船舶長軸系對中激光數顯技術與應用

謝桂芬, 張 峰, 魯鳳蓮

(1.威海職業學院 交通工程系， 山東 威海 264200；2.大連海事大學， 遼寧 大連116026)

船舶長軸系對中激光數顯技術與應用

謝桂芬1,2, 張 峰1, 魯鳳蓮2

(1.威海職業學院 交通工程系， 山東 威海 264200；2.大連海事大學， 遼寧 大連116026)

為解決船舶長軸系拉線法對中準直性差的問題，減少常規船舶軸系激光對中人工測量造成的誤差，通過模擬船舶軸系對中系統試驗，對激光準直儀、數字接收光靶、數據采集系統與圖像識別處理軟件進行組合應用，形成高效精確的軸系對中激光數顯檢測系統，從而提高船舶軸系定位對中精度。

船舶長軸系；定位精度；數顯系統

0 前言

船舶軸系是船舶動力裝置的重要組成部分,其定位對中精度對確保軸系長期正常的運轉非常重要。針對船舶長軸系對中拉線法準直性差、常規光學法人工測量誤差大等問題，對船舶軸系對中激光數顯檢測技術進行研究。經多年的研究實踐，成功研制了一套船舶軸系對中激光數顯系統，并應用于修造船廠及教學中。該系統可以簡化船舶軸系定位對中檢測數據并提高數據的準確性，降低勞動強度并縮短軸系定位時間，從而提高修造船質量和效率。

目前國內外船舶修造企業對船舶軸系理論中心線的確定方法有拉線法和光學法兩種。拉線法是一種用直徑為0.5～1.0 mm的鋼絲通過動力裝置首、尾基點來確定動力裝置理論中心線的原始方法[1]。其通常用于船舶軸系長度小于15 m時。當軸系長度大于15 m時，拉線法確定理論中心線。由于受重力的影響，鋼絲在距首、尾基點的各處存在撓度，各支承點的理論中心需要用撓度公式計算后通過劃線的方法求得。工人操作時，拉線法容易受到呼吸、風吹和振動的影響。因此，確定各支承點理論中心的正確位置與工人的熟練程度、經驗有極大的關系。拉線法確定船舶軸系理論中心線其準直性較差[2]。而在光學法對中過程中，人工測量常常會造成很大誤差。

1 激光定位原理

船舶軸系激光定位原理圖如圖1所示。

(1) A-B為激光束，是船舶軸系理論中心線；

圖1 船舶軸系激光定位原理

(2) 5為激光儀的安裝點，即船舶舵系與軸系理論中心線的交點；

(3) 1為船舶主機輸出法蘭、機體，可根據軸線的要求對柴油機進行曲折和位移的微調；

(4) 根據軸線理論中心線調整2，3，4，6，7，8模擬船舶軸承支點，使支點各中心同軸。

2 船舶軸系定位激光數顯技術

威海職業學院與大連拉特激光技術有限公司聯合研發了一套包括激光準直儀、數字接收光靶、數據采集與圖像識別處理軟件的船舶軸系定位激光數顯測量系統。

船舶軸系定位激光數顯系統主要由平板液晶一體機、激光光源、光源支架、軸承支點、數字接收靶、固定支架、模擬機架等部分組成，如圖2所示。系統工作流程如圖3所示。

圖2 船舶軸系激光定位數顯系統

圖3 激光數顯系統工作流程

3 船舶軸系激光定位數顯系統設備

(1) 激光準直儀。激光準直儀如圖4所示。激光準直儀角度調整選用球鉸結構，該結構不會產生應力，因此也不存在應力釋放時產生的漂移[3]。在激光準直儀的光學系統中采用了空間位相調制器，該光學定位系統的空間位相調制器使測量過程中不需要調焦，實現了全程無調焦運行差，保證了激光儀所提供的是一條清晰度高且易于分辨的激光光束。在長距離測量時光斑是環柵結構，光斑的圖像清晰、易于分辨，保證了激光光束軸心的識別精度[4]。

圖4 激光準直儀

(2) 接收光靶。數字化接收光靶如圖5所示。系統的接收光靶對入射光進行了嚴格處理，將雜光、 散射光的影響減低到最低限度[5]，以保證提供給CMOS攝像機的是能夠識別的激光圖像。接收光靶的關鍵部件是高分辨率的CMOS攝像機等，CMOS是互補金屬氧化物半導體，一種晶體管放在硅塊上的技術。CMOS傳感器不需要復雜的處理過程，直接將圖像半導體產生的電子轉變成電壓信號，這個優點使得CMOS傳感器對于高幀攝像機非常有用，高幀速度能達到400～2 000幀/s，可以保證整個系統的精度。數字接收光靶可以將采集到的激光圖像傳輸至計算機。

