全站儀測(cè)量船體分段表面精度方法研究

白 冰，劉玉亮，鄭紹春

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，武漢 430063）

0 引 言

在船廠中，精度控制受到高度重視，然而在分段建造過程中，只對(duì)船體分段進(jìn)行長(zhǎng)、寬、高以及對(duì)角測(cè)量以保證精度，對(duì)于分段外表面一般不進(jìn)行精度測(cè)量。板材加工時(shí)用樣箱保證了每塊板的形狀規(guī)格，但是船體分段外表面是由許多塊板材、型材焊接而成，在拼板焊接過程中會(huì)造成板的收縮、伸展等變形，使得建造船體分段外表面與設(shè)計(jì)的船體分段外表面有一定的誤差，將對(duì)船舶的性能產(chǎn)生不利影響。對(duì)分段外表面進(jìn)行測(cè)量，得到實(shí)際船體相對(duì)于設(shè)計(jì)船體的誤差，有利于提高船舶建造精度和質(zhì)量[1]?；诖耍岢鲆环N采用全站儀的對(duì)邊測(cè)量法測(cè)量船體外表面形狀的簡(jiǎn)易方法，并結(jié)合軟件生成三維模型與設(shè)計(jì)的三維模型比較，檢驗(yàn)船體分段外表面建造的精度。

1 測(cè)量原理

對(duì)邊測(cè)量作為一種間接測(cè)量，主要根據(jù)相對(duì)測(cè)量原理，獲取兩個(gè)無法直接通視的測(cè)量點(diǎn)間距離和高差[2]。逆對(duì)邊測(cè)量法是根據(jù)相對(duì)測(cè)量原理，已知基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，獲取與此點(diǎn)高度差為Δh目標(biāo)水線上一點(diǎn)的方法。

水線1為基準(zhǔn)水線，水線間距為Δh，以水線1上各點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在對(duì)邊測(cè)量模式下，調(diào)解全站儀V =Δh（V－測(cè)量起點(diǎn)和測(cè)量終點(diǎn)的垂向高度差），得到與水線1上基準(zhǔn)點(diǎn)高度差為Δh的各點(diǎn)，這些點(diǎn)即為水線2上各點(diǎn)。例：在通視分段的任意O點(diǎn)放置全站儀，A點(diǎn)為水線1上一基準(zhǔn)點(diǎn)，在全站儀對(duì)邊測(cè)量模式下，僅調(diào)解V =Δh，得到 A1點(diǎn)，A1點(diǎn)即為水線2上的點(diǎn)（由于船體外表面的曲面變化，A、 A1的水平距離一般不為0），見圖1。全站儀采用球坐標(biāo)系，L1、 L2為實(shí)測(cè)平距，α、β為實(shí)測(cè)豎角，γ為A和 A1實(shí)測(cè)水平角，并已知A點(diǎn)的坐標(biāo)要素：平距 L1，水平角θ，豎角α。則 A1點(diǎn)坐標(biāo)：

圖1 測(cè)量原理

2 測(cè)量方法

全站儀測(cè)量船體分段外表面時(shí)依據(jù)對(duì)邊測(cè)量模式，以基準(zhǔn)水線上各點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，依次進(jìn)行垂直掃描，測(cè)量各水線上的點(diǎn)，并得到各點(diǎn)坐標(biāo)。

2.1 全站儀位置

全站儀的位置要保證可以通視整個(gè)船體分段外表面。由于船首和船尾曲面變化較復(fù)雜，測(cè)量船首時(shí)，全站儀放置在船首偏前，測(cè)量船尾時(shí)，全站儀放置在船尾偏后。對(duì)于其他的船體分段外表面，全站儀放置只需保證通視外表面即可。整個(gè)測(cè)量過程中全站儀不發(fā)生位移。

2.2 測(cè)量步驟

1) 確定船體分段的基準(zhǔn)水線，取分段上任意一條平行于設(shè)計(jì)水線的直線；

2) 用全站儀測(cè)得船體分段總長(zhǎng)L，高度H。根據(jù)總長(zhǎng)L在基準(zhǔn)水線上選取X個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，則基準(zhǔn)點(diǎn)間距為L(zhǎng)/X，分別為點(diǎn)A, B, ……，根據(jù)高度H確定Y條水線，就可以得到水線間距H/Y；

