船舶建造中的測量技術研究

徐宏偉

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

隨著現代造船模式的發展，鋼材快速加工、分段快速合攏、單元快速搭載等對船舶中間產品的精度要求明顯提高。只有匹配上高精度的測量和控制，才能縮短建造周期、降低建造成本以及管理成本。

船舶建造過程中小型部件的精度控制已經相對成熟，而大型分段的測量精準度以及對后期變形量等方面的分析還有較大誤差，其結果對后續的分段拼搭效率、占用船臺和船塢的時間等均有較大影響。目前船廠普遍采用的分段測量分析方法是：使用全站儀在船體分段建造的現場采集測量點坐標，再在計算機的三維環境中將其與分段的3D設計模型進行對比。相比較傳統分段測量分析方法，其優勢在于能快速、準確地分析船體分段建造誤差，給出可靠合理的建造精度評價。

船舶分段建造過程中精度管理的重要因素包括：精度管理計劃制定、精度管理實施、精度管理過程確認、精度改善。精度管理計劃主要包括精度基準的建立/更新計劃、圖面計劃、現場工作計劃。精度管理實施主要包含精度標準/要求的分解、精度要領的制定、精度數據的收集及相關精度內容現場教育。此外，還包括問題點調查、新工藝的研討與實施、測量器具日常點檢等。精度管理過程確認包括分段制作工藝與精度要領確認、生產信息跟蹤與確認、計測數據的整理與分析、問題點分析、精度巡檢。

精度改善工作包括精度基準改善、圖面計劃相關改善、問題點改善、精度跟蹤會議、TQC等活動的開展。

本文首先分析了國內外精度測量技術的發展現狀，指出了國內精度與測量技術急待解決的問題，并提出從完善精度標準、加強精度關鍵因素的控制、生產過程的數字化/信息化、推進分析反饋智能化、精度檢測儀器的適用化等方面的改善措施。

1 國內外精度測量技術發展現狀

1.1 國外現狀

現代造船模式和數字化測量相互促進，國外造船業對中間產品及裝配過程的測量已經達到了較高的水平。韓國開發出了新型的測量系統，有效地解決了船舶建造過程中船體零部件、分段和總段、船體結構、吊裝以及工件上船臺以后的修整等三維測量問題。美國開發出的NET23-D測量儀能夠用于測量中間產品的幾何尺寸和相應變形。芬蘭研制出ACMAN精度控制管理系統，可以實現對船體零部件、分段和總段、船體結構測量、吊裝、工件上船臺以后的修整。瑞士聯邦理工學院大地測量和攝影測量研究所已將數字攝影測量應用在船舶建造工程上。

在理論方面，韓國大邱大學深入研究了船舶管系對接三維測量問題，設計了基于人工神經網絡算法的測量算法及系統，取得了較好的應用效果。東京大學研究了船體裝配階段的分段定位問題，對全站儀測量和機器視覺測量技術在船舶建造方面的應用進行了綜合性研究。

基于此，日本石川島播磨船廠用計算機開發出了補償系統，已做到所有船體分段無余量制作。日立造船株式會社在建造大型船舶時，已經實現全流程的以補償量代替余量。目前無余量造船在日本已經普遍實現。

20世紀90年代開始，韓國基于日本模式發展精益造船。韓國三星重工集團的巨型總段建造精度已經達到很高的水平，5 000 t以內的巨型總段都能夠實現無余量塢內搭載。大宇船廠利用激光三維定位測量和后期精度管理分析技術也已經成熟，實現了軟件模擬搭載分析。

綜上，日韓等造船國家已經形成了一整套精度控制體系，將精度控制管理貫穿于造船的全過程，幾乎達到了分段100%無余量搭載，相比于傳統造船模式，極大地提升了造船質量、精度和進度。

