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船舶建造精度控制技术综述船舶111 潘黎明 1105080129 摘要：船舶建造精度控制技术是船舶建造十分重要的技术。文章通过对船舶建造精度控制工艺概念和内容的阐述，分析国内外精度管理和研究水平的进展和现状，探讨了制约船厂发展精度控制技术的因素，并提出了相应的对策。 关键词：船体建造；精度控制 引言：船舶建造精度控制技术是船舶建造十分重要的技术，目前主要集中研究船体控制技术。 船舶建造精度控制技术是缩短造船周期、降低成本和提高造船企业竞争力的主要方法之一，对其开展研究和应用具有重要的意义。该项技术是适应我国船舶工业跨越式发展急需解决的重要课题之一，也是一项需要长期持续研究的课题。一、船体建造精度控制 船体建造精度控制是以船体建造精度标准为基本准则，通过科学的管理方法与先进的工艺手段对船体建造进行全过程的尺寸精度分析和控制，以达到最大限度地减少现场修整工作量，提高生产效率，保证船舶产品质量。 所谓精度控制，简单的说就是在船舶建造过程中用补偿量代替余量，逐步增加补偿量的使用范围，并控制船体结构位置精度。以最少的成本控制船体建造的主尺寸偏差、线形偏差和结构错位在标准范围内，保证船舶质量。精度管理是系统工程，关键是全面、全过程推行精度控制，核心是实施造船精度设计。造船精度控制技术中精度补偿就是在工件的基本尺寸上增加一个量值，这个量值称之谓补偿量。补偿量是为了弥补工件在船体建造过程中由各种热输人所引起的基本尺寸的收缩，以及扭曲、上翘、下垂等变形引起的基本尺寸不足而加放的一种余量。补偿量与传统的工艺余量不同，补偿量取代工艺余量，并在各工艺阶段毋需进行二次号料切割和二次定位，即可保证零部件、分段尺寸，以及船体主尺度的尺寸精度需求。精度补偿可以达到最大限度地减少施工过程中的修整工作量，这对于提高造船生产效率和建造质量具有十分重要的作用。实施精度补偿，对船体建造全过程的尺寸精度分析和控制，不仅需要运用先进的工艺技术，而且需要进行严密的科学管理，其内容包括建立精度控制工作系统、编制精度控制计划、确立精度补偿量的加放原则、精度补偿量的加放方法、精度补偿的完善等。 改进造船工艺水平，提高船舶质量，降低生产成本，缩短施工时间，是船舶行业经济发展到一定阶段的必然结果和要求。船舶建造过程中精度控制研究是改进造船工艺水平的基础，深入研究船舶制造中的精度问题，分析造船工艺的科学性和合理性，发现问题，找出改进措施，进而为施工工艺改进提供理论基础和技术支持。 从工艺技术方面，船体建造精度控制经历了三个发展阶段：(1)分段上船台前进行修正以适应船台装配的尺寸精度要求(即分段无余量上船台装配)(2)平直分段进行建造全过程尺寸精度控制与曲面分段进行预修正后上船台相结合(3)对全船所有分段进行建造全过程的尺寸精度控制二、精度控制意义：（1） 能够保证船体的主尺寸和线形误差在允许范围内，保证船舶的载重量和航速，从而保护船东的利益；（2） 能够控制船体结构错位在允许范围内，保证船舶的强度和安全；（3） 最大限度地减少装焊作业的现场修整工作量，提高劳动效率，降低人力成本；（4） 提高船体分段下船坞的定位效率，缩短造船周期；（5） 提高钢材利用率，降低材料成本；（6） 能够减少结构修割，高空作业平地做，改善工作环境，保证生产工人的安全和健康；（7） 能减少修割和返修，降低能源消耗，能节约能源，减少环境污染；（8） 能够控制接缝间隙在合理范围，有利于保证船舶焊接质量，从而保证船舶航行安全。三、船舶建造测量与精度控制技术研究进展（1）国外目前研究状况。日本、韩国、德国、英国和法国等先进造船国家，都有系统的研究和成功的应用成果。