船舶數(shù)字化制造的測量技術(shù)創(chuàng)新

林嘉睿，郭 烽，齊 峰，張 饒，邾繼貴

(1.天津大學(xué) 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072; 2.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

近年來，隨著國家對船舶制造業(yè)的支持力度不斷加強(qiáng)，我國造船完工量、新接單量、手持訂單量三大指標(biāo)均居世界首位，已成為世界第一造船大國[1]。但是，由于整體技術(shù)水平的不足，我國造船行業(yè)相比于日韓等造船強(qiáng)國依然處于粗放型發(fā)展模式，效率利潤率較低，缺乏核心競爭力[1]。傳統(tǒng)的勞動、設(shè)備密集型制造模式急需向知識密集型進(jìn)行轉(zhuǎn)變[2-4]。隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展及與先進(jìn)制造技術(shù)的不斷深入融合，全球興起了以智能制造為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)變革，其中數(shù)字化船舶制造技術(shù)作為智能制造的關(guān)鍵一步指導(dǎo)著船舶行業(yè)制造模式的發(fā)展[5-10]。數(shù)字化造船技術(shù)是在數(shù)字化技術(shù)與船舶制造技術(shù)融合的背景下，實現(xiàn)對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行數(shù)字化描述、分析、決策和控制，從而達(dá)到均衡、高效、科學(xué)生產(chǎn)的目的，使得船舶制造企業(yè)得到最大的經(jīng)濟(jì)效益[8]。數(shù)字化造船技術(shù)體現(xiàn)在船舶制造工業(yè)的加工、焊接、裝配等多個環(huán)節(jié)，能夠有效地提高生產(chǎn)效率和自動化水平，同時保證了整個工程的精度與可靠性[10]。

先進(jìn)測量技術(shù)作為數(shù)字化制造模式各種信息獲取的支撐技術(shù)[11-13]，伴隨著數(shù)字化造船技術(shù)的不斷發(fā)展與造船模式的改變，其中的精度控制已經(jīng)成為船舶制造領(lǐng)域“區(qū)域化造船”、“殼舾涂一體化”等造船新模式的核心理念[11]，對貫穿于整個造船工藝流程的測量技術(shù)，尤其是能實現(xiàn)大量程、高精度、高效率的大尺寸精密測量技術(shù)提出了迫切需求。精度控制以無余量為核心，通過先進(jìn)工藝技術(shù)和科學(xué)管理，對船舶制造全過程進(jìn)行分析和控制，最大限度減少現(xiàn)場修整工作量，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量[11-13]。目前，由于測量技術(shù)水平落后，我國傳統(tǒng)造船業(yè)在精度控制方面存在著檢測效率低、測量高度依賴人工且無法實現(xiàn)多部門高效數(shù)據(jù)共享、分段船體合攏過程無法動態(tài)監(jiān)控等問題[12-13]。

由于現(xiàn)代船舶制造多采用“巨型總段建造”工藝，使得船舶制造涉及到的空間尺度涵蓋十幾米甚至上百米的空間范圍，是介于傳統(tǒng)精密測量和一般工程測量的尺寸范圍。該尺度上傳統(tǒng)精密測量技術(shù)的量程、應(yīng)用條件、相對精度無法滿足要求；而一般工程測量的絕對精度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)制造所要求的精度水平。實現(xiàn)同時兼顧工程測量的大尺寸與傳統(tǒng)精密測量的高精度是亟待解決的關(guān)鍵難題，這就對大尺寸測量提出了新的要求與挑戰(zhàn)[14-17]。以全站儀為代表的傳統(tǒng)測量儀器由于無法實現(xiàn)并行多任務(wù)測量，測量效率問題日益凸顯。為了實現(xiàn)船舶制造模式轉(zhuǎn)型，提高生產(chǎn)效率，必須推進(jìn)高效率數(shù)字化測量方法。

室內(nèi)空間測量定位系統(tǒng)由于其可拓展性與多任務(wù)并行測量特性，能夠克服大尺度與高精度之間的矛盾，契合數(shù)字化船舶制造對于測量的需求。近年來，天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室研制出了室內(nèi)空間測量定位系統(tǒng)（workshop measurement positioning system，wMPS），提出了一種基于三維測量場的整體結(jié)構(gòu)化測量思路，已在一些裝備制造及裝配領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用[17-19]，并結(jié)合造船工藝在分段制造和整體船塢測量方面開展應(yīng)用研究。

