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1、造船（中钢板）焊接变形的自动火焰矫正工艺系统第42卷第1期2006年1月机械工程Vo1.42No.1CHFNESEJOURNALOFMECHANICALENGFNEERFNGJan.2006造II(N板)焊接变形的自动火焰矫正工艺系统水张志英江志斌虞成全(上海交通大学工业工程与管理系上海200030)摘要;焊接操作是造船生产最重要的作业形式之一,焊接变形是不可避免的,变形矫正就成为造船生产的重要工种.针对目前船舶变形矫正以手工经验操作为主的现状,开发了自动火焰矫正工艺系统,以船体建造过程中典型的三类构件的焊接变形为对象,用逻辑推理的方式生成手工火焰矫正的标准工艺方法,采用人工神经网络确定部分火
2、焰矫正的工艺参数.实例操作获得了令人满意的变形矫正效果,证明该方法可有效地提高火焰矫正的效率与矫正质量的稳定性,并为实现火焰矫正的自动化提供了理论基础.关键词:火焰矫正造船逻辑推理神经网络?中图分类号:TH160前言船舶工业是传统的劳动密集型装配制造业,焊接操作是其中主要的作业形式之一.因此,在造船生产过程中必然会存在各种各样的钢板焊接变形,矫正就成为造船生产中一项不可缺少的工种.船厂常见的矫正方法有两种【l】:机械矫正与火焰矫正(俗称火工矫正).机械矫正法是利用人力或机械的作用矫正变形,适用于矫正较小的零件.火焰矫正是指利用金属材料的热胀冷缩特性,通过对钢板进行局部加热的方法矫正变形.对于组
3、件和分段等大件,只能用火焰进行矫正.由于火焰矫正具有设备简单,就地矫正和机动灵活等特点,所以在船厂得到广泛的应用【2】.火焰矫正主要有手工加热矫正和自动化设备加热矫正等方法3】.自动化设备加热矫正方法利用先进的设备自动加热,从而矫正钢板的变形,具有矫正效率高,矫正质量优等优点,但是设备昂贵,生产成本高.目前在国内造船企业中,火焰矫正主要以手工加热矫正为主,虽具有设备简单,操作方法容易掌握和矫正成本低等优点,但要依赖于操作工的经验来完成,不同的操作工之问差距较大,即使同一个操作工,在不同情况下其经验判断能力也可能有很大不同.这大大制约了矫正效率与矫正质量的提高,提高了生产成本,同时也使生产具有较
4、上海外高桥造船有限公司资助项目.20050226收到初稿,20050919收到修改稿大的不确定性,给制定生产作业计划造成困难.因此,如何将这些技师的经验和知识抽象为标准的火焰矫正规范就成为目前国内造船企业迫切的任务之一.经研究发现,焊接变形具有一定的规律性钔,这为研究针对焊接变形的火焰矫正提供了可能性.由于船体结构复杂,存在的焊接变形也是各式各样的.经统计,板架,拼板和T型钢三种构件占船厂构件的比例在7O%以上.在研究上海某造船企业曲面中心的分段建造工艺的基础上,开发了自动火焰矫正工艺生成系统,该系统以三类代表性的焊接构件作为研究对象,对其手工火焰矫正的工艺进行标准化,规范化研究,用逻辑推理的
5、方式实现火焰矫正工艺的自动生成,同时结合神经网算法确定火焰矫正工艺参数.1造船火焰矫正工艺自动生成系统1.1系统框架利用VB.Net开发了造船火焰矫正工艺自动生成系统口】.该系统主要由四个模块构成,分别为:火焰矫正方法推理模块,火焰矫正设备选择模块,火焰矫正参数选择模块以及神经网络模块.系统框架如图1所示.各模块功II!II下.1.2火焰矫正方法的确定该模块根据船体构件的结构类型,焊接变形形式,变形参数以及火焰矫正方法的知识库推理确定出合适的火焰矫正方法.2006年1月张志英等:造船(中钢板)焊接变形的自动火焰矫正工艺系统.-._一,【.苎三兰竺璺j=二lr图I自动火焰矫正工艺系统框架?知识库
