CN106871880B - 采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行船舶合拢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及造船技术领域，具体是一种采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行船舶合拢的方法。解决了现有的测量方法精度低、费时、费力、误差累积大的问题，具体步骤如下：1）坐标系统建立；2）仪器自由设站；3）分段合拢；4）漂浮定位；5）船舶主尺度测量，本发明的测量方法精度高、省时、省力、没有误差累计，所测量的数据可以充分直观的反映船舶建造的姿态，从而严格测量控制船体的主尺度和船体的直线度。
Description
技术领域
本发明涉及造船技术领域，具体是一种采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行船舶合拢的方法。
背景技术
船舶设计模型为三维模型，在制造过程中将整体三维模型分成若干个小分段进行建造，小分段造成后通过总组将小分段总组成大分段，再将大分段吊至船坞/船台进行船舶的整体合拢。随着市场的变革，船舶越来越大，而且造船精度要求越来越高，对船舶的建造周期要求越来越短，所以为提高船舶在船坞或船台的总装时间将会带来显著的经济效益。现有测量方法如下：
1、在船坞/船台里通过仪器画成5m*5m格子线，纵向格子线相互平行，横向也相互平行，格子线采用仪器从坞首划分至坞门，误差累积大，以致导致错误。
2、以格子线为基准放入基准分段；
3、定位分段与基准分段在合拢时以基准分段和定位分段的相邻格子线为基准进行合拢；
4、高度方向基本上以基准段高度为基准；
5、用二维方法控制三维坐标。
现有的测量方法精度低、费时、费力、误差累积大，所测量额数据不能充分反映船舶建造的姿态，从而影响船体的主尺度和船体的直线度。因此研发一种用于船舶建造的三维控制方法已成为必要。
发明内容
本发明为了解决现有的测量方法精度低、费时、费力、误差累积大的问题，提供一种采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行船舶合拢的方法。
本发明采取以下技术方案：一种采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行合拢的方法，具体步骤如下：
1）坐标系统建立；根据船坞/船台建立船舶艉轴坐标系统，通过船坞/船台两边每隔30m布设一对控制点，采用检定合格全站仪进行外业观测，测量数据通过蓝牙连接全站仪自动记录在船坞/船台艉轴坐标系统建立软件中。
2）仪器自由设站；在未知点设站，要对全站仪自由测量坐标系统与数字化船坞坐标系统进行坐标系统之间的转换，首先对两个或者两个以上船坞控制点测量其全站仪自由三维坐标，根据点号自动匹配计算未知点的坐标转换参数，所需求的转换参数求出后，即可求解任意点的数字化船坞坐标系统下的三维坐标。
3）分段合拢；
a）肋位和半宽计算坐标；
b）肋位反算；
c）船舶分段合拢；将船舶分段主要点位采用三维设计软件导出，如CAD等常用三维设计软件均可，导出的三维坐标直接导入至数字化船坞/船台中；仪器架设于船坞/船台中任意位置，采用第2步的“仪器自由设站”模块，将仪器置身于数字化船坞/船台中；根据分段的肋位和半宽可计算相应的三维坐标，通过对分段上主要点位的测量，分析出设计肋位与实测肋位之差、设计半宽与实测半宽之差以及点位的三维坐标之差，依据这些信息对分段进行调整，调整到位后即可封焊，分段合拢结束；将实测数据保存后通过数字化船坞/船台软件中的船体分析测量点与设计点的三维偏差值，根据偏差值可分析出船体的建造质量。
