船舶建造中的測量技術(shù)研究

徐宏偉

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

隨著現(xiàn)代造船模式的發(fā)展，鋼材快速加工、分段快速合攏、單元快速搭載等對船舶中間產(chǎn)品的精度要求明顯提高。只有匹配上高精度的測量和控制，才能縮短建造周期、降低建造成本以及管理成本。

船舶建造過程中小型部件的精度控制已經(jīng)相對成熟，而大型分段的測量精準(zhǔn)度以及對后期變形量等方面的分析還有較大誤差，其結(jié)果對后續(xù)的分段拼搭效率、占用船臺和船塢的時(shí)間等均有較大影響。目前船廠普遍采用的分段測量分析方法是：使用全站儀在船體分段建造的現(xiàn)場采集測量點(diǎn)坐標(biāo)，再在計(jì)算機(jī)的三維環(huán)境中將其與分段的3D設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對比。相比較傳統(tǒng)分段測量分析方法，其優(yōu)勢在于能快速、準(zhǔn)確地分析船體分段建造誤差，給出可靠合理的建造精度評價(jià)。

船舶分段建造過程中精度管理的重要因素包括：精度管理計(jì)劃制定、精度管理實(shí)施、精度管理過程確認(rèn)、精度改善。精度管理計(jì)劃主要包括精度基準(zhǔn)的建立/更新計(jì)劃、圖面計(jì)劃、現(xiàn)場工作計(jì)劃。精度管理實(shí)施主要包含精度標(biāo)準(zhǔn)/要求的分解、精度要領(lǐng)的制定、精度數(shù)據(jù)的收集及相關(guān)精度內(nèi)容現(xiàn)場教育。此外，還包括問題點(diǎn)調(diào)查、新工藝的研討與實(shí)施、測量器具日常點(diǎn)檢等。精度管理過程確認(rèn)包括分段制作工藝與精度要領(lǐng)確認(rèn)、生產(chǎn)信息跟蹤與確認(rèn)、計(jì)測數(shù)據(jù)的整理與分析、問題點(diǎn)分析、精度巡檢。

精度改善工作包括精度基準(zhǔn)改善、圖面計(jì)劃相關(guān)改善、問題點(diǎn)改善、精度跟蹤會(huì)議、TQC等活動(dòng)的開展。

本文首先分析了國內(nèi)外精度測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了國內(nèi)精度與測量技術(shù)急待解決的問題，并提出從完善精度標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)精度關(guān)鍵因素的控制、生產(chǎn)過程的數(shù)字化/信息化、推進(jìn)分析反饋智能化、精度檢測儀器的適用化等方面的改善措施。

1 國內(nèi)外精度測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

現(xiàn)代造船模式和數(shù)字化測量相互促進(jìn)，國外造船業(yè)對中間產(chǎn)品及裝配過程的測量已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。韓國開發(fā)出了新型的測量系統(tǒng)，有效地解決了船舶建造過程中船體零部件、分段和總段、船體結(jié)構(gòu)、吊裝以及工件上船臺以后的修整等三維測量問題。美國開發(fā)出的NET23-D測量儀能夠用于測量中間產(chǎn)品的幾何尺寸和相應(yīng)變形。芬蘭研制出ACMAN精度控制管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對船體零部件、分段和總段、船體結(jié)構(gòu)測量、吊裝、工件上船臺以后的修整。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院大地測量和攝影測量研究所已將數(shù)字?jǐn)z影測量應(yīng)用在船舶建造工程上。

在理論方面，韓國大邱大學(xué)深入研究了船舶管系對接三維測量問題，設(shè)計(jì)了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的測量算法及系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng)用效果。東京大學(xué)研究了船體裝配階段的分段定位問題，對全站儀測量和機(jī)器視覺測量技術(shù)在船舶建造方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜合性研究。

基于此，日本石川島播磨船廠用計(jì)算機(jī)開發(fā)出了補(bǔ)償系統(tǒng)，已做到所有船體分段無余量制作。日立造船株式會(huì)社在建造大型船舶時(shí)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全流程的以補(bǔ)償量代替余量。目前無余量造船在日本已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)。

