□ 王劍虹 □ 習俊通 □ 郭志飛 □ 吳卓琦

1.上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240

2.上海船舶工藝研究所 上海 200032

1 設(shè)計背景

隨著制造業(yè)再次成為全球經(jīng)濟穩(wěn)定向前發(fā)展的驅(qū)動力，世界各大工業(yè)國都加速了工業(yè)發(fā)展步伐，并提出了發(fā)展規(guī)劃。制造業(yè)正逐步成為各國經(jīng)濟發(fā)展的重中之重，也成為強國競爭的一個戰(zhàn)略制高點［1］。船舶制造業(yè)是我國高端裝備制造業(yè)的重要組成部分，同時也是我國海洋強國戰(zhàn)略的支撐和基礎(chǔ)。加快推動新一代信息技術(shù)與先進船舶制造技術(shù)的融合，大力推進智能制造，是增強我國造船企業(yè)核心競爭力的有效途徑，也是實現(xiàn)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵所在［2］。

在大型船舶制造過程中，需要使用冷彎工藝加工一種大尺寸的船舶肋骨，肋骨的加工精度會直接影響肋骨和船板的配合，并且進一步影響焊接工序和整體強度。

目前船舶肋骨的彎曲主要采用逐段式進給方式進行冷彎加工，船體型材的冷彎加工是一種較為困難的塑性成形，在冷彎成形時容易出現(xiàn)回彈、旁彎、倒邊及腹板起皺等問題［3］。

為了解決上述問題，保障船舶冷彎肋骨的加工質(zhì)量，需要在加工過程中對肋骨控制成形，并且對已經(jīng)加工成形的肋骨進行尺寸檢測。目前，國內(nèi)外在加工過程中對肋骨控制成形的方法主要有端點測量法［4］、弦線測量法［5］、逆直線法［6］等。

當前廣泛采用的對已經(jīng)冷彎加工成形的肋骨進行尺寸檢測的方法主要是人工對樣，即使用冷彎加工的方式將加工成形的肋骨與預制的標準樣條曲線進行比對和評估，其檢測精度和效率完全依賴于工人的操作熟練程度，并不能滿足測量精度和效率的要求?？梢姡瑸闈M足船舶加工自動化、數(shù)字化的要求，需要設(shè)計一套船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)［7］。

2 測量系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)由移動靶球平臺、全站儀、測量軟件三個模塊組成。移動靶球平臺由Arduino單片機進行運動控制、數(shù)據(jù)搜集與傳輸，還包含電子陀螺儀、直流脈沖電機、直流步進電機、藍牙模塊及其它機械運動機構(gòu)，可以實現(xiàn)靶球的運動，以及誤差數(shù)據(jù)的檢測與傳輸。全站儀用于實時捕獲靶球坐標值，并將數(shù)據(jù)通過藍牙串口傳輸?shù)缴衔粰C。測量軟件用于接收和處理來自移動靶球平臺和全站儀的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)誤差補償、數(shù)模匹配、誤差計算和測量報表生成等功能。船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)總體技術(shù)路線如圖1所示。

船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在測量時，將自主設(shè)計研發(fā)的移動靶球平臺放置在需要測量的船舶冷彎肋骨上。在預編程序的控制下，平臺沿著肋骨運動，運動過程中全站儀捕獲測量靶球的實時坐標，從而間接測得船舶冷彎肋骨的輪廓數(shù)據(jù)。全站儀將測得的數(shù)據(jù)通過藍牙串口發(fā)送到上位機，移動靶球平臺將電子陀螺儀測得的傾角數(shù)據(jù)通過藍牙串口發(fā)送到上位機，測量軟件對接收的數(shù)據(jù)進行誤差補償處理和數(shù)模匹配，計算誤差值并生成報表。如此完成一個上位數(shù)據(jù)傳輸處理循環(huán)。

▲圖1 船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)總體技術(shù)路線

2.2 移動靶球平臺

移動靶球平臺的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括基座、吸附側(cè)輪、前進驅(qū)動輪、限位機構(gòu)、直流步進電機、直流脈沖電機、測量靶球等。將移動靶球平臺放置于需要檢測的船舶冷彎肋骨上，由永磁體加工制造的吸附側(cè)輪可以使整個設(shè)備吸附在船舶冷彎肋骨的側(cè)面。前進驅(qū)動輪通過同步帶與直流脈沖電機相連，在電機的帶動下前進驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動整個平臺向前移動。測量靶球連接在直流步進電機上，當Arduino單片機接收到電子陀螺儀的位姿數(shù)據(jù)后，反向調(diào)整靶球的轉(zhuǎn)向，保證在整個測量過程中靶球的朝向不變。

為防止測量過程中跌落和碰撞，同時滿足不同尺寸的肋骨測量，采用了可伸縮的限位機構(gòu)設(shè)計，在平臺運動的方向上還設(shè)計了防止碰撞的限位開關(guān)。

移動靶球平臺采用Arduino單片機作為控制器，完成電子陀螺儀數(shù)據(jù)獲取、直流脈沖電機和直流步進電機運動控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。移動靶球平臺主要控制流程如圖4所示。Arduino單片機獲取來自電子陀螺儀、紅外遙控、接觸開關(guān)和電量檢測的數(shù)據(jù)信號，信號經(jīng)過合理的數(shù)據(jù)分析和邏輯判斷后，發(fā)送至上位機，控制直流脈沖電機和直流步進電機運動。

