李加欽-造船精度補償量系統(tǒng)的建立方法講解

1、造船精度補償量系統(tǒng)的建立方法the Establishment Method of the Shipbuilding Accuracy CompensationSystem作 者 姓 名：李加欽學科、 專業(yè)：船舶與海洋工程學號：31308011指 導 教 師：張雪彪完 成 日 期： 2013 年 10 月 30 日大連理工大學Dalian University of Technology1. 引言船舶建造的特點充分表明要使加工的零部件的幾何形狀、尺寸和位置都處于可控狀態(tài)是相當復雜的。補償量的確定是船體精度控制中的核心內容 , 補償量的加放恰當與否 , 將直接關系到船體精度控制的成 敗。補償量系

2、統(tǒng)的建立主要經過了分段預修整，精度分段和補償量系統(tǒng)三個階段。2. 補償量系統(tǒng)的研究概況日本、韓國的船廠 , 通過多年的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的積累與統(tǒng)計分析及理論計算 , 掌握了船體建造過程幾 乎所有加工過程的變形規(guī)律 , 因而能給絕大部分零部件、分段一個可靠的補償量及船臺裝配的調整量 , 并 開發(fā)了計算機輔助補償量確定系統(tǒng)。國內雖然已經引入了精度控制理念，但是僅僅停留在無余量制造和無余量下塢兩方面，對補償量系統(tǒng) 的研究不夠透徹。3. 補償量的計算原理 封閉環(huán)的尺寸精度公差是預先設定并且必須滿足的 , 因此封閉環(huán)公差的確定也就限制了組成環(huán)的加 工公差和技術要求。為了達到裝配精度和技術要求 , 需要設置必

3、要的補償環(huán)以滿足船舶精度控制的需要。圖 1. 補償量的計算原理在尺寸鏈計算中 , 組成環(huán)及封閉環(huán)均以正態(tài)分布為基準 , 用于衡量各組成環(huán)及封閉環(huán)與正態(tài)分布之 間的差異程度。補償環(huán)尺寸的確定也以正態(tài)分布為基準 , 將影響補償環(huán)尺寸的各種正態(tài)分布或非正態(tài)分布的因素轉 化為正態(tài)分布的形式然后疊加 , 把相加后的正態(tài)分布 , 作為整個尺寸鏈系統(tǒng)中所給定的補償環(huán)尺寸。對所給定的系統(tǒng)補償量 , 以工件為對象按工序或按系統(tǒng)分別予以考慮。如對零件的補償，是系統(tǒng)補償 的起點 , 除了對形成零件本身的縱橫向工藝系統(tǒng)的補償 , 還必須包括后續(xù)所有縱、橫向工藝系統(tǒng)的補償、 對部件的補償、對分段的補償、對船臺裝配的補償

4、。各階段總補償量的表達式為：i p i qi U tjUtkt 0 j 0 t 0 k 0式中， i 以 i 排序的第 i 道工序補償量， i=0,1,2,3 分別代表船臺裝配、分段、部件、零件補償量j ， k 代表某一因素的不同因素 ;p ， q 代表各工序內所考慮引起補償量的因素的數(shù)目;U tj 代表第 t 道工序 j 因素的系統(tǒng)補償 ;U tk 代表第 t 道工序 k 因素的隨機誤差補償。4. 零件補償量的確定4.1 統(tǒng)計分析加工補償量補償量加放與零部件及半成品的尺寸精度有關 , 需要對零部件及半成品尺寸的準確度進行檢查。對統(tǒng)通過直方圖獲得即假設檢驗 , 包括圖 2. 板材下料偏差統(tǒng)計分

