CN107554689A

CN107554689A - 采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法

Info

Publication number: CN107554689A
Application number: CN201710664219.5A
Authority: CN
Inventors: 李利军; 卜飞; 杨成龙; 王发祥; 刘军华; 陆海; 高峰
Original assignee: Marivier (beijing) Technology Development Co Ltd
Current assignee: Marivier (beijing) Technology Development Co Ltd
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: CN107554689B

Abstract

本发明涉及造船领域，具体是一种采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法。解决了船舶的建造周期和建造质量要求越来越高的问题，具体步骤如下：（一）艉轴管轴承镗孔量测量与计算，（二）艏艉基线复合，（三）主机锚栓孔定位。本发明的计算步骤适用于计算机编程计算，可以缩短船舶建造周期，并且通过数字化手段提高船舶建造质量，会给船厂带来显著的经济效益。

Description

采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法

技术领域

本发明涉及造船领域，具体是一种采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法。

背景技术

船舶机舱分段、挂舵壁分段在船坞/船台上总装时需要推进系统轴心线与船体中心线平行，以保证船舶在不经过舵修正时进行直线行驶。船舶艉轴管分段统称为“葫芦头”，在进行与机舱分段合拢时需要控制机舱段中心线、艉轴管中心线、船体中心线三条线投影在XY平面上重合，统称为“三线合一”，并与舵轴线(Z轴)垂直相交。

“葫芦头”分段上艉轴管轴承预留了加工量，艉轴管轴承的镗孔质量和主机轴安装质量直接会导致船体轴承高温的因素之一，控制质量不佳会导致船舶在航行过程中产生高温易导致“停车”，船舶会失去动力。所以“三线合一”是保证船舶螺旋桨推进系统产生经济性的必要条件之一，也是造船行业船体建造的重中之重。目前船舶的建造周期和建造质量要求越来越高，所以缩短船舶建造周期和通过数字化手段提高船舶建造质量会给船厂带来显著的经济效益。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法。

本发明采取以下技术方案：一种采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法，具体步骤如下：

(一)艉轴管轴承镗孔量测量与计算：

(1)艏基点测量：首先在机舱后部任意架设全站仪或跟踪仪，控制全站仪或跟踪仪盘左、盘右两次照准机舱中心标志点得到两套测量原始数据(H₁,V₁,S₁)和(H₂,V₂,S₂)；为了消除仪器固定误差，采用测量误差修正模型(ΔH＝H₁-H₂±180⁰)、(ΔV＝V₁+V₂-360⁰)、(ΔS＝S₁-S₂)计算出误差值，然后加入到盘左原始观测数据中(H₁＝H₁+ΔH，V₁＝V₁+ΔV，S₁＝S₁+ΔS)进行误差修正。通过以下三维坐标计算公式(式1)

式中S₁为修正后的斜距，H₁为修正后的水平角，V₁为修正后的天顶距。根据公式1计算其中心标志点三维坐标(x,y,z)；设计图纸中主机中心线距基座面高度为H_j，将标志点坐标z加上高度H_j，x和y坐标不变得到艏基点三维坐标(X_艏,Y_艏,Z_艏)；

(2)艉基点测量：从挂舵壁上部管分中吊下钢丝，钢丝下挂垂球，对中船体中心线，全站仪/跟踪仪盘左、盘右两次对准钢丝同一标志点；同艏基点测量得到两套测量原始数据(H₃,V₃,S₃)和(H₄,V₄,S₄)；进行误差修正并通过(式1)计算出钢丝上测点的三维坐标(x,y,z)，设置反变形量为ΔH，将测点的坐标z加上反变形量ΔH，x和y坐标不变得到艉基点三维坐标(X_艉,Y_艉,Z_艉)。

(3)艉轴管轴承上的任意点测量和计算镗孔量：

艏、艉基点测量完成后根据下式2建立空间直线模型：

依据式2可得出直线的任意方向向量A(m,n,p)叫做直线的一组方向数，t为常数。

艏基点的三维坐标和艉基点的三维坐标通过式2计算出空间两点的向量A；

艏基点的三维坐标和测量出的任意点三维坐标通过式2计算出空间两点的向量B；

通过向量模的计算公式式3计算向量A的向量模L₀；

式3中s为模，采用两向量a×b的向量积公式式4计算向量A和B的向量积：

计算出的向量A和向量B的积为向量C(i,j,k)并通过式3计算出向量C的模L₁，L₁/L₀即为任一点至艏艉基线的空间距离。

根据所测量点的空间距离的均值按照图纸设计艉轴管轴承的大小即可算出镗孔量。

(二)艏艉基线复合

艏艉基线复合是艉轴管加工后根据艏艉基线再次测量艉轴管镗孔后艉轴管上任意点到直线的空间距离是否一致，保证艉轴管圆柱体的圆柱中心线和艏艉基线完全重合，因为镗孔误差的原因，两者不能完全重合，根据测量计算后的空间距离，调整艏基点位置使其艉轴管圆柱体中心线和艏艉基线重合；测量及计算方法同步骤(一)；

