本發(fā)明涉及一種船體帆型外板的加工領(lǐng)域，更具體的，涉及到一種水火彎板帆型板倒三角形自動(dòng)加熱的方法。

背景技術(shù)：

水火彎板，也稱為線狀加熱成型，它是一種船體殼體的組成部件，成型工藝起源于二十世紀(jì)五十年代的日本，由于加工過程速度快，操作靈活，而在世界的造船企業(yè)中廣泛的使用。當(dāng)在金屬板表面局部施加一定的熱量時(shí)，會(huì)使得金屬板受熱發(fā)生形變，冷卻之后，由于金屬的彈性恢復(fù)性，會(huì)使的金屬板有一個(gè)整體的彎曲，從而達(dá)到燒制的效果。而水火彎板帆型板作為船體外殼的重要組成部件，它的曲面可以看作是由許多個(gè)小面積曲面拼接而成的。由曲面的展開原理可知，帆型板曲面一旦展開，邊緣地方裂縫大，中間部位裂縫小，在其加工燒制過程中，將焰道布置在裂縫中的位置，收縮量等于裂縫寬度，冷卻之后就可得到相應(yīng)的帆型板。

目前，在大多數(shù)的船舶水火彎板帆型板的燒制均采取人工方式進(jìn)行，一般需要具有3-5年水火彎板燒制經(jīng)驗(yàn)的工人才能很好的把握燒制時(shí)的火力控制，受工人主觀約束的影響性較大，面板受熱有時(shí)會(huì)不均勻，影響生產(chǎn)的質(zhì)量，對(duì)于一些較大型的3cm-5cm厚的金屬板燒制時(shí)間長(zhǎng)，通常需要3-5天，效率較為低下，燒制車間中工作環(huán)境極其惡劣，充滿了大量的粉塵，不利于工人在其中進(jìn)行長(zhǎng)期工作。而目前的自動(dòng)化倒三角形加熱領(lǐng)域中，由于路徑規(guī)劃的不合理，火槍不能很好的跟蹤帆型板曲率的變化，路徑交叉，加熱重復(fù)，板面受熱不均勻，導(dǎo)致帆型板收縮變形效果較差。

本發(fā)明為解決上述的問題，提供了一種解決水火彎板帆型板的倒三角型自動(dòng)化加熱方法，提取帆型板的三維曲面信息之后提取彎板中軸線位置，確定加工的倒三角形區(qū)域，計(jì)算出加工槍頭在x，y，z方向的速度分量，并利用一個(gè)十字滑塊裝置使得槍頭在平面上具有一個(gè)x，y方向的運(yùn)動(dòng)，使得槍頭能夠以螺旋式的加工方式在確定的倒三角形加工區(qū)域中對(duì)水火彎板進(jìn)行加工。保證加工區(qū)域內(nèi)的金屬板受熱均勻，確保帆型板彎曲的曲率能夠保證在一定范圍內(nèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中船體帆型外板倒三角形加熱的人工加熱方式效率較低，加工質(zhì)量易受工人主觀約束性大，自動(dòng)化程度低等問題，提出一種針對(duì)帆型板倒三角形自動(dòng)化加工的方法，提高水火彎板的加工效率，保證生產(chǎn)的質(zhì)量。

本發(fā)明公開的一種船體帆型外板倒三角形加熱方法，包含以下步驟：

步驟1：使用3D激光器掃描帆型板，獲取帆型板的三維曲面信息，計(jì)算出中軸線位置及長(zhǎng)度，確定倒三角形加熱的頂點(diǎn)位置；

步驟2：確定帆型板加熱的局部倒三角形區(qū)域，計(jì)算出加熱的倒三角形底邊長(zhǎng)度，以及倒三角形的高；

步驟3：計(jì)算加工的火槍槍頭在x，y，z方向的速度分量，確保加工的火槍焰道不超出已確定的倒三角型加工區(qū)域；

在一種優(yōu)選的方案中，步驟1中，確定帆型板的三維數(shù)據(jù)信息，計(jì)算帆型板中軸線位置及長(zhǎng)度，還包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1.1：確定帆型板的高H，以及它的曲率σ；

