全站儀在船體分段合攏中的應(yīng)用

黃 斐, 厲文耀

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

全站儀在船體分段合攏中的應(yīng)用

黃 斐, 厲文耀

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

隨著造船精度要求的不斷提高，全站儀取代了傳統(tǒng)造船測(cè)量工具，廣泛運(yùn)用于船體分段建造，船體合攏以及主機(jī)安裝等方面的精確定位和數(shù)據(jù)測(cè)量，成為造船測(cè)量的一種重要設(shè)備，在現(xiàn)代船舶建造中扮演著重要的角色。該文基于全站儀的工作原理，結(jié)合物探船典型分段建造和合攏現(xiàn)場(chǎng)，研究了全站儀在船體分段合攏中的應(yīng)用。

全站儀 船體建造 精度測(cè)量

1 前言

傳統(tǒng)造船測(cè)量中，被普遍使用的測(cè)量設(shè)備主要包括鋼尺、角尺、光學(xué)水平儀、經(jīng)緯儀等，上述傳統(tǒng)工具具有操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其精度和效率較低[1]。隨著船體建造精度要求的不斷提高，國外先進(jìn)造船企業(yè)及國內(nèi)骨干船廠，已逐步開始使用如激光經(jīng)緯儀、全站儀、攝像測(cè)量儀等先進(jìn)高精度測(cè)量設(shè)備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量設(shè)備。

全站儀集測(cè)角、測(cè)距于一體，測(cè)量范圍較大，通過利用標(biāo)靶瞄準(zhǔn)測(cè)定，可采集斜距、天頂距(豎直角、水平角)等數(shù)據(jù)[2]，同時(shí)與PDA及數(shù)據(jù)測(cè)量軟件相結(jié)合，組成精度測(cè)量系統(tǒng)，快速獲取測(cè)點(diǎn)在特定坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，從而得到物體的實(shí)際尺寸。

2 全站儀基本組成及測(cè)量原理

全站儀基本組成包括中央處理單元、存儲(chǔ)單元及輸入輸出單元等[3]，如圖1所示。其主要功能是測(cè)量水平角、豎直角及傾斜距離等數(shù)據(jù)。

全站儀運(yùn)行原理是通過輸入測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、起始方位角等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到輸入單元，然后利用設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算、顯示和輸出所需要的測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的方位角、水平距離、高差以及測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)等。

同時(shí)全站儀利用其與計(jì)算機(jī)之間的接口，可以將測(cè)量結(jié)果輸出到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算和編輯等進(jìn)一步的加工處理。所以電子全站儀配合計(jì)算機(jī)測(cè)圖能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量的高度自動(dòng)化。

圖1 全站儀的基本構(gòu)成

全站儀實(shí)現(xiàn)電子測(cè)距的功能，其主要原理是利用電磁波測(cè)定電磁波在被測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來求得距離值，實(shí)際操作過程中主要有兩種方法[4]。一種是脈沖法，即利用全站儀光源發(fā)射一束極窄的光脈沖射向目標(biāo)，同時(shí)輸出一電脈沖信號(hào)，打開電子門讓標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)脈沖通過并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，光脈沖被目標(biāo)反射后回到發(fā)射器，同樣產(chǎn)生一電脈沖，關(guān)閉電子門終止時(shí)標(biāo)脈沖通過；另一種是相位法，即由儀器連續(xù)發(fā)射的電磁波正弦信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，根據(jù)相位差來得到距離。

全站儀實(shí)現(xiàn)電子測(cè)角的功能，其實(shí)質(zhì)是用一套角碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)系統(tǒng)。目前，這套轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有兩類：一類是采用光柵度盤的所謂“增量法”測(cè)角；一類是采用編碼度盤的所謂“絕對(duì)法”測(cè)角。

3 全站儀測(cè)量工作程序

根據(jù)船舶船體建造的特點(diǎn)，利用全站儀對(duì)船體建造進(jìn)行測(cè)量主要有以下幾步工作流程。

(1) 選取所需測(cè)量點(diǎn)。通過在船舶設(shè)計(jì)模型上選取所需測(cè)量點(diǎn)，提取對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)的理論值，同時(shí)生成測(cè)量檢查表格，供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)對(duì)照使用。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)所選測(cè)量點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)，根據(jù)船體特點(diǎn)，選取適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)點(diǎn)(一般選取固定物，如船塢壁等)，設(shè)定測(cè)量方案，獲取所需測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際值。

(3) 實(shí)測(cè)值精度分析。通過現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與船舶模型選取的理論值進(jìn)行對(duì)比分析，獲得三維誤差，同時(shí)生成船舶精度測(cè)量報(bào)表。根據(jù)報(bào)表，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新劃線，并修整。

(4) 模擬搭載。利用船舶設(shè)計(jì)模型，按照測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行模擬搭載試驗(yàn)，分析船舶搭載過程中產(chǎn)生的段差、高差以及重疊的現(xiàn)象，并讀取誤差，生成模擬搭載報(bào)表，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)搭載定位。

(5) 現(xiàn)場(chǎng)搭載定位。以模擬搭載結(jié)果作為定位基準(zhǔn)，搭載過程中，測(cè)量選取精度控制點(diǎn)(至少三個(gè))，計(jì)算出其與基準(zhǔn)段間的三向偏向量，根據(jù)偏差提示，實(shí)現(xiàn)搭載準(zhǔn)確定位。

4 全站儀在物探船典型分段合攏中的應(yīng)用實(shí)例

船體建造中一般艉部軸系部位、機(jī)艙部位、艏部等外板線形變化較大或定位安裝精度要求較高的分段，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)[5]。