5、析計數(shù)據(jù)按數(shù)量特征進行分類 , 考慮在一定區(qū)間范圍內出現(xiàn)的次數(shù)作出頻數(shù)分布直方圖 數(shù)據(jù)分布的基本信息。在補償量計算中需要分析測試數(shù)據(jù)符合相應描述的可信程度等 參數(shù)假設檢驗和分布假設檢驗。4.2 計算零部件加工補償量 零部件加工補償量計算 , 采用數(shù)理統(tǒng)計的方法 , 以控制圖理論對生產過程進行分析與控制。原理是處 于控制狀態(tài)下產品的質量特征是正態(tài)分布 , 或者經過數(shù)學變換可近似正態(tài)分布 , 它的兩個特征參數(shù)平均值 和標準差 是相互獨立的 , 不論這兩個特征參數(shù)取任何值 , 產品特征值落在【 -3 ， +3 】控制 界限之外的概率為小概率事件 , 一旦出界 , 就可認為是異常原因引起的 .基于控制

6、圖計算零部件的加工補償量時 , 對于大樣本數(shù)據(jù)如骨材間距、肘板等大批量制作的零件 , 采 用均值一標準差控制圖 , 補償量即為控制中心線與理論值之差。表 1. 計算零部件加工補償量5. 焊接變形預測5.1 多元回歸分析 焊接變形的準確預測是實現(xiàn)補償量可靠計算的重要基礎。焊接的主要考慮的是橫向收縮變形，可以依 靠加放焊接橫向收縮量來滿足構件的尺寸要求。對于角變形，根據(jù)預測得到的焊接角變形加放預變形角度 來解決。船舶多采用多元回歸分析，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的理論 , 在一系列的測量值中 , 含有過失誤差的測量值必然 導致測量值的失真和測量結果的歪曲，而正常測量情況下測量值的分散性也有可能出現(xiàn)個別正常的、離

7、散 較大的測量值 , 被誤以為無效測量值而將其剔除。因此需要確定判別過失誤差的界限 , 即確定隨機誤差的 分布范圍。然而隨機誤差的實際分布范圍與誤差的分布規(guī)律有關 , 它的確定取決于實驗統(tǒng)計的條件 , 條件 不同則判別過失誤差的界限也就不同。焊接的電壓、電流和焊接速度決定了焊接時的輸入線能量取固定板厚的板材 , 改變影響線能量的三個 參數(shù) , 分析得到橫向收縮與輸入線能量關系如圖 , 可知線能量對焊接變形影響很大 , 近似線性關系。以下 是焊接橫向收縮與線能量的線性關系。圖 3. 多元回歸分析橫向收縮與線能量的關系5.2 焊接結構變形預測軟件 WSD（P Welding Structure D

8、eformation Prediction）介紹一種在汽車焊接中， 轉向架構架焊接工藝補償量計算系統(tǒng)， 此系統(tǒng)極有可能應用到船舶制造領域。 目前在實際應用中，焊接變形預測的基本方法有：1）固有應變法：固有應變?yōu)榛A的彈性有限元方法，不追究焊接過程，在焊縫附近施加與固有應變相等 的初始應變，通過一次彈性板單元有限元分析求得整個結構的焊接變形；2）熱彈塑性法：以有限元法為基礎，利用熱彈塑性理論，考慮材料機械性能與溫度的關系，分析動態(tài)焊 接應力應變過程；3）解析法：建立在平截面假定及其它一系列簡化假定的基礎上，用材料力學和結構力學的理論求解焊接 變形。表 2. 三種方法的比較通過比較，可以看出固有應

9、變法更適合于實際的焊接產品生產。采用固有應變法， 開發(fā)出焊接結構變形預測軟件 WSD(PWelding Structure 其系統(tǒng)框圖和計算流程圖如下。Deformation Prediction ），圖 4.WSDP系統(tǒng)框圖圖 5.WSDP計算流程圖在零部件數(shù)據(jù)庫的基礎上根據(jù)側梁實際組焊過程確定各約束條件和邊界條件，然后根據(jù)設計圖紙輸入 各條焊縫的相關信息(板厚、焊接層數(shù)、焊接方法、焊角尺寸等) ，最后系統(tǒng)自動計算梁體的焊接變形量。表 3.WSDP計算結果可以看出， WSDP的計算結果是偏于保守的。6. 統(tǒng)計質量管理6.1 統(tǒng)計質量管理 統(tǒng)計質量管理方法是指采用數(shù)理統(tǒng)計的方法以控制圖理論為主

