三维曲面水火弯板机焰道曲线拟合算法研究-论文
水火弯板
水火弯板 对于单向曲度的板，可用三辊弯板机加工成形。对于双向或多向曲度的板，其冷弯成形设备主要是液压机，热加工是水火弯板。三辊弯板机是板材辊弯的主要设备，常用的三辊弯板机如图所示，由一个上辊和二个下辊组成。上辊可上下升降调节上下辊之间的距离，钢板在
对于单向曲度的板，可用三辊弯板机加工成形。对于双向或多向曲度的板，其冷弯成形设备主要是液压机，热加工是水火弯板。三辊弯板机是板材辊弯的主要设备，常用的三辊弯板机如图所示，由一个上辊和二个下辊组成。上辊可上下升降调节上下辊之间的距离，钢板在上下辊之间辊轧，同时又受上辊的集中作用，从而对板材进行弯曲成型。液压机根据液体介质的不同分为水压机与油压机两大类。水压机和油压机由泵产生压力把钢板冷弯成形。目前船厂大多数采用油压机进行板材成型加工。 水火弯板是一个热弯的加工工艺，又称线状加热法。它是指沿着预定的加热线用氧一乙炔烘炬对板材进行局部线状加热，在加热的同时用水进行跟踪冷却。成型的基本原理是由于热场的局部性与沿板厚方向的温度梯度，使受热金属的膨胀受到周围冷却金属的限制，而产生压缩塑性变形，在冷却时形成了横向变形和角变形，从而达到弯曲成型的目的。90％以上的船体复杂曲度外板都可用此法加工。水火弯板具有生产率较高、成型质量好和设备简单等优点，特别是在单件生产和小批生产时更为适用。
通用工艺：典型特征的：1.帆形板，其纵向曲度与横向曲度一致。先用机械冷弯设备弯出横向曲度，再用水火弯板法弯出纵向曲度，加热线应位于板的横剖面两侧，弯曲时采用水火收边的方法，依靠其横向收缩及角变形，使构件两侧纵边缩短而得到构件的纵向曲度 2.鞍形板，其纵向曲度与横向曲度相反。先用机械冷弯设备弯出横向曲度，再用水火弯板法弯出纵向曲度，加热线应位于板的横剖面中间，弯曲时应加热构件背面的中间部分，使构件中间部分产生纵向缩短而得到其纵向曲度。 主要工艺要求：1.进行线状加热以前，应根据构件的成形要求，在钢板上预先定出加热线的位置，一边加热时正确掌握，各加热线起点不宜在一条直线上，应相互错开。 2.应根据构件的成形要求，选择合理加热参数，过高加热温度对质量与成形效果均无好处，应避免。 3.形状左右对称的构件，对称轴两侧加热线的位置、数量，长度应一致，操作也必须对称进行。 4.对低合金钢板进行水火弯曲时，应按下表严格控制其加热温度与水冷温度 否则会降低机械性能，影响船舶结构强度。 板厚（mm） 最高加热温度（c） 水冷温度（c） 中板厚（12-32） 800-900 500以下 薄板（12以下） 600-700 500以下 注：水冷温度500以下的，其相应水火距为：中厚板250-350mm，薄板120-200mm 5.新钢种水火弯板，须经试验鉴定后方可进行
三维曲面连续辊压成形的力学机制及弯曲变形的计算
第４ ９卷 第 ２期
机
械
工
程
学
报
ｖ０ １ ． ４９ Ｎ Ｏ． ２ Ｊ ａ ｎ． ２ ０１ ３
２ ０ １ ３ 年 １ 月
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ Ｍ ＥＣＨ Ａ ＮＩ ＣＡＬ ＥＮ ＧＩ ＮＥＥＲＩ Ｎ Ｇ
ＤｏＩ ：１ ０ ． ３ ９ ０ １ ／ Ｊ Ｍ Ｅ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ３ ５
ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏｒ ｆ ｇ ｏ ｖ ｅ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｇ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ａ ｌ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ （ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｌ ｌ ｓ ） ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ
船舶复杂曲板热加工成形工艺研究
船舶复杂曲板热加工成形工艺研究摘要：在造船业，大量的双曲度钢板需要加工，外板成形加工的效率和质量直接影响整个造船进度和质量。
本文总结了近年来火焰加热、高频感应加热、激光成形等热加工工艺的新进展，阐述了船体曲板热加工成形的国内外研究近况，提出了进一步研究的方向。
关键词：船体板；热成形；水火弯板；高频感应加热在“中国制造2025”和“智能制造”的战略背景下，船舶制造这一传统制造领域为实现智能造船，急需推进船舶智能制造生产流水线。
在造船行业有大量的船体复杂曲面外板需要加工，外板成形加工的效率和质量直接影响整个造船进度和质量。
船舶复杂曲板成形是实现船舶智能制造的关键一环，加工方法分为冷加工成形和热加工成形。