6、火焰矫正方法主要指加热方法,常用的火焰加热方法有点状加热法,长条形直线加热法,短条形直线加热法,三角形加热法.点状加热法常用于火焰成形或局部矫正作业中,直线加热法和三角形加热法用于火焰矫正中【4J.下面就三种典型构件焊接变形的矫正方法进行研究.(1)板架T型角接焊缝变形.板架结构是船体主要的构件形式之一,主要由纵,横构件角焊而成,焊接变形一般呈现为瘦脊变形或波浪变形】,其中,中厚板架以瘦脊变形为主,而薄板以波浪变形为主.由于船体板架的钢板主要是中厚板(通常厚度大于8mm),因此主要研究瘦脊变形的火焰矫正(图2).根据实际操作经验,其加热方法应采用直线加热法,加热线位于板架背面与骨架相对应的位置
7、,根据变形量的不同加热线条数有所不同,变形大的采用双线加热(图2a),变形小的用单线加热(图2b).变形的大小可根据精度要求设定,变形角度定义如图3所示.面板(且)?,骨架(b)图2T型角接焊变形矫正变形后形成线/</,_L一.变形前基准图3变形角度示意图如变形角度5.时采用双线加热,l.5.时用单线加热,而1.不用矫正.因此,板架T型角接焊缝的变形矫正方法的推理过程可以用如下逻辑代码描述.If(Weldingtype=Filletwelding)and(Weldingjoint-=-T)and(Hl>=8)ThenIf(5>=1)Then(Rectify=LH)and(Li
8、nearm=1)ElseIf>=5)Then(Rectify=LH)and(Linenum=2)(2)拼板对接焊缝变形.拼板对接焊缝的变形主要包括纵向弯曲变形和角变形,由于船舶用板材一般为中厚度板,因此纵向弯曲变形可忽略不计,主要研究角变形的火焰矫正方法(图4).根据经验,对接焊缝角变形的火焰矫正方法应采用长条形直线加热法,若变形量较tJ,(1.<5.),可直接在靠近焊缝的两侧位置加热,而当变形量较大(/r5.),则先在焊缝两侧较平整的位置进行加热,待线形和顺之后再在位置加热.焊缝加热线图4拼板对接焊缝角变形的矫正拼板对接焊缝角变形的手工火焰矫正方法的逻辑推理代码如下:If(Wel
9、dingtype=Buttwelding)and(Hl>=8)ThenIf(5>,8>=1)Thenl98机械工程第42卷第1期(Rectify=LH)and(Linenum=2)ElseIf(fl>=5)Then(Rectify=LH)and(Linenum=4)(3)T型钢焊接变形.T型钢通常有三种变形类型(图5),分别是T型梁横向弯曲(图5a),T型梁纵向弯曲(图5b)以及面板角变形(图5c).肘腹板面板T形梁横向弯曲(a)T形粱纵向弯曲面板角变形(b)(c)图5T型钢焊接变形的矫正其中横向弯曲通常是由于单面焊接所引起的,而造船T排流水线通常采用双面焊接,因此,横
10、向弯曲变形很少.纵向弯曲一般为腹板外凸弯曲变形,它是由于焊缝轴线与焊接结构件的中心轴不重合所引起的,根据实际操作经验,其矫正方法是从腹板2/3高度开始,由里向外用三角形加热法,三角形间距可以根据经验数据取500600mill,也可以用神经网络算法仿真获得.面板角变形的矫正方法与板架瘦脊变形矫正方法类似,如图5c所示,若面板宽度在60mrs以下时,角变形不明显,可以不矫正.因此,T型钢焊接变形的手工火焰矫正方法的逻辑推理代码如下;(1)T型梁纵向弯曲变形If(Parttype=T)and(Weldingtype=Filletwelding)and(Weldingmode=D)and(;1)The
11、n(Rectify=TH)and(Height-2W2/3)(2)面板角变形if(Parttype=T)and(Weldingtype=Filletwelding)and(Hl>=8)and(H2>=60)ThenIf(5>=1)Then(Rectify=LH)and(Linenum-1)ElseIf>:5)Then(RectifyLH)and(Linenum=2)上述各种变形矫正的逻辑代码可归纳为表1所示内容.表1手工火焰矫正方式选择表组件类型板架拼板T型钢焊接类型角接对接角接瘦瘠角面板角纵向弯变形类型变形变形变形曲变形基板厚度,/mm>8>8>8&