这些国家大多以承接建造高技术、高附加值的船舶为主，如液化气船、大型集装箱船、豪华游船等。这些先进的造船国家，通过应用先进的船舶建造精度控制技术等，大幅度提高了造船质量，达到了现代化的造船水平。 船舶建造测量与精度控制技术在国外大致经历下列发展历程：上个世纪40 年代起公差概念引入造船业，探索各个工序合理的公差；50 年代起对工件装配边加放余量，装配时修割；50 年代末开始使用激光经纬仪进行分段预修割后上船台，日本运用统计技术控制船体零件的尺寸公差；60 年代起造船界运用数理统计技术和尺寸链技术探索船体建造公差和合理分布问题；70 年代造船业开始用经验数值或公式解决热变形的补偿量问题，货舱平直分段已做到无余量，曲型分段放余量；80 年代，开始应用电子计算机开发出补偿系统，可做到所有分段无余量制作；本世纪初，韩国三星巨济船厂开展巨型总段建造模式的研究，这对精度造船提出新的要求，韩国大宇造船厂已逐步开发出巨型总段的精度控制和激光三维定位测量技术，使2 000-5 000吨的巨型总段能够无余量下坞搭载，缩短船坞周期，降低造船成本。 国外很多学者在船舶建造精度控制技术方面，获得了大量的研究成果，并且大多数被应用于生产实际。但出于商业秘密的考虑，成果很少公开，能收集到的有关文献资料不多，特别是对于补偿量建模和系统开发方面，缺乏具体应用的材料。另外，精度控制技术同船厂的生产条件、管理水平等是密不可分的。因此，提高精度控制技术水平还需要结合企业实际。 （2）国内目前研究状况。国内开展船舶建造精度控制技术研究的起步较晚。上世纪六十年代中期，我国开始从国外引入船体建造精度管理的概念，但是由于对这一概念缺乏足够的认识，忽视了这项技术有其极其丰富的技术内容，而片面的强调有关工艺部分。在1978年初开始国内兴起了一股研究和推行精度造船的热潮，大连、沪东、江南和上海船厂成立课题组研究精度造船，到1982年取得了一定的成就，实现了货舱区分段精度造船，艏艉分段预修整后上船台。但我国在精度造船方面还没有形成一个完善的数据库和一整套系统支持且大多局限于尺寸精度的研究，与日、韩先进造船强国还有一定差距。分段精度控制是船体精度控制的基础，国内的分段精度控制技术目前仅限在船体中部平直货舱区域以补偿量代替余量，而分段精度控制包括“主尺寸、线形和结构位置”三方面的控制内容。国内研究也限于主尺寸控制的理论方面，对分段的线形和结构位置研究较少。国内的精度造船研究仅限于工具和技术方面，个别造船公司在船体建造精度控制中的对合基准线控制技术、全船余量和补偿量加放技术、变形和反变形技术以及在精度控制上的统计技术等。由于精度造船技术作为日韩造船业的核心技术，对中国造船业进行技术封锁，中国造船业无法学习其先进的精度控制方法和技术。国内各家船舶企业之间技术设施的差异性，也基本上处于各自发展的状态。4、 建造精度控制技术 建造过程中的精度控制技术，是指从制造开始后，在加工、装配、分段合拢和总段合拢等各工序中按着相应的技术规范实施精度控制的技术，主要有两方面：一是各工序中的精度检测与评估；二是出现超差问题时的对策。具体包括以下内容： （1）加工工序的精度控制技术。切割技术己达到自动化加工水平。对各类机器的检测和修整、补充机器用消耗品，定期抽样检查零件的切割精度等是这段工序的精度控制的主要内容。对策主要是调整机器的加工精度和培训作业人员的技术水平等。曲面加工曲面成型技术基本属于手工作业水平。对成品的成型尺寸和焰道热加工的温度控制检验等是这段工序的精度控制的主要内容。对策主要是使作业工人掌握水火弯板基本变形机理的知识和提高加工的技术水平。而研究实用的水火成型工艺参数预报系统，直至研制出可应用于生产的水火成型自动加工设备等是主要研究目标。 （2）装配工序的精度控制技术。