（控制理论与控制工程专业论文）船体制造中camcnc关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着c a m c n c 技术应用不断深入到船舶生产制造中，造船企业迓渐积累起来了 数量庞大的电子数据。但由于这些电子数据由不同的生产阶段的独立软件系统生成管 理，企业缺乏对它们缺乏有效的管理手段，导致电子数据不能充分重用，c a m c n c 各系统的组合使用效率不高。面对这些同益增长的电子数据，如何有效地组织，管理， 以构造一个企业制造共享的环境，提高电子数据的重用性，是我们面临的芒要m 题。 本文提出了罄fc a m c n c 技术的一体化船体制造系统解决方案，并将该系统但 w i n d o w s 9 8 为操作平台下的实现和使用v c + + 6 0 的丌发作为重点。 本文阿先介绍了船体制造系统的特性、功能，分析了在这一领域罔内外的发展历 史和研究成果，总结出了计算机辅助船体制造系统的功能，讨沦了肌体制造中数控技 术应用。接着在此基础上，一体化船体制造系统划分为型线处理，外板展丌，结构套 料和数控j d q - 四个子系统。本文详尽地阐述了一体船体制造系统的功能定义过程、分 别介绍各子系统的的具体功能及光顺处理、数控) j 口q - 中主要数据结构。然后，在光顺 概念和样条函数的数学基础上对型线光顺子系统进行了详细设汁，给出其中主要模块 设计要点并就圆弧样条生成给出了数据结构，实现算法及部分c + + 代码。紧接管数控 加工子系统的设计和实现被重点讨硷。在描述了数控加工子系统的硬件系统后，提出 了数控加_ 的系统流程图和处理要求。在对数控加工子系统进行软件设计中，这弃【j 分 的功能处理被划分前后台程序完成，前后台程序分别要完成的任务在文中也有明确的 界定。因为数控加工：予系统是个实时系统，系统定时中断采用多媒体定时器t 扣断_ i 芏 文中给出了在v c + + 下相应的具体使用方法和使用实例。本文还讨沦了插补运算的数 据处理并提供了直线插补的实现算法。此外在分析了割缝补偿的功能、方法的基础 上，给出了不同的转接情况下的割缝补偿计算方法并描述了直线转接情况下的具体实 现。 关键词：一体化船体制造型线光顺插补割缝补偿 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h et e c h n o l o g yo fc a m c n ca p p l i n gi n t oa l lt h es h i ph u l lb u i l d i n gi n c r e a s i n g l y t h es h i p b u i l d i n ge n t e r p r i s e sh a v ea c c u m u l a t e dal o to fe l e c t r o n i cd a t a b e c a u s et h e s e e l e c t r o n i cd a t aw e r ep r e s e r v e dd i s p e r s e d l yi na l lk i n d so fc o m p u t e rs o f t w a r es y s t e ma n dl a c k o fg o o dm a n a g i n gm e t h o d s t h e s ev a l u a b l er e s o u r c e sh a v el o s tg r a d u a l l ya n dc o u l dn o tb e u s e da g a i n ，s ot h ea d v a n t a g eo fc a ma n dc n cc o u l dn o tb ep e r f o r m e de f f i c i e n t l y a st h e s e e l e c t r o n i cd a t ai n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y , t h em a i np r o b l e mt h a tw ea r en o wf a c i n gi sh o wt o m a n a g e ，t os h a r ea n dt or e u s et h e m t h i sp a p e rg i v e st h eg l o b a ls o l u t i o nt oh u l lb u i l d i n g b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fc a m c n c e s p e c i a l l y , i tf o c u s e si t sd i s c u s s i o ni ns y s t e m s r e a l i z a t i o nu n d e rt h ew i n d o w 9 8a n dt h ed e v e l o p m e n tw i t hv c 十+ 60 ， a tf i r s tt h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e ra n df u n c t i o nofs h i p b u i l d i n gs y s t e m a n a l y s i s t h ew o r l d sd e v e l o p m e n th i s t o r ya n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s b a s e do nt h e s e d i s c u s s e s ，t h eg l o b a ls y s t e mf o rh u l lb u i l d i n gi sd i v i d e di n t of o u rs u b s y s t e m s ：t h el i n e s s m o o t h i n g p l a t ee x p a n s i o n s t r u c t u r en e s t i n ga n dn u m e r i c a lc o n t r o lm a n u t h c t u r e a i 【e rt h e f a i r i n gc o n c e p ta n ds p l i n ef o n c t i o ni sd e s c r i b e d ，t h ep a n so fl i n e s m o o t h i n gi sd e s i g n e di n d e t a i l ，i nt h i sp a p e r ，w eg i v et h ep o i n to ft h em a j o rm o d u l eo ft h i ss u b s y s t e m t h ed a t a s t r u c t u r ea n dt h ea c c o m p l i s h m e n to fa r cs p l i n et h ep a r t i t i v ec + + p r o g r a mc o d ea b o u ta r c s p l i n e t h e nt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h en u m e r i c a lc o n t r o lm a n u f a c t u r e s u b s y s t e mi sc o n v a s s e da sae m p h a s i s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es y s t e mf l o wg r a p ha n dd e a l r e q u i r e m e n ta f t e rt h ed e s c r i p t i o no fc n ch a r d w a r e t h es o f t w a r es y s t e mf o rt h en u m e r i c a l c o n t r o lm a n u f a c t u r es u b s y s t e mi sm a d eo ft h ef o r e g r o u n dp r o g r a ma n dt h eb a c k g r o u n d p r o g r a mw h o s et a s k i sa l s op o i n t e do u td e f i n i t e l y b e c a u s et h en u m e r i c a lc o n t r o l m a n u l h c t u r es u b s y s t e mi sr e a l t i m es y s t e m ，m u l t i m d i at i m e ri sa d o p t e da st i m ei n t e r r u p t t h i sp a p e rs p e c i f i e st h ew h o l eu s a g eo f m u l t i m e d i at i m e ri nv c + + a n da na p p l i c a t i o n a l s o i n t e r p o l a t i o nf o r m u l ai s a l s ow r i t t e no u ta n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mi sg i v e na tt h e s a m et i m e b e s i d e st h e s e t h et h e o r yo fc u t t e rr a d i u sc o m p e n s a t i o ni si n t r o d u c e d ，a n da c o m p l e t ea l g o r i t h mo nl i n k t u r n i n gi s o f f e r e da n dt h ed e a ls t e po fl i n e a rl i n k t u r n i n gi s c l a r i f l e d k e y w o r d s ：g l o b a lh u l lb u i l d i n g l i n es m o o t h i n g i n t e r p o l a t i o n c u t t e rr a d i u sc o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：。