more, a kind of laser measurement algorithm is developed to compensate the deformation of large profile's edge and shape, which rapidly improve the precision profile cutting of LNG shipbuilding, and the practicality and efficiency are also proved by the system in the paper.

LNG ship Robot Profile cutting Laser measurement

上海市引進技術吸收和創(chuàng)新年度計劃(編號：2012-27)，型材切割流水線改造項目。

鄭婉琳(1964-)，女，高級工程師。

TH 165

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