10、對生產過程進行分析，控制從而達到保 證產品質量的目的。統(tǒng)計質量管理主要分為三個發(fā)展階段網(wǎng) : 統(tǒng)計過程控制 (SPC) ，從 1930 年開始發(fā)達國家無一不推行。 統(tǒng)計過程診斷 (SPD)，首先在中國普及。統(tǒng)計過程調整(SPA)，目前還沒有實用，處于發(fā)展中。6.2 控制圖 控制圖是對過程質量特性值進行測定、記錄、評估，從而監(jiān)察過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的一種用統(tǒng)計方 法設計的圖。圖中有 : 中心線 C(L) ，上控制線 (UCL)，下控制線 (LCL) ，并且有按時間順序抽取的樣本統(tǒng)計 量數(shù)值的描點序列。如果控制圖中的描點落在 UCL和 LCL 之外或者點的排列不隨機，則表明有異常因素。圖 6. 過

11、程控制圖解圖 7. 統(tǒng)計質量管理程序流程圖7. 尺寸鏈理論 尺寸鏈主要是機械制造業(yè)用以制定零部件尺寸互換性原則的基本依據(jù)。運用尺寸鏈原理 , 可清晰闡明 船體結構制造精度之間的關系 , 有效進行結構尺寸和形狀公差的計算 , 可以說尺寸鏈原理是實施精度分 配和精度控制的基礎。尺寸鏈理論主要有極值法和概率法，下面就概率法進行闡述。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計中的中心極限定理 , 當組成環(huán)數(shù)較多且基本獨立時 , 無論各組成環(huán)的誤差分布是否為 正態(tài)分布 , 其封閉環(huán)的分布都非常接近正態(tài)分布 , 而且兩端出現(xiàn)尺寸的概率非常小。用概率法計算尺寸鏈 的實質 , 就是把按極值法求出的封閉環(huán)接近正態(tài)分布的兩端的尺寸范圍對稱地截

12、去 , 只取中部概率較大 的那部分。在船體建造中所出現(xiàn)的各種誤差 , 屬于隨機數(shù)據(jù) , 其絕大多數(shù)的數(shù)學分布模型可用正態(tài)分布來描述。 而對于某些組成環(huán)呈現(xiàn)非正態(tài)分布時 , 可以應用相對分布系數(shù)及分布不對稱系數(shù)來折合修正后 , 轉化成 正態(tài)分布的比例關系來處理 , 然后進行尺寸鏈誤差的綜合。封閉環(huán)的組成環(huán)可能是正態(tài)分布的，也可能是非正態(tài)分布的；當組成環(huán)是非正態(tài)分布時，其分布可能 是已知的，也可能是未知的。(1)組成環(huán)為正態(tài)分布 因有限個相互獨立的正態(tài)隨機變量的線性組合仍服從正態(tài)分布 , 則封閉環(huán)與組成環(huán)之間的線性組合 函數(shù) Y=f(X 1, X 2, ?, X n)的標準差為 :y (xf1)2

13、(xf2)2(xfn)2 =(xfi)2ri2i2x1x2xni 1 xii 1式中:y 為封閉環(huán)的標準差 ; i 為組成環(huán) Xi 的標準差 ; ri 為傳遞比。若將標準差 乘以適當?shù)南禂?shù) （通常為 2 或3） 作為公差或允許誤差 , 則封閉環(huán)公差 （允許誤差 ） 公式 :定義中間偏差 , 用公式表示為 :式中 : e i 為中間偏差 ;為組成環(huán)的極限上偏差 為組成環(huán)的極限下偏差。則:2）組成環(huán)非正態(tài)分布，分布已知用相對標準差 、相對分布差異系數(shù) 、分布不對稱系數(shù) 來表示實際分布與正態(tài)分布的相接近程度。1）相對標準差 尺寸偏差分布的相對標準差是指標準差 與公差 （ 誤差 ）之半的比值 , 即：

