（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体超大型总段快速测量技术研究.pdf

大连理一f 人学硕十学何论文 摘要 船体建造过程中的几何量的测量、造船公差及精度管理等技术是船舶建造技术的重 要组成部分。随着快速建造模式的发展，船舶中间产品的建造精度要求明显提高，测量 技术的改进使得船舶的建造精度提高、建造时间缩短、建造成本下降。有必要对船体建 造过程中的测量方法进行研究，找到适合我国实际的快速准确的测量手段，进一步提高 我国的造船效率，早日实现造船强国的目标。 本文以我国造船企业现阶段所采用的各种测量方法为参考对象，主要从以下几个方 面对船体建造测量方法进行理论研究和应用分析。 首先介绍目前国内造船企业的主要使用的测量方法与测量系统，通过实验对比得出 全站仪坐标测量系统在船体分段检测和大尺寸三维几何量现场测量方面有一定的优势， 应大力推广，但其自身仍存在一些缺陷，需要进一步深入研究。 对于全站仪三维测量系统中测量关键点选择问题给出初步的规范，对造船进行全过 程的尺寸精度分析与控制，以保证船体构件在各个工艺流程阶段内所规定的尺寸精度， 最大限度地减少现场修整工作量，提高工作效率。 针对全站仪三维测量系统中的测量数据的匹配问题，首先根据坐标变换原理对测量 数据进行初步匹配，然后提出依据最小二乘原理构造目标函数，应用b f g s 算法对初步 匹配后的数据进行详细匹配。实验结果证明该方法具有高效、精确等特点，可以有效地 解决测量数据与分段设计数据的匹配问题。 本论文对我国造船企业现阶段所采用的各种测量方法进行了较为详细的分析，并对 目前比较先进的全站仪测量系统的测量关键技术进行了研究，为发展下一代造船精度管 理提供了参考。 关键词：船体建造；测量系统；精度控制；关键点；数据匹配 船体超人型总段快速测苗技术研究 s t u d yo fq u i c km e a s u r i n gt e c h n i q u e f o rp r o d u c t i o no fs h i ph u l lb l o c k s a b s t r a c t g e o m e t r yd i m e n s i o n s ，s h i p b u i l d i n gt o l e r a n c ea n da c c u r a c ym a n a g e m e n ta r et h em a i n b a s i so fs h i pm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fg e o m e t r yi n f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t t h e e x a c ta n dh i g h s p e e dm e a s u r e m e n ti ne v e r ys t a g eo fs h i pm a n u f a c t u r ea r ev e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo fc o n s t r u c t i n go fh u l l ，s h o r t e ns h i pb u i l d i n gc y c l e ，a n dr e d u c eb u i l d i n g c o s t i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h em e a s u r e m e n tm e t h o d so nt h ep r o c e s so fh u l lc o n s t r u c t i o n ， a n dt h e nf i n dr a p i da n da c c u r a t em e a s u r e m e n tw h i c hs u i t a b l ef o rc h i n a ，t of u r t h e ri m p r o v et h e e f f i c i e n c yo f c h i n a ss h i p b u i l d i n g ，a c h i e v et h eg o a lo f b e i n g s h i p b u i l d i n gp o w e re a r l y i nt h i sp a p e r ，c h i n e s es h i p y a r dv a r i o u sm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r eu s e da sr e f e r e n c e o b je c t s ，t h em e a s u r e m e n to ft h eh u l lc o n s t r u c t i o no ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n