六點(diǎn)定位原理在船舶分段定位中的應(yīng)用

陳健恒 孫德一

摘 要：本文結(jié)合船舶分段類型及定位特點(diǎn)，按照六點(diǎn)定位理論依次定位面、線、點(diǎn)快速約束立體剛體空間自由度的思路，闡述船舶分段的數(shù)據(jù)處理方法、分段定位流程以及精度控制要領(lǐng)，旨在通過合理運(yùn)用六點(diǎn)定位理論，完善定位工藝，提高分段定位的效率。

關(guān)鍵詞：六點(diǎn)定位 三基面 船舶分段

1.前言

眾所周知，公差與配合是機(jī)械制造中的一項(xiàng)重要技術(shù)，而船舶分段快速定位也一直是船廠提升效率、縮短吊裝周期的重要課題。船舶分段一般長(zhǎng)則十幾米，重則幾百噸，合攏時(shí)需要定位至幾毫米的公差范圍以內(nèi)，難度非常大。目前船舶分段定位技術(shù)相對(duì)成熟，但在效率方面還有更大提升空間。本文結(jié)合廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造中的六點(diǎn)定位原理闡述船舶分段定位的優(yōu)先原則，從而減少無效作業(yè)，實(shí)現(xiàn)快速搭載。

2.六點(diǎn)定位原理

分段為立體剛體，在空間直角坐標(biāo)系中，有六個(gè)自由度，分別為X、Y、Z軸方向的移動(dòng)，繞X、Y、Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，定位即限制自由度。六點(diǎn)定位理論提出用六個(gè)合理分布的支承點(diǎn)即可限制該六個(gè)自由度。船舶分段定位同樣運(yùn)用三基面體系，原理相同，手段卻稍有區(qū)別。定位一般采用測(cè)量控制局部點(diǎn)線面坐標(biāo)數(shù)據(jù)來約束自由度，具體用圖示說明（見圖1）：K1、K2、K3三個(gè)點(diǎn)確定主定位面A，限制X、Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度和Z方向的移動(dòng)自由度； K4、K5兩個(gè)點(diǎn)確定定位線B，限制Y方向的移動(dòng)自由度和Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度； K6點(diǎn)確定定位點(diǎn)C，限制X方向的移動(dòng)自由度。

目前分段普遍采用全站儀進(jìn)行測(cè)量定位，理論上，確定不在一條直線上的三個(gè)點(diǎn)即可確定立體狀態(tài)。理論上可行，但實(shí)際上分段存在變形及建造偏差，僅僅以三個(gè)點(diǎn)來定位將會(huì)有較大誤差。傳統(tǒng)的三基面（中線面、基線面、中站面）定位采取“過定位”的方式，且對(duì)定位基面的主次順序未做明確要求。這就需要經(jīng)驗(yàn)豐富的定位人員進(jìn)行判斷，避免以短定長(zhǎng)，反復(fù)調(diào)整等問題。

六點(diǎn)定位遵循依次約束面、線、點(diǎn)的思路，最簡(jiǎn)單有效地限制自由度，有利于快速定位。至于如何合理分配公差，則可在六點(diǎn)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充相應(yīng)校核點(diǎn)，局部微調(diào)分段位置。

3.數(shù)據(jù)處理方法

全站儀對(duì)分段進(jìn)行全方位三維測(cè)量后，其數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，與理論數(shù)據(jù)模型進(jìn)行匹配擬合，用于分析分段精度狀況和模擬搭載。這就涉及到如何選取基準(zhǔn)匹配的問題，完全可遵循六點(diǎn)定位原理進(jìn)行處理。

船體設(shè)計(jì)建模已建立坐標(biāo)系，其中X軸正向指向船艏，Y軸正向指向左舷，Z軸正向指向平臺(tái)往上，坐標(biāo)原點(diǎn)在FR0與船體中心線及基線的交點(diǎn)。

分段從設(shè)計(jì)、制作、合攏、檢驗(yàn)，全部遵循該坐標(biāo)系，并體現(xiàn)在分段基準(zhǔn)線上，即船體中心線（縱剖線）、肋檢線、水線。數(shù)據(jù)處理選取的基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)盡量相同，便于現(xiàn)場(chǎng)操作。