热加工成形是一种船舶曲面外板成形的重要方法，该方法需预先设定加工方案，采用热源在钢板表面局部线状加热，在钢板厚度方向上产生一定的温度梯度，冷却后沿厚度方向产生不同的收缩变形，从而促使钢板产生整体变形。
按照热源不同可分为火焰加热、高频感应加热、激光成形等。
单纯依靠人工经验加工船舶复杂曲板已无法满足智能造船的要求，船舶复杂曲板自动化加工一直是造船业的研究热点。
实现水火弯板工艺参数预报，摆脱对加工经验的依赖，进而实现船舶曲板水火加工自动化和智能化，是造船领域专家学者努力的目标之一。
1火焰加热研究现状火焰加热一般利用氧-乙炔或氧-丙烯作为热源，跟踪水冷。
该方法是目前世界各国广泛采用的商船复杂曲板加工成形方法，具有操作简单、成本低廉、适用范围大等优势。
船体复杂曲板加工的研究思路一般通过数值计算和实验相结合的方法研究成形机理，研究变形和工艺参数之间的规律，建立相关的数学模型，试图将设计曲面和变形建立联系，根据设计曲面的数据和相关的数学模型预测成形工艺参数。
曲板成形数值计算的研究方法主要分为热弹塑性有限元法和固有应变法，日本学者研究水火弯板根据固有应变法，韩国和国内学者采用热弹塑性有限元法。
1.1火焰加热国外研究近况。
锅炉尾部烟道烟气三维流场的数值模拟及均流装置研究
ＣｏＮＴＥＮＴＳＣｈｉｎｅｓｅａｂｓｔｒａｃｔ……………………………………………………………………………………………．．ＩＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ……………………………………………………………………………………………ＩｌｌＮｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ………………………………………………………………………………………………．．Ｖ１Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ…………………………………………………………………………………………………１１．１Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ…………………………………………………………………………………………．１１．２Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．…．．．．…．…．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．…．．．．．】【１．２．１Ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｃｕｒｖｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．１１．２．２Ａｂｒａｓｉｏｎａｎｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｌｕｅａｎｄｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ．．…．……．…．………．．．．４１．２．３Ｍｅｔｈｏｄｓｏｆｆｌｕｉｄｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ……．………………．…．…．………………．．…………．．６１．３Ｔｅｘｔｕａｌｔａｓｋ…………………………………．．…………………………．………ｉ…．．．…………．．．８２Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆｇａｓ—ｓｏｌｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｉｎｃｕｒｖｅｄｆｌｕｅ……９２．１Ｔｕｌ？ｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｓｆｏｒｆｌｕｉｄｆｌｏｗｉｎｆｌｕｅ…………．．…．……．…．…．…………．………．．．９２．１．１Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ．…．．……．…．……………．……．．．．．９２．１．２Ｅｄｄｙｖｉｓｃｏｓｉｔｙｍｏｄｅｌｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ……．…………．…．……．…．．…．……．．．１０２．１．３Ｗａｌｌ．ｆｕｎｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｎｅａｒｗａｌｌａｒｅａ……………………………………………．１４２．２Ｆｌｕｅｇａｓ·ａｓｈｔｗｏｐｈａｓｅｍｏｄｅｌｓ…………．……………．．………．…．…………．．…………．１４２．２．１Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇａｓ—ｓｏｌｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗ．………．１５２．２．２Ｇａｓ－ｓｏｌｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｍｏｄｅｌｓａｎｄａｐｐｏｌｉｃａｔｉｏｎ……．．．…．………．．…．………．１５２．３Ｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉｕｍｍｏｄｅｌ…………．…………．……………．……．…．．．．………………．……．．．１６２．４Ｓｕｍｍａｒｙ……………．……………．……．．……．……………．．…．．．．…．…．．…．……．…………．．１７３Ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｅｑｕａｌｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅｄｔａｉｌｆｌｕｅ．．…．．………．．…．………．１９：；．１Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｌｄｅｌｆｏｒｃｕｒｖｅｄｔａｉｌｆｌｕｅ…．……………．……．．．．…．．…．…．……．…．………１９３．１．１Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕａｔｉｏｎ………………………………………………．．１９３．１．２Ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕａｔｉｏｎｓ……………………………．２１３．１．３Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ……………………………２１３．２Ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ．ｔｏ．ｖｅｒｔｉｃａｌｃｕｒｖｅｄｔａｉｌｆｌｕｅ……………………２２３．２．１Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｇｒｉｄｓａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ………………………………．２３３．２．２Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇａｓ—ａｓｈｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｆｌｉｅｄｉｎｔａｉｌｆｌｕｅ………………………．２４３．２．３Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｎｆｌｏｗｆｉｌｅｄｉｎｔａｉｌｆｌｕｅ……………………………．．３１３．２．４Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｍａｓｓｌｏａｄｉｎｇｏｎｆｌｏｗｆｉｌｅｄｉｎｔａｉｌｆｌｕｅ…………………．３４３．２．５Ｅｆ瓷ｃｔｏｆｃｕｒｖａｔｕｒｅｒａｔｉｏｏｎｆｌｏｗｆｉｌｅｄｉｎｔａｉｌｆｌｕｅ……………………………３６３．２．６Ｅｆｒｅｃｔｏｆｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏｏｎｆｌｏｗｆｉｌｅｄｉｎｔａｉｌｆｌｕｅ……………．３８ｉｉｊ山东大学硕十学位论文摘要电厂锅炉尾部烟道由于转弯以及变截面致使烟道内含灰烟气流的速度场和飞灰颗粒浓度场分布不均，进而造成烟道和换热器的积灰和磨损以及换热器的换热不均等问题，对电厂的安全经济运行造成威胁。
07MnNiCrMoVNb钢板火工矫正和水火弯板工艺的研究
工艺序号
1
弯板相对挠度（ " # $）1） 3 / 465
2 10 / 488
3 5 . 5 / 480
4 16 / 488
5 3 . 5 / 475
6 17 / 487
角变形（/ ）
0.7
1 . 17
1 . 31
3 . 75
0 . 84
4
注：1）$ 为试板宽度，单位为 mm；" 为挠度，单位为 mm。
弯板加热采用氧-乙炔的中性火焰，水火弯板加热 mm 的钢板按表 4 所列的各参数水火弯板后的角
温度的测量采用 SD-5200 光电测温仪。
变形量见表 5。加热温度（ !）与钢板角变形量（!）
2.2.1 水火弯板加热温度对钢板角变形的影响
的关系曲线见图 4。
水火弯板是通过对钢板局部加热并跟踪水冷
表 5 厚 16 mm 钢板水火弯板挠度与角变形
火工矫正和水火弯板工艺是消除船体焊接结 构件畸变最适用的方法，也是复杂零部件必不可 少的成型方法，因此研究制定船体钢的火工工艺 是很必要的。