20世紀(jì)90年代開始，韓國基于日本模式發(fā)展精益造船。韓國三星重工集團(tuán)的巨型總段建造精度已經(jīng)達(dá)到很高的水平，5 000 t以內(nèi)的巨型總段都能夠?qū)崿F(xiàn)無余量塢內(nèi)搭載。大宇船廠利用激光三維定位測量和后期精度管理分析技術(shù)也已經(jīng)成熟，實(shí)現(xiàn)了軟件模擬搭載分析。

綜上，日韓等造船國家已經(jīng)形成了一整套精度控制體系，將精度控制管理貫穿于造船的全過程，幾乎達(dá)到了分段100%無余量搭載，相比于傳統(tǒng)造船模式，極大地提升了造船質(zhì)量、精度和進(jìn)度。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)船廠從20世紀(jì)70年代開始就在探索精度控制的方法。到20世紀(jì)80年代中后期，國內(nèi)造船業(yè)初步實(shí)現(xiàn)了貨艙分段高精度建造、艏艉分段預(yù)修整后上船臺、船塢快速搭載等，初步建立了精度管控體制。船塢周期大幅縮短，新時(shí)代造船有限公司的首艘VLCC油輪塢期實(shí)現(xiàn)了90 d的目標(biāo)，搭載合格率由2011年的36%上升到2012年的94%,保證了新工藝和工法的實(shí)施。但是目前國內(nèi)大部分船廠還是在應(yīng)用傳統(tǒng)的測量技術(shù)?？傮w而言，我國在船舶制造“精度與測量”方面主要體現(xiàn)在精度管理方法不完善，生產(chǎn)過程數(shù)字化/信息化程度低，并且檢測儀器精度較低。這些因素不僅降低了我國船舶的制造質(zhì)量，而且降低了船舶制造的生產(chǎn)效率。

2 測量技術(shù)分析

2.1 國內(nèi)精度與測量急待解決的問題

目前我國船廠的設(shè)備水平已經(jīng)遠(yuǎn)超20世紀(jì)末期的日韓兩國造船設(shè)備水平，然而精度控制卻不能與之達(dá)到同一水平，主要問題在于：

(1)船舶制造過程中每個(gè)中間產(chǎn)品沒有形成精度管理標(biāo)準(zhǔn)，制造過程中的中間分段等尺寸控制達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。

(2)精度測量和補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)的自動(dòng)化程度不夠高，速度也不夠快。

(3)相關(guān)精度檢測技術(shù)及儀器還不夠先進(jìn)，尤其是對不同船廠環(huán)境的適用性不夠因地制宜。

2.2 完善精度標(biāo)準(zhǔn)

(1)根據(jù)船級規(guī)范及建造要求，規(guī)范企業(yè)層面的總體基準(zhǔn)。例如：根據(jù)中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(CSQS)、日本鋼船工作法精度標(biāo)準(zhǔn)(JSQS)等，建立公司級的建造標(biāo)準(zhǔn)，并將這些標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化為內(nèi)業(yè)、組立、外業(yè)等生產(chǎn)工序的精度標(biāo)準(zhǔn)和針對散貨船、集裝箱船、油船、汽車運(yùn)輸船等不同船型的精度標(biāo)準(zhǔn)。

(2)要完善以中間產(chǎn)品為核心的精度管理標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：研究中間產(chǎn)品精度控制標(biāo)準(zhǔn)的前后道關(guān)系，制定基于統(tǒng)一基準(zhǔn)的船體基礎(chǔ)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；研究船體建造過程中運(yùn)輸、吊運(yùn)、搭載等工法與精度標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系，并制定基于精度控制的船體建造輔助工法原則；研究船體建造從下料到搭載各階段的精度標(biāo)準(zhǔn)和控制方法，形成完整的船體精度作業(yè)規(guī)范。

