螺旋槳螺距三維激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

石 勇，邢維升，王俊翔，池洪鵬

（1. 海軍裝備部沈陽(yáng)局駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116041；2. 大連遼南船廠，遼寧 大連 116041）

0 引言

螺旋槳為船舶航行提供推力，是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。由于使用環(huán)境惡劣，在服役過(guò)程中需要定期對(duì)螺旋槳進(jìn)行檢查和修理。為了保證螺旋槳的制造和修理質(zhì)量，國(guó)家發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12916—2010《船用金屬螺旋槳技術(shù)條件》，對(duì)螺旋槳尺寸精度進(jìn)行了規(guī)范，螺旋槳槳葉的螺距是其中最重要的指標(biāo)之一。方便準(zhǔn)確地測(cè)量螺旋槳槳葉螺距，對(duì)于控制螺旋槳質(zhì)量具有重要意義。

目前，螺旋槳槳葉螺距一般是通過(guò)測(cè)量槳葉片測(cè)點(diǎn)相對(duì)槳軸位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得到的，螺距規(guī)是常用的測(cè)量設(shè)備。螺距規(guī)采用極柱坐標(biāo)，極柱固定在被測(cè)槳軸中心，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量角度，并通過(guò)水平標(biāo)尺和垂直標(biāo)尺來(lái)測(cè)量水平距離和垂直距離。螺距規(guī)利用旋轉(zhuǎn)軸系、懸臂梁式橫臂和滑動(dòng)架來(lái)支撐和移動(dòng)測(cè)桿、測(cè)量頭對(duì)槳葉不同截面進(jìn)行測(cè)量。該方法傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，配合精度要求高，制造難度大，而且使用一段時(shí)間后會(huì)因磨損引起測(cè)量誤差，所以對(duì)設(shè)備保養(yǎng)和校準(zhǔn)工作要求較高。

作為總裝造船廠或修船廠，要建立滿足精度要求的螺距規(guī)測(cè)量系統(tǒng)[1-2]難度很大。目前通常返回原螺旋槳生產(chǎn)廠家進(jìn)行螺距測(cè)量，費(fèi)用較高，且周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了現(xiàn)場(chǎng)修理工作。隨著三維激光測(cè)量技術(shù)的普及推廣，螺旋槳螺距三維激光測(cè)量技術(shù)成為可能[3-4]。本文利用全站儀進(jìn)行螺旋槳槳葉坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到螺距計(jì)算所需數(shù)據(jù)，并通過(guò)與傳統(tǒng)螺距規(guī)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 全站儀測(cè)量系統(tǒng)及相關(guān)要求

全站儀測(cè)量螺距的主要流程見圖1。

圖1 螺旋槳螺距測(cè)量流程圖

全站儀測(cè)量螺距的主要測(cè)量設(shè)備為1臺(tái)全站儀，全站儀測(cè)量精度要求應(yīng)不大于1 in（1 in＝2.54 cm）；測(cè)量過(guò)程中，儀器水平度X和Y應(yīng)調(diào)整至10 in以下，測(cè)量模式設(shè)置為斜平改正。操作人員須經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，考試合格后方可上崗。

測(cè)量工作一般在室內(nèi)進(jìn)行，且測(cè)量場(chǎng)地寬敞干凈，無(wú)振動(dòng)等不良因素干擾。應(yīng)設(shè)置螺距測(cè)量平臺(tái)，平臺(tái)須牢固，測(cè)量施工范圍內(nèi)的平臺(tái)水平度偏差應(yīng)不大于3 mm。測(cè)量前，將全站儀和螺旋槳牢固地放置在平臺(tái)上，螺旋槳槳轂端面保持水平，槳轂端面的水平度偏差應(yīng)不大于1 mm，測(cè)量過(guò)程中，螺旋槳及全站儀不允許發(fā)生位置變化。

為提高測(cè)量效率，可采用輔助角度和半徑劃線工具，在槳葉上粗劃出不同測(cè)量位置的半徑和角度線作為全站儀測(cè)量位置參考點(diǎn)。

2 螺旋槳各測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)采集

2.1 全站儀架設(shè)與初始坐標(biāo)系建立

將全站儀架設(shè)在被測(cè)槳的側(cè)上方，保證全站儀激光可以照射到被測(cè)槳的槳轂端面和槳葉。在平臺(tái)上選取2點(diǎn)建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系，形成沿直測(cè)量基準(zhǔn)，2點(diǎn)位置應(yīng)在螺旋槳的外側(cè)，其中1點(diǎn)設(shè)置在槳葉靠近全站儀的一側(cè)（與全站儀鏡頭距離應(yīng)大于2 m），另1點(diǎn)設(shè)置在槳葉遠(yuǎn)離全站儀的一側(cè)，保證2個(gè)點(diǎn)間的距離大于待測(cè)螺旋槳直徑。坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，Z軸垂直向上。

