船体分段测量数据配准技术研究与应用

    陈波

    摘 要：船体分段测量数据配准是用于控制精度尺度的技术，用于船体分段建造过程，十分实用。船舶制造质量的主要评价参数之一是配准偏差值，这个数值为后续的建造提供定量的数据。船舶制造的精度管理的目的主要是使用数据分析手段把被动的管理转变为主动的管理。

    关键词：船舶制造；精度控制；配准技术；建造误差

    中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）05-0037-02

    1 船体分段测量数据配准技术的意义和作用

    时代的发展对船舶制造提出来更高的要求，现在的船舶制造走向了快速制造，虚拟制造，绿色制造和精益制造的方向，因此，船体建造过程中必须严格控制精度。数字化是船舶制造业的基本方向 ，可以显著提高制造的效益和生产的水平。通过现代的手段，船舶建造的精度控制可以把控在一个非常良好的范围。

    船舶制造的精度管理的目的主要是使用数据分析手段把被动的管理转变为主动的管理，在船舶制造过程中，试图提高使用的钢材的利用率，尽量降低生产的成本，将建造的周期缩短，提高工作的效率。根据精度管理，可以修正船舶制造业的许多问题，比如船体分段建造的尺度误差和材料变形问题，这些问题在实际生产中可能出现在下料，焊接以及装配等过程中，最终目的是实现船舶实际生产过程的分度分段的无余量上船台，准确把控误差值，进行完整全面的精度控制，使信息直观显示，便于现场人员修正。

    在配准技术中，由于坐标系的不同，通常要将数据进行转化，把测量数据坐标系换为设计坐标系，最终得到点集坐标系，進行配准处理时，要将所有数据转化在同一个坐标系里才能进行，得到误差数据。

    2 船体分段测量数据配准技术概述

    2.1 船舶制造的误差分析

    在船舶的生产制造过程中有许多的工艺，比如切割，放样，焊接等，整个流程中都出现误差。为了提高船舶制造的质量，减少生产成本，提高施工速度，必须严格控制生产精度。因此船体分段测量数据配准技术十分重要。船舶制造与一般机械生产不一样，有自己的特点，船舶制造的特殊性表现在以下几个方面：①船体分段结构的尺度很大，因此会带来很大的尺寸误差。分段建造过程中，测量过程中，以及船体装配过程中，都很难采集到有较高准确度的模型特征数据。除此之外，分段会导致材料因为刚度差而发生变形，在吊装和运输贮存过程中都有这样的隐患，比如胎架位置摆放不对，分装吊顶时位置选择不良等等。②船舶制造业有基本的行业特点，一般都是小批量生产，生产加工的周期漫长，加工的流程复杂且经常发生改变，材料在多个工序处理之后会出现加工误差，装配误差以及变形误差。③在船舶制造中焊接技术的变形规律是不可控制的，数理统计的方法和经验判断都不是非常准确，比如火工作业可能使部分材料变形，焊接时发生热收缩，焊接过程中顺序发生错乱等等，都会带来严重的变形问题。④目前船舶制造依然依靠手工劳动为主要工作形式，尤其是在室外和高空中，完成后制造偏差不能通过经验预料。⑤测量设备的精度不够，也会导致严重误差。分段建造过程中，仪器误差是随机变量，不符合基本的误差统计规律。测量所得数据的坐标没有严格制度的把控，科学的管理方法和丰富的经验积累。

    船体的分段测量数据配准技术，可以使用四点法计算，得到数据转换的基本参数，按照施工现场的具体情况，以及后续的装配情况，可以选定坐标变换的三类数据，分别是基准带点，基准轴和基准面。最后通过迭代计算，就可以得出坐标偏差。

    2.2 船体分段测量数据配准技术的精度控制

    精度控制对于船舶制造业有巨大的作用，控制偏差在标准的精度范围之内，才能有效保障船体的稳定性和安全性。

    以几何上的要素为分类的依据，可以将船舶制造的误差分类分为四种，分别是尺寸误差，形状误差，表面粗糙度误差和位置误差。①形状误差是指船体模型的实际形状与理想形状的变动量，一般包括水平度，分度制造垂直度等等。②尺寸误差是指船体的零件实际尺寸与模型尺寸的变动量，一般包括肋骨间距偏差，同轴度以及主尺度偏差等等。③表面粗糙度误差是指钢材料经过加工处理后的表面凹凸不平程度，一般包括气割加工后钢板缘状态。④位置误差是指船体的关联实体模型与位置基准量的偏差量，一般包括肋骨线与坞底线的吻合度偏差，构件安装位置误差，制造中心线误差，接头对接错位误差等等。

