激光測量技術在船舶舾裝中的典型應用

謝 宇， 張 威， 劉序辰

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

激光的指向性強，波形穩(wěn)定，反射光接收強度高，適合作為測距工具。采用相位法的激光測距儀可達到毫米級的測距精度。也有一些測量活動不需要測距，主要利用激光的指向性，如激光經緯儀，在水平面和垂直面內目視精確測角，結合激光照射功能，衍生出確立垂線、水平線、投影線等基準的功能。

將激光測距儀和激光經緯儀的功能結合起來，就是全站儀(全站型電子測距儀)的基本原理。全站儀可建立坐標系，集成坐標點儲存和三角運算功能，可實現(xiàn)對空間坐標的測定，還可實現(xiàn)空間直線和平面的構造及相對位置關系的解算，求取并引導尋找特征點等功能，解決安裝定位、安裝偏差檢測、直線度和平面度檢測等廣泛測量需求，是目前工程領域較具代表性的激光測量儀器。但其操作需借助與激光同軸的目視瞄準，難免引入操作誤差；且其精度一般為毫米級，對于高精度要求的舾裝作業(yè)，如軸系安裝、機加工面檢測等，其應用仍存在局限。對此也有精度更高的、更自動化的激光測量設備可供選擇，如絕對跟蹤儀、自動對中儀、平面度測量儀等。

1 激光測量技術應用概況

以全站儀的應用技術為代表的激光測量技術目前在造船行業(yè)的胎架定位、分段制造、總組、搭載等建造環(huán)節(jié)已普遍應用，為提升船體結構建造精度、提高精度管理效率發(fā)揮了重要作用。在船舶舾裝方面，吊錘、拉線、彈線、機械量具等傳統(tǒng)測量器具和工藝仍在廣泛使用，激光測量技術應用相對較少，且存在激光儀器種類單一、適用性欠佳、操作較復雜等問題。船舶舾裝的物量和工時消耗在船舶建造中占據(jù)了較大比重，隨著行業(yè)競爭的深化，高性能、高附加值船舶產品數(shù)量不斷增加，對舾裝質量和效率的要求也不斷提升，對激光測量技術的需求隨之增長；另一方面，隨著微電子技術的發(fā)展及其與光學技術的融合，激光測量設備的種類不斷細分，功能專業(yè)化和操作自動化的發(fā)展趨勢越來越明顯，激光測量技術在船舶舾裝上的適用性不斷提高。因此激光測量技術在船舶舾裝方面的應用將有較大發(fā)展。

2 激光測量技術應用實例

2.1 常規(guī)測量

借助激光儀器，在船舶舾裝施工中可以準確快速地確立常用的基準點、線和坐標定位。以激光經緯儀[1]和全站儀為例，其可以在軸、舵系理論軸線的測量中發(fā)揮重要作用。

2.1.1 激光經緯儀

激光經緯儀可以代替U形管原理的注水軟管，將船外距基線高度轉駁入船內。將其調水平并與船外尾基準點A等高，然后圍繞豎直軸在水平面內調轉180°，照射在首標桿上的光斑位置F即為首基準點。連線AF即為軸系理論線，如圖1所示。進一步，將激光經緯儀O調整到AF連線上，調水平后，使其在垂面內斜向內底照射，依次在內底表面形成遠近不同的若干光斑(D1，D2，…，Dn)，將光斑標出并連接成線，即為軸線投影線，可用于在內底上對中間軸承基座、主機基座等進行初定位測量，代替手工拉線，如圖2所示。

圖1 激光經緯儀確立水平軸線基準點示例

圖2 激光經緯儀確立安裝面投影線示例

上述投影線方法亦可應用到分段、總段、舾裝單元合龍斷面附近管路、舾裝件的端面標齊，有利于搭載合龍的順利完成和提高管路、舾裝件的安裝精度，有利于提高合龍管的配制效率、減少合龍管數(shù)量，提高生產效率。還可通過在兩個平面內劃線形成交點，用來定位、檢測具有連接關系的待連接設備和管路的接口對正情況，如大型燃油設備、大口徑排氣管、大口徑風管等，以便于中間的合龍管路盡量采用直管連接。