1.2 國內現狀

國內船廠從20世紀70年代開始就在探索精度控制的方法。到20世紀80年代中后期，國內造船業初步實現了貨艙分段高精度建造、艏艉分段預修整后上船臺、船塢快速搭載等，初步建立了精度管控體制。船塢周期大幅縮短，新時代造船有限公司的首艘VLCC油輪塢期實現了90 d的目標，搭載合格率由2011年的36%上升到2012年的94%,保證了新工藝和工法的實施。但是目前國內大部分船廠還是在應用傳統的測量技術。總體而言，我國在船舶制造“精度與測量”方面主要體現在精度管理方法不完善，生產過程數字化/信息化程度低，并且檢測儀器精度較低。這些因素不僅降低了我國船舶的制造質量，而且降低了船舶制造的生產效率。

2 測量技術分析

2.1 國內精度與測量急待解決的問題

目前我國船廠的設備水平已經遠超20世紀末期的日韓兩國造船設備水平，然而精度控制卻不能與之達到同一水平，主要問題在于：

(1)船舶制造過程中每個中間產品沒有形成精度管理標準，制造過程中的中間分段等尺寸控制達不到設計的要求。

(2)精度測量和補償等系統的自動化程度不夠高，速度也不夠快。

(3)相關精度檢測技術及儀器還不夠先進，尤其是對不同船廠環境的適用性不夠因地制宜。

2.2 完善精度標準

(1)根據船級規范及建造要求，規范企業層面的總體基準。例如：根據中國造船質量標準(CSQS)、日本鋼船工作法精度標準(JSQS)等，建立公司級的建造標準，并將這些標準細化為內業、組立、外業等生產工序的精度標準和針對散貨船、集裝箱船、油船、汽車運輸船等不同船型的精度標準。

(2)要完善以中間產品為核心的精度管理標準，主要包括：研究中間產品精度控制標準的前后道關系，制定基于統一基準的船體基礎作業標準；研究船體建造過程中運輸、吊運、搭載等工法與精度標準關系，并制定基于精度控制的船體建造輔助工法原則；研究船體建造從下料到搭載各階段的精度標準和控制方法，形成完整的船體精度作業規范。

(3)要圍繞船體建造精度控制標準以及船體精度檢測技術，研究制定部件、分段、總組加工等各階段的精度測量行業標準。逐步著手舾裝品生產和安裝精度標準的建立，從而達到以中間產品為核心的“大精度”管理。

南通某合資造船企業自20世紀90年代引進日本精度管控模式后，不斷完善管理方法，建立了精度控制班組，對影響造船精度的各種管理、工序及工藝進行評估、改進和反饋，并制定精度補償基準與精度管理手冊，綜合管理精度與測量工作。其每天大量的精度數據主要以計測表的形式登記收集。從部材切割開始，通過管理圖監測控制鋼板、型材等的下料精度。小組立作業階段，要求將直線性、背燒效果、拼板后總長等數據填入計測表。在大組階段，要求對主板劃線、分段水平度、彎曲胎架上板材定位、完工后余量切割精度等測量填寫在相應的計測表內。外業合攏、搭載時，每個分段、每個搭載單元都有相應的定位精度計測要求，對船舶建造全過程進行跟蹤控制。對每天收集的成百上千組數據進行抽樣統計分析，判斷是否在精度管理標準區間范圍內，為討論決策、實施改善提供依據。

2.3 加強精度控制關鍵因素研究

要加強切割、焊接過程中變形特征與機理研究，建立和擴充行業內通用數據池，積極展開在大數據支撐下的針對不同結構特點的補償量施放自適應研究。在焊接部位由于電弧熱而被加熱到非常高的溫度，但在稍微離開的部分仍然處于常溫，其溫度分布每時每刻都在發生變化。受到高溫加熱的地方膨脹，溫度下降的地方收縮。像這樣在焊接過程中，母材會呈現非常復雜的不均勻溫度分布；隨著此期間發生的膨脹、收縮，焊接完成后，不可避免地要產生應力以及變形。