07MnnicrMoVnb 钢板是新开发研制的用氧气 转炉真空除气连铸坯轧制而成的低合金高强度船 体钢板。该钢的碳含量和碳当量较低，依靠加铌 微合金化处理和控制轧制，采用完全正火 + 高温 回火热处理，利用析出强化和细晶强韧化来提高 钢的强韧性，因此，它具有优良的低温韧性和焊接 抗裂性。该钢板的火工工艺和在火工热循环作用 下的组织结构和性能的变化情况也是人们关注和 值得 研 究 的 问 题。 为 此，对 该 钢 板 进 行 了 系
火工加热温度与火工区冲击功的关系示于图 3。可以明显看出，碳含量在上下限范围内的各种 厚度的钢板，经过 800 ~ 900 C 的火工矫正，大多 数钢板火工区的 - 40 C 夏比 V 型缺口冲击功有 所下降，其中 900 C火工区的值为最低。 2.1.4 火工矫正原则工艺参数的确定
水火弯板成形后板表面形状的数学模型
水火弯板成形后板表面形状的数学模型
董大栓;柳存根;谭家华
【期刊名称】《上海交通大学学报》
【年(卷),期】2003(37)7
【摘要】给出了水火弯板成形后板下表面的曲面方程的基本形式 .水火弯板的变形场可由成形后板的表面形状及平面内变形全面描述 .对于帆形板火焰成形的变形 ,大量计算结果表明 ,各种加工条件下板成形后的表面形状是相似的 ,即曲面可以用同一种曲面方程描述 .通过对计算结果的回归分析 ,得到了此曲面方程的具体形式 ,并比较了计算和拟合结果 .
【总页数】5页(P1002-1006)
【关键词】水火弯板;表面形状;曲面方程
【作者】董大栓;柳存根;谭家华
【作者单位】上海交通大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U671.3
【相关文献】
1.水火弯板的简化计算—水火弯板研究（一） [J], 汪建华;戚新海
2.水火弯板的假想载荷模型——水火弯板研究（二） [J], 汪建华;徐磊
3.水火弯板的热弹塑性数值模拟——水火弯板研究（三） [J], 汪建华
4.水火弯板温度场的数学模型 [J], 刘玉君;纪卓尚;孙焕纯
5.水火弯板的数学模型 [J], 蓝鸿波
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船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工技术分析
船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工技术分析摘要：现阶段，对于船体外板水火加工工艺技术研究方向主要在扰度相对较小的大型曲面钢板上，其中包括船体中部、艏艉部等大部分外板。
基于此，在本文中从船舶艏艉大曲面线型钢板的应用出发，分析在水火加工工艺的技术特点、温度控制及水浇冷在水火加工技术中的应用，以期为船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工技术的研究提供帮助。
关键词：船舶艏艉；线型钢板；水火加工技术引言：由于船舶艏艉部钢板具有扰度小、面积大的特点，在布置加热线时的间距相对较大，因此在水火加工技术上需要考虑的因素和变形规律较为复杂。
大部分船舶的表面是由复杂不可展的空间曲面构成，目前，在加工钢板时一般采用线状水火加工工艺（即水火弯板），通过对钢板采用乙炔焰加热至红热状态后采用浇水迅速冷却，最终形成需要的三维曲面。
一、船舶艏艉板水火加工应用与发展船舶艏艉板就是在船舶艏部和船舶艉部厚度较大的形状不规则钢板，并且曲率相对较为复杂的船体外板。
一般情况下板长在1000mm至3000mm之间，板厚一般在18mm至30mm之间，曲率半径在2000mm以内。
长度与厚度比值在33至150之间，曲率半径与厚度比值在33至100之间。
想要将一张钢板加工至符合以上要求的船体外板需要采用水火加工工艺，利用热源对钢板进行局部加热，根据其热胀冷缩的原理使钢板发生塑性变形，最终实现弯曲成型的效果。
其优势在于能够实现其他机械无法完成的三维形状。
随着我国造船技术的不断发展，曲板热冷加工成型技术也逐渐成熟，对于一些扰度较小、面积较大布置加热线间距比较密集，取得了一些能够达到工程应用水平的成果。
在加工过程中影响钢板局部变形的因素非常多，例如加热线长度、火焰移动速度、冷却方法、钢板材质及热源变化等，因此大曲面线型钢板水火加工对技术要求非常高、难度比较大[1]。
二、船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工工艺分析（一）船舶艏艉水火加工的技术特点在对钢材实施水火弯曲与矫正过程中，一般采用线状条形加热法。
基于LSSVM的水火弯板变形预测方法_段珏媛
ANSYS 仿真值 θ △L (mm)×10-1 (°) 2.32 2.06 4.01 2.54 4.21 3.16 2.08 1.43 2.65 1.81 4.38 2.31
