精度造船中數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究

張起葆， 劉建峰， 孫建志， 張 峰

(1.威海職業(yè)學(xué)院, 山東 威海 264210； 2.上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

精度造船中數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究

張起葆1， 劉建峰2， 孫建志2， 張 峰1

(1.威海職業(yè)學(xué)院, 山東 威海 264210； 2.上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

造船精度控制技術(shù)是指通過科學(xué)的管理方法和先進的工藝手段對造船全過程進行尺寸精度控制和管理。主要介紹了我公司精度造船中關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)及其在造船工程中的應(yīng)用，推動了公司造船精度與質(zhì)量的提升。

精度控制 數(shù)字化技術(shù) 科學(xué)管理

1 引言

以國際通用的68個要素、340項標準評估,與韓日等造船強國相比,我國與世界先進水平的綜合差距為15年,其中信息技術(shù)應(yīng)用方面差距最大,相差19年[1，2]。信息管理落后已成為我國造船業(yè)最為薄弱的環(huán)節(jié)之一,直接影響到我國造船整體效率和水平的提升。

隨著工業(yè)化、信息化的不斷發(fā)展以及現(xiàn)代高新技術(shù)的不斷更新，相對于一般的制造行業(yè)來講，船體建造常常需要測量很大的尺寸，幾何量的測量已經(jīng)從簡單的尺寸、形位等平面及規(guī)則幾何體發(fā)展到復(fù)雜的二維和三維形體，尺寸范圍小至納米級，大至數(shù)百米以上。傳統(tǒng)的接觸式測量方法顯然已無法滿足現(xiàn)代測量技術(shù)的要求，于是各種先進的測量方法應(yīng)運而生。全站儀的出現(xiàn)和廣泛運用，為在船體建造過程中的高精度測量和精度管理提供了新的測量方法，解決了許多難題。隨之出現(xiàn)的在測量過程中實時傳輸測量數(shù)據(jù)的移動信息技術(shù)，使得這一現(xiàn)代化高新技術(shù)幾乎與船體建造精度管理對測量技術(shù)的要求無縫貼合，加上測量系統(tǒng)的坐標計算三維化，數(shù)據(jù)的采集更加精確、全面、快速、安全、高效，推動現(xiàn)代造船精度管理進入了全新的發(fā)展階段。

從船舶行業(yè)自身發(fā)展的進程來看，降低船舶生產(chǎn)成本，提高船舶建造質(zhì)量，實現(xiàn)精益造船、數(shù)字化造船，是船舶行業(yè)發(fā)展的必然途徑和結(jié)果。數(shù)字化精度造船關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在數(shù)字化測量分析、數(shù)字化基準以及數(shù)字化模擬搭載三大方面。

2 數(shù)字化測量分析技術(shù)

現(xiàn)代造船精度管理不僅包括水平度、垂直度、直線度，還包括同步度、圓心等管理，且船廠作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，立體交叉作業(yè)較多，在此背景下，數(shù)字化測量技術(shù)的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)，系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)測量作業(yè)所面臨的種種困難。在現(xiàn)有平臺的基礎(chǔ)上通過改變測量理念，進一步研究先進的數(shù)字化測量方法，逐步延伸其應(yīng)用范圍；通過改變固有的管理理念，突破二維坐標系的限制，使測量設(shè)備能夠使用于碼頭(浮船塢)作業(yè)，并能適應(yīng)海工產(chǎn)品等不規(guī)則分段的高精度要求。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用三維測量場快速準確地采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測量作業(yè)的高效化、自動化。

目前數(shù)字化測量技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的為全站儀測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由全站儀、現(xiàn)場測量程序、三維分析程序組成。首先應(yīng)用三維分析程序讀取設(shè)計文件，生成測量點，然后輸出到三維測量程序中，再用全站儀通過對測量點上標靶的測量對構(gòu)件進行現(xiàn)場測量，最后將測量點的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維分析程序中并進行分析(如圖1所示)。

圖1 全站儀測量分析示意圖

全站儀三維坐標測量可在船臺通過全站儀對分段各點進行測量，得到三維坐標。在安全性、精確性、快速性上較傳統(tǒng)的測量方式占有較大優(yōu)勢。使用全站儀三維測量系統(tǒng)測量實驗分段，需要測量人員2～3人，所用的測量時間40～50 min，還需加上分析時間10 min左右。由于全站儀的精度很高，在測量中的精度可達N±l mm,比傳統(tǒng)測量的精度高出很多。