跏；年7 月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：枷；年7 月，罗日 指导教师签名：彳历乏够 日期：a 胂；年7a 2 - 1 3 华中科技大学硕士学位论文 1 1 计算机船体制造系统 1 概述 1 1 1 问题的提出 船舶工业是综合性很强的产业。船舶，特别是船体的制造均属于典型的多品种小 批量的生产模式，设计制造周期长，信息量大，管理复杂。客观上要求采用先进的技 术处理设计、生产、经营中的大量复杂数据，实现数据的共享和快速传递。因此，计 算机和信息技术在船舶工业的科研、设计、生产、管理等各个领域得到广泛的应用， 并成为转换造船模式的重要手段。正是在这种需求下产生了许多船体c a m 系统，计 算机数控系统也大量应用于造船行业。为了进一步提高造船的生产效率，缩短船舶的 制造周期，如何在船体制造中尽可能地避免各计算机子系统间的信息孤岛现象就成了 一个关键点。如果解决不好它，随着船舶制造的日益复杂化和船舶的多样化，计算机 技术带来的各种优越性将被抵消。这应该成为现在计算机船体制造系统中要着重研究 的方向。 1 1 2 船舶制造系统 由于船舶产品是把巨大的“海上活动科技城市”当作产品来制造，企业资源优化配 置较一般机械产品的企业( 如汽车、机床、家电产品等制造企业1 困难得多，一般 c a d c a p p c a m e r p 软件不适用于造船企业i ”。 总体来看，船舶工业有下列重要特征1 2 】： - 多品种、小批量甚至单件生产： 建造周期相对较长，而船舶建造周期是船厂( 或造船公司) 竞争力的重要指标； 劳动密集型与技术密集型并存的、综合性的大型的组装工业，工种、专业繁多， 生产过程复杂，计划平衡困难： 立体交叉的生产方式，导致物流、人流、信息流的时空紧张： 配套企业多，配套产品复杂，周期控制困难： 专用大量资金，且投资回收期长、风险大。 船舶工业的这些特点。决定了船舶制造系统的特殊性。它按船舶生产粗略地可分为 船舶设计系统船舶生产系统和船舶计划管理系统等子系统；按船舶组成的功能系统来 华中科技大学硕士学位论文 分可分为船体、轮机、电气、舾装等子系统。船舶制造系统定义为：船舶制造系统是一 个复杂的大系统，由各分散的，却又由物质流、信息流、资源流和资金流等联系的子系 统组成。系统内的各予系统组成了一个有机的整体，接受新船建造( 或维修) 的订单，购进 原材料和其他配套件，接受各种外部条件的约束，在各种控制因素作用下将外部输入转 变为有用的产品船舶【3 】。在这个庞大的系统中，船体辅助设计制造部分尤其重要， 也是船舶制造系统与其它制造系统区别最大的位置，因此它基本上成为所有船舶制造 系统共有的一部分。 1 1 3 计算机船体辅助制造系统的功能 一个供造船厂使用的计算机船体辅助制造系统通常具有以下功能： 型线生成和型线光顺。根据由船舶设计者提供的型值表和未加密的型线图通过插 值方法得到水线、剖线等型线( 加密型线) 并对其三向光顺。由于光顺的复杂性，光 顺的操作方式需自动结合手动。 外板展歼。在上面的型线处理后得到了船舶几何外形的详细数据，但这些数据还 不能直接成为下料依据。于是须通过数学计算，提供给用户外板零件下料图，活络样 板调节型值表、样箱制作图和胎架的图表，以及外板展开图。这些正是外板展开的功 能。 结构零件生成。船舶组成除了有大量的板材外，还有为数不少的型材。为了取代 传统的力n - r - 方式，这些型材零件的下料尺寸， 切割数据均由计算机计算出来。 套料。为了提高材料的利用率以及加工的效率，在大部分情况下，并不是直接使 用外板展开和结构零件生成的数据进行下料，而将待加工对象结合现有原材料大小、 形状以及工艺的要求作一个合理排布后得到实际数控切割数据。 1 1 4 计算机船舶制造系统的发展和现状 上一世纪后期，世界造船业的竞争不断加剧，迫使造船厂家采取通过裁员、工程转 包等措施来提高效益，但效果并不显著。现在各个船厂都面临着激烈的技术竞争，只有 技术领先和设计手段先进，船舶建造周期才能大为缩短，质量也才能得到保证，技术先进 的厂家才是市场的大赢家。为了提高现有的设计和建造技术，各企业求助于当代科技成 果计算机。随着计算机的广泛应用，c a d c a m 软件越来越受到船厂的青睐。 自初次采用计算机船舶制造软件以来，随着计算机硬件技术迅猛的发展，硬件价格 不断下调。