a n a l y s i sa r ee s t a b l i s h e db yt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h em e a s u r e m e n tm e t h o d sm a i n l yu s e di nc u r r e n td o m e s t i c s h i p y a r d ，o b t a i n e dt o t a ls t a t i o nc o o r d i n a t em e a s u r i n gs y s t e mh a sa d v a n t a g e so nt h eh u l ls e c t i o n d e t e c t i o na n dt h r e ed i m e n s i o n sg e o m e t r i cm e a s u r e m e n tt h r o u g he x p e r i m e n t sc o m p a r i n g , s h o u l db ep r o m o t e d h o w e v e r ，t h e r ea r es t i l ls o m es h o r t c o m i n g so ni t ，n e e d sf u r t h e rr e s e a r c h t h es e l e c t i o no fm e a s u r i n gp o i n t so nt h et h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e n g i v e nt h es t a n d a r d ，d i m e n s i o n a la c c u r a c yo f t h ee n t i r es h i p b u i l d i n gp r o c e s si sa n a l y z e da n d c o n t r o l l e dt og u a r a n t e et h ed i m e n s i o n a la c c u r a c yo fh u l lc o m p o n e n t so nt h ev a r i o u ss t a g eo f p r o c e s sf l o w ，m a x i m u mt or e d u c et h ew o r k l o a do f o n s i t er e p a i r , i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y f o rt h em e a s u r e m e n td a t a m a t c h i n gp r o b l e m o ft o t a ls t a t i o nt h r e e d i m e n s i o n a l m e a s u r e m e n ts y s t e m ，m e a s u r e dd a t ah a sap r e l i m i n a r ym a t c hb yt h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n ，t h e np u tf o r w a r dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nb a s e do nl e a s ts q u a r e sp r i n c i p l e ，a p p l y t h eb f g sa l g o r i t h mo nt h ep r e l i m i n a r yd a t aa f t e rm a t c h i n gad e t a i l e dm a t c h e x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v et h a tt h i sm e t h o di se f f i c i e n t ，a c c u r a t e ，s oc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h em e a s u r e m e n t d a t aa n dd e s i g nd a t a o ft h em a t c h i n gs e c t i o n t h ep a p e ra n a l y z et h ep r e s e n ts t a g eo fc h i n e s es h i p y a r dv a r i o u sm e a s u r e m e n tm e t h o d si n d e t a i l ，a n dr e s e a r c ht h ec u r r e n ta d v a n c e dt o t