電腦輔助自動(dòng)線加熱船殼板彎制系統(tǒng)之研究課件

1、簡報(bào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果: 實(shí)驗(yàn)成果: 第1頁，共51頁。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(shí)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(dòng)態(tài)變化是控制的重要因素。第2頁，共51頁。 5.本研究利用在端點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)位置回授方法和過程量測補(bǔ)償方法結(jié)合，在模糊控制法則理論基礎(chǔ)下，設(shè)計(jì)與研究數(shù)值控制船殼板彎製加工系統(tǒng)。6.並經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在12條反算方法所得之加工入熱路徑與Q/V的

2、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(shí)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。 第3頁，共51頁。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(yàn)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。 第4頁，共51頁。 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(jī)械體及模具的大小，

3、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(dòng)化的目的。 第5頁，共51頁。研究方法與概述 本研究藉由子計(jì)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(shí)際加工目標(biāo)。首先先由子計(jì)劃2，藉由熱彈塑理論計(jì)算合理之熱影響區(qū)的參數(shù)和，並給予子計(jì)劃3，計(jì)算出”加工路徑”和”Q/V”。 第6頁，共51頁。 第7頁，共51頁。子計(jì)劃3提供的條件，與本

4、計(jì)劃實(shí)驗(yàn)所得之動(dòng)態(tài)形變 (變形與時(shí)間關(guān)係)結(jié)果，和板形量測經(jīng)驗(yàn)，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(jì)(LVDT)與數(shù)控控制器，設(shè)計(jì)出”數(shù)值控制船殼板彎製加工系統(tǒng)”。 第8頁，共51頁。第9頁，共51頁。The controller block diagram第10頁，共51頁。 第11頁，共51頁。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(shí)現(xiàn)。模糊理論: L. A. Zadeh 在1965年提出。優(yōu)點(diǎn):不需知道系統(tǒng)確切模式，亦可控制系統(tǒng)。 模糊控制器:

5、由四部份所組成 (1) Fuzzification interface (2) Knowledge base (3) Reasoning (4) Defuzzification 。 第12頁，共51頁。Fuzzy controllerKB:knowledge Base, FI: Fuzzification Interface, DML:Decision Making Logic, DFI:Defuzzification Interface 第13頁，共51頁。 控制器的設(shè)計(jì)是藉由不同實(shí)驗(yàn)與子計(jì)劃3提供的入熱量Q和不同速度V與所得量測點(diǎn)的形變(displacement)資料做知識(shí)庫，以提供最佳的

6、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(diǎn)量測點(diǎn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)移動(dòng)熱源的馬達(dá)速度(V)，改變移動(dòng)速度成為(V+CI)，CI為模糊調(diào)變之速度值。 第14頁，共51頁。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: 第15頁，共51頁。 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)。 第16頁，共51頁。量測補(bǔ)償因子因第一條加熱線加熱後，其板

7、形與實(shí)際板形目標(biāo)有誤差，在加熱第二條加熱線前，令量測補(bǔ)償因子 ( )。其調(diào)變關(guān)係如下式: 第17頁，共51頁。 第18頁，共51頁。Membership functions 第19頁，共51頁。 Fuzzy Rule Table （5 5）-about 1 sec EDENBNSZEPSPBPBZEPSPBPBPBPSNSZEPSPBPBZENBNSZEPSPBNSNBNBNSZEPSNBNBNBNBNSZE第20頁，共51頁。The flowchart of the active fuzzy controller 第21頁，共51頁。 新的輸入馬達(dá)之速度為: 實(shí)驗(yàn)方式得形變與時(shí)間的關(guān)係為:

8、經(jīng)拉式轉(zhuǎn)換，其受控體的轉(zhuǎn)移函數(shù)為: 第22頁，共51頁。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所推得的轉(zhuǎn)移函數(shù) 第23頁，共51頁。 第24頁，共51頁。實(shí)驗(yàn)條件本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：NC加工機(jī)及平臺(tái)、位移計(jì)(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(shí)驗(yàn)鋼板幾何如圖所示(實(shí)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(dòng)式位移計(jì)量測實(shí)驗(yàn)鋼板曲面，並以固定式位移計(jì)量測及回授動(dòng)態(tài)形變信息。 第25頁，共51頁。 第26頁，共51頁。位移計(jì)量測位置在實(shí)驗(yàn)前，首先經(jīng)實(shí)驗(yàn)決定位移計(jì)量測位置 。第27頁，共51頁。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部份由

9、前二年的雷射與火炬熱彎板實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)在固定入熱量Q調(diào)變移動(dòng)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(dòng)態(tài)行為，和形變結(jié)果會(huì)有些許差別。何況是船廠內(nèi)在線上實(shí)際加工難免會(huì)有環(huán)境變因，比擬此情形好比系統(tǒng)有一微擾。第28頁，共51頁。 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

10、板形形變值比對(duì)誤差，修正模糊系統(tǒng)的值。此法將有助於理論計(jì)算(子計(jì)劃2和3)，與沒有經(jīng)由模糊控制器之加工方式所得實(shí)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。 第29頁，共51頁。 實(shí)驗(yàn)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(huì)變差。其原因?yàn)檫^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(huì)變差，曲面加工效果也會(huì)變差，其原因?yàn)榻o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(shí)驗(yàn)過程的比對(duì)觀察：第一、二、三、四、

11、五和六條加熱線，的建議值約在20W35W。 第30頁，共51頁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)在相同條件，子計(jì)劃3同時(shí)以MARC做數(shù)值模擬比對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)加工的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的位移量，與預(yù)測模擬的左、右兩端點(diǎn)的位移量，比較其誤差，約在22%內(nèi)。第31頁，共51頁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果之比較 第32頁，共51頁。經(jīng)由模糊控制的馬達(dá)速度輸出 第33頁，共51頁。 第34頁，共51頁。感測點(diǎn)位移

12、回授圖(形變與時(shí)間關(guān)係圖) 第35頁，共51頁。The result of the experiment by predicated paths and Q/V in both Line 1 and Line 2 第36頁，共51頁。ENDThanks every professor for helping us.Thanks every younger classmate for the effort of the study.Thanks God.第37頁，共51頁。以下為補(bǔ)充說明圖 第38頁，共51頁。第39頁，共51頁。The surface shape is calculated by the thermo-elastic theory 第40頁，共51頁。The result of the experiment by predicated paths and Q/V in both Line 3 and Line 4 第41頁，共51頁。Fuzzy Rule Table (Ref. IEEE)-(7x7)over 1min. 第42頁，共51頁。 Fuzzy Rule Table