小组立中的精度控制技术，主要有在横向构件上安装小骨材的尺寸精度检测对前期工序是否出错的检验等。对策是修整超差的变形，报告前面工序的错误并调整因此而出现的错误，直至返工到前面的工序从新加工。大组立是分段合拢前的最后一项工程。一方面受前期小组立装配精度的影响，另一方面还要满足分段合拢的精度要求。大组立中的精度控制技术主要有检验纵骨定位、精度检验、横向构件的装配精度检查和焊接坡口的宽度等。对策是找出装配中产生误差的原因，并能分析累积误差。分段重量、重心位置在分段前的作业过程中，每完成一道工序，需要检测零件、部件、组立等的重量和重心位置，能准确估算的，可以省略测试。特别是在海洋结构物的建造过程中，空船结构的重量和重心位置的检测和修整是必须的。 （3）合拢过程的精度控制技术。分段生产制造的周期长，制造过程中焊接工艺实施不当，吊运过程产生的结构变形等原因，使得分段与设计尺寸存在偏差，导致合拢出现问题，常见的问题是端部的错位现象。对策是设置基准点和基准线，按着定位要领指导书进行作业调整局部变形。 综上所述，造船企业须对船体加工、装配、合拢进行控制，以满足船东的建造精度要求。造船企业对船体结构的主尺寸、形状和位置偏差的控制，开始采用得是船体零件上加放余量的办法，后来根据数理统计技术，对零件加工和焊接的收缩量进行分析，以零件的补偿量来代替余量，并逐渐扩大零件补偿量的加放范围，从平直货舱区域逐步推广到部分首尾船体结构区域，逐步形成了船体精度控制的技术。五、造船精度管理的内容及实施步骤一般程序可以归纳为精度控制阶段的划分、标准偏差的测算以及各控制阶段补偿量的确定三个步骤。 （1）精度控制阶段的划分船体建造是一个工序多，周期长的生产过程。因此，要实施精度控制，可以把船体建造全过程分解成若干个控制阶段，通过对各个阶段的有效控制，最终达到精度控制的目标。船体 建 造 全过程精度控制的阶段划分应与船体建造的工艺阶段相对应，这对于精度控制来说，不仅是合理的，而且是有利的。船体建造工艺阶段通常划分为:号料、加工，部件制造，分段制造和船台装配四个阶段，精度控制也按这四个阶段分别实施。这四个控制阶段相互制约，前一个阶段是后一个阶段的控制基础，每一个阶段的有效控制都是精度控制的保证。 （2）标准偏差的测算测算船体建造各个阶段的标准偏差是制订精度控制计划的基础，也是确定各个阶段加放补偿量的重要依据。测算方法一般采用大量实测数据，通过作出直方图求得标准偏差。需要测算的标准偏差，零件加工方面的有:板材割缝的偏差、数控切割热变形偏差、火工成型板材的偏差等;部件制造方面的有:T型材焊接收缩量、板材拼焊收缩量、构架与板列焊接收缩量等;分段制造方面的有:分段焊接收缩量、分段火工矫正的收缩量等;船台装配方面的有:横向、纵向、水平大接缝的焊接收缩量、温差变化的影响等。综合这些测算数据是确定加放补偿量，实施尺寸精度控制的依据。 （3）各控制阶段补偿量的确定 一般来说 ，船体建造各个阶段的标准偏差值与补偿量应相一致的。由于 船 体 建造各阶段中补偿各种因素引起的尺寸偏差，而给定的补偿值可以看作为相应独立的正态分布。根据概率的定理，各个正态分布叠加后仍是正态分布。因此，假设船体建造完工后的理想精度为0值状态，船台装配补偿量为a，分段制造补偿量为b,部件制造补偿量c，零件加工补偿量为d,那末某一控制阶段的补偿量应为该阶段的补偿量与其后续阶段的补偿量的代数和。所以，零件加工的补偿量、部件装配的补偿量、分段制造的补偿量、船台装配的补偿量，可以以工件为对象按其所需经过的阶段分别予以考虑。 1)零件补偿量：零件是船体建造中组成工件最基本的单元，因此在考虑零件的补偿量时，应把它作为补偿的起始点。对零件的补偿量，除了对形成零件本身阶段的补偿外，还必须包含其后续所有阶段的补偿。 