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1、電腦輔助自動線加熱船殼板彎製系統之研究,(4)-數值控制船殼板彎製加工系統之研究計劃編號:NCS 88-26-2611-E-006-003執行期限:86年08 月 01日 至 89年07 月 31日計劃主持人:郭興家教授 國立成功大學造船所,簡報內容,摘要:研究緣由與目的:研究方法與概述:系統和模型建立與模擬:實驗結果:實驗成果:,摘要,1.船殼板成型在造船過程中，由於過程是經由人工的方式熱彎成形，加工程序煩索。2.加工技藝傳承不易與工時不易掌控。3.由研究過程得知在熱彎製船殼板的過程中入熱量(Q)，速度(V)與加工路徑是影響加工後板型的重要因素。4.加工過程形變的板形動態變化是控制的重要因素
2、。,5.本研究利用在端點位置動態位置回授方法和過程量測補償方法結合，在模糊控制法則理論基礎下，設計與研究數值控制船殼板彎製加工系統。6.並經實驗結果證實，在12條反算方法所得之加工入熱路徑與Q/V的條件下，經模糊系統加工的船殼板形與模擬所得的板形比較，其平均相似之誤差率約在8%內。7.可證實經模糊控制器控制下的船殼板彎製加工系統，具有良好板形控制能力。,研究緣由與目的,傳統船殼板彎製:傳統的船體外殼形狀成形是經由整順，放樣，切割後，藉由有經驗的技術人員以Oxy-Acetylene線加熱(oxy-acetylene-line-heating 方式做小曲面熱加工，利用熱應力造成形變的方法。,1.小
3、曲面熱加工:利用熱應力造成形變的方法，使船殼板達到所需的曲面外形，此法較利於寬廣的船體外形。2.衝壓和滾軋鋼板方式成形:因受限於加工機械體及模具的大小，故此法僅限於小面積，且大曲面的外形加工。船舶的製造船艏與船艉的外殼部份本研究的目的:為利用模糊法則，發展一套可行的船殼板彎製加工系統，以協助造船自動化的目的。,研究方法與概述,本研究藉由子計劃3之反算方法所得之12條線加工路徑(path)(如表一)，和入熱量與加熱速度之比值(Q/V)為加工系統之輸入條件。以Oxy-Acetylene 為入熱源，懸臂板為固定條件，並以七美輪船體外殼之一面積為實際加工目標。首先先由子計劃2，藉由熱彈塑理論計算合理之
4、熱影響區的參數和，並給予子計劃3，計算出”加工路徑”和”Q/V”。,子計劃3提供的條件，與本計劃實驗所得之動態形變(變形與時間關係)結果，和板形量測經驗，利用模糊理論建構模糊邏輯之歸屬函數，決定出之25條之IF-THEN法則(表二)結合AD/DA,位移計(LVDT)與數控控制器，設計出”數值控制船殼板彎製加工系統”。,The controller block diagram,系統和模型建立與模擬,何以模糊理論建構此系統?*彎製熱加工過程是非線性行為，由一般受控體的數學模式，控制器難以付諸實現。模糊理論:L.A.Zadeh 在1965年提出。優點:不需知道系統確切模式，亦可控制系統。模糊控制器:
5、由四部份所組成(1)Fuzzification interface(2)Knowledge base(3)Reasoning(4)Defuzzification。,Fuzzy controllerKB:knowledge Base,FI:Fuzzification Interface,DML:Decision Making Logic,DFI:Defuzzification Interface,控制器的設計是藉由不同實驗與子計劃3提供的入熱量Q和不同速度V與所得量測點的形變(displacement)資料做知識庫，以提供最佳的控制指令(即25條規則庫)。控制器是以固定的入熱量下由端點量測點的形
6、變量為回授值，利用LVDT感測的形變量與目標值之形變誤差量，與形變誤差量的一次微分量做回控，控制數控實驗平台移動熱源的馬達速度(V)，改變移動速度成為(V+CI)，CI為模糊調變之速度值。,模糊函數之歸數函數數學模型(membership function),形變誤差量的歸數函數為:形變誤差量的一次微分兩者的模糊子集為:,CI的歸數函數為 其的模糊子集 模糊化的方法是以面積形心法(center of area method)。,量測補償因子,因第一條加熱線加熱後，其板形與實際板形目標有誤差，在加熱第二條加熱線前，令量測補償因子()。其調變關係如下式:,Membership functions,