步驟1.2：切割中軸線，確定帆型板中倒三角形加工頂點(diǎn)個(gè)數(shù)及其坐標(biāo)V(x，y，z)，從而計(jì)算出加工的倒三角形區(qū)域數(shù)和加工的起點(diǎn)位置，切割規(guī)則如下：

其中V_n表示頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，C為三角形底邊長(zhǎng)度，K為中軸線長(zhǎng)度，頂點(diǎn)位置為初始加工起點(diǎn)位置，表示向下取整。

在一種優(yōu)選的方案中，步驟2中，確定倒三角形加工區(qū)域，包含以下幾個(gè)步驟：

步驟2.1：確定倒三角型底邊長(zhǎng)度，按照加工工藝要求，底邊長(zhǎng)度一般為四倍的帆型板厚度d，即底邊長(zhǎng)度為C＝4d。

步驟2.2：計(jì)算加工倒三角形區(qū)域內(nèi)三角形的高，即倒三角形加熱區(qū)域中心線。過頂點(diǎn)V(x_i，y_i，z_i)，作垂直于中軸線的線段，可得到三角形中心線。由三角形，底邊，中心線可作出一個(gè)等腰三角形，從而確定加工的倒三角形區(qū)域。由于帆型板是一個(gè)立體曲面，則加工的倒三角形高(中心線)即為三角形的弧長(zhǎng)S；

L²＝r²+r²-2×r×r×cosθ

$r=\frac{1}{\mathrm{\σ}}$

其中L為帆型板中軸線與曲面頂點(diǎn)之間的直線段，即為弧面的弦長(zhǎng)，r為弧所在的圓的半徑。

在一種優(yōu)選的方案中，步驟3中，設(shè)火槍頭處加熱火焰的直徑為Φ，計(jì)算火槍槍頭在x，y，z方向上的速度分量包含以下幾個(gè)步驟：

步驟3.1：以弧長(zhǎng)S為加工倒三角形高，底邊邊長(zhǎng)為4d，在平面上構(gòu)建一個(gè)三角形模型。

步驟3.2：火槍槍頭運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓型的螺旋軌跡，是由多個(gè)橢圓軌跡疊加而成的螺旋軌跡，為保證倒三角形區(qū)域內(nèi)每條焰道之間不發(fā)生重疊，則單個(gè)橢圓短軸長(zhǎng)應(yīng)為2Φ，橢圓短半軸長(zhǎng)為a，長(zhǎng)半軸長(zhǎng)為b，為確保加熱區(qū)域受熱均勻，火槍在倒三角形區(qū)域內(nèi)的每一點(diǎn)加工時(shí)間應(yīng)該相同，即

2a＝3Φ

$V_{x1}=\frac{a_1}{t_1},V_{x2}=\frac{a_2}{t_2},V_{x3}=\frac{a_3}{t_3},...,V_{xn}=\frac{a_n}{t_n}$

$V_y=\frac{b_1}{t_1}=\frac{b_2}{t_2}=\frac{b_3}{t_3}=...=\frac{b_n}{t_n}$

其中V_xi表示每一個(gè)橢圓在短半軸方向速度分量，V_y表示每一個(gè)橢圓在長(zhǎng)半軸方向的速度分量，由于a＝a₁＝a₂＝a₃＝…a_n，b₁＜b₂＜b₃＜…＜b_n，因此在Y軸方向的速度分量保持不變，X軸方向分量速度以此遞減，才能保證加熱的每一點(diǎn)受熱均勻。

步驟3.3：在帆型板曲面上，將弧長(zhǎng)S分割成等大小的小段弧長(zhǎng)s＝a，計(jì)算每一小段在垂直高度上上升的距離h。

h_i+h_i-1＝r-r×cosθ_i，h₀＝0，i∈N^*

$V_{zi}=\frac{h_i}{t_i},i\∈N^{*}$

其中θ_i為弧長(zhǎng)i×s_i所對(duì)應(yīng)的角度，h_i相應(yīng)弧長(zhǎng)在垂直方向上上升的相對(duì)高度，V_z為火槍槍頭在z軸方向上的速度分量。