LS-SVM 预测值 θ △L (mm)×10-1 (°) 2.39 2.01 3.97 2.66 4.20 3.12 2.07 1.47 2.63 1.80 4.31 2.45
k =1 l
持向量。
其中， α k 是 Lagrange 乘子，称对应于 α k ≠0 的样本点为支 相应的 KKT 条件为
l l
(6)
∂L = 0 → w = α φ(x ) k k ∑ ∂w k =1 ∂L = 0 → α = 0 k ∑ ∂b k =1 ∂L = 0 → α = γe , k = 1,⋯, l k k ∂e k ∂L = 0 → wT φ(x ) + b + e - y = 0, k = 1,⋯, l k k k ∂α k
有效热量（J） qs = = 加热面积（mm2） η ⋅ QC H ⋅
2 2
L HL ⋅q v HL 热值 η ⋅ QC H ⋅ q热值 = L HL ⋅2r 0 v HL ⋅2r 0
2 2
(1)
142
《自动化与仪器仪表》 2015 年 1 期 （总第 183 期）
η ⋅ QC H ⋅ q热值 有效热量（J） qs ⋅t = = 2 L HL ⋅2r 0 加热面积（mm ） ⋅ 时间（s）
影响因素整合
QC2 H 2
LHL
h
qs
h
u HL
qs - t
r 0
图 1 复合变量与变形量的关系图
最小二乘支持向量机
h
qs qs×t
曲面拟合中境界拟合与面片拟合方法的探究
*
摘
要： 以摩托车覆盖件的逆向建模过程为例， 分别采用境界拟合和面片拟合的方法对曲面的快速重构技术进行了
探讨； 对两种不同建模方法得到的曲面效果进行对比分析， 结果表明： 通过面片拟合获得的曲面表面质量高 、 曲面连 续性好， 但是， 建模效率相对较低， 适合用于表面质量要求较高的曲面建模中； 通过境界拟合获得的曲面表面质量相 曲面连续性相对较差， 但是， 建模效率较高， 适用于表面质量要求相对不高的曲面建模中 。通过对比两种建模 对较差、 方法的优缺点， 为不同建模要求下快速建模方法的选择提供参考 。 关键词： 逆向工程； 曲面重构； 模型检测 中图分类号： TH122 文献标志码： A 文章编号： 1007－4414 （ 2016 ） 01－0092－03
［1－2 ］
1
扫描点云处理
图 1 为对摩托车覆盖件进行扫描得到的扫描数
。
据， 因扫描仪配备的软件可直接导出 stl 格式文件， 无 需对其进行封装。由图 1 可知扫描数据存在大量的 噪声点以及数据缺失， 需要对其进行预处理 。数据预 处理是在保证建模精度的前提下， 精简扫描数据， 去 除干扰数据， 并依据设计意图填补必要缺失数据［7］。 选取建模方式不同， 采用的面片处理方式也不相 同。在参数化建模中， 关键在于对建模对象的设计尺 寸进行提取， 局部数据的缺失不会对建模精度造成影 响， 因此， 仅需删除干扰数据并进行适当数据优化处 理， 并不需要填补缺失数据使其得到完整面片数据； 当需要用到曲面拟合时， 面片数据中多余的特征以及 数据缺失可能会直接影响曲面质量， 此时需要对面片
Ｒesearch on Methods of Mesh Fitting and Boundary Fitting on the Curved Surface HUI Yan－bo， FENG Wen－yan， FENG Lan－fang， ZHANG Kun
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２３０ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第７期
２０１４年７月
三维曲面水火弯板机焰道曲线拟合算法研究 吴昌宇，程良伦 （广东工业大学自动化学院，广东广州５１０００６）
摘要：水火弯板机控制系统是一个复杂的联动控制系统，由于视觉系统提取到的焰道线是离散的点，为提高弯板机联 动控制算法的时间复杂度以及保证控制系统的加工精度，提出了将焰道分割戍微段区间，采用最小二乘法及阈值限定策 略．用空间微线段拟合焰道加工曲线，建立微线段区间的线性方程。通过焰道的点及所在区间的微线段求解得到水火弯 板机火枪头的位置矢量，根据火枪头的位置矢量可推导出机械中各个轴的运动量。试验仿真结果表明，采用该拟合策略 可以很好地拟合水火弯板机加工焰道的三维曲线，同时为机械控制的精度、行走的连续性等提供了保证。 关键词：水火弯板机；最小二乘法；三维曲线拟合；焰道 中图分类号：ＴＨ１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１４）０７—０２３０—０３