激光經緯儀可以代替吊錘，確立鉛垂線。典型應用場合是確定舵桿中心點位置。如圖3所示，將其架設于塢底，使自身基準點O與A點對正，調水平后按轉盤刻度將儀器指向垂直向上并發(fā)射激光，在預定高度遮擋光束形成光斑B即為安裝位置。此實例消除風力等外界擾動造成的吊錘搖擺帶來的測量誤差，準確高效。

圖3 激光經緯儀確立鉛垂線示例

2.1.2 全站儀

全站儀可以在第2.1.1節(jié)實例中完全代替激光經緯儀?；谧鴺藴y量的基本功能，全站儀主要適用于下列場合：

(1) 精度具有明顯重要性的舾裝件的定位和檢驗。如主機基座、集裝箱導軌、主船體上水密門的伸縮和鎖閉機構等。以集裝箱導軌的定位和檢測為例，如圖4所示。使用全站儀可以方便地測得若干關鍵點的坐標，據(jù)此判斷前后導軌的對正情況和導軌架各垂面之間的平行度，保證箱子與導軌之間的穩(wěn)定間隙，甚至實現(xiàn)模擬試箱，可為船廠帶來巨大的工時節(jié)省效益和碼頭、吊車資源的節(jié)省效益。

圖4 集裝箱導軌檢測示例

(2) 具有陣列特征和采用較大間距的鏈式尺寸標注的舾裝件的測量。如集裝箱船箱腳、氣體運輸船的絕緣材料基座等，因其精度較高，可顯著減小累積測量誤差。

(3) 安裝于傾斜平面上的舾裝件的定位。例如拱形上甲板上的舾裝件，如圖5所示。受甲板坡度的影響，沿坡度測量ΔL較容易，測量ΔY較困難，易產生安裝誤差。借助全站儀則可較好地解決這個問題。

圖5 傾斜平面上的舾裝件的定位示例

2.2 高精度測量

船上某些系統(tǒng)和設備對安裝施工有較高的精度要求，誤差單位往往比1 mm低1～2 個量級[2]，同時兼有施工空間跨度大的特點，導致測量過程中操作步驟多、耗時長、效率低。隨著激光測量技術的發(fā)展，一些高精度自動化激光測量儀器的出現(xiàn)，較好地解決了這些問題。

2.2.1 同軸度測量

同軸度測量的典型應用場合是推進軸系的找中。找中的目的在于將軸系上的需對中部件，如各中間軸承中心、主機飛輪中心，尤其是尾軸管中心的目標位置，調整到設定的理論軸線上。找中精度涉及推進系統(tǒng)運轉可靠性和船舶安全，要求較高。找中一般采用準直望遠鏡，先將其調整到理論軸線上并固定，再通過目鏡觀測，逐一將軸線上其他各控制點對應的光靶中心調整至與目鏡十字分劃中心重合。上述操作的困難在于：準直望遠鏡須反復調整，才能達到同時與首、尾基準點重合；準直望遠鏡十字分劃本身有寬度，在調整與基準點和目標光靶重合時，易產生觀測誤差，在軸系長度較長時，這一點表現(xiàn)得更為明顯。絕對激光跟蹤儀可較好地承擔起軸系找中的任務，同時避免上述缺陷。該裝置的原理與全站儀基本相同，但完全脫離目測操作，依靠激光主機對配合反射目標(反射鏡)的跟蹤測量完成各類測量任務，精度更高。以軸系找中為例，如圖6所示。將跟蹤儀固定至對整個軸線可視的位置(無須在軸線上)，先依次將反射鏡放置在首尾基準靶上，將兩個基準靶位置采集到主機中，并在軟件中生成坐標系和軸線；再將反射鏡依次放置在其他需對中位置(D1，D2，D3，…，Dn)，采集對中靶坐標，根據(jù)屏幕反饋的偏差值將其逐步調整至軸線上，直至滿足找中要求。操作過程精確高效，誤差在規(guī)定范圍(0.5 mm)內[3]。對于長軸系和超長軸系(如100 m以上)船舶，對中測點多，軸系找中負荷大，常規(guī)目測方法望光距離遠、誤差大，尤其適合采用絕對激光跟蹤儀作為測量工具。使用該儀器時，應注意選用與測量工況匹配精度等級的反射鏡。測量距離越遠、施工環(huán)境干擾越大，反射鏡精度應越高。