附圖說明

圖1為帆型板示意圖，其中(a)為帆型板三維曲面示意圖，(b)為倒三角形加工區(qū)域示意圖。

圖2為帆型板側(cè)視圖。

圖3為火槍槍頭運(yùn)動(dòng)示意圖，其中(a)為在平面上倒三角形加工的橢圓軌跡疊加原理曲線，(b)為火槍槍頭實(shí)際運(yùn)行軌跡，(c)為火槍槍頭倒三角形加熱軌跡的設(shè)計(jì)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。需要特別說明的是，附圖僅用用于示例性說明，不能理解為本專利的限制；

本發(fā)明提供了一種船體帆型外板倒三角形加熱方法，其包含以下幾個(gè)步驟；

步驟1：使用3D激光器掃描帆型板，獲取帆型板的三維曲面信息，計(jì)算出中軸線位置及長(zhǎng)度，如圖1(a)所示，確定倒三角形加熱的頂點(diǎn)位置，作為加熱的初始位置；

步驟2：確定帆型板加熱的局部倒三角形區(qū)域，如圖1(b)中所示的陰影部分即為倒三角形加熱區(qū)域，計(jì)算出加熱的倒三角形底邊長(zhǎng)度，以及倒三角形的高；

步驟3：計(jì)算加工的火槍槍頭在x，y，z方向的速度分量，焰道寬度，確保加工的火槍焰道不超出已確定的倒三角型加工區(qū)域，如圖3(b)所示的是火槍槍頭實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，火槍焰道能夠覆蓋到倒三角形中的每一個(gè)區(qū)域，確保金屬板受熱均勻；

在具體的實(shí)施過程中，步驟1中，確定帆型板的三維數(shù)據(jù)信息，計(jì)算帆型板中軸線位置及長(zhǎng)度，還包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1.1：確定帆型板的高H，以及它的曲率σ；

步驟1.2：切割中軸線，確定帆型板中倒三角形加工頂點(diǎn)個(gè)數(shù)及其坐標(biāo)V(x，y，z)，從而計(jì)算出加工的倒三角形區(qū)域數(shù)和加工的起點(diǎn)位置，切割規(guī)則如下：

其中V_n表示頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，C為三角形底邊長(zhǎng)度，K為中軸線長(zhǎng)度，頂點(diǎn)位置為初始加工起點(diǎn)位置，表示向下取整。

如圖1(b)所示，將中軸線分割成均等的六段，將每一段中點(diǎn)位置作為倒三角形頂角位置開始點(diǎn)。

在具體實(shí)施過程中，步驟2中，確定倒三角形加工區(qū)域，包含以下幾個(gè)步驟：

步驟2.1：確定倒三角型底邊長(zhǎng)度，按照加工工藝要求，底邊長(zhǎng)度一般為四倍的帆型板厚度d，即底邊長(zhǎng)度為C＝4d。

步驟2.2：計(jì)算加工倒三角形區(qū)域內(nèi)三角形的高，即倒三角形加熱區(qū)域中心線。過頂點(diǎn)V(x_i，y_i，z_i)，作垂直于中軸線的線段，可得到三角形中心線。由三角形，底邊，中心線可作出一個(gè)等腰三角形，從而確定加工的倒三角形區(qū)域。由于帆型板是一個(gè)立體曲面，則加工的倒三角形高(中心線)即為三角形的弧長(zhǎng)S；

L²＝r²+r²-2×r×r×cosθ

$r=\frac{1}{\mathrm{\σ}}$

其中L為帆型板中軸線與曲面頂點(diǎn)之間的直線段，即為弧S的弦長(zhǎng)，r為弧所在的圓的半徑。

在具體的實(shí)施過程中，步驟3中，焰道寬度Φ，計(jì)算火槍槍頭在x，y，z方向上的速度分量包含以下幾個(gè)步驟：

步驟3.1：以弧長(zhǎng)S為加工倒三角形高，底邊邊長(zhǎng)為4d，在平面上構(gòu)建一個(gè)三角形模型，如圖2中所示，即是所構(gòu)建的平面區(qū)域內(nèi)的倒三角形模型示意圖。