a ls t a t i o n sm e a s u r e m e n ts y s t e m k e yt e c h n o l o g i e s ， p r o v i d em o r es h i p b u i l d i n gr e f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o rt h en e x tg e n e r a t i o no fa c c u r a c y c o n t r 0 1 k e yw o r d s ：h u l lc o n s t r u c t i o n ；m e a s u r e m e n ts y s t e m ；a c c u r a c yc o n t r o l ；k e yp o i n t ； d a t am a t c h i n g i i 人连理i ：人学硕十学何论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： ，j， 椎勺圣躲i 秀 臻孚篙事詈 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：缸生堡查丝墨塑丛鲨型兰塑：翟垒 作者签名：考瑶唾龟笮遑一日期：2 竺擎, # i - , - - 3 乒日 大连理l ：人学硕十学位论文 1绪论 在全球经济的持续发展和航运业需求旺盛以及各造船强国自行研发新技术的推动 下，船体建造技术实现了巨大飞跃。世界造船强国正在形成船舶快速响应的快速制造模 式。该模式以超大型中问产品为造船技术发展方向，主要包括总段巨型化、舾装单元巨 型化、平地造船等内容。根据快速建造模式，日韩等先进船厂应用巨型总段建造法、浮 坞造船法和平地造船法，有效地增加造船产量、提高生产效率。随着船舶向大型化、批 量化和标准化发展，这种快速建造模式将有着广阔的发展空间。应用巨型总段建造法、 浮坞造船法和平地造船法这三种建造新方式，必须首先解决分段建造、吊运设备以及精 度控制三大问题【l 儿2 1 。 1 1论文的研究背景 船体建造过程中的几何量的测量、造船公差及精度管理等技术是船舶建造技术的重 要组成部分。随着快速建造模式的发展，船舶中间产品的建造精度要求明显提高，测量 技术的改进使得船舶的建造精度提高、建造时间缩短、建造成本下降。船厂中一般常用 的测量技术如激光经纬仪测量系统、全站仪测量系统和摄影测量系统等，在测量的精度 和测量所用的时间上都有所不同。所以，有必要研究一种精确快速的测量方法。进一步 提高我国的造船效率，早f 1 实现造船强国的目标【3 儿4 | 。 超大型总段建造模式优点：大部分的装焊工作可以在车间制造总段时完成，舾装工 作、机电设备的安装以及密性试验等大部分作业也可以在此阶段完成，扩大了预舾装工 作面。变传统的串行建造为超大型总段并行建造，大大缩短船台或船坞周期，提高了生 产效率。总段刚性大，合拢时焊接变形小，且较易控制。 精确快速的三维坐标测量技术是超大型总段建造的基础，精确快速的测量才能实现 超大型总段的快速搭载技术，精确的测量同样是精度控制技术和补偿量系统建立的基 础。 随着国际造船市场需求逐渐由热转淡，我国造船企业将面临越来越严峻的考验，要 实现造船强国的战略目标，必须在造船技术水平上赶超韩日等先进造船国家。为适应目 前世界造船发展趋势，需要研究更加自动化、智能化的快速、精确的测量技术，提高我 国造船业的技术水平和造船厂的产量，增强国际竞争力。 1 2 超大型总段建造模式及其测量方法概述 船体超人型总段快速测谴技术研究 鍪囊- j i 主 ( 分段制造j - l 、一 分段制造 ：i i ，一 、 ( 分段制造j 卜1l 、 一一 一限总e ( 夯_ 一段制造1 ，l 、删o ， ( 分段制造卜hl 、。一 超、 大 型 总 段 川 图1 1 超大型总段建造模式 f i g1 ih u g eb l o c kc o n s t r u c t i o nm e t h o d 毪拢) 一蕊二一舶二) 超大型总段造船法如图1 1 所示，在超大型总段之前的各总段为并行建造模式。将 传统意义上的分段组装成3 0 0 0 吨以上的总段，再将这些总段并行组装成1 0 0 0 0 吨以上 的超大型总段，然后完成船舶总组的建造方法。 其建造模式具有以下优势： 1 总段的并行建造模式代替了以往的船台串行作业，减少了分段堆放的等待时间， 大大缩短船台或船坞周期，提高了生产效率，使工期提前一个月甚至更多。 2 扩大了预舾装和涂装，大部分的装焊工作可以在车间制造总段时完成，舾装工作、 机电设备的安装以及密性试验等大部分作业也可以在此阶段完成，扩大了预舾装涂装工 作面。 3 总段的刚性大，合拢时焊接变形小，且较易控制。 4 超大型总段建造可以充分利用船厂的各种吊车资源和装焊场地，减少了对大型龙 门吊车资源的占用，进一步提高了造船效率。 5 超大型总段既可以在船厂内制造，也可以由厂外专业分段厂甚至国外分段厂制 造，总段制造完成后，通过海上拖航到船坞边，直接吊入坞内，实现中间产品生产社会 化。 ；。l。；li。