圖6 絕對激光跟蹤儀軸系找中示例

2.2.2 連接軸對中

連接軸對中在船舶上較常見于主機-齒輪箱、柴油機-發(fā)電機組、電機-泵等。連接軸對中的好壞，對設備運行表現(xiàn)和壽命有直接影響。常規(guī)對中方法是使用百分表，將其用懸架固定于一側軸端，隨該軸的旋轉，在對側軸的圓周表面移動，觀察百分表指示的高低起伏，從而判斷兩軸中心存在的相對位移。該方法可得出徑向偏差，但獲取兩軸的角度偏差較困難；而且懸架自身撓度對測量精度的影響隨兩軸間距的增大而增大，對人員操作的熟練程度也有較強的依賴。因此在進行大軸距對中施工時，傳統(tǒng)方法的弊端就表現(xiàn)得尤為明顯。激光對中儀是完成此類任務的理想工具。激光對中儀的主要原理是，激光發(fā)射端和接收端分別通過磁性支架(及鏈條)固定于兩軸端面，互相可見，隨兩軸同步旋轉，轉動到不同角度時，兩軸固有的相對偏移和偏折程度會反映在激光接收端的照射位置的相對偏差上。因此一般只需操作儀器停留在12點、3點、6點位置，即可自動計算并在顯示終端上顯示出兩軸的偏角和徑向偏移，并相應給出設備底腳的調整參考值，如圖7所示。激光對中儀的出現(xiàn)使得人為操作主要用于盤車和根據(jù)提示調整設備底腳，基本排除測量環(huán)節(jié)的操作誤差，精度可達μm級，是大軸徑、大軸間距部件連接軸對中的理想選擇。尤其對于主機和齒輪箱的對中，考慮到運轉狀態(tài)下齒輪箱內部熱膨脹導致軸偏心的情況，在對中時須預留出熱膨脹偏移量。該數(shù)值可以輸入到對中儀，實現(xiàn)偏心對中，十分方便。

圖7 激光對中儀操作示例

2.2.3 平面度測量

某些重要設備的底座安裝精度往往影響其工作穩(wěn)定性，關系到某一系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，因此對基座(墊片)表面的平面度要求較高。船上不乏跨距長達十余米的具有機加工安裝面的大型基座，加上施工空間有限，需要小型化高精度的激光儀器，解決在狹小空間架設和大范圍測量的問題。目前已有滿足上述要求的激光平面度測量儀。該測量儀包括1臺激光主機、3個無線接收靶、1臺顯示終端，如圖8所示。主機可連續(xù)發(fā)射激光并持續(xù)360°旋轉，接收靶收到激光后即可通過顯示終端給出高度讀數(shù)。當進行多點平面度測量時，可只使用1個接收靶，保持主機固定，將第一個測點(C1)測得的高度設為0，然后依次進行后續(xù)各位置(C2，C3，…，Cn)的測量，相應顯示出的高度即為每個測點相對于第一點的高差，由此可得出整個待測平面的整體平面度情況。

圖8 激光平面度測量儀示例

當需要對裝船設備或加工設備進行調水平時，則利用3點確定一個平面的原理，同時使用3個接收靶。先將每個接收靶的本體高度調至相等，再將各靶分立于設備的特征平面的各遠端，同時掃測3個靶的高度。根據(jù)3個同步讀數(shù)的相對大小判定各位置的高低水平，可有針對性地對設備特定位置底腳進行調整，從而實現(xiàn)設備的水平。測量儀器的測量半徑達30 m，精度最高可達0.001 mm/m，架設簡便，可充分滿足船舶舾裝的精度需求。

3 結 語

激光測量儀器的出現(xiàn)顯著突破了施工空間、測量范圍、氣候條件、人員熟練程度等對舾裝測量活動施加的限制，明顯簡化了測量和數(shù)據(jù)處理過程，顯著提高了施工質量和效率。尤其是在滿足對中、機加工平面等船舶舾裝中的高精度測量需求方面，高精度激光測量儀器起著難以替代的作用。業(yè)內技術人員應從激光儀器的基本原理和功能出發(fā)，積極開拓激光儀器的應用范圍，推動激光測量技術與船舶舾裝施工的深入結合，充分發(fā)揮出高技術資產的效益。