日益强大的硬件使计算机船舶制造软件能支持更大、更复杂的船舶制造， 华中科技大学硕士学位论文 这就使软件厂商能提供模块更多、功能更强大的集成软件包，这些软件包使用方便，能 更快地给出更详细的结果，若将这些信息传达给更多的人。现在船舶设计制造工作完全 可以在主流pc 机上完成了。下面就介绍一下这类软件国外的发展。 5 0 年代后期，制造技术的飞速发展，使造船生产自动化的进程大大加快了。但依 靠纸带的数据输入却时常带入各种错误，影响造船效率。在这种背景下，a u t o k o n 系统作为世界上第一个成功的船舶建造计算机系统诞生了。它于1 9 6 0 年开始着手研 究，1 9 6 5 年投入使用。尽管从现在看来它的功能并不丰富，界面也不是很友好，但在 当时却大大推动了世界造船业的发展。自七十年代后期起a u t o k o n 系统从面向建 造为主的c a m 系统发展为面向设计生产的c a d c a m 系统【4 l 【5 1 。 在a u t o k o n 系统诞生后三年，西班牙s e n e r 公司的f o r a n 系统开始使用。 f o r a n 系统开始仅能进行船舶设计，1 9 7 3 年增加了船体建造部分。f o r a n 系统的 基础是一个用来定义船体表面的数学公式，能直接生成光顺的型线，环绕船型数学表 达，完成各种船型参数计算，因此成为当时最先进的船舶建造软件。该系统一直沿用 至今。s e n e r 公司声称，他们的f o r a n 系统是市场上最完整的船舶设计及建造系统。 f o r a n 系统由使用圊一数据库的不同软件包组成，能设计出三维拓扑学的“制造模型”， 并为船厂的大部分工作提供信息。为了拓宽用户面，于1 9 9 9 年7 月推出了可以在商 用p c 机和w i n n t 工作站下运行的f o r a nv 4 0 。在2 0 0 0 年o r a c l e 数据库被集成入 f o r a n 系统，使得该系统与外界连接性更强，简化了用户在船舶信息与数据库数据 之间的转换工作。加之该系统是模块化的，让它适用于任何类型的船舶和任何规模的船 厂。 在上一世纪八十年代中期，澳大利亚的f o r m a t i o n d e s i g n s y s t e m 公司开发了第一 套用在p c 机上的船体设计软件m a x s u r f om a x s u r f 软件中船体设计由m a x s u r f 模块完 成。m a x s u r f 模块通过一个或多个三维样条曲面进行三维船体建模，采用实时交互式控 制法，运用多种方法对船体曲面线型进行修改，或从数据输入框直接输入数值进行修 改。m a x s u r f 模块允许运用任意多个曲面建模，曲面数量仅受计算机内存结构限制。在 1 9 9 8 年6 月f o r m a t i o nd e s i g ns y s t e m 公司推出了可以运行于w i n 9 5 9 8 晰r l n t 上的 m a x s u r f 模块的7 0 版本，在之后的7 1 版的m a x s u r f 系统中性能增强了1 0 4 0 ，并 改善了数据交换，也改进了联机帮助。以w i n d o w s 为平台的m a x s u r f 7 1 可以从其他 c a d 系统引入更大的模型，而对表面和控制点的数量也没有什么限制1 6 j 。 而现在国内使用较广泛的却是由瑞典k c s ( k o c k u m sc o m p u t e rs y s t e m a b ) 公司设 华中科技大学硕士学位论文 计开发的用于辅助船舶设计与建造的计算机软件集成系统叮r i b o n 。t r i b o n 的 前身产品是s t e e r b e a r 。k c s 公司经过几十年的设计、完善而推出的最新版本的船 用专业软件，涉及到船舶建造的各个方面，如船体设计、舾装布置、涂装、定货等等。 由于该系统来源于实船建造、再加上吸取用户的使用经验，因而具有很强的实用性，被 越来越多的造船企业所认可。t r i b o n 系统作为一个面向船舶详细设计、生产设计的 应用系统，它运行于d e c 、h p 或其他的图形工作站平台上，用o p e n v m s ，w i n n t 操作系统作为系统支撑软件。用批处理命令和屏幕菜单命令方式驱动的二、三维图形 系统是整个t r i b o n 系统的使用基础。由于该系统采用了较好的硬件平台和网络环境， 加之t r i b o n 系统又将船舶详细设计和生产设计融为一体，使船体建造各阶段间的数 据具有良好的共享性和兼容性，这为船体数学放样工作带来了极大方便。因此在 t r i b o n 系统中船体处理部分是整个系统的亮点们。 除了上述几种应用系统，a u t o s h i ps y s t e m 公司的a u t o s h i p 、c a 公司的 s h i p b u i l d i n g 也各具特色吼 1 1 5 我国造船软件的发展 尽管国外船舶制造系统种类繁多，技术成熟，但由于语言、文字水平、建造模式 的差异，无法适应在国内大规模的推广要求。鉴于此，我国各船舶研究所，船舶研究 实力较强的大学，技术实力雄厚的造船厂纷纷开始进行这方面的研究和开发。 