電腦輔助自動線加熱船殼板彎制系統(tǒng)之研究.ppt

電腦輔助自動線加熱船殼板彎製系統(tǒng) 之研究,(4)-數(shù)值控制船殼板彎製加工系統(tǒng)之研究 計劃編號: NCS 88-26-2611-E-006-003 執(zhí)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(xué)造船所,簡報內(nèi)容,摘要: 研究緣由與目的: 研究方法與概述: 系統(tǒng)和模型建立與模擬: 實驗結(jié)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(jīng)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(tài)變化是控制的重要因素。,5.本研究利用在端點位置動態(tài)位置回授方法和過程量測補償方法結(jié)合，在模糊控制法則理論基礎(chǔ)下，設(shè)計與研究數(shù)值控制船殼板彎製加工系統(tǒng)。 6.並經(jīng)實驗結(jié)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(jīng)模糊系統(tǒng)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(nèi)。 7.可證實經(jīng)模糊控制器控制下的船殼板彎製加工系統(tǒng)，具有良好板形控制能力。,研究緣由與目的,傳統(tǒng)船殼板彎製: 傳統(tǒng)的船體外殼形狀成形是經(jīng)由整順，放樣，切割後，藉由有經(jīng)驗的技術(shù)人員以O(shè)xy-Acetylene線加熱(oxy-acetylene-line- heating 方式做小曲面熱加工，利用熱應(yīng)力造成形變的方法。,1.小曲面熱加工: 利用熱應(yīng)力造成形變的方法，使船殼板達(dá)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(fā)展一套可行的船殼板彎製加工系統(tǒng)，以協(xié)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(tǒng)之輸入條件。以O(shè)xy-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(biāo)。 首先先由子計劃2，藉由熱彈塑理論計算合理之熱影響區(qū)的參數(shù)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(tài)形變 (變形與時間關(guān)係)結(jié)果，和板形量測經(jīng)驗，利用模糊理論建構(gòu)模糊邏輯之歸屬函數(shù)，決定出之25條之IF-THEN法則(表二) 結(jié)合AD/DA,位移計(LVDT)與數(shù)控控制器，設(shè)計出”數(shù)值控制船殼板彎製加工系統(tǒng)”。,The controller block diagram,系統(tǒng)和模型建立與模擬,何以模糊理論建構(gòu)此系統(tǒng)? * 彎製熱加工過程是非線性行為，由一般受控體的數(shù)學(xué)模式，控制器難以付諸實現(xiàn)。 模糊理論: L. A. Zadeh 在1965年提出。 優(yōu)點:不需知道系統(tǒng)確切模式，亦可控制系統(tǒng)。 模糊控制器: 由四部份所組成 (1) Fuzzification interface (2) Knowledge base (3) Reasoning (4) Defuzzification 。,Fuzzy controller KB:knowledge Base, FI: Fuzzification Interface, DML:Decision Making Logic, DFI:Defuzzification Interface,控制器的設(shè)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(guī)則庫)。 控制器是以固定的入熱量下由端點量測點的形變量為回授值，利用LVDT感測的形變量與目標(biāo)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(shù)控實驗平臺移動熱源的馬達(dá)速度(V)，改變移動速度成為(V+CI)，CI為模糊調(diào)變之速度值。,模糊函數(shù)之歸數(shù)函數(shù)數(shù)學(xué)模型 (membership function),形變誤差量的歸數(shù)函數(shù)為: 形變誤差量的一次微分 兩者的模糊子集為:,CI的歸數(shù)函數(shù)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(biāo)有誤差，在加熱第二條加熱線前，令量測補償因子 ( )。其調(diào)變關(guān)係如下式:,Membership functions,Fuzzy Rule Table （5 5）-about 1 sec,The flowchart of the active fuzzy controller,新的輸入馬達(dá)之速度為: 實驗方式得形變與時間的關(guān)係為: 經(jīng)拉式轉(zhuǎn)換，其受控體的轉(zhuǎn)移函數(shù)為:,實驗平臺所推得的轉(zhuǎn)移函數(shù),實驗條件,本研究實驗設(shè)備包括：NC加工機及平臺、位移計(數(shù)位式和LVDT)、直流伺服馬達(dá)、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(tài)形變信息。,位移計量測位置,在實驗前，首先經(jīng)實驗決定位移計量測位置 。,實驗設(shè)計部份由前二年的雷射與火炬熱彎板實驗過程發(fā)現(xiàn)在固定入熱量Q調(diào)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(tǒng)控制法則控制系統(tǒng)。 因而採用模糊理論撰寫控制程式 由文獻(xiàn)11中顯示熱加工彎板角變形量與Q/V有關(guān)。 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(tài)行為，和形變結(jié)果會有些許差別。 何況是船廠內(nèi)在線上實際加工難免會有環(huán)境變因，比擬此情形好比系統(tǒng)有一微擾。,研究結(jié)果顯示藉由本研究之模糊系統(tǒng)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(xiàn)情形即佳。 且過程中，每加工一條加熱線，經(jīng)由量測的板形形變值與預(yù)測板形形變值比對誤差，修正模糊系統(tǒng)的值。 此法將有助於理論計算(子計劃2和3)，與沒有經(jīng)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(jié)果如圖所示。,實驗過程發(fā)現(xiàn)Q/V是有一定範(fàn)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(qū)(熱影響區(qū))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(dá)永久形變的塑性範(fàn)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(jīng)由實驗過程的比對觀察：第一、二、三、四、五和六條加熱線，的建議值約在20W35W。,實驗結(jié)果,同時在相同條件，子計劃3同時以MARC做數(shù)值模擬比對實驗結(jié)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(shù)值結(jié)果模糊控制器控制結(jié)果由反算所提供之實驗加工的結(jié)果。 實驗結(jié)果顯示，若以經(jīng)模糊控制器控制之彎板量測線平均位移量，與預(yù)測模擬之量測線平均位移量，其誤差在8%內(nèi)。若經(jīng)模糊控制器控制之彎板左、右兩端點的位移量，與預(yù)測模擬的左、右兩端點的位移量，比較其誤差，約在22%內(nèi)。,實驗結(jié)果與模擬結(jié)果之比較,經(jīng)由模糊控制的馬達(dá)速度輸出,感測點位移回授圖(形變與時間關(guān)係圖),The result of the 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