全站儀在數(shù)字化造船中的應(yīng)用

楊敬東，黃云濤，趙 登，岳新霖

（重慶交通大學(xué) 航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

全站儀是集光、電、機為一體的測量儀器，可測量目標(biāo)尺度、水平角度、高差等關(guān)鍵信息，從而提供詳盡的測繪數(shù)據(jù)，為船舶建造精度的評估提供良好的數(shù)據(jù)支持。目前，全站儀已廣泛應(yīng)用于船舶胎架驗收、分段建造及總段定位?；谌緝x測繪數(shù)據(jù)和船體三維模型的精度測量軟件現(xiàn)已應(yīng)用于船舶建造過程，為實現(xiàn)數(shù)字化造船提供了堅實基礎(chǔ)。本文對全站儀的原理進行介紹，并對全站儀在數(shù)字化造船應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 全站儀的常規(guī)應(yīng)用

1.1 原理

全站儀坐標(biāo)測量可測定目標(biāo)點的三維坐標(biāo)，實際上，直接觀測值仍然是水平角、垂直角和斜距。如圖1所示，通過直接觀測值，計算測站點與目標(biāo)點之間的坐標(biāo)增量和高差，加到測站點已知坐標(biāo)和已知高程上，最后顯示目標(biāo)點三維坐標(biāo)，計算坐標(biāo)增量時以當(dāng)前水平角為方位角，全站儀坐標(biāo)測量主要用于碎部點的數(shù)據(jù)采集。目標(biāo)點的三維坐標(biāo)計算公式為

圖1 全站儀坐標(biāo)測量

式中：x、y、z為目標(biāo)點的三維坐標(biāo)；h為目標(biāo)點高程；i為儀器高；τ為測站點與目標(biāo)點的垂直夾角；α為測站點與目標(biāo)點的水平夾角；s為斜程距。

1.2 胎架水平度確定

根據(jù)要求，船體分段建造過程中，有時需要在水平高度一致的胎架上進行鋼板拼接、構(gòu)件制造等工序，保持胎架高度符合要求是保證船舶建造精度的基礎(chǔ)。胎架大小也應(yīng)符合實際生產(chǎn)需求；若胎架過大，則容易擠占施工場地，影響船臺周期；若胎架過小，則無法承擔(dān)對分段的支撐職能，影響建造質(zhì)量。因此，保證胎架的尺度和水平度是建造質(zhì)量的重要保障。

某船舷側(cè)分段胎架見圖2，胎架為矩形，共設(shè)有21個支撐點，坐標(biāo)系設(shè)置見圖2，測量結(jié)果見表1。

圖2 分段胎架設(shè)計圖

表1 分段胎架測量結(jié)果

由表1可知：4號點的z坐標(biāo)存在較大誤差，9號點與18號點的x坐標(biāo)存在較大誤差，12號點的y坐標(biāo)存在較大誤差，需要矯正合格后才能在胎架上進行分段建造。

1.3 分段建造精度測量

船舶分段是指由船舶的各個部件和零件等組成的局部架構(gòu)。在建造過程中，需要對分段的主尺度、水平度、部件安裝位置等信息進行精確測量。利用全站儀可高效、準(zhǔn)確地完成測量工作。某船舶基準(zhǔn)分段的測量示意圖見圖3，以中縱桁與底板的上緣交點為坐標(biāo)原點，以分段左舷方向為y軸正方向，以儀器朝向為x軸正方向，以豎直向上為z軸正方向建立空間坐標(biāo)系，分段左半部分的測量結(jié)果見表2。

圖3 某船舶基準(zhǔn)分段的測量示意圖

表2 某船舶基準(zhǔn)分段左半部分測量結(jié)果

由表2可知：左側(cè)距中線6 m縱壁在雙層底部位整體下沉，該處底板需進行校平；左側(cè)外板和內(nèi)舷板寬度均小于理論寬度，但左側(cè)舭肘板、內(nèi)底板處的內(nèi)舷板寬度正常，由此推斷左側(cè)分段安裝位置有誤，應(yīng)在甲板處進行修正，以滿足設(shè)計要求。

1.4 線型檢驗與共面測量

艏艉部分線型較為復(fù)雜且對船舶性能的影響極大。在線型檢驗的過程中，將全站儀測量得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機軟件，展示為圖形或表格的形式，并與設(shè)計線型進行直觀對比。

全站儀還可用于檢驗構(gòu)件是否共面。某船艏部中縱龍骨見圖 4，選取上甲板前端中點、上甲板后端中點、主甲板前端中點和主甲板后端中點作為特征點，使用全站儀測量4個特征點的坐標(biāo)，將測量結(jié)果代入公式，求出中縱剖面的平面方程。接下來，對目標(biāo)測點進行測量，將坐標(biāo)信息代入平面方程中，檢驗是否共面。

圖4 某船艏部中縱龍骨結(jié)構(gòu)示意圖

2 全站儀在數(shù)字化造船中的應(yīng)用

數(shù)字化造船以知識融合為基礎(chǔ)，以數(shù)字化建模仿真為特征，將信息技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)、先進造船技術(shù)和現(xiàn)代造船模式綜合應(yīng)用于船舶產(chǎn)品的設(shè)計、制造、測試與試驗、管理和維護等全生命周期的各個階段。數(shù)字化船舶主要包括船舶設(shè)計數(shù)字化、船舶建造數(shù)字化、控制管理數(shù)字化等3個方面。將高精度全站儀和精度管理軟件相結(jié)合的數(shù)字化精度管理是船舶建造數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)之一，推行數(shù)字化精度管理，可有效提高船體建造精度，減少返工，有利于推進數(shù)字化造船的發(fā)展。

2.1 全站儀數(shù)字化精度管理關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 三維精度控制點的選取