下面以物探船的艉部分段為例，說明全站儀在船體合攏中的應(yīng)用。

(1) 首先導(dǎo)入所選分段的設(shè)計(jì)模型。為選取測(cè)量點(diǎn)，首先需要將分段模型導(dǎo)入，如圖2所示。

圖2 物探船艉部分段模型圖

(2) 選取精度測(cè)量點(diǎn)。

主要選取設(shè)計(jì)模型中結(jié)構(gòu)外輪廓線上的點(diǎn)或結(jié)構(gòu)交錯(cuò)點(diǎn)，如圖3所示。

(3) 室外分段精度測(cè)量。

根據(jù)選取的理論測(cè)量點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)分段相應(yīng)位置貼上移動(dòng)標(biāo)靶并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，如圖4所示。

(4) 結(jié)果分析。將全站儀中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)讀取并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，對(duì)分段數(shù)據(jù)做三點(diǎn)對(duì)齊，并輸出報(bào)表，如表1所示。

圖3 選取精度測(cè)量點(diǎn)

圖4 測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖

XX船廠船名分段編號(hào)測(cè)量單位校對(duì)測(cè)量日期測(cè)量點(diǎn)X理論(誤差)Y理論(誤差)Z理論(誤差)17500(-8.73)11786(-9.63)6600(-32.79)27500(0)0(0)6600(0)37500(-13.18)-11786(-3.25)6600(-0.20)47500(-4.34)-1238(15.06)3212(-5.21)57504(-14.57)0(5.34)2884(-8.26)67500(-3.20)1238(-6.89)3212(-4.01)77500(-6.95)1238(1.16)0(-4.32)87500(0)0(0)0(-12.44)97500(-6.10)-1238(1.96)0(-1.58)1016950(4.05)11998(-2.44)6600(0.16)1116950(2.99)0(0)6600(7.38)1216950(-4.05)-11998(-4.31)6600(3.56)1316950(11.91)-1238(4.99)1155(8.95)1416950(7.47)0(-4.3)972(3.08)1516950(8.08)1238(-15.90)1155(3.36)1616950(8.88)-1238(4.87)0(8.7)

(5) 指導(dǎo)搭載定位。當(dāng)測(cè)量完成后，將全站儀上所測(cè)量的分段數(shù)據(jù)及其分段搭載環(huán)境的數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到精度管理系統(tǒng)以后，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)就搭載對(duì)齊點(diǎn)做搭載偏差分析，并將偏差以標(biāo)簽的方式顯示出來，以便能夠直觀看到分段搭載的偏差情況，如圖5所示。

圖5 艉部分段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量圖

分析模擬搭載結(jié)果，對(duì)有偏差的地方進(jìn)行分析，找出原因，進(jìn)行修正，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)搭載，如圖6所示。

圖6 分段搭載圖

實(shí)踐證明，在船體分段合攏過程中，使用全站儀進(jìn)行精度測(cè)量，不僅可以解決如脫胎測(cè)量、模擬搭載及搭載誤差分析等解決傳統(tǒng)測(cè)量方法難以解決的問題，而且可以顯著提高測(cè)量效率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高搭載精度。

同時(shí)在分段精度測(cè)量的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，全站儀在船體建造中的使用有待在以下兩個(gè)方面進(jìn)一步加強(qiáng)完善。

(1) 進(jìn)一步簡化三維測(cè)量方法的操作和應(yīng)用，以使檢測(cè)人員測(cè)量更自由、更方便，測(cè)量時(shí)間更短。

(2) 加強(qiáng)管系、支架等內(nèi)部舾裝件的三維檢測(cè)，以提高分段的完整性和分段的合攏精度。

5 結(jié)束語

實(shí)際上，全站儀除可應(yīng)用于船體分段建造及合攏時(shí)的精度測(cè)量，在船體建造現(xiàn)場(chǎng)還包括更廣泛的應(yīng)用，如在船體建造中進(jìn)行尺寸測(cè)量、平整度和角直面檢驗(yàn)、水線標(biāo)定、余量切割劃線等工作，在船體裝配中進(jìn)行四角水平檢測(cè)、艙壁垂直度檢測(cè)及定位長、寬、高度檢測(cè)等。全站儀結(jié)合計(jì)算機(jī)精度管理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)分析軟件，將會(huì)推動(dòng)造船精度控制的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] 王永明，李明峰，朱振宇等.基于全站儀的造船精度控制測(cè)量算法研究[J].礦山測(cè)量，2010,2:72-75.

[2] 劉善德，楊成龍等.推進(jìn)造船精度管理需要先進(jìn)的體制與測(cè)量手段[J].中國造船工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)論文集，2009.

[3] 許為民，李孝燕.全站儀快速操作方法探討[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007,13(19)：336-337.

[4] 鐘勇，崔文春.全站儀的基本測(cè)量原理[J] .中國勘察設(shè)計(jì)，2009,9:40-42.

[5] 施克非.船體裝配工[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

The Application of Total Station in Hull Block Assembly

HUANG Fei， LI Wen-yao

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The total station replaces the traditional shipbuilding measuring tool and becomes an important equipment in modern shipbuilding measurement with the continuously improvement of shipbuilding precision requirement. The total station is widely used in accurate positioning and data measuring in hull construction, hull block assembly and main machine installation. Based on the working principle of the total station, combining with the typical section construction and block assembly in geophysical ship, the application of total station in hull block assembly is studied.

Total station Hull construction Accuracy measurement

黃 斐(1984-)，男，工程師。

U662

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