(3)要圍繞船體建造精度控制標(biāo)準(zhǔn)以及船體精度檢測技術(shù)，研究制定部件、分段、總組加工等各階段的精度測量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。逐步著手舾裝品生產(chǎn)和安裝精度標(biāo)準(zhǔn)的建立，從而達(dá)到以中間產(chǎn)品為核心的“大精度”管理。

南通某合資造船企業(yè)自20世紀(jì)90年代引進(jìn)日本精度管控模式后，不斷完善管理方法，建立了精度控制班組，對影響造船精度的各種管理、工序及工藝進(jìn)行評估、改進(jìn)和反饋，并制定精度補(bǔ)償基準(zhǔn)與精度管理手冊，綜合管理精度與測量工作。其每天大量的精度數(shù)據(jù)主要以計(jì)測表的形式登記收集。從部材切割開始，通過管理圖監(jiān)測控制鋼板、型材等的下料精度。小組立作業(yè)階段，要求將直線性、背燒效果、拼板后總長等數(shù)據(jù)填入計(jì)測表。在大組階段，要求對主板劃線、分段水平度、彎曲胎架上板材定位、完工后余量切割精度等測量填寫在相應(yīng)的計(jì)測表內(nèi)。外業(yè)合攏、搭載時(shí)，每個(gè)分段、每個(gè)搭載單元都有相應(yīng)的定位精度計(jì)測要求，對船舶建造全過程進(jìn)行跟蹤控制。對每天收集的成百上千組數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)分析，判斷是否在精度管理標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間范圍內(nèi)，為討論決策、實(shí)施改善提供依據(jù)。

2.3 加強(qiáng)精度控制關(guān)鍵因素研究

要加強(qiáng)切割、焊接過程中變形特征與機(jī)理研究，建立和擴(kuò)充行業(yè)內(nèi)通用數(shù)據(jù)池，積極展開在大數(shù)據(jù)支撐下的針對不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的補(bǔ)償量施放自適應(yīng)研究。在焊接部位由于電弧熱而被加熱到非常高的溫度，但在稍微離開的部分仍然處于常溫，其溫度分布每時(shí)每刻都在發(fā)生變化。受到高溫加熱的地方膨脹，溫度下降的地方收縮。像這樣在焊接過程中，母材會(huì)呈現(xiàn)非常復(fù)雜的不均勻溫度分布；隨著此期間發(fā)生的膨脹、收縮，焊接完成后，不可避免地要產(chǎn)生應(yīng)力以及變形。

該企業(yè)通過各階段大量采集倍尺、余量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)、分析，生成經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算變化量+階段補(bǔ)償量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中不斷跟蹤、修正、完善。

設(shè)計(jì)圖中，根據(jù)大組要領(lǐng)完成分段小組單元的劃分，記入基準(zhǔn)邊、基準(zhǔn)線、板縫余量、部材倍尺、預(yù)變形施工、其他補(bǔ)充協(xié)議的內(nèi)容等生產(chǎn)信息；在圖面上完成部材下料及加工、小組單元制作、分段制作、分段拼接的圖面模擬過程，對收縮量/變形量合理補(bǔ)償，檢索整個(gè)過程是否符合現(xiàn)有的精度基準(zhǔn)體系；再由生產(chǎn)設(shè)計(jì)將生產(chǎn)信息錄入到現(xiàn)場用的工作圖中。

同時(shí)要加強(qiáng)機(jī)械和水火成形、矯正技術(shù)研究，推進(jìn)三維數(shù)控彎板技術(shù)的研究及應(yīng)用，通過全行業(yè)大量數(shù)據(jù)積累和數(shù)理分析及經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)，總結(jié)出復(fù)雜形狀零件成形工藝要領(lǐng)，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件加工成形全面自動(dòng)化夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