水平基準(zhǔn)（即面基準(zhǔn)）：一般首先用三個(gè)點(diǎn)來調(diào)平分段的整體狀態(tài)，這三個(gè)點(diǎn)就是水平基準(zhǔn)點(diǎn)。

角尺基準(zhǔn)（即定向基準(zhǔn)）：一個(gè)分段的水平基準(zhǔn)確定后，即限制了X、Y兩個(gè)軸向上的旋轉(zhuǎn)，但要約束在Z軸的旋轉(zhuǎn)還須至少在XOY面確定一條線的方向，而這條線一般取分段上的縱橫基準(zhǔn)線（即肋檢線或中心線、縱剖線）。

角尺基準(zhǔn)主要應(yīng)參照該分段的三線基準(zhǔn)，其次可參照大板的板邊平齊度，二者結(jié)合定向。

“0”基準(zhǔn)：一個(gè)分段的水平基準(zhǔn)和角尺基準(zhǔn)確定后，約束了分段三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度，但對(duì)分段在X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度仍沒有約束，因此需要在坐標(biāo)系里確定三個(gè)方向的“0”基準(zhǔn)，一般情況下三個(gè)方向上的“0”基準(zhǔn)不能取同一點(diǎn)。Z方向0基準(zhǔn)以現(xiàn)場(chǎng)體態(tài)情況作參考，X方向0基準(zhǔn)以肋檢線或肋位等橫向結(jié)構(gòu)為參考，Y方向0基準(zhǔn)則以縱剖線或縱向結(jié)構(gòu)為參考。

4.分段定位流程

4.1建立定位基準(zhǔn)坐標(biāo)系

分段定位實(shí)際上是在構(gòu)造的坐標(biāo)系里分別將分段按原建模坐標(biāo)進(jìn)行重組。

在船塢地面分別劃出船體中心線、縱剖線、肋檢線、高度基準(zhǔn)線，建立分段定位基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

將分段吊裝到達(dá)定位坐標(biāo)系預(yù)定位置，然后進(jìn)行定位。下面以雙層底分段為例進(jìn)行說明。

4.2確定主定位面

通常的做法是先測(cè)量分段水平和高度（約束X、Y兩個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)、約束Z向移動(dòng)）。從分段類型來看，雙層底分段長(zhǎng)寬尺寸遠(yuǎn)大于其高度，確定水平和高度后，后續(xù)若進(jìn)行位置微調(diào)，對(duì)水平數(shù)據(jù)的影響也將較小。從施工角度來看，定水平是最易操作的，龍門吊或液壓定位小車方便調(diào)整水平，測(cè)水平的工具也簡(jiǎn)便多樣，水平管、經(jīng)緯儀均可。因此定水平和高度是分段定位確定主定位面的首選。

由于分段建造難免出現(xiàn)精度偏差，比如中拱、局部平面度差等，往往會(huì)增加至6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并選取強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置測(cè)量，保證數(shù)據(jù)最能反映分段的水平狀態(tài)。

4.3確定定位線

定中心線（約束Z軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)和Y向的移動(dòng)），對(duì)正首尾中心線。雙層底分段一般反造，并以內(nèi)底板中心線為基準(zhǔn)。因此定中心線時(shí)也應(yīng)以內(nèi)底板中心線為基準(zhǔn)吊垂線對(duì)正地面中心線，同時(shí)校核外底板中心線的偏差。如果外底中心線偏差較大（標(biāo)準(zhǔn)≤3mm），那么則需要分段繞X軸稍微轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。此時(shí)將影響已確定的定位面數(shù)據(jù)，由于高度遠(yuǎn)小于寬度，對(duì)其影響也將較小（水平偏差標(biāo)準(zhǔn)≤8mm），保證公差分配合理。

4.4確定定位點(diǎn)

定肋檢線（約束X向的移動(dòng)），同樣，從內(nèi)底板肋檢線吊垂線對(duì)正地面肋檢線，校核外底板肋檢線偏差，若偏差較大可適當(dāng)繞Y軸微調(diào)。