步驟3.2：火槍槍頭運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓型的螺旋軌跡，是由多個(gè)橢圓軌跡疊加而成為的螺旋軌跡，如圖3(a)中所示，為保證倒三角形區(qū)域內(nèi)每條焰道之間不發(fā)生重疊，則單個(gè)橢圓短軸長(zhǎng)應(yīng)為3Φ，橢圓短半軸長(zhǎng)為a，長(zhǎng)半軸長(zhǎng)為b，為確保加熱區(qū)域受熱均勻，火槍在倒三角形區(qū)域內(nèi)的每一點(diǎn)加工時(shí)間應(yīng)該相同，即

2a＝3Φ

$V_{x1}=\frac{a_1}{t_1},V_{x2}=\frac{a_2}{t_2},V_{x3}=\frac{a_3}{t_3},...,V_{xn}=\frac{a_n}{t_n}$

$V_y=\frac{b_1}{t_1}=\frac{b_2}{t_2}=\frac{b_3}{t_3}=...=\frac{b_n}{t_n}$

其中V_xi表示每一個(gè)橢圓在短半軸方向速度分量，V_y表示每一個(gè)橢圓在長(zhǎng)半軸方向的速度分量，由于a＝a₁＝a₂＝a₃＝…＝a_n，b₁＜b₂＜b₃＜…＜b_n，因此在Y軸方向的速度分量保持不變，X軸方向分量速度以此遞減，才能保證加熱的每一點(diǎn)受熱均勻。

如圖3(b)中是火槍槍頭運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌跡，由橢圓特性可知，火槍運(yùn)動(dòng)在x軸方向上的速度分量是先向正方向以速度V_xi行駛2a位移，時(shí)間為2t_i，再向x軸負(fù)方向以速度V_xi行駛時(shí)間為t_i。在y軸的速度分量方向上，火槍先以速度V_y在負(fù)方向行駛時(shí)間t_i，再向正方向行駛，行駛時(shí)間為t_i，再向負(fù)方向行駛的時(shí)間為t_i，依次重復(fù)?；饦寴岊^在x,y方向速度分量的合成，形成如圖3(b)實(shí)際行駛軌跡。X，y方向的行駛速度和時(shí)間的關(guān)系可用下式表示。

步驟3.3：在帆型板曲面上，將弧長(zhǎng)S分割成等大小的小段弧長(zhǎng)s＝a，計(jì)算每一小段在垂直高度上上升的相對(duì)距離h。

h_i+h_i-1＝r-r×cosθ_i，h₀＝0，i∈N^*

$V_{zi}=\frac{h_i}{t_i},i\∈N^{*}$

其中θ_i為弧長(zhǎng)i×s_i所對(duì)應(yīng)的角度，h_i相應(yīng)弧長(zhǎng)在垂直方向上上升的相對(duì)高度，V_z為火槍槍頭在z軸方向上的速度分量。如圖2中所示，h_i是相對(duì)于前一個(gè)槍頭位置上升的相對(duì)高度，由于帆型板上的等大弧長(zhǎng)垂直上升的高度不等，因此在Z軸上應(yīng)該實(shí)時(shí)的調(diào)整Z軸分量速度。

步驟3.4：使用倒三角型自動(dòng)加熱十字滑塊裝置，進(jìn)行倒三角形的自動(dòng)加熱。十字滑塊裝置，它是由一個(gè)控制向Y軸方向運(yùn)動(dòng)，一個(gè)控制向X軸方向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)電機(jī)組成的，用于控制加熱火槍打圈。加熱開始啟動(dòng)時(shí)，對(duì)X軸方向的運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)施加V_x1速度，經(jīng)過2t₁的時(shí)間之后，運(yùn)動(dòng)方向反向，即運(yùn)動(dòng)速度變?yōu)?V_x1，再經(jīng)過t₁時(shí)間之后運(yùn)動(dòng)速度變?yōu)閂_x2，具體的運(yùn)動(dòng)速度變化參照具體實(shí)施步驟3.2中所述。同理，Y軸方向的運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)施加恒定V_y速度。Z軸方向的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)獨(dú)立控制電機(jī)完成，同理，對(duì)其施加V_z1速度，經(jīng)過t₁時(shí)間之后，施加的速度變?yōu)閂_z2，以此類推。X、Y、Z軸三軸的運(yùn)動(dòng)速度合成之后，火槍加熱的運(yùn)動(dòng)軌跡將會(huì)依照設(shè)計(jì)的倒三角形軌跡運(yùn)動(dòng)。