    我们也可以将误差分为三种：系统误差、随机误差和草率性粗大误差，这时是以生产过程中的特点来对误差进行分类的。①系统误差指在生产过程中会产生的固定不变的误差，它有确定的规律变换，也叫做规律性误差。一般包括测量仪器的系统误差，焊接收缩产生的负误差等等，但是船舶制造业的系统误差一般很小。②随机误差是指大小和符号不可控制，只能估计不能修正的误差，这样的误差也是服从一定的统计规律的。船舶制造业中，各种零部件在不同工艺加工后都会产生随机误差，误差还会积累。③粗大误差一般由操作过程中人员的错误造成，一般包括测量读数错误、测量方法错误、测量仪器相对位置改变等等。这种误差的测量结果明显与实际不符

    2.3 船舶制造的误差分析

    船舶建造精度控制标准。

    （1）底边舱分段。在这个阶段中，舷侧立体分段的刚性很大、结构十分复杂。需要对建造尺寸，安装的位置与角度，内外板的水平度，主肋骨位置，构件装配位置，外板端部的垂直度等因素进行测量。

    （2） 艉部机舱分段。这是重点的精度控制分段，这个阶段的主要特征是结构复杂，机舱分段的刚性差。需要测量的主要内容有以下：基准线的位置与直线度偏差、板的端部偏差，尺度偏差等。

    2.4 船体分段测量数据配准技术的研究重点

    船体分段测量数据配准技术要求的制造精度控制，是现代造船过程中的重要技术。它的研究重点误差和偏差的修正。如果实际生产过程中出现这样的误差，会给分段船体的建造带来很大的麻烦。

    2.5 船体分段测量数据配准技术的数据可视化设计

    测量数据的可视化设计是指利用现代的图形化手段，将测量数据与实际的生产现场实际进行精度协调。而偏差可视化技术是指，用图形手段表示船体分段制造的所生产的特征点坐标信息和尺度误差信息，再利用数据分析工具对船体分段进行修正。

    2.6 船体分段测量数据配准技术精度管理系统的开发目的

    2.6.1 系统设计目标

    船舶制造的分段精度管理系统应该以先进的船舶制造理念为基础，采用可视化技术，计算机应用技术和三维测量技术，充分考量模型转换和测量数据特点，解决船舶制造中分度建造的各种精度问题，可应用于各种实际的操作环境中，实现船体分段无余量建造的最终目标。

    系统设计目标主要有：①对测量多得数据进行数学上的最优运算，分析评价实际产生的误差。②完成制造偏差的可视化处理，简单明了的为现场的生产管理提供支持。③储存进行过的所有数据，为将来的船体建造提供依据。④可以对测量数据进行分析，考量仪器的基本特点，选择较好的仪器进行工作，系统实用，准确，具有完整性和先进性，数据必须正确和精确，计算的结果必须可靠，并符合制造业的行业规范。⑤系统简单，实用性高，方便操作。

    2.6.2 系统设计原则

    船体分段建造的程序复杂，要经过零件加工、焊接组装、部件与分段装配等基本工序，建造过程中会产生影响船舶的建造质量的各种形状误差和尺度誤差。具体的设计原则：①实际性：系统设计应该充分考虑企业的现有情况和生产状态。②先进性：系统具有自主选择性，主要是为了实现船舶制造的先进性。主要的工作是控制精度尺寸，进行坐标变换分析，进行数据配准。系统应该经常更新，替换，扩充，使用新的技术和方法。③数据可靠性：数据可靠性对系统而言非常重要，数据的准确性和精确度必须严格保证。④操作性：系统应具备较强的操作性，容易学会，操作简单。

    2.6.3 系统结构设计

    船体分段测量数据配准技术精度管理系统的总目标是在对船体分段建造过程中严格控制并实时监控分段误差，减低成本，减少经济损失。

    3 总结

    船体分段测量数据配准技术在船舶制造业中十分重要。以船舶建造的质量参数和工艺精度指标为主要的标准参数，综合考虑船舶制造的行业标准，国家质量检验要求和工厂的实际建造工艺，制定出具有极强实用性的精度标准。通过这样的精度标准的实施，使分段船体的成产和装配都有理论依据，最终实现船体无余量建造，提高船舶制造生产水平。

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