上海造船工艺所在多年数学放样研究的基础上于1 9 8 0 年成功开发出运行于国产 机d j s 8 上的主要面向船体制造的h c s 集成系统。1 9 8 4 年，在芜湖船厂的协助下， 上海造船工艺所推出了h c s 微机版h c s l 0 系统，并在国内广为应用。1 9 8 7 年， 运行于i b m 4 3 4 1 机上的h c s i i 阀世，为中华、新港船厂计算了多艘船，取得了明显 效果。1 9 9 1 年商品化程度较高的h c s 微机版h c s 2 0 系统被开发出来。由于采用 了多进程的f o r t r a n 编程技术，并用c 语言在u c d o s 环境下，开发了图形处理软件 包和仿w i n d o w s 下拉弹出式的中文菜单平台，h c s 2 0 具有结构合理，用户界面清晰、 操作方便、运算稳定，处理效果好的优点，并具有较强的图形处理功能。进入9 0 年 代，国内外计算机软件硬件飞速发展，以w i n d o w s 视窗作为软件的开发平台和运行环 境的潮流锐不可挡。上海船舶工艺研究所再接再厉于2 0 0 0 年推出了w i n 9 5 9 8 n t 下 的h c s 3 0 。在这个新版本中增强了与其它c a d c a m 软件的综合使用能力，具有与 其它相关软件较好的互相转换接e l o 。 固内各大船厂为了寻求最适合自身使用的船体建造系统，除引进国内外已使用成 4 华中科技大学硕士学位论文 功的产品，还依靠现有技术力量开发出最需要的船体建造系统，于是有一些船体 c a d c a m 在大型船厂诞生了。沪东造船厂的h d s h m 船体建造系统就是这类船体 c a d c a m 中的佼佼者。在对前面版本改善的基础上，运行在w i n d o w s 平台下的 h d s h m 2 0 0 0 于1 9 9 9 年上半年进入市场。它从生产的角度将整个系统分为线型、结 构和外板三个子系统。这三个子系统既可以联合使用，也可单独使用或跟其它的船体 c a d c a m 结合使用。这种伸缩性深受用户喜爱，符合现在已使用和未使用船体 o d c a m 软件的船厂的需求。 为了推动我国船舶工业的发展，各大院校也纷纷研制技术先进的相关软件程序。 上一世纪9 0 年代初大连理工大学就设计开发了d o s 下的船舶c a d c a m 软件 a u t o f o r m ，拥有多窗口、全屏幕交互修改型线、型线三向光顺，型线图输出等功能。 其后于9 0 年代后期武汉理工大学使用v c + + 5 0 和o p e n g l 开发了运行在w i n 9 5 i 9 8 下的以n u r b s 样条为基础，通过交互式手段实现型线的三维动态设计和实体造型的软 件程序e h u l l , 程序具有升阶、分割、节点插入、节点去除等功能，可以计算曲面的高 斯曲率、获得各种剖面的形状和线型图、肋骨型线图：可生成各种二次曲面【”l 。 当然我国对船体建造系统还有很多研究成果，比如上海7 0 8 所的f a s t l i n e ，但总的说 来都不同程度地对相应的c a d c a m 工具软件有一定依赖性，在这种情况下，用户 固然获得了较好的使用效果，但相应也提高了使用成本。 1 2 船体制造中的计算机数控技术发展应用 上一节中介绍了船体制造中的c a p p 及c a m 技术应用及发展，但要指出的是上 一节中c a m 技术的讨论仅限于狭义的概念范畴。因为广义上的c a m 要包括生产准 备和产品制造的整个过程。因此，作为自动化制造的基石，计算机数控( c n c ) 技术 是完整的c a m 技术中不可缺少的组成部分【l l 】。 c n c 的前身n c 和d n c 尽管有优良的加工能力，但因为其性价比不高，一直没 在国内外船舶制造行业中大量使用。随着c n c 的出现，世界船舶制造，特别是船体 制造水平发生了飞跃。但在上一世纪八十年代前，国内的造船业由于对c n c 技术的 认识的不够积自身各种条件不成热，c n c 技术的使用和研究均不多见。船体零件外形 还要依靠人工加工。八十年代后，随着船舶需求数量、吨位的提高，这种人工加工零 件的生产方式曰益暴露出各种问题。不仅在零件加工速度和加工质量上制约着造船水 平的提高，同时随着计算机的性价比提高和船舶生产人员的报酬的上调，也导致相对 华中科技大学硕士学位论文 和绝对船体制造成本上升。 为了适应市场对船舶制造的新要求，上世纪八十年代中期，国内各大型船厂纷纷 购买国外c n c 加工设备，这些设备在很大程度上提高了大型船厂的生产能力。但这 些设备不但购买价格不菲，使用中、后期的维修也无法满足船厂的要求。为了解决这 些新出现的问题，1 9 8 5 年后国内的一些技术实力雄厚的船厂开始c n c 技术的研究和 c n c 产品的开发。及至9 0 年前后，一批国产c n c 加工设备在国内若干大型船厂的 加工车间投入正常使用。近十几年来，用于国内船舶制造业的自产c n c 设备品种不 断地增加，加工能力日益增强，价格成倍降低。现在用于船体板、型材部件加工，船 体肋骨折弯，管系折弯的c n c 设备在造船企业也不少见了。