船体分段自动合拢液压工作系统设计.pdf

2 01 0年 9门 第 3 8卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p．2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 7 ． 0 2 6 船体分段 自动合拢液压工作 系统设计 郑雄胜 ，曹文正 ，张玉莲 1 ．浙江海洋学院机电工程学院，浙江舟山 3 1 6 0 0 0 2 ．浙江省 久和船舶先进制造技术研发 中心浙江省船舶工程重点实验 室，浙江舟山 3 1 6 0 0 0 摘要 通过对国内外各种船台合拢设备的分析 ，结合模块化设计思想 ，设 计一种大吨位船体分段 自动 合拢液压工作系 统 ，自动完成船怵分段的顶举、平移、位姿调整和高精度合拢对中。介绍该工作系统的构成、工作原理和控制方法。试验 结 果表 I 1月，该 lJ _I 作系统满足大推力 、高定位精度及负荷均载 的要求。 关键词 船体分段 ；自动合拢 ；位姿调整 中图分类号 T P 3 1 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 7 0 8 2 4 Th e Aut o ma t i c As s e mb l i n g Hy dr a u l i c S y s t e m De s i g n o f S h i p Bl o c k Z H E N G X i o n g s h e n g 一 ．C A O We n z h e n g ，Z H A N G Y u l i a n f 1 ．Ma c h i n e a n d E 1 e c t r i c E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，Z h e j i a n g O c e a n U n i v e r s i t y ，Z h o u s h a n Z h e j i a n g 3 1 6 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．Z h e j i a n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f S h i p E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g J i u h e A d v a n c e d Ma r i n e T e c h n o l o g Y R e s e a r c h＆ D e v e l o p m e n t C e n t e r ． Z h o u s h a n Z h e j i a n g 3 1 6 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B v a n a l y s i n g i mp o r t e d a s s e mb l i n g e q u i p me n t o f s h i p b l o c k ，c o mb i n i n g t h e mo d u l a r i z e d d e s i g n me t h o d，a n a d v a n c e d a u t o ma t i c a s s e n 1 b l i n g h wt r a u l i c s v s t e n 1 for l a r g e s h i p w a s d e v e l o p e d t o mo v e a n d l i ft t h e d i f f e r e n t p a r t s o f b i g s h i p，a d j u s t t h e i r p o s c u r e s．f i t a 1 1 o f t h e n 1 t o g e t } 1 e r a u t o ma t i c a l l y．