12、gt;8面板厚度mm>60直线直线直线三角形矫正方式加热加热加热加热变形角度(.)加热线条数高度5.24l兰_I1.3l.序:5.l22詈p<l.OOOO注:?一三角形加热的腹板高度,J广一焊角高度.l-3火焰矫正设备选择模块该模块在火焰矫正方法,焊接变形参数,火焰矫正设备知识库的基础上,选择合适的火焰矫正设备.手工火焰矫正设备主要是指氧炔焰焊具,评价指标主要是指氧炔焰嘴口径,口径大,则加热功率大,矫正变形大,口径小,则加热功率小,矫正变形小.焰嘴口径有5种型号,由小到大依次为l5.对于不同厚度的板,应该采用不同的加热温度来矫正,则采用不同的焰嘴号.焰嘴号与板厚,加热温度存在一定的
13、对应关系.根据参考文献【6可知,焰嘴号的选择可根据表2来进行.表2焰嘴号与板厚的对照表板厚8/ram<3356121240>40焰嘴号12345例如:基板板厚是10rain,则应采用3号氧炔焰嘴.1.4火焰矫正工艺参数确定火焰矫正工艺参数主要包括火焰功率,加热温度,加热速度和加热面积(an热宽度).工艺参数的合理选择是火焰矫正的关键,选择不当将会严重影响矫正效果,甚至达不到预期的目的.该模块根据确定的火焰矫正方法,火焰矫正设备以及火焰矫正2006年1月张志英等:造船(中钢板)焊接变形的自动火焰矫正工艺系统工艺知识库选择合适的火焰矫正工艺参数.1.4.1火焰功率与加热温度的确定火焰矫
14、正效果主要依靠火焰加热深度引起变形来实现,加热越深,引起的变形越大,矫正效果就会越明显.由于加热深度是由加热速度与加热温度共同来决定的,且火焰矫正的冷却方法通常采用空冷法1】,因此需要确定的工艺参数主要是火焰功率,加热温度,加热速度与加热面积(或加热线宽度1.火焰功率对矫正效率影响较大,火焰功率的强度用单位线能表示,单位线能越大,功率越强,钢板变形量就越大,因此在不致过烧的情况下应使火焰功率最大.火焰功率的大小主要取决于氧炔焰嘴口径的大小.口径越大,火焰功率越大.加热温度对火焰矫正变形量的影响也相当显着.一般地,横向收缩变形随温度增高而增大,但当温度超过900时,增大不显着;角变形随温度增高而
15、增大,而薄板(厚度小于8mm)达到一定温度(约750)后,增加不显着;此外加热温度还受到材料性质的限制.在实际操作过程中,对于火焰温度的判断一般通过加热过程的颜色变化来完成.根据参考文献4,6,焰嘴号,加热温度与火焰颜色变化可以根据表3进行选择.表3焰嘴号与加热温度,颜色变化的对照表例如:当采用2号焰嘴加热进行火焰矫正时,则当火焰颜色从暗樱色变成深樱色就达到要求.1.4.2加热速度与加热面积(加热宽度)的确定加热速度是指长条形加热法的移动速度(图6a),加热速度对成形效果影响最大.对于一定厚度的钢板,当速度太慢时,正反面温差小,变形量小;而当加热速度太大时,单位线能量减少,变形量也变小.为了获
16、得最佳的变形量,需要选择一个最优的加热速度.加热面积(图6b)或加热宽度对变形量的影响也m(a)(b)图6加热速度,加热面积与加热宽度很大.对于一定厚度的钢板,当加热速度固定时,横向收缩随加热面积(或加热宽度)的增大而增大,而当面积(或宽度)达到一定的值以后,再增加,变形量反而减小.为了获得最佳的矫正变形效果,需要确定一个最佳的加热面积(或宽度).由于火焰矫正的目的是为了消除钢板焊接之后已有的变形,火焰矫正加热所产生的变形量应该等于钢板的原变形量,通过分析这两种变形量的影响因素,可建立因素之间的映射关系,从而确定火焰工艺参数.下面分别建立三类焊接构件的映射关系模型.(1)板架T型角接焊缝变形.
