精度造船中數字化技術應用研究

張起葆， 劉建峰， 孫建志， 張 峰

(1.威海職業學院, 山東 威海 264210； 2.上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

精度造船中數字化技術應用研究

張起葆1， 劉建峰2， 孫建志2， 張 峰1

(1.威海職業學院, 山東 威海 264210； 2.上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

造船精度控制技術是指通過科學的管理方法和先進的工藝手段對造船全過程進行尺寸精度控制和管理。主要介紹了我公司精度造船中關鍵數字化技術及其在造船工程中的應用，推動了公司造船精度與質量的提升。

精度控制 數字化技術 科學管理

1 引言

以國際通用的68個要素、340項標準評估,與韓日等造船強國相比,我國與世界先進水平的綜合差距為15年,其中信息技術應用方面差距最大,相差19年[1，2]。信息管理落后已成為我國造船業最為薄弱的環節之一,直接影響到我國造船整體效率和水平的提升。

隨著工業化、信息化的不斷發展以及現代高新技術的不斷更新，相對于一般的制造行業來講，船體建造常常需要測量很大的尺寸，幾何量的測量已經從簡單的尺寸、形位等平面及規則幾何體發展到復雜的二維和三維形體，尺寸范圍小至納米級，大至數百米以上。傳統的接觸式測量方法顯然已無法滿足現代測量技術的要求，于是各種先進的測量方法應運而生。全站儀的出現和廣泛運用，為在船體建造過程中的高精度測量和精度管理提供了新的測量方法，解決了許多難題。隨之出現的在測量過程中實時傳輸測量數據的移動信息技術，使得這一現代化高新技術幾乎與船體建造精度管理對測量技術的要求無縫貼合，加上測量系統的坐標計算三維化，數據的采集更加精確、全面、快速、安全、高效，推動現代造船精度管理進入了全新的發展階段。

從船舶行業自身發展的進程來看，降低船舶生產成本，提高船舶建造質量，實現精益造船、數字化造船，是船舶行業發展的必然途徑和結果。數字化精度造船關鍵技術主要體現在數字化測量分析、數字化基準以及數字化模擬搭載三大方面。

2 數字化測量分析技術

現代造船精度管理不僅包括水平度、垂直度、直線度，還包括同步度、圓心等管理，且船廠作業環境復雜，立體交叉作業較多，在此背景下，數字化測量技術的優越性得以充分體現，系統解決了傳統測量作業所面臨的種種困難。在現有平臺的基礎上通過改變測量理念，進一步研究先進的數字化測量方法，逐步延伸其應用范圍；通過改變固有的管理理念，突破二維坐標系的限制，使測量設備能夠使用于碼頭(浮船塢)作業，并能適應海工產品等不規則分段的高精度要求。在此基礎上應用三維測量場快速準確地采集數據，實現測量作業的高效化、自動化。

目前數字化測量技術中應用最為廣泛的為全站儀測量系統，該系統主要由全站儀、現場測量程序、三維分析程序組成。首先應用三維分析程序讀取設計文件，生成測量點，然后輸出到三維測量程序中，再用全站儀通過對測量點上標靶的測量對構件進行現場測量，最后將測量點的數據導入三維分析程序中并進行分析(如圖1所示)。

圖1 全站儀測量分析示意圖

全站儀三維坐標測量可在船臺通過全站儀對分段各點進行測量，得到三維坐標。在安全性、精確性、快速性上較傳統的測量方式占有較大優勢。使用全站儀三維測量系統測量實驗分段，需要測量人員2～3人，所用的測量時間40～50 min，還需加上分析時間10 min左右。由于全站儀的精度很高，在測量中的精度可達N±l mm,比傳統測量的精度高出很多。

隨著現代先進測量技術與方法的發展以及現代造船對于高精度、快速測量的要求，激光掃描技術開始逐步應用于船舶測量中。該技術以激光掃描儀為基本載體，通過儀器發出的光束自動掃描成型現場測量的工件，該測量技術與全站儀測量相比，取消了測量標靶，能夠對工件整體進行精密測量，而且對于平面及類平面測量更為高效精確。針對于近年來對舾裝件安裝精度的日益重視，該技術能夠有效提高管系、大型舾裝設備的安裝精度檢查效率，有力促進了舾裝精度技術的發展。

3 數字化基準線技術

傳統基準線的設置，是以船體中心線、肋位線開角尺，在平臺或船塢上作好樣沖基準點，并設置水平基準點作為以后的高度基準。分段組立或搭載時嚴格按照地樣線進行。然而傳統的基準線設置要求所有基準點必須在可視范圍內，否則需根據基準線重新劃出可視的基準。二次劃線時若存在誤差，則影響后續測量工作精度。