2.3 全站儀

船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)中的全站儀用于實時捕獲靶球坐標值，并將數(shù)據(jù)通過藍牙串口傳輸?shù)缴衔粰C。全站儀自身的測量精度及安裝方式將直接影響測量系統(tǒng)的精度。船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)采用索佳公司設(shè)計生產(chǎn)的NET05AX精密型自動化三維全站儀。早在1990年，索佳公司就針對精密測量領(lǐng)域開發(fā)了NET系列全站儀。NET05AX精密型自動化三維全站儀既提供了超高測量精度，又兼?zhèn)渥詣踊δ?，可以為各種測量任務提供解決方案，廣泛應用于自動化變形監(jiān)測、隧道變形監(jiān)測、船舶檢測、橋梁檢測、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。

▲圖2 船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

▲圖3 移動靶球平臺基本結(jié)構(gòu)

▲圖4 移動靶球平臺控制流程

2.4 測量軟件

通過移動靶球平臺和全站儀獲得測量點云數(shù)據(jù)后，需要將點云數(shù)據(jù)與理論模型進行數(shù)模匹配，并計算加工誤差。數(shù)模匹配的準確程度將直接影響加工誤差的計算值。迭代最近點算法是機器視覺中常用的點云配準算法，常用于點云數(shù)據(jù)拼接、精度檢測等領(lǐng)域［8-10］。在完成點云數(shù)據(jù)和理論模型的正確匹配后，利用K-D Tree求解點云數(shù)據(jù)與理論模型的最大偏差值［11］。

根據(jù)上述算法，基于DevExpress控件，使用C++和C#開發(fā)語言，開發(fā)了一套船舶冷彎肋骨測量軟件，用以實現(xiàn)肋骨的成形精度測量。這一軟件具有數(shù)據(jù)導入、肋骨測量數(shù)據(jù)和理論模型自動匹配、加工誤差計算、測量報表自動生成等功能，實現(xiàn)了船舶冷彎肋骨測量的自動化和數(shù)字化。

3 測量誤差分析

船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)的誤差來源主要分為測量原理引起的誤差與加工誤差。

3.1 測量原理引起的誤差

在使用船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)對船舶冷彎肋骨進行測量時，移動靶球平臺放置于肋骨上，并載動靶球運動，吸附側(cè)輪與待測輪廓緊密接觸，理想情況下，移動平臺為水平，靶球與吸附側(cè)輪處于同一鉛垂線上，全站儀測得的靶球運動軌跡即為吸附側(cè)輪中心的運動軌跡。但是在整個測量過程中，吸附側(cè)輪的中心軌跡與被測輪廓并不完全重合，這兩條曲線之間存在偏置，互為包絡(luò)線，它們之間的最小距離為吸附側(cè)輪的半徑。圖5為被測肋骨輪廓與吸附側(cè)輪中心軌跡示意圖，其中實線為被測肋骨輪廓，虛線為吸附側(cè)輪中心運動軌跡。如直接將測得的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，會由于此種測量原理造成誤差。

▲圖5 被測肋骨輪廓與吸附側(cè)輪中心軌跡

為減小由吸附側(cè)輪引起的誤差，在得到測量點坐標后，需要將測量點坐標進行偏移求解，再進行后續(xù)計算。測量點偏置方法如圖6所示。

對測量點進行偏置主要經(jīng)過三個步驟：①利用迭代最近點算法將測量得到的點云數(shù)據(jù)與理論模型進行粗匹配；②求得離測量點最近的理論數(shù)據(jù)坐標，并求得理論模型上該點的法向量；③對測量點沿該法向量方向進行偏置。

3.2 加工誤差

靶球中心和吸附側(cè)輪的同軸度，以及靶球中心到吸附側(cè)輪的距離是影響測量精度的重要因素。靶球與吸附側(cè)輪安裝方式如圖7所示。吸附側(cè)輪通過軸承連接到支座上，通過螺釘擰緊以夾緊軸承。靶球固定于靶球座內(nèi)，靶球座固定于直流步進電機上，直流步進電機再通過螺紋連接到支座上，這樣使靶球和吸附側(cè)輪固定于同一支座上。在加工支座上下孔時保證同軸度，即可最大程度保證靶球和吸附側(cè)輪的同軸度。

▲圖6 測量點偏置方法

▲圖7 靶球與吸附側(cè)輪安裝方式

4 測量精度測定

船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)的精度測定試驗主要包括單點重復測量精度試驗和直線導軌測量試驗。

進行單點重復測量精度試驗時，固定靶球不動，使用全站儀精測模式得到30個測量點坐標數(shù)據(jù)。X、Y、Z三軸方向的最大測量誤差依次是0.112 mm、0.151 mm、0.041 mm，滿足測量要求。

直線導軌測量試驗的測量對象為機床導軌，船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)的預期檢測精度為±1 mm，而機床導軌的直線度誤差在0.05 mm/m以內(nèi)，因此以機床導軌作為標準測量對象，對船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)的直線檢測誤差進行評估。測得機床導軌數(shù)據(jù)后，將測量數(shù)據(jù)導入測量軟件，得到各個有效測量點坐標，偏差值最大為0.11 mm，滿足測量要求。

5 總結(jié)與展望

筆者主要研究了船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了測量系統(tǒng)的搭建方案，以及測量系統(tǒng)的軟硬件組成。同時分析了船舶冷彎肋骨測量系統(tǒng)的誤差來源，并確定了誤差補償方案，同時對測量系統(tǒng)進行了精度測定。所做研究可以實現(xiàn)船舶冷彎肋骨的數(shù)字化快速測量。