本文主要介紹以wMPS為代表的分布式測量手段、整體結(jié)構(gòu)化測量方法及其關(guān)鍵技術(shù)，尤其針對船舶制造復(fù)雜現(xiàn)場遇到的遮擋、擾動問題，提出并研究了包括布局優(yōu)化、快速組網(wǎng)、自適應(yīng)測量以及擾動預(yù)警補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)測量方法、技術(shù)，為該新興網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)在船舶數(shù)字化制造打下應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 船舶制造測量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

1.1 我國船舶制造業(yè)測量技術(shù)現(xiàn)狀

切割、加工、焊接和船體裝配是船舶制造中的主要流程，對中間部件加工的精度控制和對各部件裝配過程進(jìn)行整體在線監(jiān)控是保證最終船舶制造質(zhì)量可靠的前提[11-12]。

現(xiàn)階段船廠多采用圖1所示的測量儀器與技術(shù)。例如運用尺子、樣板樣箱、水準(zhǔn)儀等測量儀器對關(guān)鍵中間部件進(jìn)行一、二維測量；利用全站儀完成各部件裝配過程中的特征點三維測量任務(wù)[9-12]。

圖1 現(xiàn)階段船舶制造業(yè)測量手段

以船舶曲形鋼板制造工藝為例，現(xiàn)有測量手段通過測量樣板、樣箱與待測曲面貼合間隙來間接測量曲形鋼板的形狀是否符合生產(chǎn)要求。該方法并不能給出待測物體詳細(xì)的數(shù)字化參數(shù)與三維模型，也就無法很好地將數(shù)據(jù)反饋給設(shè)計制造部門來指導(dǎo)修正相關(guān)工序提升生產(chǎn)精度。傳統(tǒng)測量工具如尺、吊錘、水準(zhǔn)儀等的測量由于大量依賴人工精度難以保證，僅能測量二維信息，無法與三維設(shè)計圖紙有效統(tǒng)一，更無法將測量結(jié)果在各部門間有效實時共享[12]，不能滿足數(shù)字化制造要求。作為現(xiàn)階段船舶制造大尺寸測量的主要儀器[12-13]，全站儀設(shè)站方便和靈活，量程較遠(yuǎn)，精度在毫米級別。但隨著船舶數(shù)字化制造逐步推進(jìn)，以全站儀為代表的傳統(tǒng)單站式測量系統(tǒng)的局限性逐漸顯露：首先，其設(shè)備功能只能覆蓋自身測量空間，在大型復(fù)雜船舶制造現(xiàn)場，需依靠頻繁轉(zhuǎn)站來解決視線遮擋問題，效率較低且易累積轉(zhuǎn)站誤差，無法解決大量程與高精度之間的矛盾[15-17]；其次，這種單站極坐標(biāo)測量系統(tǒng)只能實施單目標(biāo)測量，不能滿足并行多任務(wù)測量的需要，在動態(tài)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用上明顯受限。

1.2 整體結(jié)構(gòu)化測量思路

wMPS借鑒全球定位系統(tǒng)（GPS）概念，將并行傳感測量定位方法引入到工作空間范圍。如圖2所示，wMPS以精密旋轉(zhuǎn)結(jié)合多激光掃描，構(gòu)建覆蓋全周立體空間測量場。系統(tǒng)的發(fā)射基站發(fā)射兩束旋轉(zhuǎn)掃描激光和一束同步脈沖激光形成傳感覆蓋信息。遠(yuǎn)端接收器根據(jù)基站光電脈沖間隔與轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系識別信號來源，并通過同步光-掃描光相位關(guān)系計算基站掃描旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)單站角度變換及多角度交會定位以完成空間三維坐標(biāo)測量[18-22]，是一種高精度、高效率的多任務(wù)自動化測量系統(tǒng)，近幾年成功地在航天、航空等工業(yè)測量定位領(lǐng)域中實現(xiàn)應(yīng)用。