而板材零件是船体部件 的重要组成，因而板材加工是船体制造的一道重要工序，板材加工的自动化也就成为 提高船体生产率的重要途径之一。因此使用c n c 技术更好地完成板材加工在计算机 船体制造系统中最常见。 但现在的c n c 技术依然有不足和须进一步提高，以满足新的船舶生产需要。现 在是网络的时代，信息共享是如今技术研究的一个主题。为了使加工信息或数据共享 和适应制造自动化进一步提高的要求，c n c 系统不仅需要有更强的通信能力，还应很 好地与其它c a m 系统集成，以提高生产率。在集成后，c n c 系统的稳定性要求也须 进一步加强。这些都成为了c n c 技术的下一步研究方向。 1 3 课题背景及意义 进入2 1 世纪以来，随着计算机技术、信息技术、网络技术的飞速发展和全球经 济一体化进程的加快，作为现代船舶制造业中各个环节不能再孤立于信息网外，各自 为政【圮】1 1 3 】。将船体制造中的型线设计、结构设计、外板展开这几个密切相连的关键处 理连接起来，使船型详细设计、外板展开、下料加工紧密地结合成一起。如此形成的 船体制造系统在计算机网络的支持下，向前连接放样部门，向后控制下料车间，完成 船体建造。随着p c 机上的船体制造软件的日渐增多和基于p c 机的数控系统的普及， 在船舶建造系统q a n a n 络模块以及与船体制造各模块的无缝集成，使一体化船体建 造系统的实现成为可能。而在企业局域网或企业内联网的支持下的合理集成具有非常 重要的社会意义和经济效益。 1 ) 各种国产船舶c a m 软件商业产品的出现标志着我国船体制造系统的开发水 平在某些方面和世界先进水平接近【1 4 i 。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 一体化船体制造易于实现信息共享，可方便地接入企业工厂加工网络( p 1 a n t m a n u f a c t u r i n gn e t w o r k ) 和企业办公网络( p l a n to f f i c en e t w o r k ) ，实现企业设计和生 产的一体化。随着各种计算机辅助设计或制造技术的不断发展，这些先进成果越来越 快地进入实际船体建造系统，并需要方便地快捷地与船体建造系统进行融合。各种 c a m c n c 技术在不同的背景下产生发展，它们都有着各自的组成特性，如果不从宏 观的角度将其恰当地集成起来，则无法做到各个工作环节的稳定结合。只有相隔数百 上千米的船体工艺室和下料加工车间之间能完全做到数据一致或兼容的话。物理的网 络才能真正起到数据共享的作用。否则，从网络上传来的数据大多不可用，网络电就 形同虚设。 3 ) 一体化船体制造可实现其他方式无法实现的功能，在某些情况下可大大提高生 产效率。用几个独立的c a m 系统和c n c 系统构成船体建造系统将很难快捷地进行生 产对设计的反馈，而这种功能对于船舶这样的产品是很有必要的。而在一体化船体制 造系统中，c a m 和c n c 子系统之闻有各种数据通道提供任意方向的数据流动。无论 是数据正向控制还是逆向反馈都能完成。 4 ) 一体化制造为远程监控及网络制造提供了最有力的支持【圩l 。一体化制造系统 通过各种数据传送方式向远程生产部门提供加工状态信息并接收远程生产部门的反 馈信息，为真正的网络制造提供最基本的支持。更迸一步，一体化制造可以将各个生 产环节模块化的相互有机聚合起来。 基于以上船舶制造系统发展的趋势，结合长轮青山船厂的实际情况，在现有c a m 和c n c 系统实现功能分析基础上，进行的船体制造中c a m 和c n c 关键技术的研究 正是本文的意义所在。 1 4 主要内容和全文安排 本文主要讲述了在结合c a m 和c n c 基本构架基础上，为实现船体制造n 勺一体化， 将普通船体制造系统集成上c n c 系统而形成的面向船厂船体设计生产集成系统，并 讨论了在集成系统中所使用的c a m 和c n c 技术。 第一章概述了国内外船体c a m 技术的发展历史及代表产品，介绍了c n c 系统发 展历史和现状，指出了本文研究对象的技术背景和研究意义。 第二章在第一章的基础上给出了一体化船体制造系统的分析。先对整个；j 毛统进行 个全面的定义，接着讨论系统的功能需求，最后对系统涉及的关键数据你r 逐一说 7 华中科技大学硕士学位论文 明 第三章详述了型线光顺子系统的设计实现。先给出详尽的光顺概念，其中讨论了 三种j 堇( 合蓝线的样条函数的表达式推导及三种样条的使用场合以及拐点和鼓瘪的数 学处理方法。接着对型线光顺子系统进行了总体分析并特别对圆弧样条拟合给出了具 体实现方法。 第四章讲述c n c 技术中关键部分的实现。在对总体硬软件设计进行讨论后，对 定时中断选用情况进行了论述，并对本次采用的定时中断的各细节进行了介绍。接着 在给出插补程序实现方法及误差讨论后，又对割缝补偿功能从原理到设汁，直至实现 进行了深入细致的研究，并给出大量实现的具体流程或算法。 在本章中，先介绍了船舶制造系统的特征、功能及组成，接着讨论了国内外船舶 制造系统几十年来，特别是近十年中c a m 和c n c 技术研究开发发展、现状和技术成 果。在此基础上，阐明本论文的背景及意义。在这一章最后也指明了本论文设计的主 要内容和全文安排。 