Th e ma i n pr i n c i pl e，s y s t e m c o mp o s i l i o n a n d c o n t r ol me t h o ds o f t h e s y s t e m we r e d e s c r i b e d r r h e e x D e r i n l e nl a 1 r e s ul t s s h o w t h a t t h e s y s t e m ha s s o me a dv a nt a g e s s uc h a s bi g p o we r，h i g h p o s i t i o n a c c u r a c y a n d l o a d e v e n K e y w o r d s S h i p b i o c k ； A u t o m a t i c a s s e m b l i n g f o r s h i p ；A d j u s t me n t o f t h e p o s t u r e s 船体分段 的合拢 ，是船壳整体装 配工艺阶段的重 要工作内容 ，而分段定位 又是分段合拢 _ 厂 作的重要环 节 ，定位的精准和快慢直接 关系到船体建造质量的好 坏 、船舶建造周期的长短。 日前船体分段 的顶举 、平 移 、凋整和合拢，大多采取吊机吊运配合简单机械装 置进行人工操作 ，费时费力，而且精度低 ，存在安全 隐患 ，不能满足船体分段模块化建造合拢对举船能力 和对中精度 的要求。作者设计的这种大型船体分段 自 动合拢 液压工作系统 ，运用 电液伺服控制技术 、传感 技术和计算机控制技术 ，能 自动完成大型船体分段或 总段的顶举 、平移 、姿态调整和合拢对 中，具 有操作 安全 、推力大 、对 巾精度高等优点 。 1 工作系统构成及原理 大型船体分段 自动合拢液压工作系统采用模块化设 计，分为机械系统 、液压 系统 、电控系统 3个子 系统。 机械系统主要有轨道钢梁 、液压船台小车和连杆等元件 组成 ；液压系统主要有高压油泵、控制阀组 、主顶升油 缸 、 副油缸及水平驱动油缸等元件组成 ；电控系统主要 有工控机、便携式操纵盒 、监测和显示系统及控制软件 等组成。工作系统构成示意图如图 1 所示 。 l 一 主顶 升油缸2 一 侧 推副 油缸3 一 连杆4 一 船台 小车 5 一轨 导 钢梁6 一支 撑 墩木 图 1 分段自动合拢液压工作系统结构组成示意图 工作系统的执行机构是 4个液压船 台小车。使用 时两个组成一套分置在两根平 行的轨道上。液压船 台 小车相对独立 ，可联动也可单 独手动操作。顶举 、平 移、行走均 为液压 驱动 ，联 机时 油缸 为位 置闭 环控 制 ，手动时为开环控制 。行走 时采用水平千斤顶进行 驱动 ，也有联 机和 手动 两种 工作方 式 ，能够 实 现前 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 2 基金项 目浙江省船舶先进制造技术研发 【 基金资助项 目 1 1 0 4 4 0 5 0 8 0 7 ；浙江省新苗人才科技创新项 目资助 作者简介 郑雄胜 1 9 7 2 一 ， ，硕上 ，讲 师，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。 电话 1 3 8 6 8 2 2 6 9 9 6 。Em a i l z x s 6 6 8 99 8 1 6 3． C O F a 第 1 7期 郑雄胖 等船体分段 自动合拢液压上作系统设计 8 3 进 、后退 、停机 等功 能。行走 速度 手动给定。行走与 顶举为分时操作。 工作系统的 自动合拢 过程 分为 对 中与合拢 两步 。 第一阶 段是 根 据 对 接段 标 志 点 其首 面及 尾 面 上 、 下 、左 、右共 设 置 了 8个 标 志点 与 基 准段 基准 点 其对接端 面上 、下 、左 、右设嚣 了 8个 基准点 的 偏差 ，将对接段姿态调整到与基准段姿态一致 ；第 二阶段是船 台小车将对接段平移 ，与基准段合拢 。