r，1 人连理1 ：人学硕十学位沦文 6 超大型总段建造法可以方便地与“平地造船法”、“浮坞造船法”、“驳船造船 法”结合使用，进一步提高了造船效率和产量，并具有减少投资费用、较快形成产能等 优点。 作为一种新型高效的建造方式，超大型总段建造法有很多优点，同样，与传统的造 船模式相比，也存在亟待解决的问题。 船厂资源的优化配置以及超大型总段的重量、尺寸设计分析。并行建造的超大型总 段，与目前采用的分段上船体的建造方法有着根本的区别，需要对船厂生产资源、管理 资源等进行合理分配，并对生产流程进行优化处理，形成均衡连续的并行生产节拍。 对超大型总段建造工艺进行研究。超大型总段建造不仅通过总段和超大型总段的并 行建造，实现船舶与海洋工程的高效建造，而且在总段和超大型总段的建造过程中，通 过采用先进的制造工艺，提高了建造效率。其中需要研究诸如超大型总段总体建造方案 和工艺方案、超大型总段快速搭载技术、超大型总段精度控制技术和补偿量系统、超大 型总段快速精确的三维测量定位技术、超大型总段的起升、行进、下水技术，以及关键 辅助工艺装备研制等p 】。 国内造船业仍然是一个劳动力密集、建造成本消耗大、建造资源利用率比较低的行 业。要保证中国造船业稳重有升、持续健康发展，为提高国内造船总量和企业效益，在 现在金融危机和船市低迷期到来的时候，盲目投资增加船台和船坞设施并不明智。研究 新的造船模式，在不增加船坞、船台的情况下，缓解了船厂日益紧张的船位资源，大幅 度的提高了产能，其经济效益也会十分明显。面对新的国际造船形势，我们必须紧跟现 代造船发展趋势，因地制宜的对造船技术进行研究，并通过不断创新和完善，发展具有 完全自主知识产权的高效节约型造船技术，提高造船企也的竞争力，确保我国造船大国 和强国目标的早日实现。 1 3 国内外研究现状 在船厂实际应用方面，现在还大部分都是应用的传统的测量技术。分段、总段及船 体的尺度一般较大，对其检测已归属于大中尺寸测量范围，目前生产实践中多采用光学 仪器进行辅助测量，目前国内船厂常用的光学仪器有( 激光) 经纬仪，( 激光) 水准仪 和五棱镜等。近年来，随着测量精度要求的提高，国内船厂也有引进先进的三维坐标测 量系统的，如三坐标测量机、电子全站仪等。激光测量技术也广泛应用于造船领域，保 证造船的精度和速度，为实现船台无余量大合拢和精度造船创造条件。 在理论研究方面，国内学者对大中尺寸的三维坐标测量也做了很多的研究。对三坐 标测量系统的原理、组成、精度理论及误差分析等都进行了深入的探讨，对三坐标测量 船体超人型总段快速洌0 量技术研究 系统在航空航天，汽车车身、机床导轨、轮船船体等加工制作方面的应用也进行了大量 的分析。周富强、张广军等通过对两台经纬仪组建的坐标测量系统测量出空间点的深度 坐标进行非线性优化求解两台经纬仪组成的测量系统的参数，从而提高双经纬仪坐标测 量系统的现场测量的测量精度1 6 】。程真英，陈晓怀，唐燕杰等着重讨论了大尺寸测量中 影响温度误差修币精度的主要因素并深入分析了温度误差修正后的不确定度，为满足大 尺寸高精度的测量要求，提出了精确测定材料膨胀系数的方法，有效降低了温度误差修 j 下后的不确定度确保了大尺寸的高精度测量的实现【7 j 。岳建平，魏叶青，张永超针对 船体建造三维测量提出了船舶建造测量分析系统的总体结构，提出系统开发的目标和要 求，介绍系统各模块的功能，探讨系统开发的关键技术，是国内为数不多的关于船体建 造测量方面的研究。国内对大尺寸三维测量的研究中对原理、误差分析等的研究较多， 对测量手段、测量数据处理方面的研究较少，在测量系统在造船中的应用研究也不多【8 】。 日韩等先进船厂对空间大尺寸三维测量的研究从理论体系到实际应用中研究的都 比较多，日本川崎重工就测量的方便实用性、测量效率以及测量精度三方面对三坐标测 量机、激光空问跟踪测量系统、经纬仪测量系统、可变焦数字照相测量系统等进行评估。 得出在一定的空间和时间范围内，可变焦数字照相测量系统在测量时间和测量精度上相 对于经纬仪都有一定的优势。东京大学的s h o j it a k ec h i ，k a z u h i r oa o y a m a 和t o s h i h a r u n o m ot o 在船体装配阶段的分段定位系统的研究中提出电脑辅助精度管理的基本概念， 提出了系统的测量精度指标。研制了分段辅助定位系统，并通过优化算法来决定最佳分 段定位过程【9 j 。韩国大邱大学的j i l ly a n g ，g y e o n g s a n ，g y e o n b u k 研究在船体装配时的管 路系统对接时的三维测量问题，提出了新的测量系统，建立测量程序、设计和制造的测 量系统，并用人工神经网络算法进行系统校准。这一系统已经得到船厂的实际应用并取 得了很好的效果【1 0 1 。庆南大学的机械自动化研究所和大宇造船和海洋工程公司的工业应 用与研发中心设计了新的测量系统，新的测量系统基于结构光测量原理测量船体曲面的 三维数据，相比于传统接触式测量方法具有自动化程度高、速度快、精度高，易于实现和 可视化等优点。测量结果表明测量的精确度可以满足造船过程中的精度要求。