2.4 推進(jìn)生產(chǎn)過程數(shù)字化和信息化

根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，逐步推進(jìn)自動(dòng)化裝配、焊接設(shè)備在中間產(chǎn)品建造過程中的應(yīng)用，有效控制中間產(chǎn)品的精度。優(yōu)先將智能制造技術(shù)應(yīng)用在分段加工前，在零件加工以及局部需要簡單重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工位采用數(shù)控加工設(shè)備。

上述的合資企業(yè)將精度計(jì)算方法與測量數(shù)據(jù)集成到公司智能制造系統(tǒng)中，使數(shù)據(jù)引用和分析智能化、模擬可視化。同時(shí)，引入船舶建造智能化設(shè)備，包括下料、切割、組裝等，以減少制造過程中人為誤差，達(dá)到精度管理的各階段可追溯性，為收縮量的加放提供依據(jù)。

2.5 推進(jìn)精度檢測和分析反饋智能化

加強(qiáng)從零件加工開始到中間產(chǎn)品形成，直至搭載完成，線上線下相結(jié)合全過程的精度檢測。積極推進(jìn)智能精度檢測設(shè)備替代人工進(jìn)行精度檢測，構(gòu)建精度測量實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)管理平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理化分析，構(gòu)建以及完善分析結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋、跟蹤和改善體制。精度管理系統(tǒng)軟件應(yīng)涵蓋精度測量實(shí)時(shí)分析、前后道數(shù)據(jù)管理協(xié)同等功能。

系統(tǒng)能將各類加工過程中的變形數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)源頭開始就能在三維模型數(shù)據(jù)中控制分段劃分、施放基準(zhǔn)線，補(bǔ)償量等精度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對船舶建造精度的控制。

上述的合資企業(yè)始終堅(jiān)持精度與測量是對管理過程的控制與反饋，是提高生產(chǎn)效率、降低成本的主要手段之一，同時(shí)精度與測量也是推行全過程無余量造船與智能造船的先決條件。

2.6 推進(jìn)精度檢測儀器及技術(shù)研究

開展船體零部件加工、船體組裝和裝配等過程中的幾何測量、變形測量技術(shù)的研究, 以及復(fù)雜環(huán)境下蘊(yùn)含大型船舶幾何特征的清晰圖像獲取技術(shù)等，并逐步推動(dòng)專業(yè)廠家積極開展船舶關(guān)鍵部位精密測量裝備、激光、視覺復(fù)合式測量裝備的研制。

3 結(jié)論

精度控制作為船舶制造的核心技術(shù)之一，是各個(gè)船廠保密內(nèi)容之一。從鋼材一次利用率和無余量建造率等指標(biāo)可以看出，我國與日韓等國家還有較大差距，所以軟硬件都需要進(jìn)一步提升。

(1)硬件方面。近年來國內(nèi)船廠通過先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)，逐漸拉近與日韓等國的差距。但是，由于我國在船舶測量領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究還相對落后，該類測量設(shè)備大部分只從歐洲、日本、韓國等國家進(jìn)口，對我國船舶制造成本影響較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，韓國的船舶測量設(shè)備本土化率約為90%，而中國船舶制造業(yè)的測量設(shè)備本土化率不足30%，導(dǎo)致我國船舶制造業(yè)成本較高。長此以往，將會(huì)成為阻礙我國船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要制約因素。

由于大型船舶現(xiàn)場測量環(huán)境復(fù)雜，對測量儀器的現(xiàn)場適用性及精度提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，導(dǎo)致現(xiàn)有設(shè)備無法同時(shí)滿足測量精度與效率的要求，因此研究大型船舶精度檢測技術(shù)與相關(guān)儀器開發(fā)是我國船舶制造過程中急需解決的問題。

(2)軟件和管理方面。相較于硬件，軟件應(yīng)用和內(nèi)部管理等方面仍舊存在不足，需要深入分析船舶制造的管理體系、材料性能、精度標(biāo)準(zhǔn)、測量改進(jìn)及信息技術(shù)等各方面內(nèi)容，使精度計(jì)算及高精度的測量手段數(shù)字化、智能化，建立起符合我國船廠特色的管理體制。