据中国工信部造船量和订单量的最新统计数据(截止到2019年1月16日):2018年年度完成的造船量为3458万吨(载重),持有的订单量为8931万吨(载重)。截至到2018年12月底中国造船规模,按三大载重吨数来计算,所占全球造船市场份额数已超过40%。上述数据表明,我国造船量为世界第一位。船体的外板加工制造在造船行业中占有着举足轻重的地位,船体外板弯板加工的工时量大约为整船制造工时量的25%～35%。目前水火弯板在进行作业时主要凭借经验丰富的技师,手持热源火枪加热和水枪跟踪冷却的方式,使钢板产生塑性成型。这对弯板成型加工的效率提出了巨大挑战,迫使水火弯板加工这种纯手工的劳动密集型生产方式加速变革,提高水火弯板生产效率的问题亟待解决。因此研发出可以代替工人的自动化水火弯板机器人成型装备势在必行。本文针对目前传统手工水火弯板作业中存在的问题,课题组与广船国际共同研发出第三代水火弯板机器人智能成型装备,可代替技师进行自动作业和自动成型检测。具体的研究工作如下:1.水火弯板机器人运动控制系统设计:研究水火弯板机器人机械结构,参与设计了龙门式框架的弯板机器人成型装备,通过动力学分析建立了弯板机器人五轴动力学方程,并对成型装备各运动轴运动学控制坐标量求解;研究水火弯板机器人的控制系统方案,设计了弯板机器人电气控制系统各组成部分架构,进行了伺服电机电路驱动设计;研究弯板机器人数据转换接口,设计了测量与目标数据的输入规则和控制文件与输出接口,解决了机械轴的位置移动与火枪头方向控制问题。2.水火弯板机器人机械臂控制方法:研究水火弯板机器人机械臂系统,提出了一种带有不确定性的水火弯板机器人机械臂系统建模,并对其进行了控制器设计;针对弯板机器人机械臂系统存在输入受限约束,为防止被控系统出现抖动,结合双曲正切函数的数学特性,设计了有效解决输入约束问题的控制方法;针对弯板机器人机械臂系统存在各种未知干扰,又因其具有不确定性无法在控制方法中进行直接处理。因此本文结合自适应控制,设计一种可有效动态补偿未知不确定干扰的约束控制方法。3.船体外板水火弯板成型技术研究:研究外板成型物理性能规律,分析了弯板成型热工原理和线状加热成型机理,以及外板成型过程和成型影响因素;研究弯板成型过程模型,建立了温度场和变形场数学模型,使用ANSYS有限元分析软件进行仿真实验,揭示了温度场和变形场之间规律;研究外板成型特点与焰道策略,分析帆型、鞍型、扭型、锥型以及复杂型板的焰道布置策略及其烧板工艺参数,为专家知识库系统的构建提供数据支持;研究弯板焰道规划布置算法,提出了热线曲面展开算法和高度差焰道布置算法,实现了焰道参数估计与在线修正;研究水火弯板专家知识系统,建立了工艺参数专家知识库,建立了焰道专家推理机制,建立了加工参数专家推理机制。解决了成型装备在自动加工中的焰道自动规划和工艺参数推理问题。4.船体外板水火弯板检测技术研究:研究水火弯板测量技术,通过团队自主开发的 CAFF-GDUT(Computer Aided Formming for Guangdong University of Technology)专家系统软件进行激光扫描测量,提出了外板点云数据差值算法和目标数据提取处理;研究检测板与目标板三维曲面匹配,提出了目标板与检测板坐标系转换方法,提出了目标板数据与检测板数据相互匹配方法,提出了目标板曲面重构拟合算法;研究检测板匹配与曲面重构,建立了检测板与目标板的匹配流程,设计检测板成型肋骨线和特征点提取方法,建立了检测板数据匹配评测体系。解决了板材成型后机器自动检测的问题。最后将本文的研究成果运用到第三代水火弯板机器人智能成型装备,并对外板毛坯板材进行了现场加工测试实验。结果表明智能成型装备机器人可以按照专家系统制定的焰道和运动轨迹进行水火弯板加工,最终加工效果与软件重构图形基本一致,自动检测结果与人工一致,精度较人工更好;其焰道痕迹比人工烧板更均匀、准确、速度更快,总体提高约2.5倍的工作效率。