瑞士联邦 理工学院大地测量和摄影测量研究所的h a n s g e r dm a a s ，t h o m a sp k e r s t e n 介绍了数字 摄影测量在船舶建造方面的应用，并介绍了船厂应用摄影测量的几个项目。取得了很好 的效剿1 1 1 。 一4 一 人连理i ：大学硕十学位论文 1 4 论文的主要研究内容 了解超大型总段的发展，船舶快速响应的快速制造模式。研究现有的测量方法，比 较现有的测量系统、测量技术的优缺点并深入研究空间大尺寸三维测量原理，根据超大 型总段建造方法的特点，找出适合超大型总段建造的准确、高效的测量方法。本文通过 对比得出全站仪坐标测量系统在船体分段检测和大尺寸三维几何量现场测量方面有一 定的优势，应大力推广，但其自身仍存在一些缺陷，需要进一步深入研究。 针对全站仪测量系统自身存在的一些缺陷，进一步深入研究，找到合理的解决办法， 实现该技术的进一步完善。对全站仪三维测量系统中测量关键点选择问题给出初步的规 范，建立合理的船体建造精度标准，采用科学的管理办法，辅之以改善设计与工艺，包 括各种工装、设备的改进，以及防止施工误差的各种对策，对船体建造全过程进行测量 分析与控制，规范不同分段的关键管理点，以保证船体构件在各个工艺流程阶段内所规 定的尺寸精度，最大限度地减少现场修整工作量，提高工作效率。 针对全站仪三维测量系统中的测量数据的匹配问题，根据坐标变换原理对测量数据 进行初步匹配，依据最小二乘原理构造目标函数，应用b f g s 算法对初步匹配后的数据 进行详细匹配。 船体超人型总段快速洲量技术研究 2 船体建造的测量方法研究 建造精度直接影响船舶建造的总周期，建造质量( 精度) 也将影响后道工序的质量， 影响船舶的航运性能。船体建造过程中几何量的测量，造船公差及精度管理技术是船舶 建造技术的重要组成部分。船体建造的精度测量技术对保证船体建造质量、缩短造船周 期、提高生产效率等诸多方面都有不容置疑的作用，是船舶行业经济发展到一定阶段的 必然结果和要求。 船体建造过程中的测量一般可归结为大、中尺寸的测量，目前采用的测量工具一般 为卷尺、角尺、吊( 线) 锤、水准器等进行直接测量，或采用辅助基准法、弓高弦长法 等间接测量方法。国内船厂还有采用经纬仪、全站仪进行坐标测量。随着技术的进步， 国外船厂还有采用摄影测量方法等，但由于摄影测量的仪器设备的价格较贵，对测量条 件要求很高，所以距离工程上的实际应用还有一定的距离。 正如上面介绍地目前的船体建造过程中的测量方法较多，所以有必要对船体测量 方法进行必要的调查，以找到一种适合我国船厂实际应用的测量方法。在本章中，我 们对这几种测量方法在安全性、精确性、和快速性( 测量时间、可操作性) 上进行评 价，以找到合适的测量方法。 2 1测量方法介绍 2 1 1 传统测量方法 首先确定测量基准如用吊线( 锤) 、水准仪、经纬仪等构造光学基准直线或光学基 准平面，再用钢卷尺等进行接续测量。另外，也可以采用样板、样棒、样箱等作为相对 基准进行比较测量【4 】【1 3 】【1 4 1 。 1 一般传统方法检测用设备： a 2 0 m 5 0 m 钢卷尺 b 3 5 m 5 m 凸面卷尺 c 角尺 d 样条 e 线锤 f 水准仪 g 。角度器及分度尺 一6 一 人迮理j ：人学硕十学位论文 h 水平尺 2 检测项目 具体测量项目及方法见表2 1 。 表2 1 测量项目与方法 t a b2 im e a s u r e m e n ti t e m sa n dm e t h o d s 硷预丽目 测量方法及注意事项 页哥丽吾面丽夏历_ r 雨卷尺测量时先使卷尺的“0 ”点与测量基点或线条对齐，并片j5 k g 段长度、宽度、高度及对 的拉力器，把卷尺拉直，然后眼睛与测量点垂直读取数值； 角线的数值 2 卷尺中部垂下来呈弯曲状时，用弹簧称加上2 5 k g 拉力，以同样方 式检查； 3 利用特殊计量设备时，应按设备的使用方法进行测量； 汞手茇面玎虿了取某一 1 在测量点上放置水准仪，标尺垂直丁被测点； 点为基准点，测量分段的 2 进行弯曲或竖直部分的水平度检测时，对上作图上的曲率或竖直 水平状态度，利用三角函数或比例式可求得所求的水平值； 接两点的直线的弯曲状 数值达到一致，然后对测量线的误差进行分段测量； 态2 被测物太长大于( 2 0 m ) 会受到风等因素的影响； 菇藿预唾i j ；面云写丙 1 在主板平面的对接部用直角尺测量被测物之间的偏差； 部材端部的高度偏差及 主板接合部的端末对齐 所产生的偏差 百两丽两蘸五丽i 吾一i 主板与外板的下面尺寸划线后，下垂线测量锥的投影点是否与主板 线与外板型线的交点到 的划线点一致； 中心线的尺寸 2 一般坡口角度大的和弯曲度大的设计肋骨宽度标准值时应考虑留 有余量； 萜粟面反友而饭丽而间隙尺测量高度的支架锥最上部与其上部外板之间的间隙； 间隙测量 3 必要图纸及文件 a 工作图( w o r k i n gd w g ) 一7 一 船体超人刑总段快速测姑技术研究 b 二次划线图( r e m a r k i n gd w g ) c 胎架图( j i gd w g ) d 分段划分图( b l o c kd i v i s i o n ) e 涂装分界线图( p a i n ts e p a r a t i o nl i n ed w g ) f 精度检查单( c h e c ks h e e t ) 总的来说，传统的测量方法是一种标量测量，在工程精度范围内，传统的测量方法 有测量效率高、读数直观、重量轻、携带方便、测量费用低等特点。 