船體曲形外板成形加工的無模檢驗方法分析

◎ 馬本德 胡文 南昌市交通運輸綜合行政執法支隊

新階段，船舶制造業已基本實現流水化加工，曲板外形較為特殊，需要對其進行成形檢驗，而現有檢驗方法存在周期長和效率低等問題，由此可見，以既有信息技術為基礎，對船體曲板檢驗設備與方法進行研發勢在必行，此舉能夠有效提高檢驗的速度，推動船舶制造業朝著數字化、綠色化的方向快速前進。本文所研究課題的現實意義不言而喻。

1.船體曲形外板檢驗技術與要求

1.1 質量標準

近幾年，曲板常規檢驗技術自動化水平低、材耗量大以及對檢驗人員能力要求較高等不足逐漸顯露出來，現已無法滿足造船行業所提出的要求。在此背景下，無模檢驗應運而生，該方法強調以GPS定位原理為基礎，利用超聲波、電磁波完成檢驗工作。事實證明，該方法可有效彌補傳統方法的不足，在保證檢驗結果準確的前提下，使檢驗速度得到大幅提升。在使用該方法開展檢驗工作前，先要了解有關部門針對船體曲板所制定質量標準，具體見表1。

表1 船體曲板允許偏差

1.2 檢驗技術

近幾年，國內光電傳感、信息技術快速發展，曲面檢驗技術也因此而展現出了高效、多元化和數字化的特征，多所高校均加入研發全新檢驗技術的陣營，并且取得了相應的成果，例如，通過雙目傳感器對曲面進行無損檢測，根據圖像灰度建立模型并完成檢驗，使用激光束跟蹤掃描曲面等[1]。根據曲面和檢驗探頭的位置關系，可以將現有檢驗技術分成兩類，分別是非接觸檢驗、接觸檢驗，若以檢驗原理為依據，則能夠將檢驗技術劃分成斷層掃描、激光三角、電磁波測距等幾大類，其中，超聲波/電磁波測距的使用頻率相對較高，本文主要圍繞該項技術展開討論，以供參考。

1.3 注意事項

檢驗船體曲形外板前，還要了解以下內容：首先，檢驗控制線不僅是指曲板接縫線、肋骨型線，還包括水平檢驗線及高度檢驗線。其次，檢驗人員應保證肋骨線形狀和肋骨型線圖完全一致，曲面、曲線光順，肋骨型線所處位置與曲板橫向、縱向關系相符。最后，如果項目未提出采取無模檢驗法的要求，可以參考理論曲度、相關質量標準對曲面進行檢驗，若參數誤差沒有超出允許范圍，則代表其質量合格，這樣做能夠有效減少檢驗人員的工作量，使檢驗效率得到大幅提高。

2.船體曲板無模檢驗系統設計

有關人員可以根據曲板檢驗的注意事項，確定無模檢驗的側重點，盡快設計檢驗系統，確保該方法的優點可在曲板檢驗工作中得到充分發揮。

2.1 設計要求

檢驗系統應滿足以下要求：一是檢驗精度達標，檢驗工具、方法給檢驗結果所造成影響較小。二是可以快速確定端縫線、縱縫線、肋骨型線對應測點詳細坐標。三是符合GPS定位原理，通過接收器對電磁波、超聲波進行接收，測距結束后，盡快確定空間坐標。四是可提供處理波信號、記錄還有存儲相關數據的功能服務。五是便攜，不會被曲板位置所影響，檢驗速度和準確性良好。

2.2 設計方案

系統由定位測量筆、接收信號的裝置、處理數據的裝置組成。其中，定位測量筆主要負責發射兩種波，對曲板測點進行定位并加以測量。檢驗人員應以曲板狀態為依據，調整圓水準器、激光對點器，降低曲板狀態對設備的影響。在檢驗指定船體曲板時，應固定設備形狀，以免由于被測點、發射器向量方向不同，影響檢驗結果，具體做法如下：先將設備垂直于曲板，調整圓水準器、對點器和發射器，確保三者中點完全重合，隨后，調平圓水準器，根據被測點、發射器向量方向確定鉛垂線朝向[2]。事實證明，這樣做能夠減少需要控制的自由度數量，檢驗難度自然有所降低。接收信號的裝置強調以GPS定位原理為依據，在定位測量筆的輔助下，經由接收器對波信號進行接收，由此達到確定各測點位置、測距的目的。考慮到該裝置需要同步接收兩種不同的波信號，且兩種波信號的接收方式有所不同，因此，應對既有裝置結構進行優化，將其拆分成兩部分，各部分均能夠獨立運行，并分別對兩種波信號加以接收。處理數據的裝置主要負責對波信號加以轉換，根據轉換所得到數據信息確定接收器、被測點距離，在開展空間定位的同時進行誤差分析，由此完成評估曲板質量的工作。另外，在實際工作中，工作人員可以將該裝置和電腦相連接，借助其他設備對數據信息做出更進一步的分析。