圖5 數字化接收光靶

(3) 模擬船舶軸系對中檢測系統裝置。模擬船舶軸系對中檢測系統裝置圖如圖6所示。

圖6 模擬船舶軸系對中檢測系統裝置圖

(4) 圖像識別與數據采集處理軟件。激光光斑結構在整個光程的不同位置都有一定變化，圖像識別軟件對整個光程中不同結構的激光光斑圖像進行識別和處理，最終提供一份能準確描述軸系沿線各軸頸中心相對于艏、艉或機、艉基準線的空間位置坐標圖及幾何圖像中心的坐標值[6]。測量值可直接通過屏幕顯示、打印機打印或直接傳輸到數據庫。

4 船舶軸系對中激光數顯系統的應用

(1) 船舶軸系理論中心線技術要求與調整。① 輸出軸法蘭與理論中心線(即光束)的垂直度X≤0.5 mm/m，Y≤0.5 mm/m。② 中間軸承中心與理論中心線偏差小于0.20 mm，且兩個測量點偏差方向相同。③ 艉軸管填料盒中心與理論中心線偏差小于0.30 mm。④ 各軸承中心允許偏差0.5 mm[7]。

(2) 激光數顯系統的應用。當用接收光靶(數字測量光靶)測量軸頸中心點時，測量軟件通過反饋光靶處于軸頸圓弧3個不同位置時激光束中心的測值，計算出軸頸中心點在該測量斷面中心的位置，并將內部參考系坐標值換算成外部參考系坐標值。

由計算機自動計算出各個測量中間點橫向和縱向偏差值，直接輸出各點參數，數值和圖形直接顯示(如用于教學可連接一體機，數值和圖形直接顯示在平板液晶一體機屏幕上[8])，滿足數字化造船精度控制要求。圖7為圖像識別與數據采集處理軟件應用界面。

船舶軸系對中激光數顯系統摒棄落后的傳統工藝，使用高效、精確的定位檢測設備，能夠大幅減少不良對中帶來的不良震動，避免產生異常載荷使設備過早失效[9]，具有較好的經濟效益和應用前景，將運用于船舶類院校的實踐教學及對船廠職工的培訓中，有著很強的實用性和市場開發前景。該對中激光數顯系統已成功應用于威海職業學院船舶軸系對中實訓教學中，并多次對威海地區船舶企業員工進行培訓，效果良好。

圖7 圖像識別與數據采集處理軟件應用界面

[1] 王禮卿. 船舶軸系對中探討[J].機電技術，2008，31(3):66-69.

[2] 孫樹德. 船舶軸系校中狀態及軸心軌跡的研究[D].大連：大連海事大學，2010.

[3] 周中亮,周冰,何永強,等. 成像型激光探測系統中光斑精確定位方法研究[J]. 激光技術,2008(3):248-251.

[4] 劉鵬,高立民,樂開端. 應用于鐵軌平直度檢測的激光測量系統的研究[J]. 激光技術,2009(6):575-578.

[5] 王杰飛,劉潔瑜,趙晗,等. 一種改進的激光光斑中心亞像素定位方法[J]. 激光技術,2015(4):476-479.

[6] 王建政，張文平，曹貽鵬，等.船舶軸系校中工藝流程探究[J].船舶工程，2011，33(6)：77-79.

[7] 楊勇.船舶軸系校中技術研究[D].大連：大連理工大學，2005.

[8] 趙秀忠.船舶推進軸系安裝與校中的分析研究[D].濟南：山東大學，2013.

[9] 陳紹綱.輪機工程手冊[M].北京：人民交通出版社，1992.

Application of Ship’s Shafting Laser Positioning Display Technology on Shipbuilding

XIE Guifen1，2, ZHANG Feng1, LU Fenglian2

(1.Weihai Vocational College, Shipbuilding Department，Weihai 264200， Shandong, China; 2.Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning， China)

In order to improve ship shafting straightness and reduce the error of manual measurement when using laser method, methods of improving the shafting precision to simulate the ship's shafting,coordination and integration of laser collimator, digit light target,data acquisition and image recognition processing software are provided, and the high accuracy laser positioning system is formed.

ship shafting; positioning precision; digit system

山東省高等學?？萍加媱濏椖?編號：J10LD73)。

謝桂芬(1973-)，女，高級工程師，研究方向為船舶機械工程，輪機工程。

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