船舶分段、總段和搭載的外形精度是數(shù)字化精度管理的重要方面，由于分段、總段和搭載強結(jié)構(gòu)位置的變形難于矯正，且對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響最大，故需將強結(jié)構(gòu)位置作為關(guān)鍵控制部位。

船舶三維精度控制點常取以下5類：

1）分段、總段建造及搭載的基準(zhǔn)點。

2）分段、總段主尺度特征點。

3）分段、總段主要結(jié)構(gòu)位置特征點。

4）分段、總段端口強結(jié)構(gòu)交點。

5）分段、總段外輪廓四周邊緣點。

2.1.2 分段三維精度擬合

船舶分段精度管理對造船精度控制和船舶質(zhì)量把控至關(guān)重要。精度管理系統(tǒng)中的分段三維精度擬合是將全站儀采集的分段結(jié)構(gòu)點的三維坐標(biāo)與分段理論模型點的三維坐標(biāo)進行對應(yīng)匹配的過程。通過定義少數(shù)點的匹配關(guān)系將兩者進行匹配，得到擬合狀態(tài)，再在擬合狀態(tài)下計算非定義點之間的偏差，進而可確定出合理的修正方案，對分段偏差提前修正。

擬合過程定義的點必然是一些關(guān)鍵點，這些點反映分段的主要狀態(tài)、重要結(jié)構(gòu)和建造基準(zhǔn)。傳統(tǒng)擬合方法主要包括面擬合、結(jié)構(gòu)擬合和基準(zhǔn)線擬合等，這些方法并不區(qū)分各個定義點的區(qū)別，但實際情況下個定義點的重要性有所差異，因此傳統(tǒng)方法并不能完全滿足實際分析的需求。采用“三點擬合”方法進行分段三維精度擬合更為合理，這是因為該方法對定義點的重要程度進行了區(qū)分，根據(jù)各點的重要性來決定擬合順序。

2.1.3 總段模擬搭載分析方法

總段進塢搭載前需進行測量，將測量數(shù)據(jù)與已搭載成型的船體或其他總段數(shù)據(jù)進行模擬，預(yù)判總段搭載后的狀態(tài)，掌握對接結(jié)構(gòu)的偏差情況，以便對總段進行預(yù)修整。精確的測量和判斷可提高預(yù)修整的準(zhǔn)確度、節(jié)省吊機時間、提高搭載效率。

將精度管理系統(tǒng)的模擬技術(shù)運用到搭載過程中，對比分析2組三維坐標(biāo)點中位置相同的點。以其中1組數(shù)據(jù)點為基準(zhǔn)，對2組數(shù)據(jù)中有對接關(guān)系的點進行模擬，使2組數(shù)據(jù)組合為新的整體。以此為依據(jù)計算對接處與非對接處各點的三維偏差。

2組數(shù)據(jù)的三維模擬首要解決數(shù)據(jù)基準(zhǔn)問題。全站儀測得的坐標(biāo)為相對于全站儀測量架機位置的距離坐標(biāo)，需將不同數(shù)據(jù)置于同一基準(zhǔn)才能進行模擬。在造船工藝中，最根本、最常用的基準(zhǔn)是船體坐標(biāo)系，因此，采取將測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至船體坐標(biāo)系作為解決方案。此外，總段的理論模型數(shù)據(jù)同樣基于船體坐標(biāo)系，因此，總段精度管理系統(tǒng)的模擬分析是通過總段擬合技術(shù)來實現(xiàn)的。

2.2 全站儀數(shù)字化應(yīng)用實例分析

以某船貨艙221分段和222分段合龍階段的模擬搭載為例介紹全站儀在數(shù)字化造船中的應(yīng)用。首先根據(jù)三維精度控制點選取原則，利用精度分析軟件選取221分段上端口強結(jié)構(gòu)交點、外輪廓四周邊緣點、搭載基準(zhǔn)點作為三維精度控制點，得到三維精度控制點策劃圖，見圖5。

圖5 221分段三維精度控制點策劃圖

在分段建造時，根據(jù)三維精度控制點策劃圖，利用全站儀對分段的所有精度控制點進行測量，將結(jié)果導(dǎo)入精度分析軟件進行初始化匹配（見圖 6），選取點1、61和91進行三點擬合。

圖6 221分段測量數(shù)據(jù)的初始化匹配

在初始化匹配后，利用移動和旋轉(zhuǎn)功能對測量數(shù)據(jù)進行精密分析，分析控制點偏差的情況，并進行修正。同理，對222分段進行相同的操作。最后，根據(jù)221分段和222分段的分析結(jié)果，以221分段為搭載段，222分段為基準(zhǔn)進行模擬搭載（見圖7）。

圖7 模擬搭載

如圖8所示，兩分段中間會自動顯示合龍面偏差信息，可根據(jù)偏差情況，及時對偏差進行修正。通過模擬搭載，可有效減少復(fù)工次數(shù)，提高一次搭載成功率、制造精度和建造效率。

圖8 兩分段合龍面偏差情況

3 結(jié)論

在現(xiàn)代造船中，全站儀等高精度測量儀器取代傳統(tǒng)測量工具被廣泛應(yīng)用。全站儀的高效性和準(zhǔn)確性可很好地完成船舶建造過程中常規(guī)的檢驗任務(wù)，在數(shù)字化造船模式下，全站儀和計算機軟件的深度結(jié)合更是彰顯其優(yōu)越性。本文對全站儀的原理進行介紹，并對全站儀在數(shù)字化造船應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析，可得到以下結(jié)論：

1）全站儀與計算機軟件結(jié)合的模擬搭載可大幅減少總組和搭載室的修整工作，有效縮短建造周期。

2）全站儀與計算機軟件結(jié)合的模擬搭載可明顯提升一次搭載成功率。