隨著現(xiàn)代先進測量技術(shù)與方法的發(fā)展以及現(xiàn)代造船對于高精度、快速測量的要求，激光掃描技術(shù)開始逐步應(yīng)用于船舶測量中。該技術(shù)以激光掃描儀為基本載體，通過儀器發(fā)出的光束自動掃描成型現(xiàn)場測量的工件，該測量技術(shù)與全站儀測量相比，取消了測量標靶，能夠?qū)ぜw進行精密測量，而且對于平面及類平面測量更為高效精確。針對于近年來對舾裝件安裝精度的日益重視，該技術(shù)能夠有效提高管系、大型舾裝設(shè)備的安裝精度檢查效率，有力促進了舾裝精度技術(shù)的發(fā)展。

3 數(shù)字化基準線技術(shù)

傳統(tǒng)基準線的設(shè)置，是以船體中心線、肋位線開角尺，在平臺或船塢上作好樣沖基準點，并設(shè)置水平基準點作為以后的高度基準。分段組立或搭載時嚴格按照地樣線進行。然而傳統(tǒng)的基準線設(shè)置要求所有基準點必須在可視范圍內(nèi)，否則需根據(jù)基準線重新劃出可視的基準。二次劃線時若存在誤差，則影響后續(xù)測量工作精度。

數(shù)字化基準線開設(shè)首先需要采集旋轉(zhuǎn)標靶三維相對坐標，設(shè)置虛擬三維坐標控制網(wǎng)作為搭載定位的基準線。數(shù)字化基準線技術(shù)是在數(shù)字化船塢的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型地樣線技術(shù)，其通過在船塢四周樹立旋轉(zhuǎn)標靶，在船塢區(qū)域形成控制網(wǎng)，船舶進塢后即按照首制分段在該控制網(wǎng)內(nèi)的位置進行定位和坐標確認，完成旋轉(zhuǎn)標靶坐標與船體坐標的統(tǒng)一，后續(xù)搭載分段定位作業(yè)即根據(jù)塢壁四周的旋轉(zhuǎn)標靶所形成的控制網(wǎng)進行，形成數(shù)字化船塢的“數(shù)字化地樣線”，有效確保了搭載定位精度和效率。

數(shù)字化地樣線系統(tǒng)由于基準和塢墩的固定，通過在電腦上模擬總段搭載定位狀態(tài)，從而實現(xiàn)總段在總組平臺上進行切割修整，提高了龍門吊使用效率，節(jié)省了船塢周期。此外，數(shù)字化地樣線系統(tǒng)由于基準點設(shè)置在船塢周邊，在搭載定位的時候至少有兩個基準點處于可視位置，因此適用于所有總段的搭載定位。不會出現(xiàn)由于基準線不可視，重新設(shè)置基準的問題。另外數(shù)字化地樣線系統(tǒng)適用于任何船型，不會因為船塢內(nèi)船型的變化重新設(shè)置船塢基準線?，F(xiàn)在國內(nèi)外各大船廠廣泛使用串聯(lián)造船法，在半船起浮定位時，使用數(shù)字化地樣線系統(tǒng)更加方便、高效，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化地樣線系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

此外，隨著海工產(chǎn)品的大量建造，碼頭舾裝、測量作業(yè)越來越多，傳統(tǒng)的定位測量技術(shù)遠無法滿足不穩(wěn)定環(huán)境下的測量精度要求。針對于不穩(wěn)定環(huán)境下的動態(tài)測量問題，我們摒棄了傳統(tǒng)的絕對定位基準，采用相對坐標系統(tǒng)即在海工產(chǎn)品系統(tǒng)中建立測量坐標系，在海工產(chǎn)品上選取三個點構(gòu)成參考點，并以此建立測量基準，解決了動態(tài)環(huán)境下的測量定位問題。

4 數(shù)字化模擬搭載技術(shù)

得益于近年來高速發(fā)展的虛擬技術(shù)、人機交互技術(shù)等智能化技術(shù)的發(fā)展，船舶制造業(yè)精度控制技術(shù)中的模擬搭載技術(shù)得以實施應(yīng)用。

船舶在建造過程中，從加工到船塢的每個階段都會不可避免地產(chǎn)生誤差，而誤差只有在船塢搭載時顯現(xiàn)最為明顯，對船塢周期影響較大。作為船體生產(chǎn)活動的最后一環(huán)，其存在大量的交叉立體作業(yè)，其建造精度可謂是“牽一發(fā)而動全身”，因此在仔細研究工藝要求的基礎(chǔ)上，運用數(shù)字化模擬技術(shù)進行模擬搭載，對于縮減船塢周期、確保建造精度具有重要作用。