一 次调整完成后 ，再测量分段与基准 的对 中误差 。由于 分段质量 很大 ，在姿态调整过程 中很可能变形和相对 滑动 ，一次调整往往达不到要求 ，因此实际运行时需 要重复上述过程多次 ，实现分段 中心线 向基准段 的分 步逼近 。也可利用联机手动操作 ，作微小 的调整来结 束合拢过程 。同时 ，系统可 以根据主机和伺服控制器 发出的信号 ，控制 油 缸按 指定 的轨迹 移 动到 对应 位 置 ，实现三 自由度的调整 。 工作 系统在计算机集 中控制下能完成立体分段空 间 6个 自由度 的位姿精 确调整 ，实现立体分段对 中合 拢。输入基准分段与对接分段的位姿量参数 ，控制软 件能够实现联机 自动或联机手动位姿控制 。合拢时 以 对接分段 与基准总段接触信号为刹车信号或车 动给 出 停 车信号。 2液压 系统设计 液压系统分为对 中定位液压子系统和 同步合拢液 压子系统。对中定位液压子系统主要完成立体分段左 右 、上下的平移和绕 3个坐标 轴旋转 5个 自由度的姿 态调整 ；同步合 拢液压子系统的任务是拖动立体分段 模 块沿船长方向同步移动 ，实现最后的合拢 。 2 ． 1 对 中定位 液压 子 系统设 计 由于船体分段 总 段 的质 量 很 大 ，对 合拢 调 整小车的载荷 要求 较 大且 姿态 调 整 的精 度要 求非 常 高 ，所以对 中定位液压子系统 中，小车 的举升 、平移 运 动都必 须采用高精度的液压位置伺服 系统 。 对中定位液压子系统主要 由高压泵站 、螺母 自锁 油缸 、液压闭环伺服系统 、光栅尺 、压力传感器及控 制器等元 件组成 ，控制油路原理 见 图 2 。系统 采用 恒压油源。电机启动后 ，带动主油泵 3转动 ，输 出高 压 油液经 吸油过 滤器 2、单 向阀 6和 出油过 滤器 7后 分成两路 ，一路 由电液伺 服 阀 1 0控 制主 顶升油缸 1 5 的升降 ，另一路 由 比例 流量 阀 9和 三位 四通换 向 阀 1 1 控制副油缸 l 6的平移 运动 。主油缸可 通过液 压锁 1 2实现任意位置锁紧 ，蓄能 器 1 4起缓 冲作 用 ，保 证 主油缸 升降平稳 。负 载超荷 时 ，由压力传 感器 1 3报 警显示 。该系统 的核心 部分由电液 比例方 向流量复合 控制阀、油缸外置传感器、数字闭环控制器、比例放 大器等组 成 ，它接收运 动方 向、压力及位移量 ， 自成 一 个小闭环 ，重现稳定 的运动轨迹 。 图 2 对 中定位液压子系统控制油路原理 图 在计算机集 中控制下 ，对 中定位液压子系统能分 动和联动 ，自动和手动控制主 、副油缸和液压伺 服系 统 ，实现多 自由度协调运转 。4机联 动时 ，能够单独 对任意 1台进行控 制 ，单 机控制 时 ，其他 3台必须能 够随动 。 分段姿态调整控制原理见 图 3 。通过键 盘输入位 移脉冲 ，作为液压缸闭环伺服系统的输入信号。经伺 服放大器 变 成 输 出 电 流 ，控 制 电 液 伺 服 阀 的 阀心 滑阀 运动 ，从 而推动主油缸 或 副油缸 活塞上 下 或左右 移动 。主 副油缸 产 生相 应 位 移后 ，其 位移增量 由光 栅尺 检测 ，并反 馈 到液压 伺 服控 制 系 统 ，再传送到主机进行判别 。系统具有 位置超差 自动 补偿或人工干预功能 ，在严重超差或油缸超越极限位 置时 ，能 自动停机并报警显示 。 图 3 分 段姿态调整控制原理图 2 ． 2同步合拢 液压 子 系统设 计 同步合拢液压子系统一 。 由高压液压泵站 、顶推油 缸、锚固油缸、压力传感器与位移传感器及控制器等 元件组成 。子系统工作原理见 图 4所示 。4个液压船 台小车 2分两组放 置于两条轨道 6上 ，其 中一组 为主 动小 车 ，小车上有 行程传感器。同一轨 道上 的船 台小 车通过连杆 3连接 。每侧 主动小 车的头部相连一个短 行程顶推油 缸 4 ，油缸 的另 一端连 接 于锚 固器 1 上 ， 锚 固器在锚 固油缸 的作用下能卡紧在轨道梁上 。