17、根据参考文献6,7,影响角接焊缝的角变形量大小的因素主要有焊角高度和钢板厚度,用函数式描述如下.=G(,h)(1)式中角变形量h焊角高度肋板厚度影响火焰矫正变形量的因素主要有火焰功率,加热温度,加热速度,加热宽度,而根据表2,3,焰嘴号与加热温度由板厚决定,因此决定变形量的因素为基板板厚,加热速度与加热宽度,用函数式描述如下=F(v,b)(2)式中火焰加热变形量v加热速度b加热宽度令0,联立式(1),(2)得F(v,b)=G(,h)(3)将式(3)变形得f(v,b)=g(,h)(4)上式表明在板架T型角接焊变形矫正中,加热速度,加热宽度与钢板板厚,焊角尺寸之间存在一定的映射关系.(2)拼板对接
18、焊缝角变形.影响对接焊缝角变形的因素主要有,焊接断面尺寸(如断面面积),焊接坡口形状,以及焊道数.而影响火焰加热变形量的因素是加热速度,加热宽度与基板厚度,因此有如下关系式成立f(v,b)=g(,A,S,N)(5)上式表明在拼板对接焊角变形矫正中,加热速机械工程第42卷第1期度,加热宽度与基板厚度,焊接断面积,坡口形状,焊道数存在一定的映射关系.(3)T型钢焊接变形.影响T型钢纵向弯衄变形量的因素主要有,h,以及焊接偏心距Jl:而影响火焰加热变形量的因素有,加热三角形间距f1,以及加热时间t,因此存在如下关系式f(A,12,t)=g(,h,f1)(6)上式表明在T型钢焊接变形矫正中,加热面积,
19、加热三角形间距,加热时间与板厚,焊角高度,焊接偏心距存在一定的映射关系.式(4),(5)和(6)建立了三种焊接变形的矫正参数关系,可以确定在矫正焊接变形时火焰的加热速度,加热宽度,加热面积,间距和加热时间等参数.但这些关系是多输入多输出的隐式映射函数关系,传统的解析方法中无法获得明确的解析解.1.5神经网络训练模块神经网络由输入层,中间层和输出层三个基本部分组成.神经网络的主要特征是:大规模的并行处理和分布式的信息存储;良好的自适应性,自组织性和自学习能力.这些特点决定了神经网络在多参数控制方面的应用8】.该模块利用神经网络的功能,通过训练现场采集的火焰矫正数据,获得火焰矫正的其他重要工艺参数
20、.下面以板架T形角接焊缝变形的矫正过程为例.采用图7所示的三层BP神经网来仿真式(4)所表示的映射关系,其中输入层有三个变量分别对应(mm),(mm)与h(删m),中间层有7个节点,输出层有两个变数,分别为v(mm/s)与b(mm),激励函数选择Sigmoid函数.图7BP神经网结构通过跟踪现场技师的操作获得的有效数据,共有20组,运用MATLAB6.0软件的神经网络模块加以模拟,经过20万次的训练,误差达到0.013,输出训练结果见表4.对于其他映射关系(式(5),式(6)同样可以采用神经网络训练获得满意的矫正工艺参数.表4板架T型角焊缝神经网络训练结果基板肋板焊角加热加热板厚板厚高度宽度速
21、度6v/mm如/mmh/mmb/mmv/(mm?s_)注:b?b的训练结果;v?v的训练结果.2实例验证以上海某造船厂曲面加工中心加工的一类板架构件为例,其类型为纵舱壁(LB),结构如图2b所示,由基板和6个角钢角焊而成,其中基板厚度为12illln,角钢厚度为10illln,焊角高度为6rnm,角变形量为3o.利用火焰矫正工艺自动生成系统,推理出该板架构件的火焰矫正方法应为长条形直线加热法,且为单线加热;火焰加热焰嘴号为3号,加热温度为750800.C,火焰颜色从深樱色变为樱红色;加热宽度为25.2illln,加热速度为6.51mm/s.验证分为两个步骤:让技师根据自己已有的经验判断火焰矫正
22、的方法和参数来进行火焰矫正,获得工艺方法及工艺参数如下为焰嘴号3号,单线加热,根据颜色判断加热温度大约在800左右,矫正18rn的平均加热速度为7.5mm/s,平均加热宽度为23illln,经过一次矫正后达到精度要求.让技师按照系统生成的工艺参数结果对相同的构件进行矫正,结果同样获得了满意的矫正效果.由于工人手工操作的局限性,矫正的质量难以控制:而且,影响变形的因素是很复杂的,彼此之间也可能存在影响关系,因此仅用这几项来推理矫正参数存在不可避免的系统误差.如在本实例中,加热宽度误差为9.5%,加热速度误差为13.3%.此处认为该系统对其他类型的变形也可以获黔叭s!醯矾:兮55344556695
