李加欽-造船精度補償量系統(tǒng)的建立方法

1、造船精度補償量系統(tǒng)的建立方法the Establishment Method of the Shipbuilding Accuracy Compensation System 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(nèi)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

2、償量系統(tǒng)的建立主要經(jīng)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(nèi)雖然已經(jīng)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, 需要設置必要的補償環(huán)以滿足船舶

3、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?shù)钠瘘c, 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。 各階段總補償量的表達式為： 式中，i以i排

4、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(nèi)所考慮引起補償量的因素的數(shù)目;􀀁 Utj代表第t道工序j因素的系統(tǒng)補償;􀀁 Utk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)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(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)作出頻數(shù)分布直方圖, 通過直方圖獲得數(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, 即假設

5、檢驗, 包括參數(shù)假設檢驗和分布假設檢驗。圖2.板材下料偏差統(tǒng)計分析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(chǎn)過程進行分析與控制。原理是處于控制狀態(tài)下產(chǎn)品的質量特征是正態(tài)分布, 或者經(jīng)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(chǎn)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

6、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,

7、 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WSDP（Welding Structure Deformation 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

8、，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，可以看出固有應變法更適合于實際的焊接產(chǎn)品生產(chǎn)。采用固有應變法，開發(fā)出焊接結構變形預測軟件WSDP（Welding Structure Deformation Prediction），其系統(tǒng)框圖和計算流程圖如下。圖4.WSDP系統(tǒng)框圖圖5.WSDP計算

9、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對生產(chǎn)過程進行分析，控制從而達到保證產(chǎn)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

10、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

11、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

12、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(X1, X2, , Xn)的標準差為: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: ei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

13、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：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I194152-74提供的公式計算封閉環(huán)的分布不對稱系數(shù)：當n>5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(chǎn)過程中, 經(jīng)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

14、個可靠性系數(shù):此時封閉環(huán)公差(誤差)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

15、差，求封閉環(huán)的基本尺寸和偏差，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(jīng)網(wǎng)絡BP神經(jīng)網(wǎng)絡是當前前饋型神經(jīng)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，并且可以以任意精度逼近任何非線性

16、函數(shù)。圖9.BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型圖10.補償量系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡構建原理根據(jù)BP神經(jīng)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(nèi)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補償量計算系統(tǒng)