數字化基準線開設首先需要采集旋轉標靶三維相對坐標，設置虛擬三維坐標控制網作為搭載定位的基準線。數字化基準線技術是在數字化船塢的基礎上發展而來的新型地樣線技術，其通過在船塢四周樹立旋轉標靶，在船塢區域形成控制網，船舶進塢后即按照首制分段在該控制網內的位置進行定位和坐標確認，完成旋轉標靶坐標與船體坐標的統一，后續搭載分段定位作業即根據塢壁四周的旋轉標靶所形成的控制網進行，形成數字化船塢的“數字化地樣線”，有效確保了搭載定位精度和效率。

數字化地樣線系統由于基準和塢墩的固定，通過在電腦上模擬總段搭載定位狀態，從而實現總段在總組平臺上進行切割修整，提高了龍門吊使用效率，節省了船塢周期。此外，數字化地樣線系統由于基準點設置在船塢周邊，在搭載定位的時候至少有兩個基準點處于可視位置，因此適用于所有總段的搭載定位。不會出現由于基準線不可視，重新設置基準的問題。另外數字化地樣線系統適用于任何船型，不會因為船塢內船型的變化重新設置船塢基準線?，F在國內外各大船廠廣泛使用串聯造船法，在半船起浮定位時，使用數字化地樣線系統更加方便、高效，如圖2所示。

圖2 數字化地樣線系統應用示意圖

此外，隨著海工產品的大量建造，碼頭舾裝、測量作業越來越多，傳統的定位測量技術遠無法滿足不穩定環境下的測量精度要求。針對于不穩定環境下的動態測量問題，我們摒棄了傳統的絕對定位基準，采用相對坐標系統即在海工產品系統中建立測量坐標系，在海工產品上選取三個點構成參考點，并以此建立測量基準，解決了動態環境下的測量定位問題。

4 數字化模擬搭載技術

得益于近年來高速發展的虛擬技術、人機交互技術等智能化技術的發展，船舶制造業精度控制技術中的模擬搭載技術得以實施應用。

船舶在建造過程中，從加工到船塢的每個階段都會不可避免地產生誤差，而誤差只有在船塢搭載時顯現最為明顯，對船塢周期影響較大。作為船體生產活動的最后一環，其存在大量的交叉立體作業，其建造精度可謂是“牽一發而動全身”，因此在仔細研究工藝要求的基礎上，運用數字化模擬技術進行模擬搭載，對于縮減船塢周期、確保建造精度具有重要作用。

模擬搭載就是預先了解要搭載上的總段精度偏差值及船塢內基準分段的精度偏差值，在電腦中進行模擬演示并分析得出有效的修正方案，在平臺上進行切割修正，實現吊裝過程在確保精度的情況下一次定位。模擬搭載技術以搭載分段作為后續分段定位的基準，以數字化測量技術為應用前提，通過虛擬技術以及人工干預技術的應用，在電腦中直接生成搭載分段與基準分段的偏差值(即搭載分段與基準分段的間隙和重疊值)，現場施工中直接在平臺總組階段根據模擬結果進行搭載分段的預修割工作，將船塢工作提前至平臺，從而大幅縮短了船塢吊裝周期(見圖3)。

5 基于數據共享的精度管理系統

精度管理的依據在于精度測量數據和理論數據的對比分析。理論數據一般是從設計模型中抽取的，數據抽取需利用到生產設計軟件的接口。國內用到的生產設計CAD/CAM軟件有很多款，一般都提供了數據接口。精度管理所使用的軟件系統首先應按照數據需求開發對應的接口，并從管理角度和技術層面保證數據的準確性。而對于產品的精度結果，其過程中的工藝數據也應從生產管理系統中輸入精度管理系統，以保證精度管理數據的完整性。

圖3 海工產品建造中模擬搭載技術應用示意圖

數據接軌并不是單向的，為改善設計和生產工藝，產品的最終狀態還應反饋到設計和生產中用于分析精度原因。從信息化技術層面分析，數據在不同的獨立系統中流動較易造成失真，數據的準確性取決于整個系統的集成度?；跀祿蚕淼牡木裙芾碇饕幸韵绿攸c：

(1) 精度服務器直接讀取設計服務器(TRIBON)上的數據,無需手動轉換模型格式，并且模型數據可隨設計服務器上的數據實現自動更新；

(2) 精度部門制作好精度表格后上傳精度服務器，現場直接從服務器上下載測量分段所對應的精度表格，完全實現無紙化數據傳輸；

(3) 現場采集并分析的測量數據重新上傳精度服務器，精度部門可直接從服務器上下載結果數據，現場也可查看分析后的結果，完全實現無紙化數據傳輸；

(4) 分析和統計結果自動保存在精度服務器中，實時做到數據累積統計；

(5) 相關單位可實時查看結果和統計數據，真正實現前后生產工序相互溝通。

精度管理信息化平臺所要解決的問題不僅僅是數據共享本身，而是要發揮平臺與平臺之間的數據關聯能力，實現精度數據的生產指導作用，保證數據的完整性和時效性。因此，亟需解決的關鍵技術基本有以下兩方面。