两个 8 4 机J 未与液压 第 3 8卷 顶 推 油 缸 采 取 与 对 中定 位 液 压 子 系 统 相 I J 的 控 制 方 式 ，可 以进行联动控制 ，也 可 以进行手 动单缸操控 。 通过液压控制系统调节顶推速度和行程 的大小 ，以适 。’。。 。 ’ ’‘。。。。。。 ‘’ 。‘ ’。 。。。。 ‘ l 埘 接 分 段 I J I l 应移动不 同分段 的需要 ，提高工作效率 。顶推油缸与 锚固油缸 相互配合下能实现船 台小车的前进 、后退 和 停止等运动 。 1 一 锚 固 器 2 一 船台 0 0 3 一一 连杆 4 一 顶推油 缸 8 5 一 液 压泵 站 6 轨道 粱 7 一 主油 缸 7 8 一 副 油 缸 图4 同步合拢液压子系统 工作原理示意 同步合拢液压子系统的油路控制原理见图 5所 在立体分段同步合拢时，必须保证移动过程的同 示 。主泵 3 采用 比例排茸调节 变量泵 ，其 主要 目的 步性。由于分段质量分布不均，作用在每条轨道上 的 是使系统供油随工 况不 同而实时改变 ，降低液压系统 滚动摩擦力也 各不相 同，通过实 时控制 电液 比例减压 的能量损失 ，减 少液压 系统 的发热 量。辅 泵 2 0选 用 阀 1 2 、1 3的出 口压力和动摩擦平衡压力之 间的压差 ， 恒压轴 向柱塞泵 ，保持夹紧过程压力恒定 。为使系统 使主推油缸 1 8 、1 9位置保持 同步。当主推油缸 1 8 、1 9 特性更佳，电液伺服阀 】 2 、1 3后增加了进 口定差减 由于位置不同步而使分段姿态发生偏转时，位移传感 压 阀 1 4 、1 5以稳 定流鲢 。系统输 出的高 压压 力油 由 器能够及时反馈信息 ，以此信息对减压 阀 1 2 、1 3的压 电液伺服阀 J 2 、1 3控制主推油缸 l 8 、1 9推出 、缩 回 力进行调 整 ，校 正分 段姿 态。在平 移 阶段 ，通 过力 、 的方向 ；油缸分成左右两组 ，每组油缸均配有压 力传 位移双闭环控制 ，达到安全平移分段的 目的。 感器 ，可 以检测控制指令并控制油缸 的顶推力 ；顶推 3 电控 系统 设计 力通 过比例减 压阀 1 4 、l 5实现 力的 同步 控制 ，单侧 工作系统 的电控 系统 由一套上位机 系统和每台小 位移由一个位 移传感 器在 保证 力 同步 时保 证位 移 同 车上一套分控 制系统组成。上位机采用工业控制计算 步 ；它控式液控单向阀能随时进行油缸位置锁紧。锚 机 、小车分控制 系统采用可编程控制器 P L C 作为 固油缸 2 3 、 2 4在电磁换 向阀 2 1 、2 2的控 制下实现锚 控制器来控制液压系统 的动作并采 集相关检测 信号 ， 固器 的卡紧与放 松。 实现小 车的行走及顶举运 动。上位机通 过 4 8 5网络总 l 一 油箱2 、4 、9 一过 滤器3 一 变量 泵5 一 卸荷 阀6 一 电磁溢 流 阀 7 一 压力 表8 _ 单 向阀I 减 压 阀1 I 一 二位 三通 电磁 换 向阎1 2 、 l 3 一 电液伺 服 阎l 4 、1 s 一 电液 比例减 压 阀l 6 、1 7 一液 控 单向 阀 l 8、l 9 _ _ 主 推油 缸 2 【 卜 定 量泵 2 l 、2 2 一 二位 四通 电磁 换 向阀 2 3 、2 4 一锚 固油 缸 线与所有 的小车分控制系统进行通讯。图 6表示基 于 R S - 4 8 5总线的多 台小车 协调控 制 网络 ，小车 分控制 系统接受 主控 计算机 发来 的信 号 ，经 处理 及功 率放 大 ，驱动相应的执行机构 ，同时它又检测执行机构 的 状态 ，返 网工作站 ，实 现全设备 的计算机 闭环监控 。 主、副油缸 的光栅尺 位移检 测量 接人 P L C中形成 位 置闭环控制 - o 。 RS． 4 8 总线 褒 光 栅 尺 叶 位机 ． 伺服控制器} ． 伺服阀 一 主、 副油 f f ． 泛面磊 ． r 丽i 习 f 主 动 小 一一一 r I． _ 1 光栅尺 广] J L _ 一 l - ． 