該企業通過各階段大量采集倍尺、余量數據，對數據進行整理、統計、分析，生成經驗公式，并根據經驗公式計算變化量+階段補償量，在實際生產過程中不斷跟蹤、修正、完善。

設計圖中，根據大組要領完成分段小組單元的劃分，記入基準邊、基準線、板縫余量、部材倍尺、預變形施工、其他補充協議的內容等生產信息；在圖面上完成部材下料及加工、小組單元制作、分段制作、分段拼接的圖面模擬過程，對收縮量/變形量合理補償，檢索整個過程是否符合現有的精度基準體系；再由生產設計將生產信息錄入到現場用的工作圖中。

同時要加強機械和水火成形、矯正技術研究，推進三維數控彎板技術的研究及應用，通過全行業大量數據積累和數理分析及經驗推導，總結出復雜形狀零件成形工藝要領，為實現復雜零件加工成形全面自動化夯實理論基礎。

2.4 推進生產過程數字化和信息化

根據產品特點，逐步推進自動化裝配、焊接設備在中間產品建造過程中的應用，有效控制中間產品的精度。優先將智能制造技術應用在分段加工前，在零件加工以及局部需要簡單重復運轉的工位采用數控加工設備。

上述的合資企業將精度計算方法與測量數據集成到公司智能制造系統中，使數據引用和分析智能化、模擬可視化。同時，引入船舶建造智能化設備，包括下料、切割、組裝等，以減少制造過程中人為誤差，達到精度管理的各階段可追溯性，為收縮量的加放提供依據。

2.5 推進精度檢測和分析反饋智能化

加強從零件加工開始到中間產品形成，直至搭載完成，線上線下相結合全過程的精度檢測。積極推進智能精度檢測設備替代人工進行精度檢測，構建精度測量實時分析數據管理平臺，開發數據分析系統對測量數據進行數理化分析，構建以及完善分析結果的實時反饋、跟蹤和改善體制。精度管理系統軟件應涵蓋精度測量實時分析、前后道數據管理協同等功能。

系統能將各類加工過程中的變形數據及時反饋給設計，實現從設計源頭開始就能在三維模型數據中控制分段劃分、施放基準線，補償量等精度參數，實現對船舶建造精度的控制。

上述的合資企業始終堅持精度與測量是對管理過程的控制與反饋，是提高生產效率、降低成本的主要手段之一，同時精度與測量也是推行全過程無余量造船與智能造船的先決條件。

2.6 推進精度檢測儀器及技術研究

開展船體零部件加工、船體組裝和裝配等過程中的幾何測量、變形測量技術的研究, 以及復雜環境下蘊含大型船舶幾何特征的清晰圖像獲取技術等，并逐步推動專業廠家積極開展船舶關鍵部位精密測量裝備、激光、視覺復合式測量裝備的研制。

3 結論

精度控制作為船舶制造的核心技術之一，是各個船廠保密內容之一。從鋼材一次利用率和無余量建造率等指標可以看出，我國與日韓等國家還有較大差距，所以軟硬件都需要進一步提升。

(1)硬件方面。近年來國內船廠通過先進設備的引進，逐漸拉近與日韓等國的差距。但是，由于我國在船舶測量領域相關技術研究還相對落后，該類測量設備大部分只從歐洲、日本、韓國等國家進口，對我國船舶制造成本影響較大。據統計，韓國的船舶測量設備本土化率約為90%，而中國船舶制造業的測量設備本土化率不足30%，導致我國船舶制造業成本較高。長此以往，將會成為阻礙我國船舶產業發展的重要制約因素。

由于大型船舶現場測量環境復雜，對測量儀器的現場適用性及精度提出了嚴峻的考驗，導致現有設備無法同時滿足測量精度與效率的要求，因此研究大型船舶精度檢測技術與相關儀器開發是我國船舶制造過程中急需解決的問題。

(2)軟件和管理方面。相較于硬件，軟件應用和內部管理等方面仍舊存在不足，需要深入分析船舶制造的管理體系、材料性能、精度標準、測量改進及信息技術等各方面內容，使精度計算及高精度的測量手段數字化、智能化，建立起符合我國船廠特色的管理體制。