螺旋槳螺距三維激光測量技術應用

石 勇，邢維升，王俊翔，池洪鵬

（1. 海軍裝備部沈陽局駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116041；2. 大連遼南船廠，遼寧 大連 116041）

0 引言

螺旋槳為船舶航行提供推力，是船舶推進系統的關鍵設備。由于使用環境惡劣，在服役過程中需要定期對螺旋槳進行檢查和修理。為了保證螺旋槳的制造和修理質量，國家發布了國家標準GB/T 12916—2010《船用金屬螺旋槳技術條件》，對螺旋槳尺寸精度進行了規范，螺旋槳槳葉的螺距是其中最重要的指標之一。方便準確地測量螺旋槳槳葉螺距，對于控制螺旋槳質量具有重要意義。

目前，螺旋槳槳葉螺距一般是通過測量槳葉片測點相對槳軸位置坐標進行計算得到的，螺距規是常用的測量設備。螺距規采用極柱坐標，極柱固定在被測槳軸中心，通過旋轉來測量角度，并通過水平標尺和垂直標尺來測量水平距離和垂直距離。螺距規利用旋轉軸系、懸臂梁式橫臂和滑動架來支撐和移動測桿、測量頭對槳葉不同截面進行測量。該方法傳動機構復雜，配合精度要求高，制造難度大，而且使用一段時間后會因磨損引起測量誤差，所以對設備保養和校準工作要求較高。

作為總裝造船廠或修船廠，要建立滿足精度要求的螺距規測量系統[1-2]難度很大。目前通常返回原螺旋槳生產廠家進行螺距測量，費用較高，且周期較長，嚴重制約了現場修理工作。隨著三維激光測量技術的普及推廣，螺旋槳螺距三維激光測量技術成為可能[3-4]。本文利用全站儀進行螺旋槳槳葉坐標數據采集，通過三維坐標轉換得到螺距計算所需數據，并通過與傳統螺距規測量結果進行比較，驗證了該方法的有效性。

1 全站儀測量系統及相關要求

全站儀測量螺距的主要流程見圖1。

圖1 螺旋槳螺距測量流程圖

全站儀測量螺距的主要測量設備為1臺全站儀，全站儀測量精度要求應不大于1 in（1 in＝2.54 cm）；測量過程中，儀器水平度X和Y應調整至10 in以下，測量模式設置為斜平改正。操作人員須經過專業培訓，考試合格后方可上崗。

測量工作一般在室內進行，且測量場地寬敞干凈，無振動等不良因素干擾。應設置螺距測量平臺，平臺須牢固，測量施工范圍內的平臺水平度偏差應不大于3 mm。測量前，將全站儀和螺旋槳牢固地放置在平臺上，螺旋槳槳轂端面保持水平，槳轂端面的水平度偏差應不大于1 mm，測量過程中，螺旋槳及全站儀不允許發生位置變化。

為提高測量效率，可采用輔助角度和半徑劃線工具，在槳葉上粗劃出不同測量位置的半徑和角度線作為全站儀測量位置參考點。

2 螺旋槳各測量點坐標采集

2.1 全站儀架設與初始坐標系建立

將全站儀架設在被測槳的側上方，保證全站儀激光可以照射到被測槳的槳轂端面和槳葉。在平臺上選取2點建立基礎坐標系，形成沿直測量基準，2點位置應在螺旋槳的外側，其中1點設置在槳葉靠近全站儀的一側（與全站儀鏡頭距離應大于2 m），另1點設置在槳葉遠離全站儀的一側，保證2個點間的距離大于待測螺旋槳直徑。坐標系為直角坐標系，Z軸垂直向上。

2.2 槳轂端面圓心坐標獲取

采集槳轂內圓加工面與槳轂上端面交線處任意3點坐標擬合出槳轂端面圓心，3個測量點位置盡量在圓周上均勻分布，將槳轂端面圓心作為原點，建立柱坐標系，圓柱坐標系Z軸垂直向上，r取螺旋槳半徑方向。

2.3 槳葉各測量坐標采集

將反射靶片放置在由劃線工具事先劃出的參考點位置，利用全站儀采集各參考點坐標，利用坐標轉換方法將該點坐標轉換為以槳轂端面圓心為原點的柱坐標系下坐標，比較測點坐標與理論位置的偏差：當半徑距離偏差值不大于1 mm，且角度偏差不大于0.1°時（起始點僅考慮距離偏差），在全站儀中保存該點坐標數據，并用劃針在槳葉對應位置進行標記；此標記點為準確管理點位置，若超出偏差要求，則將反射靶片沿相應方向調整，并重新測量。在反射靶片調整過程中，為快速、準確找到管理點，應先調整水平夾角，再調整水平距離。

根據以上方法依次測量、修正每個槳葉不同比例半徑、不同角度處測量點坐標，保存有效測量數據，并在槳葉相應位置用劃針進行標記。測量過程見圖2。

圖2 全站儀螺旋槳螺距測量布置圖

3 數據坐標轉換方法

將全站儀測量數據導入“EcoBlock”數據分析軟件中，將基礎坐標系下各測點坐標P(x,y,z)轉化為以槳轂端面圓心為原點的坐標系下坐標(r,θ,Z)，見圖3。

圖3 數據坐標轉換幾何模型示意圖

基本原理如式（1）～式（3）：

式中：r1為螺旋槳某截面半徑；x0、y0和z0分別為槳轂端面圓心坐標；x1、y1和z1為螺旋槳截面上一點的坐標；θ水平為螺旋槳截面上2點p1、p2分別與槳轂中心連線間的水平夾角；P1P2水平為螺旋槳截面上兩點p1和p2距離在水平方向的投影。

利用余弦定理可得：

4 螺距計算方法

將全部測量點坐標轉換到以槳轂端面圓心為原點的坐標系后，計算兩測點間的水平角度θ水平和垂直坐標差值ΔZ，根據螺旋槳局部螺距Ps計算為

式中：Ps為螺旋槳截面上兩點的局部螺距；ΔZ為螺旋槳同一截面上兩點垂向坐標差值。

5 測量精度分析及驗證

為驗證螺距三維測量數據有效性，選取某船螺旋槳進行實際測量，并將三維激光（全站儀）螺距測量結果與螺距規測量結果進行對比。對其中一個槳葉在0.6r、0.7r、0.8r和0.9r位置處進行了測量，每個半徑處在弧長20%～90%處測量8個點，共測量32個點，選取典型測量位置包括不同半徑、不同角度的測量值列表，見表1。

表1 三維激光螺距測量結果與螺距規測量結果對比表

三維激光測量值與螺距規測量值最大差值為?0.16 mm，最小差值為0.01 mm，平均差值為0.012 mm，滿足GB/T 12916—2010《船用金屬螺旋槳技術條件》中“各種測量工具允許的最大誤差，不應超過被測螺旋槳幾何尺寸或被測量的公差的1/2，或者在尺寸測量時，大、中型螺旋槳不超過0.5 mm，小型螺旋槳不超過0.25 mm，兩者選用大值。”的測量工具精度要求。

6 結論

螺旋槳螺距三維激光測量方法的精度達到了與標準螺距規相當的水平，可以滿足船舶修理過程中各種定距螺旋槳、可調距螺旋槳的螺距測量要求。

螺旋槳螺距三維激光測量方法，測量裝置簡單，設備保養方便，經濟性好，但存在找點速度較慢的缺點，是后續研究改進的方向。