4）漂浮定位；首先在整船或半船的中心部位贴上标志靶，在数字化船坞/船台软件中改变艉轴参数，采用第2步中的“仪器自由设站”模块在船坞/船台上建立测站，然后用全站仪瞄准船体上贴的反射片或棱镜，通过数字化船坞/船台系统测量其坐标即可；根据坐标偏差值就可定位船体位置。
5）船舶主尺度测量，采用数字化船坞/船台系统“仪器自由设站”建立测站后，直接测量点位即可。
全站仪观测按照以下技术指标观测：全站仪应具有自动照准、自动观测、自动记录功能，其标称精度应满足：方向测量100米不大于1mm，测距中误差不大于±1mm+1ppm；配套的干湿温度计量测精度不低于±0.5℃，气压计量测精度不低于±5hpa；竖盘指标差的检验小于等于8″；测回数为5个测回，半测回归零差小于6″，测回间同一方向2C互差小于9″，同一方向值较差小于6″。
船舶艉轴坐标系统得三维控制网精度要求遵照以下精度指标：
| 方向观测中误差 | 距离观测中误差 | 相邻点的相对点位坐标方向中误差 | 同精度复测坐标较差 |
| ±1.8″ | ±1.0mm | ±1mm | ±2mm |
平差后的船坞控制网测距相对中误差小于1/80000，方位角闭合差小于5，（n为测站数），整网全长相对闭合差不超过1/35000。
与现有技术相比，本发明的测量方法精度高、省时、省力、没有误差累计，所测量的数据可以充分直观的反映船舶建造的姿态，从而严格测量控制船体的主尺度和船体的直线度。
与现有技术相比，本发明造船精度高，省时，省力，误差累积小，船舶的建造周期短，所以降低了船舶在船坞或船台的总装时间，带来了显著的经济效益。
附图说明
图1是坞/船台建立船舶艉轴坐标系统示意图。
具体实施方式
一种采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行船舶合拢的方法，包括以下步骤：
（1）坐标系统建立：
根据船坞/船台建立船舶艉轴坐标系统，如图1所示。
通过船坞/船台两边每隔30m布设一对控制点，采用检定合格全站仪（测角精度±0.5″，测距精度±0.6mm+1ppm）进行外业观测，测量数据通过蓝牙连接全站仪自动记录在船坞/船台艉轴坐标系统建立软件中，观测按照以下技术指标观测：
Ø 全站仪应具有自动照准、自动观测、自动记录功能，其标称精度应满足：方向测量100米不大于1mm，测距中误差不大于±（1mm+1ppm）。
Ø 配套的干湿温度计量测精度不低于±0.5℃，气压计量测精度不低于±5hpa。
Ø 竖盘指标差的检验，不应超8″。
Ø 测回数应大约5个测回，半测回归零差小于6″，测回间同一方向2C互差小于9″，同一方向值较差小于6″。
为此我们也开发了关于船坞/船台艉轴坐标系统的三维控制网平差软件，三维控制网精度要求遵照以下精度指标：
| 方向观测中误差 | 距离观测中误差 | 相邻点的相对点位坐标方向中误差 | 同精度复测坐标较差 |
| ±1.8″ | ±1.0mm | ±1mm | ±2mm |
平差后的船坞控制网测距相对中误差小于1/80000，方位角闭合差小于5，（n为测站数），整网全长相对闭合差不超过1/35000。根据平差结果固定中心两点作为X方向，采用右手坐标系统建立艉轴坐标系统。
（2）仪器自由设站：
采用坐标转换原理自由设站是指在未知点设站，对两个或者两个以上已知点测量其自由三维坐标，根据点号自动匹配计算其坐标转换参数，三个平移一个旋转,算法模型如式（1-1所示）：
（式1-1）
令=， =（式1-1）可化为下式（1-2）
（式1-2）
即可得出式（1-3），如下所示z：
（式1-3）
将式（1-3）化成误差方程V= BX+L（1-4）
（式1-4）
式（1-4）中： = B， = X， =L。
根据最小二乘法原理，列立法方程如下：其中，。当采用两个点进行计算时，可直接计算出坐标转换参数，三个或三个以上点进行计算时，根据平差原理，多余观测按照最小二乘法进行平差计算出三维坐标转换参数。所需求的转换参数求出后，根据公式（1-3）即可求解任意点三维坐标，综上所述，根据以上公式我们开发出了基于最小二乘法原理和坐标转换原理为基本理论的自由设站模块。