华中科技大学硕士学位论文 2 一体化船体制造系统的分析 造船业是一个国家工业现代化程度的衡量标志之一，同时又是最能体现计算机应 用效率的领域之一。近十年来，计算机辅助船体制造系统也逐步走向成熟和实用。丽 任何一套计算机应用系统开发都离不开明确的定义和全面的需求分析。 2 1 总体项目说明 2 1 1 船体建造系统涉及的工序 造船是一个工种繁多、工序复杂的大型工程，其中包含了大量数据处理和重复工 作。其中首当其冲的是船体制造，并且因为该过程的人力和材料消耗特大而成为整个 造船过程中举足轻重的环节。船体制造通常需要在基本结构建立后再进行初步设计、 详细设计和生产设计，具体包括型线光顺、结构细化、数据推算、外板展开和零件生 成等数道工序。下面给出船体制造的过程图。 放样室 下料加t 现场 船台 图2 1 船体制造过程图 船体车间 这些工序密切相关，环环相扣，于是自动化越低，出错率就越高，浪费就越大， 华中科技大学硕士学位论文 造船周期也就越长。 2 1 2 现有船舶制造系统的使用状况和需求 为了提高自动化程度，近二十年来计算机软硬件技术被广泛地应用到船舶制造 中。大量的c a m 软件使工程技术人员在从事生产工艺设计时扔掉了计算器，纸和笔， 各种数控设备使制造工人不再时时刻刻地守在加工设备前进行大量重复劳动，这些改 变在很长一段时间内不仅保证了产品质量的稳定性，而且提高了工作效率。但随着制 造业的发展，制造工艺日益复杂化，原来使用的c a m 软件和数控设备也出现了一些 影响产品质量和工作效率的问题1 1 6 】。 1 ) 提高了个人工作效率，而团体工作效率受到影响。 2 ) 工作资源各自为政、产品数据混乱、设计标准不统一或资料不全、无法实现 产品级的借用设计。 3 ) 信息的查询检索存在很大的困难 4 ) 随着时间的推移，将不可避免地产生大量的、独立的电子数据，增加了数据维 护、管理和使用的难度， 5 ) 设计信息跨部门的实时、准确传输有较大的困难。 以上问题，对内影响有效组织生产，对外影响灵活迅速提供产品。所以企业应引进 先进的信息技术，在整个企业中建立一个汇集了c a m 和c n c 的信息集成管理系统f 1 7 】， 即可实现以计算机为工作平台的新型现代化管理模式。 2 1 3 一体化船体制造系统的总体定义 为了缩短造船周期，采用先进的计算机软件来提高自动化程度是最佳选择。计算 机具有处理速度快、精度高、适于完成重复工作的特点，可大大提高船体制造质量， 并可用计算机辅助编程、图形系统、集散控制系统实现下料的最优化，减轻劳动强度， 明显降低生产成本。但是计算机并不是能胜任所有的船体制造工作，而且试图由计算 机承担所有人工劳动也是不现实的。经分析调查各工序特点及质量要求，造船厂的计 算机辅助船体制造系统主要参入的工序依次为： 1 ) 船体型线生成 2 ) 外板展开 3 ) 船体结构套料 4 ) 数控加工 1 0 华中科技大学硕士学位论文 其中船体型线生成中的型线光顺和数控加工是整个制造过程中尤为重要的两个 环节，对船体制造的质量和效率有很大影响。在型线光顺过程里需要完成繁重的数据 计算工作，在下料加工中存在大量的重复工作，因此它们也是最需要使用计算机辅助 的环节。 尽管从型线生成到数控加工的几个工序有着密切关联，但在主要功能上存在一定 的独立性。鉴于此，一体化船体制造系统分开安装在厂内各科室部门的工作站上，在 计算机主控室使用一台高性能计算机作为服务器。由于厂内各科室网络都己连通，各 工作站一般情况可以在该服务器监控下，在相对独立的环境中完成本部门的大部分船 体靠4 造的相关工作，但对某些数据的产生和传输则必须在服务器的配合下方可完成。 在特别情况下，高级管理员可以在服务器端远程操控整个系统的大部分功能。总体硬 件架构见图2 - 2 。 图2 - 2 硬件总体框架图 综上所述，一体化船体制造系统是一个以计算机网络为物理实现基础集成了型线 处理、外扳展开、结构套料和数控加工四大功能的计算机船体制造系统。它是一个集 华中科技大学硕士学位论文 目目= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；一= = ： 合了c a d 、c a m 、c n c 及计算机网络等众多先进技术的产物。 2 2 软件总体设计 根据功能需求和在借鉴其它相关系统的基础下，一体化船体制造系统划分为型线 光顺、外板展开、结构套料、数控加工四个子系统 1 8 】【1 9 | 。这几个子系统分别对应了船 体制造的几个重要工序，因此几个工序中的各项工作和数据的生成均由四个子系统来 完成。下面一一介绍四个子系统需完成的各项功能。 2 2 1 型线光顺子系统 作为一体化船体制造系统的子系统，它主要包括型线三向光顺和与其它系统的数 据接口功能，用户在这个子系统的帮助下脱离样台在计算机上完成绝大部分型线生成 的工作。基于此，主要实现功能如下 1 ) 三向光顺 2 ) 型线拼接 3 ) 生成外板肋位文件 4 ) 型值表生成 5 ) 样条转换 6 ) 与其它系统的数据转换 在三向光顾功能中提供自动和交互两种光顺方式生成各类光顺要求的型线。外板 肋位文件存放的是船体肋骨线数据。 