2 1 2 全站仪测量系统 全站仪三维测量系统的基本理念是从设计软件系统( c a d 、t r i b o n ) 中导出分段 的理论模型，利用三维测量系统的软件将建模数据导入到三维分析程序中生成相应分段 的关键点，关键点就是分段的理论数据，现场实际测量操作和实际测量数据与理论数据 相对比的过程即为三维测量【1 5 邯1 。 1 测量原理 全站仪测量系统是利用极坐标( 也叫球坐标) 的测量原理，只需要测量一个斜距和二 个角度( 水平角和天顶距) 就可以得到被测点的三维坐标。其测量原理如图2 1 所示。 x 图2 1 全站仪测量系统测量原理 f i g2 1m e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo ft h et o t a ls t a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m 全站仪精确整平，仪器的中心( - - 轴系交点) 为坐标系的原点，水平面为x o y 面， y 轴为水平度盘零方向，z 轴为铅垂线方向，以右手法则确定x 轴，由此构成测量坐标 一8 一 人迮理t ：大学硕十学位论文 系。全站仪通过测量出目标点p 的水平角q 、天顶距0 和斜距s 来计算出目标点p 的坐 标。p 点的坐标计算公式为： 2 系统组成 ( 1 ) 用于生产现场的三维测量程序。它可以和现场所使用的测定仪器( 全站仪) 进 行连接，将勘测所得的现场实物分段的数据与设计数据进行对比，同时软件还提供了分 段测定、分析、附加计算等功能，以便对实物分段的变形进行分析。 ( 2 ) 一个p c 上的基于三维c a d 的分段变形分析程序，用来呈现结果图和数值。可 以对比设计资料，对实物分段的变形进行分析。其主要功能如下： a 读取三维设计图( c a d 的d x f 文件等) ，包括外板上的一系列关键点。对这些 关键点进行测量，通过测量值和设计值的比较来控制结构的尺寸变化，关键点的信息应 该包括测量点的识别( 名称) 和测量点在船舶坐标系统中的x ，y ，z 设计坐标值，曲线 长度，直线长度，角度等； b 对模型进行旋转移动等操作以更直观显示； c 可输出精度管理校对表格，并生成现场测量程序上可以使用的设计文件； d 从现场程序中读取三维测量文件； e 2 点、3 点对齐点，2 点轴、3 点变换( 数据转换时使用) ； f 自动计算设计点测定点间偏差( 公差计算、三维分析) ； g 精度分析完成后输出校对表格并保存项目文件； ( 3 ) 高精度三维测量传感器( 全站仪) ，标靶，标准尺，通讯供电控制接口，联机 电缆等； 3 测量步骤 ( 1 ) 三维分析程序读取设计文件 ( 2 ) 生成关键点( 各构件的交点，操作员也可以自己进行选择) ( 3 ) 输出校对表( 输出到三维测量程序中) ( 4 ) 测定( 现场) ，通过光靶，使用全站仪则可对一个点坐标进行测量，通过改变 测站，可以对每个关键点都进行测量。 ( 5 ) 将测量点的数据导入三维分析程序中并进行分析( 测量点与关键点的公差分析) ( 6 ) 输出最终的图表( 指导生产) 互 厶8 口咖 口口 m 弧 吣 s a羔 i f = = x y z 船体超人础总段快速测苗技术研究 其测量方式如图2 2 所示，其中( 1 ) 为分段测量， ( 2 ) 为总段搭载测量 ( 2 ) 图2 2 全站仪测量模式 f i g2 2t h et o t a ls t a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mm e a s u r ep a t t e r n 2 1 3 摄影测量系统 摄影测量是通过在不同的位置和方向上获取同一物体的两幅以上的数字图像，经 计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到被测物体的位置、大小和形状的一门科 学。在工业测量和非地形测量中的应用一般称之为近景摄影测量或非地形摄影测量【1 8 】 【1 9 】 o 1 测量原理 近景摄影测量是通过在不同的位置和方向对同一物体进行拍摄所获取物体的数字 图像，通过图像匹配等处理这些图像，然后用相关的数学计算后得到待测点精确的三维 坐标。其测量原理为三角形交会法。 人连理l 大学硕士学位论文 幽2 3 摄影测量原理 f i g2 3 m e a s u r e m t m t o n n e i p l e o f t h e p h o t o g r a m m e t r i e ts ”t e m 如图2 3 所示，其中，0 x y z 为地面上的直角坐标系，s - x y z 为照片中的测站坐 标系，两坐标系对应的坐标轴是平行的，只有平移关系。8 - u v z 为照片的空自j 坐标系， o - t l v 为照片上的平面坐标系。