2)部件补偿量：同零件补偿原理一样，部件补偿量，除了对形成部件本身阶段的补偿外，还必须包含其后续所有阶段的补偿。与零件补偿不同之处在于，部件补偿对零件无严格要求。 3)分段补偿量：同部件补偿原理一样，分段补偿除了对分段制造本身阶段的补偿外，还必须包含船台装配阶段的补偿。而它对零件、部件无严格要求。 4)船台装配的补偿量：因为船台装配是船体建造的最后一道工序，它之后设有后续阶段，所以船台装配的补偿仅需对船台装配全过程中的收缩进行补偿，而它的补偿量加放时机应在分段制造阶段。 （4）明确精度补偿的加放原则船体建造是一个极其复杂的过程，引起船体工件收缩变形的因素繁多，变形复杂，因此对工件尺寸的补偿也是一项十分艰巨和复杂的工作。它不仅与船型的差异、分段结构的型式、分段划分的方式、分段建造的方法、装焊程序、焊接方法、火工校正程度，以及船台吊装的程序有关，而且还与船厂的生产条件、管理水平、人员素质等因素有着密切的关系。为此，在进行精度补偿量计算和加放时，一般应遵循以下原则。六、船厂目前在分段精度控制方面的问题由于软硬件的差距，在测量与精度控制方面更加薄弱，基本还是处于事前加余量建造，事后测量切割的状态，并且缺乏对精度控制的分析研究能力。对船体分段精度控制体系的研究方面基本是空白，也没有可操作的控制方法，这样对中小型船厂船体分段精度控制体系和方法的研究就很有意义和必要了。（1）分段建造精度控制的问题非数字化的测量，其结果要手工记录，不便于与现代的造船设计软件及现代的数据处理分析方法结合，不利于形成有效的数据库；钢尺量距的准确性不稳定，而且非常不方便，对于大型船只的结构件，钢尺无法完成准确的测量；数据采集需要的人员较多，工作效率低下。（2）分段及总段精度检查控制存在的问题分段体必须按照特定要求摆放，否则不好进行测量；数据报表需要人工计算，不方便与设计数据进行直接对比；效率比较低，容易出现错误，造成工期延误；由于测量手段及数据处理方式的落后目前还无法形成有效的精度管理机制及精度数据循环。 （3）船体合拢精度检查控制存在问题传统测量方法效率低下，占用吊机时间较长；需要在现场对余量进行切割，需要对分段进行复位作业；很多分段需要进行二次定位，影响船台周期；传统的测量手段很难对船体分段在船体成型过程中的变化进行有效统计，为反变形的施放及无余量生产提供数据支持。七、船厂深入开展船体精度管理的对策 （1）重视精度控制工作，建立船舶精度控制体系。完整的精度管理体系是保证建造精度工艺执行的基础。从长远利益出发，中小型船厂的经营者应改变经营理念，重新认识到船舶建造精度控制技术的重要性。站在整个企业的发展的角度，从根本上重视船舶精度控制工作，加大资金和人力的投入。以建立船舶精度控制体系为目标，健全各部门之间的统一协调机制，加强管理，改善生产环境，提高船舶产品质量，增强企业竞争力。 （2）加强与科研机构和院校的技术交流。各船厂往往没有足够研究能力，可以通过和科研院所的交流合作，来提高自身技术水平。同时，船厂之间也应加强技术交流，共同提高技术水平，如南通周边各船厂，通过交流和学习，一方面提高了生产工艺水平，另一方面也为开展精度控制工作的开展打下了技术基础。 （3）积极引进先进精度控制技术。目前国内先进的精度控制的软硬件的开发水平也比较高。直接引进成熟的先进精度控制技术，可以比较快的投入到生产中，较快的提高生产水平。比如在精度测量方面，青岛某技术公司开发的精度控制软件DACS（Dimensional & Accuracy Control System）尺寸与精度控制系统，就可以通过直接购买系统软件、高精度全站仪及各种附件。人员经过培训后就可以直接在生产中快速、精确的对各种焊接件、船体分段、船体合拢进行精度检查及控制。也可以用于船舶制造过程现场尺寸检查