（3）分段合拢：
关于分段合拢，分为根据肋位和半宽计算坐标和根据坐标反算肋位和半宽：
a)肋位和半宽计算坐标：船舶肋位肋位是指船在纵向长度肋骨所在的位置，多数是在设计时用来确定沿船长方向的位置。军船和民船的肋位号排序不同，军船是从艏开始排序，艏柱为0号肋位，肋骨间距比如说是800，那么在距艏8400的地方，我们就把它称为FR10+400或10号半肋位。民船的肋位号是从艉开始算起，和军船相反。需要注意的是，所谓多少号肋位上不一定就有肋骨存在，有可能有舱壁，有可能有加强筋，或者有可能什么都没有，它只是一个造船上比较方便的长度单位。该模块计算采用高斯-勒让德算法模型进行计算，如下：
设曲线元起点A的曲率为，终点B的曲率为，则位于A、B间的且距A弧长为l的任意点i的曲率K可由下式唯一确定：（式1）
式中为曲线元的弧长，当给出A、B的里程与时:
。
显然，当式中：=0，K=0，表示曲线元为直线时，其上各点曲率均为0；因为船体为直线，所以我们采用K=0。
令,因此对（式1）关于弧长l求定积分不难得出：
（式2）
考虑到曲线元有左偏、右偏两种情况，则任意点i在艉轴坐标系中的切线方位角计算通式为：
（式3）
式中： 为曲线元起点A在线路坐标系中的切线方位角；曲线左偏时取“-”号，右偏时取“+”号。
当正交多项式选用Legendre多项式时，其Gauss型积分称为Gauss-Legendre公式，这里直接给出实用船体中线坐标计算的通用Gauss-Legendre公式：
（式4）
显然，（式4）作为船体中线坐标计算的通用公式，具有形式规律，计算直接、适用性广、便于计算机编程的特点。与经对专用手册变换后为：
= = 0.1184634425 ,
== 0.2393143352 ,
= 0.2844444444 ,
= 1 -= 0.0469100770 ,
= 1 -= 0.2307653449 ,
= 0.5，
Gauss - Legendre 公式与其它数值积分公式相比,具有节点数少、形式简单、便于计算机编程等特点,5 节点公式能以足够高的精度满足各种线形的坐标计算,从而为船体及其平行线的测设奠定了坚实的基础。
左弦、右弦通常由中线上的半宽LP确定，由于（式3）已经给出其中桩的切线方位角α，因而其指向左弦和右弦方位角分别为α-90°，α+90°则相应的弦坐标计算式为：
左右弦位于曲线元左边时取-1，位于右边时取+1；X,Y为肋位坐标。
b）肋位反算算法如下：
(1)先由下式求得P点至艉轴点A 之垂距的绝对值:
（式1）；
(2)以作为初值, 即以作为曲线元任意肋位l，可求得曲线元上一点的坐标(,) ;
(3)求得点的切线方位角，再由（式1）计算P点至的垂距（注意用（，）代替（，）；
(4)以（+）作为新曲线元任意点肋位长度l，再求的坐标(，) ;
(5)求得点的切线方位角，再由（式1）计算P点至 的垂距（注意用（，）代替（，）；
(6)如果< 0.0001,即可迭代出曲线元的任意肋位值l；
(7)计算边桩距：
(8)根据正负依“左负右正”规律可判断出地面点P相对于船体中线的边向；由可方便确定P点的肋位： 。
c)船舶分段合拢
Ø 将船舶分段主要点位采用三维设计软件导出，导出的三维坐标无人工干预直接导入至数字化船坞/船台软件中；
Ø 仪器架设于船坞/船台中任意位置，采用【仪器自由设站】模块，可将仪器置身于数字化船坞/船台中；
Ø 根据分段的肋位和半宽可计算或/调取相应的三维坐标，通过对分段上主要点位的测量，可分析出设计肋位与实测肋位之差、设计半宽与实测半宽之差、点位的三维坐标之差等信息，依据这些信息对分段进行调整，调整到位后即可封焊，分段合拢结束。
Ø 将实测数据保存后通过数字化船坞/船台软件中的船体分析模块对整船进行分析。
