全站儀在數字化造船中的應用

楊敬東，黃云濤，趙 登，岳新霖

（重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074）

0 引言

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

1 全站儀的常規應用

1.1 原理

全站儀坐標測量可測定目標點的三維坐標，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，計算測站點與目標點之間的坐標增量和高差，加到測站點已知坐標和已知高程上，最后顯示目標點三維坐標，計算坐標增量時以當前水平角為方位角，全站儀坐標測量主要用于碎部點的數據采集。目標點的三維坐標計算公式為

圖1 全站儀坐標測量

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

1.2 胎架水平度確定

根據要求，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。胎架大小也應符合實際生產需求；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，則無法承擔對分段的支撐職能，影響建造質量。因此，保證胎架的尺度和水平度是建造質量的重要保障。

某船舷側分段胎架見圖2，胎架為矩形，共設有21個支撐點，坐標系設置見圖2，測量結果見表1。

圖2 分段胎架設計圖

表1 分段胎架測量結果

由表1可知：4號點的z坐標存在較大誤差，9號點與18號點的x坐標存在較大誤差，12號點的y坐標存在較大誤差，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。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、準確地完成測量工作。某船舶基準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系，分段左半部分的測量結果見表2。

圖3 某船舶基準分段的測量示意圖

表2 某船舶基準分段左半部分測量結果

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

1.4 線型檢驗與共面測量

艏艉部分線型較為復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數據導入計算機軟件，展示為圖形或表格的形式，并與設計線型進行直觀對比。

全站儀還可用于檢驗構件是否共面。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，將測量結果代入公式，求出中縱剖面的平面方程。接下來，對目標測點進行測量，將坐標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構示意圖

2 全站儀在數字化造船中的應用

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

2.1 全站儀數字化精度管理關鍵技術

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字化精度管理的重要方面，由于分段、總段和搭載強結構位置的變形難于矯正，且對結構狀態的影響最大，故需將強結構位置作為關鍵控制部位。

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點。

2）分段、總段主尺度特征點。

3）分段、總段主要結構位置特征點。

4）分段、總段端口強結構交點。

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量把控至關重要。精度管理系統中的分段三維精度擬合是將全站儀采集的分段結構點的三維坐標與分段理論模型點的三維坐標進行對應匹配的過程。通過定義少數點的匹配關系將兩者進行匹配，得到擬合狀態，再在擬合狀態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鍵點，這些點反映分段的主要狀態、重要結構和建造基準。傳統擬合方法主要包括面擬合、結構擬合和基準線擬合等，這些方法并不區分各個定義點的區別，但實際情況下個定義點的重要性有所差異，因此傳統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分，根據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，將測量數據與已搭載成型的船體或其他總段數據進行模擬，預判總段搭載后的狀態，掌握對接結構的偏差情況，以便對總段進行預修整。精確的測量和判斷可提高預修整的準確度、節省吊機時間、提高搭載效率。

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

2組數據的三維模擬首要解決數據基準問題。全站儀測得的坐標為相對于全站儀測量架機位置的距離坐標，需將不同數據置于同一基準才能進行模擬。在造船工藝中，最根本、最常用的基準是船體坐標系，因此，采取將測量數據統一轉換至船體坐標系作為解決方案。此外，總段的理論模型數據同樣基于船體坐標系，因此，總段精度管理系統的模擬分析是通過總段擬合技術來實現的。

2.2 全站儀數字化應用實例分析

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字化造船中的應用。首先根據三維精度控制點選取原則，利用精度分析軟件選取221分段上端口強結構交點、外輪廓四周邊緣點、搭載基準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，將結果導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分段測量數據的初始化匹配

在初始化匹配后，利用移動和旋轉功能對測量數據進行精密分析，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221分段和222分段的分析結果，以221分段為搭載段，222分段為基準進行模擬搭載（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，可有效減少復工次數，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 結論

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

1）全站儀與計算機軟件結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合的模擬搭載可明顯提升一次搭載成功率。