s 是其中的一个测站的物镜中心，p 是地面上的一个测量 点，p 在照片中，为p 的像点：所以，s 在地面坐标系中的坐标为，像点p 在0 x y z 中的坐标为，p 在s - x y z 坐标系中的坐标为，p 在s - u v z 坐标系中的坐标为，p 在 s - u v z 坐标系中的坐标为，p 在s - x y z 中的坐标为。s 、p 、p - 2 点共线，得： l r9 垡：墨) ! ( ! 二) 1 9 坚二! ! ! j 。d ，( 上一x s ) + b 3 ( r 一) + c 3 ( z 一珞)” 1一r2(x-xs)+b2(z-rd+c2(z-zs) 一 i 。3 似一如) + h ( y r s ) + c 3 ( z z j ) 其中a i ) a 2 ，q ，c 2 ，q 为s - x y z 和s - u v z 两坐标系见的转换函数。 2 系统组成与测量方法 摄影测量系统按照测量方式可分单相机脱机系统和双( 多) 相机联机系统； 单相机系统测量如图2 3 f a 】，其测量精度较高，携带方便。组成包括一台测量型数 码相机、电脑( 含系统软件) 、基准尺、定向棒、人工特征标志点( 定向反光标志) 等。 该系统主要用于对静态物体的高精度三维坐标测量，测量时只需要手持相机距离被测物 体一定距离从多个位置和角度拍摄一定数量的数字像片，然后由计算机软件自动处理 ( 标志点图像中心自动定位、自动匹配、自动拼接和自动平差计算) 得到特征标志点的 三维坐标值。 留 n v l 船体超人 总段怏遵性 技术研究 ( a ) 单机系统 ( b ) 烈机系! 允 ( b ) d u a ls y s t e m s h2 4 摄影测量系统翔成 f i g2 4c o m p o s i t i o no f t h e p h o t o g r a m m e t r i cm f e n ts y s t e m 烈( 多) 机系统如图23 ( b ) 所示，主要用于在不稳定的测量条件下提供实时测量， 鹾系统相对于单机系统主要多了一个测量型相机，和套辅助钡4 棒，并有联机线、控 制器等。般相机测星时通过软件控制相机拍摄像片，可以同时钡幢被测物体r 的特征标 志点集、电可以通过辅助测量棒实现乖点测量，尤其适合隐藏点测量。通过捧制器控制 相机l 刊步曝光，烈( 多) 机系统可以进行动态物体的测量，包括变形测量。另外，采用 了整体光线束法平差技术，当相机脚架处于不稳定环境( 如振动) 中时也可以实现高精 度浸4 量。 摄影测量影响其测量精度的主要因素有：相机( 拍摄相片) 的质量、图像处理得到 点的坐标算法的优劣、点的空问分布位置和标志点( 辅助控制点) 的分却。 22 船体分段的测量 测量方法的优劣是通过对不同测量方法的大量总结得到的。对于不同的分段类型， 分别采用上述几种测量方法，通过分析对比借以找到不同测量方法的优劣点。 本章中仅埘测量的众多分段中的一个典型分段进行介绍，并用上面提到的方法进行 对比，其他分段与此类似。以找到一种精确快速的测量方法。 t _ 二r 钿矗习暴 大连理_ t = 大学硕士学位论文 图2 5 试验分段 f i 9 2 5 t e s t b l a c k 如图2 4 所示为选用的一个船体分段作为实验的试验体。分段长1 5 3 m 、宽3 2 m 、 高2 1 m 。进行胎架测量时需要对胎架高度、胎架和外扳间距、角度、水平度、高度差等 进行测量；分段装配检测与完工检测时需要测量主要部材的装配位置状态、胎架接触状 态、主要部材水平及角度、分段全长、宽、高、对角、对接部的主板与内部型材的端差 及垂直度、对接部的厚度差等。在选用三维测量系统产品时，选用了7 3 个测量点，同 样对上述各测量内容进行检测。 我们将在测量的可操作性、测量时间和测量精度三方面对上面提到的测量方法进行 试验。试验结果表明，使用全站仪三维坐标测量系统在测量精度和简易性方面都有优势。 虽然它在测量时要求布置很多的标靶，测量时间仍然比传统的测量方法短近一半的时 间。 1 用传统方法进行测量 使用传统的钢卷尺、钢板尺、角尺、吊线锤、水平软管、光学水平仪、经纬仪等进 行测量，主要的测量内容和测量方法如下： ( 1 ) 首先需要做好的工作：使用经纬仪做好理论线基础。 船体超人型总段快速测苗技术研究 ( 2 ) 胎架测量：使用水准仪对场地的胎架进行高度、i 、日j 距检测，为保证外板线型打 好基础。 ( 3 ) 划线测量：利用化学草图或样条对结构线、开口线等进行测量；对分段主要尺 度进行测量，对构件划线偏差进行测量。 ( 4 ) 装配结束测量：用刚卷尺测量分段尺寸偏差及内部构件的装配偏差；从主要部 材的上端垂下线锥测量或利用分度尺、角度器、自制工具等测量主要部材的角度误差。 利用水准仪等测量水平度，即对胎架图纸上的高度的测量，对主要部材的各点的高低进 行测量；直角尺贴紧纵向及横向构件、桁材，测量直角尺垂线与外板的间距来测量各构 件的高度差。 ( 5 ) 完工测量：其测量内容与测量方法与装配测量的相似。 使用传统测量方法测量实验分段，需要测量人员4 5 入。所用的测量时间2 3 小时。 由于传统的测量方法是中国船厂成熟的测量方法，且有对检测项目，检测方法等都 有明确的规范限制，所以传统的测量结果及精度要求可以作为三维测量系统的测量基 准。 