Ｃｕｒｖｅ Ｆｉｔｔｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ３Ｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｒｅ Ｒｏｕｔｅ ｏｆ Ｌｉｎｅ Ｈｅａｔｉｎｇ ＷＵ Ｃｈａｎｇ－ｙｕ，ＣＨＥＮＧ Ｌｉａｎｇ－ｌｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ａ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｕｎｉｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓ￣ｔｅｍ，ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆｆｉｒｅ ｒｏｕｔｅ ｐｏｉｎｔｓ’ｄｉｓｃｒｅｔｅｎｅｓｓ ｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍ ｓ￣ｔｅｍ ｏｆｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｅｗ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｋｅ ｏｆｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｉｍｅ－ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆｌｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈａｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｕｔｅ ｉｎｔｏ ｓｍａｌｌ ｓｅｇｍｅｎｔｓ，ａｄｏｐｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｌｉｍｉｔｉｎｇ ａｎｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅａｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ．ｏｆｔｉｎｙ ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｂｙｆｉｔｔｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｕ￣ｅｓ ｏｆｆｉｒｅ ｒｏｕｔｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｉｎｙ ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｓｐａｔｉａｌｌｙ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｏｆＬｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ’ ｆｉｒｅ ｉｎｊｅｃｔｏｒ Ｃａｎ ｂｅ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｐｏｉｎｔｓ ｆｒｏｍｆｉｒｅ ｒｏｕｔｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ＺＯｎｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｗｈｉｃｈ ｅｖｅｒｙ ａｘｉｓ ｏｆ ｌｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ３Ｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｕｒ＇ｙｅ ｏｆ ｌｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｂｙ ａｄ＠ｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｂｏｖｅ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ’ｓ ｃｏｎｔｒｏＵｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｏｖｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ａｒｅ ｓｅｃｕｒｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｅ Ｈｅａｔｉｎｇ；Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ Ｍｅｔｈｏｄ；３Ｄ Ｃｕｒｖｅ Ｆｉｔｔｉｎｇ；Ｆｉｒｅ Ｔｒａｃｅ