圖2 wMPS測量示意圖

wMPS主要包括發(fā)射站、接收器、信號處理器以及配套測量附件，其測量原理如圖3所示。

圖3 wMPS測量原理

以wMPS為典型的分布式測量系統(tǒng)能夠突破單站設(shè)備功能局限，構(gòu)建出一種多站立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多觀測量融合、可并行多任務(wù)的大空間整體測量定位新方法，能很好滿足上述船舶數(shù)字化制造對測量的要求，逐步形成了多站分布式的整體結(jié)構(gòu)化測量新思路，即利用測量單元以網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，在不損失精度前提下覆蓋更大的測量空間[15-19,21-22]。另外，整體結(jié)構(gòu)化測量模式通過多觀測量交會，在擴(kuò)展量程的同時還可依靠高精度幾何約束、冗余測量平差方法來提高測量精度[22-24]。

在船舶數(shù)字化制造過程中，測量任務(wù)主要包括關(guān)鍵點檢測、超差檢測、分段對接、總段對接[12]。以船臺對接裝配為例，如圖4所示，船臺合攏是船舶制造環(huán)節(jié)中耗時最長，也對船舶整體質(zhì)量有重要影響的環(huán)節(jié)，由于采用分段制造的手段（分段裝配、焊接變形），所以各部件尺寸偏差較大，需要在合攏時在船臺上做進(jìn)一步的調(diào)整。利用室內(nèi)空間測量定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)對船臺下分段的快速多點動態(tài)跟蹤測量，通過大量高精度測量數(shù)據(jù)對各部件進(jìn)行快速精確調(diào)整，控制和掌握各部件的尺寸精度，大大提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了裝配工作的自動化和數(shù)字化[8]。

2 整體結(jié)構(gòu)化測量場關(guān)鍵技術(shù)研究

整體結(jié)構(gòu)化三維測量場在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用不斷發(fā)展與完善[18-21]，針對現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境和條件，衍生出了一些關(guān)鍵技術(shù)研究，旨在提高測量精度與使用效率，優(yōu)化整體性能。

圖4 船臺合攏示意圖

2.1 測量系統(tǒng)布局設(shè)計

在船舶制造現(xiàn)場，分布式系統(tǒng)中的發(fā)射站空間構(gòu)型影響著整體測量精度，不同于單站式點對點覆蓋方式，wMPS發(fā)射站的有效測量區(qū)域取決于旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射、接收范圍[20-21]。如圖5所示，發(fā)射站測量時的有效范圍是一個固定角度旋轉(zhuǎn)發(fā)散區(qū)域，從而在上下形成一個圓錐形掃描盲區(qū)，需要通過合理布站，覆蓋盡量多的待測區(qū)域。根據(jù)發(fā)射站和接收器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及交會系統(tǒng)誤差特性，進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值仿真即可對測量方案進(jìn)行評估，并在現(xiàn)場調(diào)整發(fā)射站布置，減小因空間構(gòu)型引起的測量誤差[25-27]。

圖5 wMPS發(fā)射站的測量區(qū)域

在布局設(shè)計方案中，以測量精度、覆蓋范圍、儀器成本為主要考慮因素建立評價函數(shù)，通過數(shù)值仿真分析現(xiàn)場測量誤差，如圖6所示。

圖6 測量場布局與誤差仿真

2.2 復(fù)雜空間的快速組網(wǎng)技術(shù)

大型船舶制造工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，隨著制造裝配任務(wù)的進(jìn)行，往往會出現(xiàn)不同程度的遮擋情況。測量場可采用固定發(fā)射站、移動發(fā)射站配合使用的方案來解決制造過程中的遮擋問題。其中，固定發(fā)射站覆蓋主要測量區(qū)域，移動發(fā)射站用于配合填補(bǔ)固定發(fā)射站受限或者遮擋的測量區(qū)域。此時，移動發(fā)射站處于臨時組網(wǎng)狀態(tài)，周圍空間受限，傳統(tǒng)的基準(zhǔn)長度標(biāo)定方法便無法完成自動定向[28-30]。