（4）漂浮定位：
Ø船舶在船坞中制造时，为了增加进度和缩短船舶总装周期，一个船坞中经常摆放多条半船，所以就会出现船舶漂浮定位；
Ø漂浮定位时，首先在整船或半船的中心部位贴上标志靶，采用数字化船坞系统时只需在数字化船坞软件中【艉轴参数设置】中改变艉轴参数，采用【仪器自由设站】模块在船坞上建立测站，然后瞄准船体上标靶，通过数字化船坞/船台系统测量定位即可。
（5）船舶主尺度测量：
船舶主尺度测量包括：船长、型宽、型深、吃水、两柱间距等等一些尺寸丈量。采用数字化船坞/船台系统【仪器自由设站】建立测站后，直接测量点位即可，船长和两柱间距根据肋位即可得出、型宽根据半宽得出、型深和吃水根据高度得出，以上这些参数测量通过数字化船坞/船台很容易得出，简化了以前人为数格子线。
Claims (3)
1.一种采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行合拢的方法，其特征在于：具体步骤如下：
1）坐标系统建立；根据船坞/船台建立船舶艉轴坐标系统，通过船坞/船台两边每隔30m布设一对控制点，采用检定合格全站仪进行外业观测，测量数据通过蓝牙连接全站仪自动记录在船坞/船台艉轴坐标系统建立软件中；
2）仪器自由设站；在未知点设站，要对全站仪自由测量坐标系统与数字化船坞坐标系统之间的转换，首先对两个或者两个以上船坞控制点测量其全站仪自由三维坐标，根据点号自动匹配计算未知点的坐标转换参数，所需求的转换参数求出后，即可求解任意点的数字化船坞坐标系统下的三维坐标；
3）分段合拢；
a）肋位和半宽计算坐标；
b）肋位反算；
c）船舶分段合拢；将船舶分段主要点位采用三维设计软件导出，导出的三维坐标直接导入至数字化船坞/船台中；仪器架设于船坞/船台中任意位置，采用第2步的“仪器自由设站” 模块，将仪器置身于数字化船坞/船台中；根据分段的肋位和半宽可计算相应的三维坐标，通过对分段上主要点位的测量，分析出设计肋位与实测肋位之差、设计半宽与实测半宽之差以及点位的三维坐标之差，依据这些信息对分段进行调整，调整到位后即可封焊，分段合拢结束；将实测数据保存后通过数字化船坞/船台软件中的船体分析测量点与设计点的三维偏差值，根据偏差值可分析出船体的建造质量；
4）漂浮定位；首先在整船或半船的中心部位贴上标志靶，在数字化船坞/船台软件中改变艉轴参数，采用第2步中的“仪器自由设站”模块在数字化船坞/船台上建立测站，然后用全站仪瞄准船体上贴的反射片或棱镜，通过数字化船坞/船台系统测量其坐标即可；根据坐标偏差值就可定位船体位置；
5）船舶主尺度测量，采用数字化船坞/船台系统“仪器自由设站”建立测站后，直接测量点位即可。
2.根据权利要求1所述的采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行合拢的方法，其特征在于：全站仪观测按照以下技术指标观测：全站仪应具有自动照准、自动观测、自动记录功能，其标称精度应满足：方向测量100米不大于1mm，测距中误差不大于±1mm+1ppm；
配套的干湿温度计量测精度不低于±0.5℃，气压计量测精度不低于±5hpa；
竖盘指标差的检验小于等于8″；
测回数为5个测回，半测回归零差小于6″，测回间同一方向2C互差小于9″，同一方向值较差小于6″。
3.根据权利要求1所述的采用三维坐标计算肋位、半宽和高度进行合拢的方法，其特征在于：船舶艉轴坐标系统得三维控制网精度要求遵照以下精度指标：
方向观测中误差小于等于±1.8″；距离观测中误差小于等于±1.0mm；相邻点的相对点位坐标方向中误差小于等于±1mm；同精度复测坐标较差小于等于±2mm，平差后的船坞控制网测距相对中误差小于1/80000，方位角闭合差小于5，整网全长相对闭合差不超过1/35000。
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