面向智能生产线的船舶曲面分段通用胎架设计

肖 雄，江 帆，吴伟国，连俊茂

（九江职业技术学院，江西九江 332005）

0 引言

胎架是船舶建造过程中一种必不可少的工艺装备，在分段，尤其是曲面分段的装配和焊接过程中，胎架的工作面与分段外形相贴合，支撑分段无骨架的部分，为分段建造提供良好的工作环境，对于控制焊接变形、改善施工条件、提高建造精度，以及加快建造进度等各方面都有重要意义。

《推进船舶总装建造智能化转型行动计划（2019—2021）》明确提出“加快中间产品智能生产线建设”。船体分段作为现代化总装建造模式的典型中间产品，实现其流水线生产是造船企业建设智能车间的关键任务。当前，国内外先进造船企业利用辊道运输和焊接机器人等先进技术，实现了平面分段的流水线自动化生产。然而，受制于胎架制作、曲面焊接和曲面装配等技术，曲面分段一直采用大量的人工操作，分段建造效率低、精度差、成本高且材料耗费严重，与实现流水线生产的目标相距甚远。

在对船厂现用支柱式通用胎架技术进行缺陷分析的基础上，本文根据未来智能化生产线对胎架技术提出的要求，提出一种新型船舶曲面分段建造胎架，并对该胎架的设计方案和试制样品进行详细介绍，研究成果可为现用胎架技术的改进以及智能生产线自动化胎架技术的研发提供参考。

1 船厂曲面分段胎架应用现状

1.1 常用胎架形式

目前船厂较为常用的曲面建造胎架分为专用胎架（见图1）和支柱式胎架（见图2）2种。

图1 专用胎架

图2 支柱式胎架

专用胎架，即为制造某一特定船体分段而专门设计的胎架。这种专用胎架只适用于单一的分段，如果分段不一样，则需要重新搭建，或对现有胎架进行修整，以达到相应的曲面要求。一般用在曲面复杂的艏部和艉部分段产品中。

支柱式胎架由多根高度可调节的支柱组成。胎架线型不需要用样板划线，直接以坐标型值定出。支柱由内、外2根不同口径的管子套接而成。按不同间距在内管和外管上钻取数排销孔，以便在调节支柱的高度后可将销轴插入相应的销孔中对胎架进行固定。

1.2 船厂现用胎架存在的主要缺陷

专用胎架：为制造某一特定船体分段而专门设计，往往只能在一个项目里使用，对工时、人力和材料的浪费严重，只在建造一些曲面复杂的分段时少量制作。

支柱式胎架：1）支柱头通常为圆头，不利于分段固定，特别是对于曲度较大分段，容易引起分段滑移；2）支柱式点接触容易在接触点附近产生较大的结构变形；3）支柱高度通过插销调节，可调进程较小，而且高度调节仍需配合手工测量，调节效率低且精度差；4）建造时需固定支撑分段，分段完工后不能移动，需借助吊装设备进行高空作业。

总的来说，船厂现用胎架存在较大的技术缺陷，是船舶曲面分段模块精益化建造和自动化建造急需突破的关键技术瓶颈。

2 新型胎架设计思路

胎架是船体曲面分段建造过程不可或缺的工艺装备，船舶曲面分段个体差异大、制造批量小。胎架的通用性、制作效率和曲面造型精度等与船舶整体建造质量和效率息息相关。为开发出适用于任意曲面、有利于曲面分段精度控制，且具备自动化升级潜力的通用胎架，需从5个方面对新型胎架进行设计和研发。

2.1 自适应方形平面支撑

为实现绕支柱 360°立体旋转和自动适应分段外板曲面变化形式的目标，设计了方形小平面支撑头（见图3）。该支撑头可始终紧贴外板曲面，有效增大接触面积、平摊接触应力，不仅能减小接触点的压强，还能增大接触面摩擦力，从而改善传统圆头支撑（见图4）引起的外板变形和外板滑移问题。

图3 方形小平面支撑头

图4 传统圆头支撑

2.2 磁吸式胎面

利用电磁技术改造方形支撑头，形成自适应方形电磁铁支撑面（见图5），使胎架面具有磁吸力，并能通过电流开关切断和控制磁吸力。在船舶曲面分段外板拼接、构件装焊和分段装配过程中，通过电流开关调节，在需要的时候吸紧曲面分段外板，一方面可防止分段装配过程中发生滑移，另一方面可有效提高分段建造的精度。

图5 自适应电磁式支撑柱

2.3 高精度数显升降

改变传统支柱插销式或套筒式的直线调节方式，采用涡轮蜗杆螺旋传动技术。利用螺旋传动精度高、可靠性高、具备自锁功能，以及结构简单等优点，将支柱改装成手摇式或电机式高精度升降丝杆支柱，并加装机械式转数计数器（见图6）。显示屏可实时数显丝杆升降高度，可有效提高胎架支柱调节的效率和精度。

图6 高精度数显式升降丝杆

2.4 三向可调支柱

改变传统固定式支柱支撑方式，将每根支柱设计成沿着外板长边和短边2个方向自由可调节的新形式，考虑支柱高度方向的升降调节，形成三向可调支柱（见图7）。三向可调支柱大大提升了胎架曲面的精度，此外，还能避开一些曲面分段结构的特殊点，扩大了胎架的适用范围。

图7 三向可调支柱

2.5 轨道式运输

在胎架平台下安装轨道滑轮，当分段完工需要移动时，整个平台借助轨道滑轮可以自行移动，代替了利用大型拖车或吊车的传统吊运模式，可节省大型拖车或吊车的投入，减少高空作业的比重，有利于船舶分段的流水线智能制造。

3 新型胎架的适用性分析

3.1 自适应电磁式支撑有利于控制分段滑移与焊接变形

新型胎架采用一种自适应电磁式平面吸盘。一方面，平面吸盘与外板接触为面接触，平摊支撑应力可有效减小接触点的变形；另一方面，在分段建造过程中，可根据需要接通电流开关，利用电磁吸力吸紧外板曲面，防止分段产生滑移，减小后续焊接和装配等工序对分段造成的结构变形。

3.2 数显螺旋式支柱可提高胎架造型的精度与效率

利用涡轮蜗杆传动技术和数显装置改造胎架支柱，实现支柱高精度调节以及实时数显，不需配合手工测量，可有效缩短胎架曲面造型的调节时间，提高胎架支柱的调节精度。

3.3 支柱三向调节可实现胎架曲面造型的自动化

创新设计三向可调支柱，不仅在高度方向上实现丝杆高精度升降调节，还使立柱可在外板宽度和长度2个方向上沿刻度滑轨移动，进一步优化了胎架曲面调节过程，扩大了胎架的适用范围，有利于实现胎架曲面造型的自动化。

3.4 移动式设计可实现分段建造与运输一体化

在胎架底部安装导轨或万向转向轮，可便于分段的移动，为曲面钢结构的运输和流水线加工提供便利，避免了大量曲面钢结构的吊装工作，减小了空中作业的比重。

4 结论

综合来看，新型胎架的设计改变了现用胎架点接触支撑的模式，采用数显式和三向可调的支柱调节模式，并赋予整体胎架可移动功能。新型胎架在一定程度上能够解决现用胎架支撑点变形滑移和制作效率低等技术缺陷。电磁吸面、电动升降和轨道运输等胎架造型与移动模式可为自动化胎架技术提供参考，新型胎架具备与未来曲面分段智能生产线相适应的潜力。