模擬搭載就是預(yù)先了解要搭載上的總段精度偏差值及船塢內(nèi)基準分段的精度偏差值，在電腦中進行模擬演示并分析得出有效的修正方案，在平臺上進行切割修正，實現(xiàn)吊裝過程在確保精度的情況下一次定位。模擬搭載技術(shù)以搭載分段作為后續(xù)分段定位的基準，以數(shù)字化測量技術(shù)為應(yīng)用前提，通過虛擬技術(shù)以及人工干預(yù)技術(shù)的應(yīng)用，在電腦中直接生成搭載分段與基準分段的偏差值(即搭載分段與基準分段的間隙和重疊值)，現(xiàn)場施工中直接在平臺總組階段根據(jù)模擬結(jié)果進行搭載分段的預(yù)修割工作，將船塢工作提前至平臺，從而大幅縮短了船塢吊裝周期(見圖3)。

5 基于數(shù)據(jù)共享的精度管理系統(tǒng)

精度管理的依據(jù)在于精度測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的對比分析。理論數(shù)據(jù)一般是從設(shè)計模型中抽取的，數(shù)據(jù)抽取需利用到生產(chǎn)設(shè)計軟件的接口。國內(nèi)用到的生產(chǎn)設(shè)計CAD/CAM軟件有很多款，一般都提供了數(shù)據(jù)接口。精度管理所使用的軟件系統(tǒng)首先應(yīng)按照數(shù)據(jù)需求開發(fā)對應(yīng)的接口，并從管理角度和技術(shù)層面保證數(shù)據(jù)的準確性。而對于產(chǎn)品的精度結(jié)果，其過程中的工藝數(shù)據(jù)也應(yīng)從生產(chǎn)管理系統(tǒng)中輸入精度管理系統(tǒng)，以保證精度管理數(shù)據(jù)的完整性。

圖3 海工產(chǎn)品建造中模擬搭載技術(shù)應(yīng)用示意圖

數(shù)據(jù)接軌并不是單向的，為改善設(shè)計和生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品的最終狀態(tài)還應(yīng)反饋到設(shè)計和生產(chǎn)中用于分析精度原因。從信息化技術(shù)層面分析，數(shù)據(jù)在不同的獨立系統(tǒng)中流動較易造成失真，數(shù)據(jù)的準確性取決于整個系統(tǒng)的集成度?；跀?shù)據(jù)共享的的精度管理主要有以下特點：

(1) 精度服務(wù)器直接讀取設(shè)計服務(wù)器(TRIBON)上的數(shù)據(jù),無需手動轉(zhuǎn)換模型格式，并且模型數(shù)據(jù)可隨設(shè)計服務(wù)器上的數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動更新；

(2) 精度部門制作好精度表格后上傳精度服務(wù)器，現(xiàn)場直接從服務(wù)器上下載測量分段所對應(yīng)的精度表格，完全實現(xiàn)無紙化數(shù)據(jù)傳輸；

(3) 現(xiàn)場采集并分析的測量數(shù)據(jù)重新上傳精度服務(wù)器，精度部門可直接從服務(wù)器上下載結(jié)果數(shù)據(jù)，現(xiàn)場也可查看分析后的結(jié)果，完全實現(xiàn)無紙化數(shù)據(jù)傳輸；

(4) 分析和統(tǒng)計結(jié)果自動保存在精度服務(wù)器中，實時做到數(shù)據(jù)累積統(tǒng)計；

(5) 相關(guān)單位可實時查看結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)前后生產(chǎn)工序相互溝通。

精度管理信息化平臺所要解決的問題不僅僅是數(shù)據(jù)共享本身，而是要發(fā)揮平臺與平臺之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)能力，實現(xiàn)精度數(shù)據(jù)的生產(chǎn)指導(dǎo)作用，保證數(shù)據(jù)的完整性和時效性。因此，亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)基本有以下兩方面。

一方面，解決與生產(chǎn)設(shè)計軟件(TRIBON)之間的數(shù)據(jù)同步問題。很多精度分析軟件與生產(chǎn)設(shè)計軟件之間是弱鏈接，不能保持版本的同步。并且其與TRIBON之間是單向數(shù)據(jù)通道，精度分析后發(fā)現(xiàn)的設(shè)計問題只能用手工的方式反饋設(shè)計，再由設(shè)計作出回應(yīng)。在進行3D精度分析的同時，對于產(chǎn)品的水平度、直線度、垂直度、重合度測量還需要大量的平面精度設(shè)計。這就造成精度分析數(shù)據(jù)的存儲媒介和利用方式不統(tǒng)一，需要人工處理大量數(shù)據(jù)。

另一方面，精度管理的業(yè)務(wù)流程與實際生產(chǎn)作業(yè)相對脫節(jié)，只能依靠大量人工進行管理。精度測量、評分、考核的管理數(shù)據(jù)不能與生產(chǎn)管理系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，致使精度管理部門與生產(chǎn)部門經(jīng)常存在分歧，沒有統(tǒng)一的作業(yè)標準，執(zhí)行力也會相對下降。在特殊情況下由于不能明確精度問題發(fā)生的原因，針對精度所作的改進只能依靠個人經(jīng)驗，因此很大程度上公司還在進行精度結(jié)果管理，沒有實現(xiàn)完整的過程控制。