兰 L 下位机 ． 帕I 服控制 器卜 } 伺服阀L 、 剐油缸 f ． 瓜 l l O 砸百 ． 膝 f L ． 4 逻辑 控 制器 J 一液 压泵 站L _ J 船 体模 块姿态 传感 器 图 5 同步合拢液压子系统控制原理 图 图 6 基于 R S - 4 8 5总线 的多 台小车协调控 制网络图 船 体 模 块 化 建 造 卓 厶 第 l 7期 郑雄胜 等 船体分段 自动合拢液压工作 系统设计 8 5 工作系统软件主要 由上位机监控软件 和下位机实 时控制软件组成。上位机监控软件主要负责系统姿态 数据处 理 、小车轨迹 转换 、实时任务调度 、状态监控 显示 以及用 户输 人 等 ，它根 据 基准 段 和对 接段 的位 姿 ，由姿 态数学模 型计算 出各个油缸的位移增量 ，通 过双绞屏蔽 网络线传送 到各 个小车控制单元 ，控制单 元 的状态及信息通过 网络反 馈 回主机 ，实现整个系统 的控制 。 下 位机 实时控制 软件的任务主要 是接收上 位 机 的命令及数据 ，控制执行机构运 动 ，并 把执行 结果 及设备状态返 回上位机 。 4油 源 系统设 计 为使液压 系 统可靠 工作 ，采 取 了多种 抗 污 染措 施 。首先 ，选用抗污染能力强 的高性能 比例 阀构成 系 统 ，油箱 内壁进行喷砂防锈处理 。油箱盖加空气滤 清 器 ，系统 中装吸油 、回油 、磁性 3种滤油器 ，确保油 旧清洁 。液压油箱采用密闭式 ，并用船用 电机带动恒 式变量泵 ，选择风冷 ，以便于野外使用 。油源控制 统集成在船用控制柜 内。 5结束 语 作者研 究设计的这种立体分段 自动合拢液压工作 系统 ，采用 大推力 油缸的位置闭环和压力闭环控制技 术及 策略 ，满足大推力 、高定位 精度及负荷均载 的要 求 。经过工作 系统样 机实际运行试 验 ，若按 承受 8 1 0 。 N力计算 ，液压 系统 的工作压 力为 2 1 M P a ，额 定 流量 约为 2 5 L ／ m i n ；功率为 1 0 k W，主油缸最大工作 推力 2 ． 61 0 。 N，副油缸推力 3 ． 5 X 1 0 N；单缸 重复 定位精度 0 ． 1 m m，对 中一 次 只需 要 1 0～ 2 0 m i n ， 对 中精度达 到了万 吨级船舶 总段 合拢 时的模块化建造 要求 。 参考文献 【 1 】景奉水， 谭民， 侯增广 ， 等． 基于多机器人协调的船体分 段对接 系 统 的 运 动 学 及 对接 精 度 研 究 J ] ． 机 器 人 ， 2 0 0 2 ， 2 4 4 3 2 43 2 8 ． 【 2 】刘学鹏 ， 毛宗源， 王斌． 六维运动船舰小车平台对准系统 研究 [ J ] ． 中北 大学学报 自然利 学版 ， 2 0 0 8 ， 2 9 6 4 9 5 5 0 0． 【 3 】张利平． 现代液压技术』 、 If 用 2 2 0例[ 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为现代化 。检测 和数据记 录手段 的变 化 ，使数据 的监测记 录更为 准确 、迅速和全面 ，为技 术人员进行数据分析提供 了可靠 的依据 和丰富的数据 资源 ，全面提高 了管理水平 ，达到 了气液变换装置试 验 台的检测要求 。 参考文献 【 1 】刘温增． 气液转换器在试验机加载系统中的应用研究 [ J ] ． 试验技术与试验机 ， 2 0 0 1 3 3 4 ． 【 2 】孙业， 张鹏 ， 张哲， 等． 基于 P C I 总线数据采集卡的实时 测控技术 [ J ． 生物医学工程研究 ， 2 0 0 9 1 5 65 9 ． 【 3 】李秋萍， 刘梅， 潘成炜． 机电液压设备控制软件系统构架 探讨[ J ] ． 航空精密制造技术， 2 0 0 9 2 4 7 4 9 ． 【 4 】 郭化平 ， 李宁， 赵善 良． 基于参数测量的液压系统故障 诊断技术 [ J ． 中国工程机械学报 ， 2 0 0 8 ， 6 4 4 3 8 4 42