一種船舶型值測(cè)量方案及精度研究

劉建全

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

對(duì)船舶設(shè)計(jì)而言，出于成本和效率的原因，目前多采用母型船改造的設(shè)計(jì)方法，母型船法設(shè)計(jì)需要翔實(shí)的母型船數(shù)據(jù)以供參考，但有時(shí)沒有現(xiàn)成的母型船型線數(shù)據(jù)時(shí)就需要通過測(cè)量得到。同樣在船舶建造階段，無論是船舶構(gòu)件加工或分段裝配等工序，都需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的船舶測(cè)量以有效控制加工、裝配精度和工程質(zhì)量，因此對(duì)于船舶測(cè)量方案的研究是很有意義的。

本文介紹一種船舶型線測(cè)量方案，給出測(cè)量原理，探討測(cè)量方案的精度設(shè)計(jì)方法，提出保證測(cè)量精度的措施，可用于船舶設(shè)計(jì)中母船的測(cè)量或船舶建造中的精度控制。

1 測(cè)量方案的設(shè)計(jì)

確定船舶的型線特征，只要測(cè)得船舶各站站線上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，經(jīng)后期的數(shù)據(jù)處理就可以得到光順的船舶型線，并得到船舶型值。測(cè)量方案需要結(jié)合測(cè)量對(duì)象、儀器設(shè)備、精度要求等實(shí)際情況進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。本文介紹的船舶測(cè)量方案使用光學(xué)經(jīng)緯儀及其配套設(shè)備，并采用測(cè)角法原理。

對(duì)實(shí)船進(jìn)行實(shí)施測(cè)量時(shí)需要作一些準(zhǔn)備工作，標(biāo)記船體各站線上的特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)須能夠反映船體的型線特征。

如圖1所示，圖中D 點(diǎn)為船體站線上的待測(cè)點(diǎn)，在船體外圍水平地面上選定兩點(diǎn)A、B作為放置測(cè)量?jī)x器的置鏡點(diǎn)，以直線AB 的方向?yàn)閄 軸向建立三維直角坐標(biāo)系，其中A 點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，AB水平距離作為三角測(cè)量的基線，該水平距離需要保證一定的精度。

將儀器放置于A點(diǎn)，測(cè)出水平角夾α、豎直角γ，再將儀器放置于B點(diǎn)，測(cè)出水平夾角β、豎直角θ，

所以

則待測(cè)點(diǎn)D 的三個(gè)坐標(biāo)分別為

圖1 測(cè)量原理示意圖

2 測(cè)量方案的精度分析

為估計(jì)測(cè)量誤差，以誤差傳播理論為依據(jù)對(duì)該測(cè)量方案進(jìn)行精度評(píng)估。

2.1 誤差傳播定律

測(cè)量精度可以用中誤差來衡量。

設(shè)存在函數(shù)關(guān)系Y=f（x1，x2，……，xn），其中x1，x2，……，xn可以通過測(cè)量得到，中誤差分別為m1，m2，……，mn，由誤差傳播定律，利用函數(shù)關(guān)系求間接量Y時(shí)的中誤差M 滿足一下關(guān)系式

2.2 型值測(cè)量結(jié)果的精度評(píng)估

測(cè)量出的船體型值實(shí)為測(cè)量點(diǎn)D 的三維坐標(biāo)，但應(yīng)注意測(cè)量結(jié)果包含船殼板的厚度。船體型值的測(cè)量精度與量距精度及各種角度的測(cè)量精度都有關(guān)系。

設(shè)AB 的測(cè)距中誤差為m1，水平角α、β及豎直角γ、θ的測(cè)角中誤差為m2，這些中誤差都可以用提高儀器精度和增加測(cè)量次數(shù)等方法來提高。按誤差傳播理論，考慮各量之間的幾何關(guān)系，間接測(cè)量距離AC的中誤差應(yīng)為

同理，按公式（1）～（6）間接測(cè)量D 點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，坐標(biāo)XD 的中誤差為

坐標(biāo)YD 的中誤差為

坐標(biāo)ZD 的中誤差為

3 提高測(cè)量精度的措施

提高測(cè)角精度。使用精度足夠的經(jīng)緯儀，采取盤左、盤右讀數(shù)取中數(shù)等方法，盡量消除儀器誤差的影響。盡量減小觀測(cè)誤差，儀器應(yīng)嚴(yán)格對(duì)中、整平，并按照精度要求確定測(cè)回?cái)?shù)。

必須考慮船身不正的影響。在標(biāo)記測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)保證測(cè)點(diǎn)的位置合理、規(guī)范；應(yīng)測(cè)出船舶的傾斜數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)后處理時(shí)先進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換以消除船身不正的影響，然后才可以用AutoCAD 進(jìn)行船體橫剖線及光順處理。

4 結(jié) 語

采用光學(xué)經(jīng)緯儀可以對(duì)船舶進(jìn)行一定精度的測(cè)量，并根據(jù)精度要求設(shè)計(jì)測(cè)量方案，確定測(cè)回次數(shù)。由于測(cè)距的不方便，采用光學(xué)經(jīng)緯儀測(cè)量大型船舶型值時(shí)更適合采用測(cè)角法。型線變化劇烈處，局部細(xì)節(jié)的測(cè)點(diǎn)需要加密，否則精度不易保證，可以考慮輔助其他測(cè)量方法提高精度。光學(xué)經(jīng)緯儀的型值測(cè)量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行后處理，從整體上能保證型線的光順性為原則，剔除測(cè)得不好的壞點(diǎn)，這樣的測(cè)量結(jié)果在計(jì)算船舶排水量時(shí)精度是足夠的。后處理可以用autocad繪制樣條曲線的功能，繪制出船舶的三維圖形后，通過插值得到標(biāo)準(zhǔn)的型值。

1 趙蘇政.3D激光測(cè)量技術(shù)用于船舶制造精度的分析研究［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（3）：16-19

2 王勇.船體建造精度測(cè)量DACS系統(tǒng)探析［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（3）：32-34

3 許立新.艏艉立體分段技術(shù)控制及三維測(cè)量技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.造船技術(shù)，2011（5）：26-27

4 黃若波.基于全站儀和船舶3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)的三維精度測(cè)量技術(shù)研究［J］.造船技術(shù)，2011（4）：14-16

5 岡積滿（日）.測(cè)量誤差計(jì)算［J］.人民鐵道出版社，1975

6 胡林.空間復(fù)雜曲面逆向工程的理論及實(shí)踐研究［D］.陜西科技大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2007