2 全站仪三维坐标测量 全站仪测量系统主要由全站仪、现场测量程序、三维分析程序组成。首先在三维分 析程序读取设计文件，生成测量点，然后输出到三维测量程序中，再用全站仪通过对测 量点上标靶的测量对构件进行现场测量，最后将测量点的数据导入三维分析程序中并进 行分析。 全站仪三维坐标测量可在船台通过全站仪对分段各点进行测量，得到三维坐标。在 安全性、精确性、快速性上较传统的测量方式都有较大优势。使用全站仪三维测量系统 测量实验分段，需要测量人员2 3 人，所用的测量时间4 0 5 0 分钟，还需要加上分析时 间1 0 分钟左右。由于全站仪的精度很高，在测量中的精度可以达n 士l m m 。其测量精度 比传统测量要好。 3 摄影测量【2 0 】【2 l 】 ， 首先，在分段或者结构上布置一定数量的标志点，然后利用摄像机获取多张图像， 通过姿态估计优化算法确定标志点的空间坐标，最后根据图像匹配算法确定被测点的空 间三维坐标。其一般的测量范围为1 5 1 0 m 。 摄像机的视场范围很有限。如果要用它去测量很大的景物，镜头可能需要一定的广 角，其畸变会更大、更难校正，且每一像素所对应的尺寸很大，所以摄影测量在大尺寸 测量中的应用受到很大的限制。 人迮理i ：人学硕十学位论文 由于摄影测量对场地适应性要求较高、设备昂贵，国内船厂的应该还有一定的差距， 对摄影测量的数据基本采用参考文献中的数据。当被测物高度小于3 m 且测黾点大于3 0 个时，摄影测量方法所用的时间只有全站仪测量系统的1 6 1 4 。如果被测物体的高度 超过了3 m ，摄影测量法的优势将会逐渐下降至于全站仪三维测量所用时间基本相同。 摄影测量受各种因素的影响较大，精度较难保证。需要进一步了解不同条件下测量 结果的变化规律并依此规律对测量结果进行校正。 2 3 测量结果的分析 对于传统测量与三维测量技术的比较： 1 安全性 使用传统的测量方法对分段测量时，采用拉尺、吊坨的方法，需要登高作业，尤其 在夜间合拢时，登高操作存在一定安全隐患。 三维技术的采用，则可在船台通过全站仪对分段各点进行测量，得到三维坐标，避 免了登高作业，减小了安全隐患。 2 精确性 以往采用拉尺、吊坨的方法测量，考虑到船台斜度问题还需进行计算，由于这些测 量工具、测量计算的因素，导致最终合拢精度存在一定误差。 三维测量技术的采用，由于全站仪的精度较高，在很宽的测量范围内( 1 7 米到几 百米) 误差低于一毫米，可以提高分段合拢精度，并且使三维测量技术适合造船过程中 的所有的生产阶段。 3 快速性( 时间、可操作性) 三维测量系统测量一个点的时间小于1 分钟，一个分段大约6 卜8 0 个关键点，将 用时4 卜5 0 分钟，传统测量时采用标量测量，确定一个点需要进行三次标量测量，这 意味着。如果使用传统的标量测量对同样的结构进行同样的测量，测量时间将大大延长。 4 其他 测量结果与设计结果的相容性，通过软件对实际的测量数据的进行记录，其形式与 设计数据相符。而且能够采用先进的软件工具对数据进行三维分析并生成数值和图形报 告。 全站仪测量系统与摄影测量比较： 全站仪属于单点逐点测量，其优点是点位测量精度较高，数据处理速度快；缺点是 总体看测点速度较慢，测量点位需要预先选择，一般需要有特征的点位，采用粘贴标志 或者测量时直接接触确定。 船体超人耻总段快速测骢 支术研究 摄影测量首先在被测物体上确定较少的标志点，对于测量管理点较多的分段有一定 优势，对现场操作人员在测量点选择的经验上要求不高。缺点是受场地等因素的影响较 大且摄像机视场范围很有限，对于大尺寸的分段测量并不适合。 2 4 本章小结 三维测量技术的采用，可方便、准确、快捷的对分段数据进行测量，减少吊车合拢 时间，保证合拢精度，为缩短船台周期提供一定的基础保障。 目前的全站仪三维测量较传统测量方法在测量时间和精度上都有很大优势，目前应 大力开展应用。摄影测量应该是中国船厂下一步研究的目标，我们应该尽早进行研究， 早日缩短与造船强国的差距。 测量和分析结果完成只是整体的精度控制任务的一部分。为了实现测量结果可靠的 和与设计坐标的一致性，必须在每一个生产阶段建立精度控制标准，这些标准应该是一 般的制造业中不可或缺的。 如本章所述，全站仪坐标测量系统在船体分段检测和大尺寸三维几何量现场测量方 面有一定的优势，但也存在一些自身的缺陷，需要进一步深入研究，找到合理的解决办 法，实现该技术的进一步完善。目前全站仪三维测量存在的缺陷主要表现在以下两个方 面： 1 缺乏测量分段关键点的选取指导书，以及基于坐标检测的精度控制指导书，三维 坐标测量方法不规范。 2 三维测量数据与设计数据的坐标匹配问题，可以用更先进的算法使测量得到的实 际分段面数据与设计模型分段面数据更加精确的匹配。 人连理t 人学硕十学位论文 3 全站仪测量系统中船体三维测量关键点选择 超大型总段建造模式的提出，对分段建造、装配，总段转配提出了更高的要求。目 标的尺寸越来越大，结构越来越复杂，测量精度要求越来越高，并且由于各超大型总段 之间的并行建造也要求测量时| 日j 要越来越短。 前一章中我们对传统的测量方法与全站仪三维测量系统的测量时间做过比较，全站 仪测量系统测量一个分段的平均时问