14、2）相對分布差異系數(shù) 由正態(tài)分布的相對標準差為 n 得到任意分布的相對分布差異系數(shù)3） 分布不對稱系數(shù) 分布不對稱系數(shù) 用于表示隨機數(shù)據(jù)不對稱程度 , 是平均值 到公差 （誤差 ） 中心 e 的距離 d 與公 差（誤差 ） 之半的比值：求出各組成環(huán)的 值后 , 按 I 194152-74 提供的公式計算封閉環(huán)的分布不對稱系數(shù)：當 n5時,封閉環(huán)接近正態(tài)分布 , 取 y=0,得封閉環(huán)公差 （誤差）中間值 :求出封閉環(huán)偏差中心 ey , 則 :（3）組成環(huán)分布未知在實際生產過程中 , 經常不清楚組成環(huán)分布情況 , 因而不能確定 i 及 i 的值, 則引入一個可靠性 系數(shù) :此時封閉環(huán)公差 （ 誤差

15、 ）公式 :8. 補償量的計算分配 補償量分為系統(tǒng)補償量和非系統(tǒng)補償量，其中非系統(tǒng)補償量包括零件補償量、部件補償量、分段補償 量和船臺裝配補償量。要將這些補償量進行分配計算，必須遵守以下分配原則：1）每個分段大接縫的補償量一般小于每個分段組成環(huán)的允許偏差，以利于船體完工主尺度極限偏差小一 些；2）為施工方便，全船每個分段大接縫處的補償量可取相同值；3）每個分段大接縫的補償量可放在一端，另一段為零。計算尺寸鏈就是為了正確的確定尺寸鏈中各環(huán)的尺寸和公差，以及合理的分配公差。補償量的計算分配主要有三種算法，分別是正算法、反算法和中間算法。1）正算法 : 已知組成環(huán)的基本尺寸和極限偏差， 求封閉環(huán)的基

16、本尺寸和偏差， 主要用于驗證設計是否正確。2）反算法 : 己知封閉環(huán)的基本尺寸和極限偏差以及組成環(huán)的基本尺寸，求組成環(huán)的偏差。3）中間算法 : 己知封閉環(huán)及組成環(huán)的尺寸和偏差，求某一組成環(huán)的尺寸和偏差。主要用于工藝上，進行基 準面換算和確定工序尺寸。以下是補償量加放流程圖。圖 8. 補償量加放流程圖9. BP 神經網(wǎng)絡BP神經網(wǎng)絡是當前前饋型神經網(wǎng)絡中研究最為成熟并且應用最廣泛的一種有監(jiān)督學習算法。 網(wǎng)絡的輸入 n 維和輸出 m 維之間是一個高度的非線性映射關系。通常用Sigmoid 型作用函數(shù)，它的輸出是在 01 之間的小數(shù)。通過調節(jié)連接權值和網(wǎng)絡規(guī)模，可以實現(xiàn)非線性分類問題，并且可以以任意

17、精度逼近任何非線 性函數(shù)。圖 9.BP 神經網(wǎng)絡模型圖 10. 補償量系統(tǒng)的 BP 神經網(wǎng)絡構建原理 根據(jù) BP神經網(wǎng)絡模型模擬的焊接補償量結果如下。圖 11. 焊接變形與板厚之間的關系映射圖 12. 焊接變形與線能量之間的關系映射10. 補償量系統(tǒng)的實現(xiàn)此補償量系統(tǒng)上海交通大學開發(fā)，基于WEB編程技術的船體建造精度的控制與管理系統(tǒng)，其中的補償量模塊包含造船精度公差標準數(shù)據(jù)庫、造船補償量數(shù)據(jù)庫、計算船體建造補償量的功能。圖 13. 補償量模塊的總體規(guī)劃補償量模塊的內容主要包括：補償量數(shù)據(jù)庫輸入模塊、樣本更新模塊和補償量智能計算模塊。其角焊和對接焊的結果如下：圖 14. 角焊補償量計算結果圖 15. 對接焊補償量計算結果參考文獻【 1】劉玉君，李艷君 船體建造精度控制中的尺寸鏈計算方法 大連理工大學船舶工程學院 遼寧 大 連【2】陳陟悠，羅宇，曹偉 轉向架構架焊接工藝