分段類型不同，上述面線點(diǎn)的選擇會(huì)有所不同。可按以下基本原則進(jìn)行判斷：

（1）主定位面一般選擇最大或最重要的平面，或者分段建造基面，定位線則選擇分段基準(zhǔn)線。

（2）先定最利于調(diào)整或者測(cè)量的面，可利用與相鄰分段的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束。

（3）公差范圍大的數(shù)據(jù)可先粗定，避免后續(xù)位置微調(diào)時(shí)影響到先定位的數(shù)據(jù)，反復(fù)調(diào)整。

5.精度控制要領(lǐng)

船舶分段具有一定的特殊性，本身在建造過程中存在尺寸偏差、變形、扭曲等，因此分段在定位時(shí)不但要確定其位置，還要將分段精度偏差適當(dāng)通過定位來彌補(bǔ)，盡可能減少修整工作量。

由于分/總段類型非常復(fù)雜，且形式多樣，本文中僅就“13000噸雙相不銹鋼化學(xué)品船”幾個(gè)典型分段定位的精度控制要領(lǐng)進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

底部段：底部段是確定全船主尺度的基礎(chǔ)，也是其他段定位參考的基準(zhǔn)。底部段側(cè)重于中心線和角尺（指端面平齊度）。一般先定水平面，對(duì)中心線，視肋檢線和合攏口焊接間隙，調(diào)整分段前后位置，若上下角尺偏差則微調(diào)分段水平。

艙壁段：若按主定位面選擇最大平面的原則，則應(yīng)先測(cè)艙壁垂直度，但這不利于測(cè)量和調(diào)整，上端為軟檔，就定位而言公差范圍較大。因此可先對(duì)正肋位結(jié)構(gòu)，由于是小平面定位，其誤差對(duì)長(zhǎng)軸影響較大，因此需要最后復(fù)核垂直度。對(duì)正肋位結(jié)構(gòu)后，定船體中心線（包括艙壁上口，然后確定高度。從調(diào)整順序來講，高度可以先粗定，因?yàn)榈鯔C(jī)無法微調(diào)高度，否則最后高度值調(diào)整較大時(shí)將影響中心線等數(shù)據(jù)。

舷側(cè)段：側(cè)重于半寬值，分段下口與底部段對(duì)接，實(shí)際約束下口左右方向移動(dòng)，可先測(cè)量分段上口半寬值，以舷側(cè)外板面（分段建造基面）為主定位面。其次測(cè)量高度值，以水線為定位線，考慮到水線測(cè)量的難度，可測(cè)后合攏口甲板高度，而前合攏口靠相鄰分段數(shù)據(jù)限制高度，此時(shí)應(yīng)清楚已搭載分段的高度偏差，合理調(diào)整避免產(chǎn)生累積誤差。校核甲板水平（一般有梁拱，精度難保證，數(shù)據(jù)可作參考）。根據(jù)肋檢線定前后位置，結(jié)合肋位結(jié)構(gòu)對(duì)正情況和合攏口間隙進(jìn)行調(diào)整。

甲板段：甲板段與雙層底段定位類似。

機(jī)艙段：半立體分段長(zhǎng)寬高尺寸相當(dāng)，一般以平臺(tái)為主定位面測(cè)水平及高度，帶主機(jī)座的分段則可先粗定平臺(tái)面，再補(bǔ)充測(cè)量主機(jī)座水平。然后定中心線或縱剖線，最后定前后位置。

首尾段：以艙壁為基面建造的首尾段，建議先測(cè)壁板垂直度和平臺(tái)高度，如果考慮測(cè)量方便，也可先測(cè)水平，再定中心線（軸舵系分段還需測(cè)軸舵線），然后定前后位置。

以上主要針對(duì)分段初定位，至于復(fù)位則更簡(jiǎn)單點(diǎn)，以合攏口為約束快速定位，針對(duì)性地復(fù)核數(shù)據(jù)再局部微調(diào)即可。在此不贅述。

6.總結(jié)

六點(diǎn)定位原理普遍適用于船舶各類型分段的定位，但應(yīng)結(jié)合分段類型及定位特點(diǎn)做出主次選擇，方可實(shí)現(xiàn)快速定位和其精度控制的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王志玲.三基面體系與六點(diǎn)定位規(guī)則[J]，江蘇機(jī)械.1988.