3.船體外板無模檢驗原理及方法

3.1 測量原理

一般情況下，均可以使用超聲波、電磁波對兩點之間的距離進行測量，即以發射、回波時間為依據，根據時長計算距離。為保證無模檢驗結果準確，決定同時使用兩種波展開測距，這樣做的優點是無需考慮波傳送數據、反射數據，能夠有效消除入射角存在偏差、回波檢測時效性差給測量精度所造成的影響。除此之外，通過一臺裝置接收不同波，還能夠提高采集數據的速度，同時規避時鐘差效應對檢測結果的影響。為進一步提升結果準確性，有關人員還在處理數據的裝置內部新增了誤差補償模塊，該模塊的核心功能是以外界環境所發生的變化為依據，快速調整波速及其他量值，盡量消除定位誤差，使系統精度達到理想水平。

圖1為無模檢驗原理。結合圖1可知，無模檢驗流程為：首先，由定位測量筆負責發出超聲波、電磁波，將接收電磁波的時間設為t1，處理裝置在接收電磁波的同時開始計時，將接收超聲波的時間設為t2，順利接收超聲波后，裝置終止計時，根據t1、t2值計算時間差。由此可推導出以下方程組：

圖1 無模檢驗原理圖

該方程組中，C 代表電磁波速度。S代表接收點、實測點距離。V代表超聲波速度。t? 代表信號接收時間差。有關人員可以通過該方程組，對接收點、實測點距離加以確定，計算公式為：

3.2 定位原理

以GP S定位法、定位原理為依據，對實測點坐標加以確定。原理如下：分別在坐標系原點、x、t、z軸設置接收點，保證接收點和原點距離與設備尺寸相同[3]。隨后，指定任一實測點，對該點和接收點的距離進行測量，再通過以下方程組確定該點空間坐標：

上述方程組中，x、y、z對應實測點坐標，d、d1、d2、d3對應接收點和實測點的距離，L對應原點和接收點的距離（即設備尺寸）。

3.3 無模檢驗

無模檢驗方法如下：第一步，由工作人員手持定位測量筆，將其放置在檢測點上方，并保證二者互相垂直。第二步，調平長水準管，通過長水準管發射測量所需超聲波、電磁波。第三步，超聲波、電磁波到達對應位置并被接收后，由接收設備對其加以識別，再使用處理信號數據的設備對接收不同信號的具體時間加以記錄。第四步，計算接收點和實測點之間的實際距離，最終確定實測點對應坐標。這里要注意一點，雖然實測點、檢驗點所處水平面的高度并不相同，但根據二者位置關系所繪制曲線仍然具有應有的功能，因此，除特殊情況外，均不需要平移變換坐標，只需利用實測點對檢驗點坐標加以表示即可。待檢測工作告一段落，計算各點坐標并對數據進行分析，得出最終結論。

3.4 處理數據

分析數據前，先要轉換空間坐標，確保理論數據、檢驗數據具有一致性，隨后，在相同坐標系內放入理論數據、檢驗數據，通過誤差分析的方式，對不同檢驗點對應誤差修正值加以確定。正常情況下，檢驗點誤差為：

上述表達式中，a1、a2、a3是檢驗點實際坐標，A1、A2、A3是檢驗點理論坐標，該點對應修正值可以用??x、??y以及??z加以表示。對總修正值進行計算的公式如下：

將允許范圍內曲板各點偏差極值設為σ，隨后，便可以根據σ和?d的大小關系，對該點精度是否達標加以判斷。上述工作結束后，再通過編程的方式，自動分析并處理各項數據，其中，自動處理所使用算法應新增系數E，作用主要是判斷轉換所獲得坐標和理論坐標之間存在的關系，以免由于轉角轉向存在偏差，導致分析結果錯誤，進而使無模檢驗所具有準確性受到影響，鑒于此，在確定E取值時，應對多方因素加以考慮。

4.研究結論及未來展望

4.1 研究結論

實驗證實，無模檢驗具有精度理想、設備便攜等優點，不僅可以對數控彎板機進行檢驗，還可以對其他船體曲板進行檢驗，在提高檢驗效率、推動造船行業數字化發展等方面均發揮著極為重要的作用。但也需要了解一點，即：該方法同樣存在較為明顯的不足，例如，處理實測點的步驟相對繁瑣，現有系統功能并不完善等，有關人員應對此引起重視[4]。

4.2 未來展望

未來，研發人員應當將工作重心落在以下三個方面：首先是改進既有檢驗電路，同時升級誤差補償相關電路，使檢測精度最大程度接近理想水平。其次是根據信號處理裝置內部結構和運行需求，酌情增設獨立芯片并開發相應軟件，通過擴充算法框架的方式，使裝置分析以及處理數據的能力得到大幅提升。最后是制作系統構件，根據實踐效果優化構件，為該方法的大范圍推廣提供先決條件。

5.結束語

綜上，本文主要分析了船體外板的檢測技術方法，重點做好曲線外板質量檢驗。在實際研究中，以曲板檢驗技術要求作為研究出發點，明確具體的質量標準、檢驗技術種類與相關注意事項，為確保無模檢驗方法得到落實，有關人員設計了檢驗系統，并做好曲板結構的測量定位，合理使用自動化分析與處理技術，獲取檢驗數據，同時對檢驗流程進行嚴格控制，由此提升檢驗結果準確性。研究最終取得了顯著成果，不僅能夠提高檢驗工作效率，而且為無模檢驗技術的推廣奠定良好基礎。