23、7666676948183669399712559O93如如砷加弘加H加钉褥钉M褥H的553445566557665776l9如的加,:2:2m加:2mHMm2006年1月张志英等:造船(中钢板)焊接变形的自动火焰矫正工艺系统201得满意的矫正效果,但鉴于实例在数量上还不足.为了进一步验证这一方法的切实可行性.我们正继续对该方法进行推广试验中,以期获得批量使用的效果.3结论开发了原型系统实现火焰矫正工艺的自动生成,采用逻辑推理与人工神经网相结合实现了火焰矫正工艺的自动生成,为人工火焰矫正建立了标准的操作工艺,提高了火焰矫正生产效率与生产过程的稳定性,实现手工操作经验的系统传承与标准化,规范化,
24、同时该研究成果为实现火焰矫正的自动化提供了基础,对研究更为复杂的火焰成形具有一定的参考价值.参考文献1】刘志刚.船舶焊接变形的控制与矫正J】.船海工程,2002(1)19-20.2】赵全第,贾福华,程公振,等.火II艺学M】.哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1989.【3】PHILIPCK,HITOSHIN,KOICHIB.LeanProductionintheJapaneseShipbuildingIndustryR/OL.http:/www.O111-globa1.navy.mil/reports/2002/JSP_papcron_Lcan_1一May_Rev_C.pdf.4】杜银霞,杨
25、中地.焊接变形的原因分析及其矫正J】.变压器,1998(11):22-26.5】CliOKl(,SUNJG,OHJS.AnautomatedweldingoperationplanningsystemforblockassemblyinshipbuildingJ.Int.J.ProductionEconomics,1999(6):203.209.【6】船体工艺手册编写组.船体工艺=-Jifl-M.北京:国防工业出版社,1978.7】船舶焊接手册编写委员会.船舶焊接手JiflM.北京:国防工业出版社,1995.8伍奎,谢永春,李润方,等.智能化系统的有机组合推理及优化J】.重庆大学,2003(6
26、):1-5.AUToMTEDMETHoDoFFLAMERECTIFICATIoNPRoCESSoF,LDINGDISToRTIoNFoRMEDIATESTEELPLATEADSYSTEMINSmPBUILDINGZHANGZhiyingJIANGZhibinYUChengquan(DepartmentofIndustrialEngineering&Management,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030)Abstract.Theweldingisoneofthemostimportantandprevalentprocessesforsh
27、ipbuilding.Soweldingdistortionisinevitableandrectificationbecomesimportanttask.Aimingatthesituationofmannaloperationinflamerectification,prototypeisdevelopedtorealizeautomationofflamerectifica-tionprocess,threekindsoftypicalweldingcomponentsarechosenasobjectstoestablishautomaticallystandardflamerect
28、ificationprocessbylogicreasoning.Inaddition,appropr-iateprocessparametersareobtainedbasedonneuralnetwork.Anexampleisimplementedtoattainapprovingrectificationresult.Itindicatesthatthesystemcanimprovetheefficiencyofflamerectificationandstabilityofrectificationquality.Asaresult,thefundamentforautomationofflamerectificationprocessisestablished.Keywords,FlamerectificationShipbuildingLogicreasoningNeuralnetwork作者介绍:张志英,男,1971年出生,博士后.主要研究方向为工作研究,生产计划与控制和CIMS.E.mail:zhangzy