7、Fuzzy Rule Table（5 5）-about 1 sec,The flowchart of the active fuzzy controller,新的輸入馬達之速度為:實驗方式得形變與時間的關係為:經拉式轉換，其受控體的轉移函數為:,實驗平台所推得的轉移函數,實驗條件,本研究實驗設備包括：NC加工機及平台、位移計(數位式和LVDT)、直流伺服馬達、紅外線溫度感測器、AD/DA卡、和PC。熱功率控制在約在500W1000W，實驗鋼板幾何如圖所示(實際七美輪船之一放樣面積)，板厚5mm,材料為SM41,夾持條件為懸臂樑。以移動式位移計量測實驗鋼板曲面，並以固定式位移計量測及回授動態形變
8、信息。,位移計量測位置,在實驗前，首先經實驗決定位移計量測位置。,實驗設計部份由前二年的雷射與火炬熱彎板實驗過程發現在固定入熱量Q調變移動速度V將改變角變形量(即改變彎板曲面形狀)，但其過程為非線性，故不宜以傳統控制法則控制系統。因而採用模糊理論撰寫控制程式由文獻11中顯示熱加工彎板角變形量與Q/V有關。由焊接理論得知不同Q與V值是可以組合無窮組的相同。其不同組的Q和V造成的熱加工過程之形變的動態行為，和形變結果會有些許差別。何況是船廠內在線上實際加工難免會有環境變因，比擬此情形好比系統有一微擾。,研究結果顯示藉由本研究之模糊系統在相同值，不同的Q和V下和同樣的加工條件下，熱彎板的變形重現情形
9、即佳。且過程中，每加工一條加熱線，經由量測的板形形變值與預測板形形變值比對誤差，修正模糊系統的值。此法將有助於理論計算(子計劃2和3)，與沒有經由模糊控制器之加工方式所得實際熱加工彎板之板形，更趨近所放樣之七美輪船殼之一面積外型，其結果如圖所示。,實驗過程發現Q/V是有一定範圍，若過大則彎曲能力反而變差，曲面加工效果也會變差。其原因為過大的Q/V，其加熱區(熱影響區)的彎曲力矩將降低。若過小的Q/V，則彎曲能力也會變差，曲面加工效果也會變差，其原因為給予的入熱能量，沒有過多的能量超越彈性限到達永久形變的塑性範圍。為避免過大，第一、三、五條加熱線施以兩次加熱，即每次以加熱1/2(Q/V)。經由實
10、驗過程的比對觀察：第一、二、三、四、五和六條加熱線，的建議值約在20W35W。,實驗結果,同時在相同條件，子計劃3同時以MARC做數值模擬比對實驗結果，如圖8所示由上而下之曲面分別為:七美輪船殼曲面MARC數值結果模糊控制器控制結果由反算所提供之實驗加工的結果。實驗結果顯示，若以經模糊控制器控制之彎板量測線平均位移量，與預測模擬之量測線平均位移量，其誤差在8%內。若經模糊控制器控制之彎板左、右兩端點的位移量，與預測模擬的左、右兩端點的位移量，比較其誤差，約在22%內。,實驗結果與模擬結果之比較,經由模糊控制的馬達速度輸出,感測點位移回授圖(形變與時間關係圖),The result of the
11、 experiment by predicated paths and Q/V in both Line 1 and Line 2,END,Thanks every professor for helping us.Thanks every younger classmate for the effort of the study.Thanks God.,以下為補充說明圖,The surface shape is calculated by the thermo-elastic theory,The result of the experiment by predicated paths and Q/V in both Line 3 and Line 4,Fuzzy Rule Table(Ref.IEEE)-(7x7)over 1min.,Fuzzy Rule Table（3 3）,為何經由“模糊控制”,If Q/V=10;Q=100,V=10Q/V=10If Q/V=10;Q=110,V=11Q/V=10,最後的實驗結果,