3) 調(diào)整全站儀，測(cè)量基準(zhǔn)水線上 A點(diǎn)的坐標(biāo)值。在對(duì)邊測(cè)量模式下，以A為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行垂直掃描，調(diào)節(jié)全站儀使得V=H/Y，確定目標(biāo)水線上位置點(diǎn)A1，記錄A1的坐標(biāo)值，繼續(xù)調(diào)節(jié)V=H/Y，依次可得到A2, A3, ……所有水線上與A點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)作全過程測(cè)量，調(diào)節(jié)全站儀對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)水線點(diǎn) B，重復(fù)上述操作，掃描高度差仍為V=H/Y，得到 B1、B2、B3, ……的坐標(biāo)值，按照同樣的方法可以依次測(cè)出其他點(diǎn)的坐標(biāo)（見圖2）。

4) 在測(cè)量船體輪廓線時(shí)，采用全站儀距離模式，掃描船體輪廓線，得到船體輪廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖2 分段測(cè)量點(diǎn)

2.3 數(shù)據(jù)采集

將測(cè)量到的數(shù)據(jù)記錄到表1。

表1 數(shù)據(jù)記錄

表中：L——全站儀照準(zhǔn)部中心至測(cè)量點(diǎn)的水平距離；ZA——望遠(yuǎn)鏡（目鏡）中心垂向角度；HAR——望遠(yuǎn)鏡（目鏡）中心水平方位角。

2.4 數(shù)據(jù)處理

全站儀采用球坐標(biāo)系，需將其測(cè)量的L、ZA、HAR坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的X、Y、Z坐標(biāo)。將ZA、HAR轉(zhuǎn)換成弧度，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分段上的點(diǎn)相對(duì)于全站儀的空間坐標(biāo)：

其中：ZA′=90°-ZA

HAR依據(jù)角度大小應(yīng)用源數(shù)據(jù)或360°-HAR。

可用如表2的EXCEL編輯公式后進(jìn)行處理，將得到的直角坐標(biāo)導(dǎo)入3D-CAD中，生成船體分段的外表面[3]，與設(shè)計(jì)分段外表面相比較，確定船體分段外表面的建造精度。

2.5 測(cè)量方法分析

1) 測(cè)量點(diǎn)A1, A2, ……與A點(diǎn)所在的橫剖面一般不重合，這是由于調(diào)解V=H/Y得到目標(biāo)水線上的點(diǎn)與基準(zhǔn)水線上的點(diǎn)平距不等于 0，根本原因是船體表面曲度造成的。但這并不影響最終生成的三維模型和型線，因?yàn)閺?A到 A1，B到B1, ……的垂向高度差相同，則A1, B1, ……在同一水線上，同理，A2, B2, ……也在同一水線上，即得到船體分段的水線；

表2 數(shù)據(jù)處理

2) 在測(cè)量過程中，測(cè)量點(diǎn)處于以全站儀為坐標(biāo)原點(diǎn)所構(gòu)建坐標(biāo)系中，為保證測(cè)量數(shù)據(jù)正確，全站儀需定點(diǎn)測(cè)量；

3) 在船體分段外表面和輪廓線變化很大的地方，增加測(cè)量點(diǎn)的密集度，以準(zhǔn)確地反映分段外表面的曲度變化。

3 結(jié) 語(yǔ)

全站儀逆對(duì)邊測(cè)量法測(cè)量船體分段外表面，以基準(zhǔn)水線上的點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，調(diào)解高度差，進(jìn)行垂直掃描，得到其他各水線上的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，數(shù)據(jù)處理導(dǎo)入CAD中生成船體分段表面并得出型值，與設(shè)計(jì)分段表面和型值對(duì)比后，確定誤差，有助于船廠據(jù)此對(duì)分段進(jìn)行精加工，提高分段建造精度，保證造船質(zhì)量。用此方法測(cè)量時(shí)，全站儀定點(diǎn)測(cè)量無需移動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、快捷，在船廠運(yùn)用的可行性良好。

[1] 甘水來. 精益管理在船舶產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用研究[J]. 上海造船，2011, (3): 75-78.

[2] 韓偉信. 淺談全站儀對(duì)邊測(cè)量原理[J]- 測(cè)繪與空間地理信息，2010, (4).

[3] 管 官，申 梅，林 焰，紀(jì)卓尚. 船體分段測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)與CAD模型自動(dòng)匹配方法研究[J]- 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)2011, (9).