2.2 槳轂端面圓心坐標(biāo)獲取

采集槳轂內(nèi)圓加工面與槳轂上端面交線處任意3點(diǎn)坐標(biāo)擬合出槳轂端面圓心，3個(gè)測(cè)量點(diǎn)位置盡量在圓周上均勻分布，將槳轂端面圓心作為原點(diǎn)，建立柱坐標(biāo)系，圓柱坐標(biāo)系Z軸垂直向上，r取螺旋槳半徑方向。

2.3 槳葉各測(cè)量坐標(biāo)采集

將反射靶片放置在由劃線工具事先劃出的參考點(diǎn)位置，利用全站儀采集各參考點(diǎn)坐標(biāo)，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將該點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以槳轂端面圓心為原點(diǎn)的柱坐標(biāo)系下坐標(biāo)，比較測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與理論位置的偏差：當(dāng)半徑距離偏差值不大于1 mm，且角度偏差不大于0.1°時(shí)（起始點(diǎn)僅考慮距離偏差），在全站儀中保存該點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并用劃針在槳葉對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記；此標(biāo)記點(diǎn)為準(zhǔn)確管理點(diǎn)位置，若超出偏差要求，則將反射靶片沿相應(yīng)方向調(diào)整，并重新測(cè)量。在反射靶片調(diào)整過(guò)程中，為快速、準(zhǔn)確找到管理點(diǎn)，應(yīng)先調(diào)整水平夾角，再調(diào)整水平距離。

根據(jù)以上方法依次測(cè)量、修正每個(gè)槳葉不同比例半徑、不同角度處測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，保存有效測(cè)量數(shù)據(jù)，并在槳葉相應(yīng)位置用劃針進(jìn)行標(biāo)記。測(cè)量過(guò)程見圖2。

圖2 全站儀螺旋槳螺距測(cè)量布置圖

3 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

將全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入“EcoBlock”數(shù)據(jù)分析軟件中，將基礎(chǔ)坐標(biāo)系下各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)P(x,y,z)轉(zhuǎn)化為以槳轂端面圓心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下坐標(biāo)(r,θ,Z)，見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換幾何模型示意圖

基本原理如式（1）～式（3）：

式中：r1為螺旋槳某截面半徑；x0、y0和z0分別為槳轂端面圓心坐標(biāo)；x1、y1和z1為螺旋槳截面上一點(diǎn)的坐標(biāo)；θ水平為螺旋槳截面上2點(diǎn)p1、p2分別與槳轂中心連線間的水平夾角；P1P2水平為螺旋槳截面上兩點(diǎn)p1和p2距離在水平方向的投影。

利用余弦定理可得：

4 螺距計(jì)算方法

將全部測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到以槳轂端面圓心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系后，計(jì)算兩測(cè)點(diǎn)間的水平角度θ水平和垂直坐標(biāo)差值ΔZ，根據(jù)螺旋槳局部螺距Ps計(jì)算為

式中：Ps為螺旋槳截面上兩點(diǎn)的局部螺距；ΔZ為螺旋槳同一截面上兩點(diǎn)垂向坐標(biāo)差值。

5 測(cè)量精度分析及驗(yàn)證

為驗(yàn)證螺距三維測(cè)量數(shù)據(jù)有效性，選取某船螺旋槳進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并將三維激光（全站儀）螺距測(cè)量結(jié)果與螺距規(guī)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)其中一個(gè)槳葉在0.6r、0.7r、0.8r和0.9r位置處進(jìn)行了測(cè)量，每個(gè)半徑處在弧長(zhǎng)20%～90%處測(cè)量8個(gè)點(diǎn)，共測(cè)量32個(gè)點(diǎn)，選取典型測(cè)量位置包括不同半徑、不同角度的測(cè)量值列表，見表1。

表1 三維激光螺距測(cè)量結(jié)果與螺距規(guī)測(cè)量結(jié)果對(duì)比表

三維激光測(cè)量值與螺距規(guī)測(cè)量值最大差值為?0.16 mm，最小差值為0.01 mm，平均差值為0.012 mm，滿足GB/T 12916—2010《船用金屬螺旋槳技術(shù)條件》中“各種測(cè)量工具允許的最大誤差，不應(yīng)超過(guò)被測(cè)螺旋槳幾何尺寸或被測(cè)量的公差的1/2，或者在尺寸測(cè)量時(shí)，大、中型螺旋槳不超過(guò)0.5 mm，小型螺旋槳不超過(guò)0.25 mm，兩者選用大值。”的測(cè)量工具精度要求。

6 結(jié)論

螺旋槳螺距三維激光測(cè)量方法的精度達(dá)到了與標(biāo)準(zhǔn)螺距規(guī)相當(dāng)?shù)乃?，可以滿足船舶修理過(guò)程中各種定距螺旋槳、可調(diào)距螺旋槳的螺距測(cè)量要求。

螺旋槳螺距三維激光測(cè)量方法，測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，設(shè)備保養(yǎng)方便，經(jīng)濟(jì)性好，但存在找點(diǎn)速度較慢的缺點(diǎn)，是后續(xù)研究改進(jìn)的方向。