１引言 船舶的船体外板大都是由复杂的空间三维曲面构成，目前 国内外造船厂对于船体外板的加工主要采用的是传统的水火弯 板加工＿Ｔ艺，由经验丰富的技师完成。由于船体板型复杂、加工受 外界环境影响较大，导致加工过程中效率相对低下，质量波动也 比较大；目前船体外板的曲面加工成型一直都是船舶自动化生产 的重要瓶颈之一。 国内外有大量学者对船体外板加工工艺进行研究，并且取 得了一定的成果。日本石川岛播磨重工业株式会社研制出一台曲 板成形的自动化加工装置ＩＨＩ—Ｏｔ［・１。韩国汉城大学日研制了自动水 火弯板加工系统，它可以进行船体外板建模、外板展开、加热信息 计算、钢板形状的自动测量，该系统已经在合作船厂进行了试用。 美国Ｍ．Ｉ．Ｔ研制用激光作为热源的全自动水火弯板设备，在薄板 水火变形控制研究方面已经有很大的建树１３１。中国第一台水火弯 板机是由大连理工大学、大连新船重工有限责任公司、清华大学 和北京航空航天大学合作研制［４１。广船国际和上海交大于２００５年
底也开发出一台数控水火弯板机 。它的加＿Ｔ参数预报系统能为 帆形钢板加工火路进行预报。２００６年广东工业大学采用多轴运 动控制系统和三维立体成型的加工方法也研制出一种水火弯板 机 。２００７年上海船舶工艺研究所（船舶６１ １所）研制出ＳＧＱ一 １ ２４ １数控感应加热曲板成形机１８１。设备采用高频感应加热与计算 机数字控制，具有自动加热、自动均载支撑、自动测量、自动画线 及手动操作等功能。这些装备和研究具有一一定的价值，但是大部 分都只是针对曲率较小的一种或者几种板型进行加：【，具有一定 的局限眭，也没有实现产业化。结合目前新设计的机械结构，采用 机器视觉提取焰道以及检测钢板形变，在视觉系统提取的焰道 点，以及前人研究曲线拟合 ’Ｏｌ的基础上，研究一种焰道空间曲线 的拟合策略，减少系统联动控制算法的时间复杂度，同时为设备 的加工精度、效率和质量提供可靠的保障。 ２水火弯板机焰道模型的作用
焰道是水火弯板机加工钢板的加热的轨迹，根据钢板受热 后其物理特性改变而形成船体外板板型。为使加丁效率最高，水
来稿日期：２０１３—１２—１０ 基金项目：２０１０年广东省产学研结合项目（２０１０Ｂ０９０４００１２６） 作者简介：吴吕宇，（１９８８一），男，湖南岳阳人，在读研究生，主要研究方向：智能控制方面的研究； 程良伦，（１９６４一），男，广东广州人，博士，教授，主要研究方向：生产装备与过程自动化 ２３２ 机械设计与制造 Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ．２０１４
１０ｏ ，｜８０ ６０ ４０ ３５０
典型焰道曲线拟合
图３焰道三维曲线微线段拟合图（一） Ｆｉｇ．３ ３Ｄ Ｃｕｒｖｅ Ｆｉｔｔｉｎｇ Ｇｒａｐｈ ｂｙ Ｔｉｎｙ Ｌｉｎｅ Ｓｅｇｍｅｎｔｓ（１） 帆形船体外板加工的一条常见的焰道线，这种焰道线在加
工过程中也占有较重的比重，如图４所示。从拟合的效果来看，拟 合的直线基本达到了预期效果。 帆形板典型曲线拟合
６０ 图４焰道三维曲线微线段拟合图（－－） Ｆｉｇ．４ ３Ｄ Ｃｕｒｖｅ Ｆｉｔｔｉｎｇ Ｇｒａｐｈ ｂｙ Ｔｉｎｙ Ｌｉｎｅ Ｓｅｇｍｅｎｔｓ（２）
５结束语
依据船体外板加工机械的新结构，为适应所有船体外板加工 条件，提出水火弯板机运动轨迹的拟合策略，为实现机械结构的平 滑、稳定、高效提供保障，同时也尽可能保证同一型号的板型加工出 来的钢板质量基本一致。通过对拟合策略的仿真验证，拟合策略能 比较好地拟合现实加工中的两条有代表意义的曲线。提出的拟合策 略为新设计的水火弯板机的加工效率和控制精度提供了一种策略， 为船体外板加工工艺提供了一种稳定、可靠的执行机构，也为船体 外板加工的预报系统和检测系统的研究提供了可靠、便利的检验 条件，对于船舶制造业的自动化进程有一定的推动作用。 参考文献 ［ｉ］Ｍｏｒｉｎｏｂｕ Ｉｓｈｉｙａｍａ，Ｙｏｓｈｉｈｉｋｏ Ｔａｎｇｏ．Ａｄｖａｎｃｅｄ ｌｉｎｅ—ｈｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ
ｈｕｌｌ－－ｓｔｅｅｌａｓｓｅｍｂｌｙ［Ｊ］ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｉｐＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，２０００，１６（２）：１２１—１３２． ［２］ＪｏｎｇＧｙｅＳｈｉｎ，ＲｙｕＣＨ，ＮｕｍＪＨ．Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｉｎｅ—ｈｅａｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｒｖｅｄ ｓｈｅｌｌ ｐｌａｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｐｒｏｄｕｃ－ ｔｉｏｎ，２００４，２０（２）：６９—７８． ［３］ＫｏｉｅｈｉＭａｓｕｂｕｃｈｉ ＪｅｒｒｙＥ Ｊｏｎｅｓ．