一方面，解決與生產設計軟件(TRIBON)之間的數據同步問題。很多精度分析軟件與生產設計軟件之間是弱鏈接，不能保持版本的同步。并且其與TRIBON之間是單向數據通道，精度分析后發現的設計問題只能用手工的方式反饋設計，再由設計作出回應。在進行3D精度分析的同時，對于產品的水平度、直線度、垂直度、重合度測量還需要大量的平面精度設計。這就造成精度分析數據的存儲媒介和利用方式不統一，需要人工處理大量數據。

另一方面，精度管理的業務流程與實際生產作業相對脫節，只能依靠大量人工進行管理。精度測量、評分、考核的管理數據不能與生產管理系統相關聯，致使精度管理部門與生產部門經常存在分歧，沒有統一的作業標準，執行力也會相對下降。在特殊情況下由于不能明確精度問題發生的原因，針對精度所作的改進只能依靠個人經驗，因此很大程度上公司還在進行精度結果管理，沒有實現完整的過程控制。

要解決上述問題，除了軟件技術的提升以外，還需要從精度管理體系的角度，打通精度管理與制造ERP之間的數據通道，形成數字化精度管理體系。

精度管理軟件有利于積累經驗，提升自主精度管理水平，降本增效。國內船企精度管理還處于起步階段，相關的信息化應用更是處于初級階段，精度管理信息化實施是一個隨著企業軟硬件實力不斷提升而不斷改善的過程。

6 數字化技術在工程中的綜合應用

數字化技術在船舶行業中的綜合應用充分體現在數字化船塢系統中。數字化船塢系統是通過在船塢四周樹立旋轉標靶，在船塢區域形成控制網，船舶進塢后即按照首制分段在該控制網內的位置進行定位和坐標確認，后續搭載分段定位作業即根據塢壁四周的旋轉標靶所形成的控制網進行。從而實現了船塢虛擬化，將實際的船塢作業在電腦中進行模擬，配合DES文件(分段理論三維坐標文件)和OTS(模擬搭載軟件)使用實現船塢作業虛擬化、數字化(見圖4)。

該技術的數字化應用主要體現在以下幾方面：首先，廣泛應用全站儀進行數據的測量采集工作，實現數據的數字化測量與傳輸；其次，通過船塢四周樹立的旋轉標靶建立起的控制網形成數字化基準線，取代了傳統船塢中的地樣線，使得測量坐標與船體坐標得以統一，而且全船分段都在該坐標系統內，大大減輕了傳統作業中的坐標換算時間與工作量；第三，由于測量坐標與船體坐標得以統一，可使得現場工作人員通過全站儀直接得出完工尺寸與設計尺寸的差值，可以直接指導現場進行定位、修正等作業，實現了現場定位作業的虛擬化，大幅提高了龍門吊吊裝效率，使得船廠中最為寶貴的資源得以充分利用，有利于船塢周期的縮短。

圖4 數字化船塢測量系統

7 結論

現階段精度管理體系已逐步建立和健全，依托全站儀和精度軟件的充分運用建立了數字化的數據記錄和分析模式，實現了傳統的二維數據模式向三維數據管理體系的轉換。通過先進的工藝技術手段和科學管理方法，對船舶建造進行全程的尺寸精度分析和控制，公司實現了全船分段的數字化測量管理，對分段提前管理、提前修正，實現了分段、總段的模擬搭載，確定搭載分、總段的余量，實現無余量下塢；建立了一套以數字化精度控制為導向的船塢地樣網格線，控制船塢每個階段搭載精度數據。精度管理建設大大推動了公司“降本增效”的發展理念，達到了提高生產效率、降低建造成本、保證建造質量、縮短造船周期、增加經濟效益的目的。

[1] 追趕國際先進水平中國造船面臨信息化機遇.http://www.simic.nct.cn/news-show.php?id:10418&lan:cn&page=1.

[2] 王承文.現代造船模式研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2006.

Research on Digital Technology in Accuracy Shipbuilding

ZHANG Qi-bao1, LIU Jian-feng2, SUN Jian-zhi2, ZHANG Feng1

(1.Weihai Vocational College, Weihai Shandong 264210, China;2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

Shipbuilding accuracy control technology is taking the scientific management and advanced technology as a precondition to achieve size precision control and management in the whole process of shipbuilding. This article mainly introduces digital technology and its application in accuracy shipbuilding, which improves both precision and quality.

Accuracy control Digital technology Scientific management

張起葆(1965-)，男，高級工程師。

U662

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