2 2 2 外板展开子系统 这个子系统的功能是依据型线光顺完成后得到的数据为一体化船体制造系统生 成板材加工工作相关数据，具体包括生成外板板缝、展开外板零件、提供外板下料图、 样箱制作图以及分段支柱式胎架的图表。主要实现功能如下 1 ) 板缝线的生成 2 ) 外板和样板生成 3 ) 艏艉柱板生成 4 ) 样箱 5 ) 胎架 在板缝线的生成功能中除计算生成外，还需提供将其它系统的板缝线数据转换 华中科技大学硕士学位论文 为本系统的板缝线数据的功能。而在生成外板数据后还提供外板展开图、下料图的输 出功能。 2 2 3 结构套料子系统 这个子系统要完成结构线布置、船体结构零件生成、套料、材料定额管理、生成 零件加工工艺表、水尺展开、生成数控切割文件。零件生成包括板材零件生成和型材 零件生成的工作。计算完备的下料和加工数据是这个子系统的重要功能。具体实现功 能如下。 1 ) 结构线生成 2 ) 零件生成 3 ) 套料 4 ) 材料管理 5 ) 生产用表 用户在零件生成中可通过多种方式生成零件数据，可以用结构几何语言描述、可 以绘图、可以用一定格式的文本文件、可以从其它系统的零件文件转换生成的结构零 件数据。在套料中用户可以在图形交互方式或在程序自动下完成零件在材料扳上的最 佳排布，以达到合理高效的使用材料。同时在套料完成后，零件加工的数控文件就会 制作好。而材料管理中除去计算各种材料使用量和记录各种材料的使用情况，还要对 套料后的余料作一定记录和转化，以便对其再合理利用。而生产用表要为用户提供分 段零件加工工艺管理复合表、套料板生产管理表、分段零件重量重心表、分段零件面 积表。加工工艺管理复合表包括分段零件表、刨边零件表、样板零件表、型材零件表。 2 。2 4 数控加工子系统 这个子系统对前面子系统中生成各种零件中的板材零件进行自动化切割。用户输 入数控加工指令或数控加工文件后，可以先通过加工仿真预览加工情况，然后按用户 指定的速度进行零件加工。这个子系统主要实现功能如下。 1 ) 数控指令的输入编译 2 ) 割缝补偿 3 ) 位置控制 4 ) 图形仿真 5 ) 数据接口转换 华中科技大学硕士学位论文 这个子系统能直接处理的数控指令以g 代码为主，对于非g 代码的数控指令通 过数据接口转换后才能将其编译成待插补数据。在位置控制中提供自动，手动和点动 三种方式。用户在数控加工过程中可以进行加减速、暂停或强行停止加工。图形仿真 有静态加工路径显示和动态加工跟踪两种。 2 3 系统数据设计 整个制造系统包括四个子系统，它们都拥有各自不同的数据结构集合，这些数据 结构都是功能实现的基础。因本文侧重在光顺处理和数控加工两方面，下面也仅介绍 这两个方面的数据设计。 2 3 1 光顺处理的数据设计 光顺处理时对时间要求相对较低而空间要求较高，因此数据多半以外存文件形式 存在。下面介绍主要数据文件的格式【捌。 1 ) 船型基本信息文件 表2 - 1 船型基本信息数据结构表 数据名类型范围 站线数 正整数小于2 5 6 水线数正整数小于2 5 6 纵割线数芷整数 ，j 、于2 5 6 空间线数正整数小于2 5 6 船型信息整数 - 5 ，3 1 ，l ，3 5 ) 设计水线高度实数小于s 0 0 0 0 0 肋骨根数整数 起始肋骨离肿距实数大于0 起始肋骨肋号正整数且小于6 5 5 0 0 肋距1正实数 肋距1 终止肋号正整数小于肋骨线根数 肋距1 0正实数 肋距1 0 终止肋号正实数小于肋骨线根数 肋骨( 站) 线与底平实数 线相切结束处离舯距 环缝线根数芷实数 水线面多值数正整数 纵剖线多值数正整数 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 站、水、剖线综合文件 表2 - 2 站、水、剖线综合信息数据结构表 数据名 类型 说明 所有站线离舯距 实数序列 序列元素个为上一文件中的站线数 所有水线高实数序列序列元素个为上一文件中的水线数 所有纵剖线宽度 实数序列 序勇元素个为上一文件中的纵剖线数 3 ) 水线文件 表2 - 3 水线综合信息数据结构衷 数据名类型说明 所有水线半宽 实数序列 站线数+ 水线数个半宽 每条水线上包括首末点和其它特殊点的离肿 水线型值 实数序列 距和半宽 水线首末点导数 实数序列 每条水线的首末点导数 每条水线的首圆弧半径、圆心离舯距、圆心 水线首圆弧数据实数序列 半宽。 水线面多值 实数序列 4 ) 纵削线文件 表2 - 4 水线综合信息数据结构表 数据名类型说明 所有纵剖线高度实数序列站线数纵刹线数个高度 每条纵剖线上包括首末点和其它特殊点的离 水线型值实数序列 舯距和高度 水线首末点导数 实数序列 每条纵剖线的首末点导数 水线西多值实数序列 2 3 2 数控加工的数据设计 数控加工时对时间要求相对较高而空间要求较低，因此数据多半以内存变量形式 存在。下面介绍主要处理数据的构成。 1 ) n c 代码机内数据 指令输入区= 指令数据 ， 指令数据= 指令行号，指令类型，指令值，x 值，y 值，i 值，j 值 指令行号：，j 、于6 5 5 3 5 的正整数 指令类型= 字符g i 字符m i 字符f 1 5 华中科技大学硕士学位论文 指令值= 小于1 0 0 的正整数 x 值= 9 位有效数学的