Ｌａｓｅｒｆｏｒｍｉｎｇｆｏｒｆｌｅｘｉｂｌｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］’ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＳｈｉｐ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．２０００，１６（２）：９７－１０９． ［４］大连理工大学，大连新船重工有限责任公司．曲面钢板水火成型机器 人：中国，０１２５０８５２．７［Ｐ］．２００２． （Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｎｅｗ Ｓｈｉｐ ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｍｐａｎｙ．Ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｃｕｒｖｅｄ ｓｔｅｅｌ ｓｈｅｅｔ ｏｆ ｌｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ： Ｃｈｉｎａ，０１２５０８５２．７［ＰＪ．２００２．） ［５］广州广船国际股份有限公司．一种水火弯板机：中国，２００６２００５６６５１．３ ［Ｐ］．２００６． （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｓｈｉｐｙａｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ａ ｌｉｎｅ ｂｅａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ： Ｃｈｉｎａ，２００６２００５６６５１．３［Ｐ］．２００６．） ［６］广东工业大学．一种水火弯板机多轴运动控制系统：中国，２００８１０１９８— ９１４．８［Ｐ］．２００９． （Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａ ｍｕｈｉ—ａｘｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｌｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ，２００８１０１９８９１４．８ ｌＰＪ．２００９．） ［７］胡晓文，程良伦．基于嵌入式ＭＣ２０６数控水火弯板机控制系统的设计 ［ＪＪ．电气自动化，２００９（２）：ｌ １－１４． （Ｈｕ Ｘｉａｏ—ｗｅｎ．Ｃｈｅｎｇ Ｌｉａｎｇ—ｌｕｎ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＮＣ ｌｉｎｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＭＣ２０６【Ｊｊ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００９（２）： １１－１４．） ［８］上海船舶工艺研究所．一种数控板材热应力曲面成形机：中国，２００７１— ００４３０３７．２［Ｐ］．２００８． （Ｓｈｉｐ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔ．Ａ ＮＣ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｒｍｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ ｏｆｈｅａｔ ｓｔｒｅｓｓ：Ｃｈｉｎａ，２００７１００４３０３７．２ｌＰＪ．２００８．） ［９］李延芳．基于协方差矩阵的轮廓曲线拟合算法研究［Ｊ］＿机械设计与制 造，２０１０（５）：５８—６０． （Ｌｉ Ｙａｎ—ｆａｎｇ．Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｃｏｎｔｏｕｒ ｃｕｒｖｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｖａｒｉａｎｅｅ ｍａｔｒｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０１０（５）：５８— ６０．） ［１Ｏ］朱虹．基于ＮＵＲＢＳ曲线拟合的复杂回转体零件加工技术研究［Ｊ Ｊｌ机 械设计与制造，２０１３（４）：２１４－２１６． （Ｚｈｕ Ｈｏｎｇ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｂｏｕｔ ｃｏｍｐｌｅｘ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｐａｒｔｓｂａｓｅｄ０ｎＮｕＲＢｓｃｕｒｖｅｖｉｔｔｉｎｇ［Ｊ Ｊ－ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ， ２０１３（４）：２１４—２１６．）