為解決移動發(fā)射站的快速定向組網(wǎng)問題，借鑒工程測量領(lǐng)域的后方交會思想[31]，研究了發(fā)射站后方交會定向方法[32]。如圖7所示，該方法通過激光跟蹤儀/全站儀構(gòu)建與現(xiàn)場環(huán)境和制造流程無縫集成的高精度外部三維控制約束，將移動發(fā)射站快速的匹配至整體測量場，完成網(wǎng)絡(luò)的快速重構(gòu)。同時還可通過測量場與坐標(biāo)場約束的不同配置，優(yōu)化組網(wǎng)定向參數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線差分補(bǔ)償，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。

圖7 wMPS網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

2.3 自適應(yīng)測量技術(shù)

在環(huán)境復(fù)雜惡劣的測量現(xiàn)場，“巨型分段、總段制造技術(shù)”使得待測工件體積巨大，同時由于待測部件之間互相遮擋很難具有理想交會條件，再加上可允許布局的空間比較狹小，給實際測量帶來了極大的不便。

為了解決上述問題，將光電掃描角度測量技術(shù)與空間后方交會理念相結(jié)合，研究了一種基于多接收器測量靶的自適應(yīng)測量方法[33]。多接收器測量靶上設(shè)置不少于6個接收器，各個接收器以及接觸式測頭通過激光跟蹤儀提前進(jìn)行標(biāo)定。測量時，通過測量靶接收器足夠多的光平面約束方程，結(jié)合已知的接收器相對幾何關(guān)系，解算出測量靶到發(fā)射站之間的位姿關(guān)系，獲得測靶接觸式測頭所處三維坐標(biāo)，實現(xiàn)了發(fā)射站的單站適應(yīng)性測量，如圖8所示。

以此為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展，當(dāng)接收器所接收到光信號不僅來自同一個站時，通過已知的各個發(fā)射站坐標(biāo)系之間位姿關(guān)系，可以將不同發(fā)射站所發(fā)射的光平面轉(zhuǎn)換到一個坐標(biāo)系下，實現(xiàn)“偽交會”測量。當(dāng)光平面數(shù)量超過待求參數(shù)數(shù)量時，即可通過對超定方程組的解算得到測量靶與儀器間的位姿關(guān)系[33-34]。通過以上方法實現(xiàn)了單站測量、多站交會測量和“偽交會”測量等自適應(yīng)測量方式，并在軟件上進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一，有效解決測量遮擋問題，提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的適用性[34]。

圖8 單站適應(yīng)性測量原理

2.4 整體測量網(wǎng)姿態(tài)監(jiān)控與補(bǔ)償

測量過程中穩(wěn)定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是高精度測量的重要保障。大型船舶制造現(xiàn)場環(huán)境惡劣且存在大量振動源（高負(fù)載吊車和大型電機(jī)等），容易導(dǎo)致發(fā)射站相對姿態(tài)發(fā)生變化，長期蠕變對精度將造成較大影響。針對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下長期穩(wěn)定測量的問題，通過基準(zhǔn)量對測量系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測與補(bǔ)償是比較有效的方式，例如利用空間中基準(zhǔn)參考點或者補(bǔ)償測量元件等。

圖9所示的是一種基于傾角傳感器的發(fā)射站自補(bǔ)償方案[35-36]。精確標(biāo)定發(fā)射站坐標(biāo)系與剛性連接的雙軸傾角傳感器坐標(biāo)系之間的關(guān)系，通過實時傾角傳感量，對發(fā)射站姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)姿態(tài)改變較大時，需要對發(fā)射站重新標(biāo)定；當(dāng)姿態(tài)變動較小時，對位姿進(jìn)行在線補(bǔ)償來維持測量的準(zhǔn)確。

圖9 基于傾角傳感器的新型發(fā)射站結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

以wMPS為基礎(chǔ)的整體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)測量方法，已經(jīng)成為當(dāng)前船舶數(shù)字化制造的有效精度控制方法。本文在分析了現(xiàn)階段船舶制造測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了新興分布式網(wǎng)絡(luò)化測量系統(tǒng)wMPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)理，闡述了整體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)測量新思路及其關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了該方法在船舶數(shù)字化制造中的一系列測量技術(shù)創(chuàng)新與解決方案。