船舶轴系智能装配系统应用研究

聂建栋* 张 昭

(海军装备部,湖北 武汉430060)

针对船舶轴系现有装配工装存在着安装质量难以保证、工作效率低下、设备简陋的突出问题,通过采用无接触的3D扫描成像技术、残缺图像分析拟合技术、空间运动控制技术、高精度位置伺服控制技术,研发该船舶轴系智能装配系统,使船舶轴系的装配质量和装配效率得到显著提高,并使轴系的工作性能指标具有可溯源性[1-2]。本文通过开展船舶轴系智能装配系统的功能及结构分析,并在实验室轴系试验台架上进行中间轴与艉轴的对中工作,经百分表打表检验表明对中效果良好。

1 船舶轴系智能装配系统功能及结构分析

1.1 船舶轴系智能装配系统工作原理

轴系的对中过程,可以认为是一个刚体的空间位置和姿态的调整过程。通过控制刚体上的两个支撑点,可以实现整个刚体的运动控制。其工作原理示意图如图1所示。

图1 工作原理示意图

1.2 船舶轴系智能装配系统结构设计

本设备中主控制系统、驱动控制系统、作动部分、支撑部分及测量系统的布置及相互关系如图2所示。机械臂携带三维测量仪,根据主控系统发来的控制信息,在一定的空间范围内连续扫描对接法兰的状态,获得对接法兰的空间信息。主控台通过智能算法获得法兰之间的相互关系、规划对接路径,向驱动控制系统发送协调运动指令,驱动控制系统指挥作动部分运动,同时主控台检测力传感器反馈的信息,对对接效果进行自主评判,实现船舶轴系的智能对接。在布放该设备时,由于2个四轴运动机构之间没有刚体相互连接,使用过程中可以根据台面的实际情况,允许运动机构之间有其它设备或障碍物。设备的应用具有良好的工作场地适应性。

图2 三维示意图

2 船舶轴系智能装配系统应用效果分析

为验证船舶轴系智能装配系统的实际应用效果,在试验室轴系试验台架上,设定两个工况,分别使用该船舶轴系智能装配系统完成中间轴与艉轴的对中工作,并用百分表打表检验对中精度及步进精度效果。

试验中,在中间轴和艉轴法兰端面及外圆左右对称两侧均架设共四块百分表,并在外圆上、下、左、右各做相隔90°的四等分标志点,作动器调整姿态到位后检验人员转动中间轴至标志点位置,每转90°测量一次各百分表数据,工装应用效果测试现场如图3所示。

图3 船舶轴系智能装配系统应用效果测试现场

2.1 对中精度验证效果

使用该智能装配系统控制作动器运动,调整中间轴姿态至任一状态,在该状态下使用百分表打表,计算出初始状态的偏差。在该状态下,按照最理想状态“0-0”要求进行对中,使用该智能装配系统对标记点进行扫描,作动器按指定路径调整中间轴姿态进行中间轴与尾轴对中,经粗调与精调两次扫描作动,总用时在20分钟以内,整个工作完成后使用百分表检查对中精度,计算调整后偏差。最终,得出初始状态与理想状态对中调整后偏差对比。结果见表1。

表1 中间轴与中心轴中心线测量偏差对比 单位:0.01 mm

由表1中测试数据可知,中间轴与尾轴之间的对中精度满足偏移≤±0.15 mm,曲折≤±0.20 mm/m的技术要求。

2.2 步进精度验证效果

步进精度验证在垂直与水平方向分别进行。使用该智能装配系统控制作动器运动,调整中间轴姿态至任一状态,同样在该状态下使用百分表打表,计算出初始状态偏差；在该状态下控制作动器发出中间轴向-Z方向(垂直)移动0.05 mm的指令,状态调整到位后使用百分表打表测量并计算中间轴与尾轴之间的对中精度；在该状态下继续发出控制作动器向+Y方向(水平)移动0.05 mm的指令,状态调整到位后使用百分表打表测量中间轴与尾轴的对中精度。具体对中偏差见表2。

表2 步进时艉轴与中心轴中心线测量偏差对比 单位:0.01 mm

由表2数据可知,与初始状态比较,Z方向移动0.05 mm后,中间轴与尾轴的上下偏移变化0.045 mm,其它方向上的偏移、曲折均几乎无变化,与作动器控制的0.05 mm相比较,此时的步进精度达到0.005 mm,满足步进精度在0.02 mm以内的技术要求。同样Y方向(水平)移动0.05 mm与垂直方向调整后的状态相比,中间轴与尾轴的左右偏移变化0.04 mm,其它方向上的偏移、曲折均几乎无变化,与作动器控制的0.05 mm相比较,此时的步进精度达到0.01 mm,完全满足步进精度在0.03 mm以内的技术要求。

3 结论

综上所述,经试验验证,船舶轴系智能装配系统可以高效、准确的完成中间轴与艉轴的对中工作,对中精度及步进精度均满足技术要求,应用效果良好。