要解決上述問題，除了軟件技術(shù)的提升以外，還需要從精度管理體系的角度，打通精度管理與制造ERP之間的數(shù)據(jù)通道，形成數(shù)字化精度管理體系。

精度管理軟件有利于積累經(jīng)驗，提升自主精度管理水平，降本增效。國內(nèi)船企精度管理還處于起步階段，相關(guān)的信息化應(yīng)用更是處于初級階段，精度管理信息化實施是一個隨著企業(yè)軟硬件實力不斷提升而不斷改善的過程。

6 數(shù)字化技術(shù)在工程中的綜合應(yīng)用

數(shù)字化技術(shù)在船舶行業(yè)中的綜合應(yīng)用充分體現(xiàn)在數(shù)字化船塢系統(tǒng)中。數(shù)字化船塢系統(tǒng)是通過在船塢四周樹立旋轉(zhuǎn)標靶，在船塢區(qū)域形成控制網(wǎng)，船舶進塢后即按照首制分段在該控制網(wǎng)內(nèi)的位置進行定位和坐標確認，后續(xù)搭載分段定位作業(yè)即根據(jù)塢壁四周的旋轉(zhuǎn)標靶所形成的控制網(wǎng)進行。從而實現(xiàn)了船塢虛擬化，將實際的船塢作業(yè)在電腦中進行模擬，配合DES文件(分段理論三維坐標文件)和OTS(模擬搭載軟件)使用實現(xiàn)船塢作業(yè)虛擬化、數(shù)字化(見圖4)。

該技術(shù)的數(shù)字化應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面：首先，廣泛應(yīng)用全站儀進行數(shù)據(jù)的測量采集工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化測量與傳輸；其次，通過船塢四周樹立的旋轉(zhuǎn)標靶建立起的控制網(wǎng)形成數(shù)字化基準線，取代了傳統(tǒng)船塢中的地樣線，使得測量坐標與船體坐標得以統(tǒng)一，而且全船分段都在該坐標系統(tǒng)內(nèi)，大大減輕了傳統(tǒng)作業(yè)中的坐標換算時間與工作量；第三，由于測量坐標與船體坐標得以統(tǒng)一，可使得現(xiàn)場工作人員通過全站儀直接得出完工尺寸與設(shè)計尺寸的差值，可以直接指導(dǎo)現(xiàn)場進行定位、修正等作業(yè)，實現(xiàn)了現(xiàn)場定位作業(yè)的虛擬化，大幅提高了龍門吊吊裝效率，使得船廠中最為寶貴的資源得以充分利用，有利于船塢周期的縮短。

圖4 數(shù)字化船塢測量系統(tǒng)

7 結(jié)論

現(xiàn)階段精度管理體系已逐步建立和健全，依托全站儀和精度軟件的充分運用建立了數(shù)字化的數(shù)據(jù)記錄和分析模式，實現(xiàn)了傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)模式向三維數(shù)據(jù)管理體系的轉(zhuǎn)換。通過先進的工藝技術(shù)手段和科學(xué)管理方法，對船舶建造進行全程的尺寸精度分析和控制，公司實現(xiàn)了全船分段的數(shù)字化測量管理，對分段提前管理、提前修正，實現(xiàn)了分段、總段的模擬搭載，確定搭載分、總段的余量，實現(xiàn)無余量下塢；建立了一套以數(shù)字化精度控制為導(dǎo)向的船塢地樣網(wǎng)格線，控制船塢每個階段搭載精度數(shù)據(jù)。精度管理建設(shè)大大推動了公司“降本增效”的發(fā)展理念，達到了提高生產(chǎn)效率、降低建造成本、保證建造質(zhì)量、縮短造船周期、增加經(jīng)濟效益的目的。

[1] 追趕國際先進水平中國造船面臨信息化機遇.http://www.simic.nct.cn/news-show.php?id:10418&lan:cn&page=1.

[2] 王承文.現(xiàn)代造船模式研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2006.

Research on Digital Technology in Accuracy Shipbuilding

ZHANG Qi-bao1, LIU Jian-feng2, SUN Jian-zhi2, ZHANG Feng1

(1.Weihai Vocational College, Weihai Shandong 264210, China;2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

Shipbuilding accuracy control technology is taking the scientific management and advanced technology as a precondition to achieve size precision control and management in the whole process of shipbuilding. This article mainly introduces digital technology and its application in accuracy shipbuilding, which improves both precision and quality.

Accuracy control Digital technology Scientific management

張起葆(1965-)，男，高級工程師。

U662

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