(三)主机锚栓孔定位

艉轴管镗孔合格后，将艉基点作为起点，艏基点为终点建立直线，首先计算线路上各锚栓孔的坐标，线路锚栓孔的坐标的计算方法如下：

设曲线元起点A的曲率为K_A，终点B的曲率为K_B，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：

l_s为曲线元的弧长，K_AB为A点至B点的曲率差，艉基点的里程为0，艏基点的里程为艏、艉基点的平面距离，显然，当式中：

(1)K_A＝K_B＝0，K＝0，表示曲线元为直线时，其上各点曲率均为0；

令β为曲线元偏转角，对弧长l进行微分可得出d_β＝Kd_l，对(式5)关于弧长l求定积分不难得出：

考虑到曲线元有左偏、右偏两种情况，则任意点i在线路坐标系中的切线方位角α计算通式为：

式中：α_A为曲线元起点A在线路坐标系中的切线方位角；表示曲线元左偏时取“-”号，右偏时取“+”号。

曲线元上任一微弧d_l与其对应的坐标差存在如下关系：

将式7带入式8，则有：

式9中X_A，Y_A为艏基点坐标，X,Y为弧长l的坐标，上式不可能用严密的积分结果表示，如用幂级数展开后再积分，公式非常复杂，下面用数值积分公式给出上式实用的坐标计算模型。当正交多项式选用Legendre多项式时，其Gauss型积分称为Gauss-Legendre公式，这里直接给出实用线路中桩坐标计算的通用Gauss-Legendre公式：

显然，(式10)作为线路中桩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。R_i与V_i经对专用手册变换后为：

主机锚栓孔平面坐标是根据线路中桩求线路的边桩，边桩通常由中桩法线上的支距D_边确定，由于式3已给出其中桩的切线方位角α，因而其指向线路左边桩和右边桩的方位角分别为α-90°、α+90°，则相应的边桩坐标计算式为

式中(X_边，Y_边)为边桩坐标，B为符号函数，表示边桩位于曲线元左边时取-1，位于右边时取+1，(X，Y)为式10表示的中桩坐标。根据图纸上艉轴口至主机每个锚栓孔的距离及横向距离按照式11计算每个主机锚栓孔的平面坐标；高度坐标为统一设计高度。

根据每个锚栓孔三维坐标和全站仪/跟踪仪测站坐标通过坐标反算出水平角度、垂直角度和斜距，根据这三个原始数据可驱动仪器望远镜旋转指向锚栓孔位置。

通过测量其坐标与计算的坐标差值进行精密调整直至符合图纸精度要求。

与现有技术相比，本发明的计算步骤适用于计算机编程计算，可以缩短船舶建造周期，并且通过数字化手段提高船舶建造质量，会给船厂带来显著的经济效益。

附图说明

图1为艏、艉基准空间直线模型示意图；

图2为现场示意图；

图中1-艉基点，2-艏基点，3-螺旋桨，4-发动机和螺旋桨连接轴，5-发动机。

具体实施方式

一种采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法，具体步骤如下：

(一)艉轴管轴承镗孔量测量与计算：

(1)艏基点测量：首先在机舱后部任意架设全站仪或跟踪仪，控制全站仪或跟踪仪盘左、盘右两次照准机舱中心标志点得到两套测量原始数据(H₁,V₁,S₁)和(H₂,V₂,S₂)；为了消除仪器固定误差，采用测量误差修正模型(ΔH＝H₁-H₂±180°)、(ΔV＝V₁+V₂-360°)、(ΔS＝S₁-S₂)计算出误差值，然后加入到盘左原始观测数据中(H₁＝H₁+ΔH，V₁＝V₁+ΔV，S₁＝S₁+ΔS)进行误差修正。通过以下三维坐标计算公式(式1)

(3)艉轴管轴承上的任意点测量和计算镗孔量：

艏、艉基点测量完成后根据下式2建立空间直线模型：

通过向量模的计算公式式3计算向量A的向量模L₀；

计算出的向量A和向量B的积为向量C(i,j,k)并通过式3计算出向量C

的模L₁，L₁/L₀即为任一点至艏艉基线的空间距离。

(二)艏艉基线复合

(三)主机锚栓孔定位

考虑到曲线元有左偏、右偏两种情况，则任意点i在线路坐标系中的切线方位角计算通式为：

曲线元上任一微弧d_l与其对应的坐标差存在如下关系：

将式7带入式8，则有：

Claims

1.一种采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法，其特征在于：具体步骤如下：

(一)艉轴管轴承镗孔量测量与计算：

(1)艏基点测量；

(2)艉基点测量；

(3)艉轴管轴承上的任意点测量和计算镗孔量；

(二)艏艉基线复合：

(三)主机锚栓孔定位：

艉轴管镗孔合格后，将艉基点作为起点，艏基点为终点建立直线，具体计算过程如下：

首先计算线路上各锚栓孔的坐标，线路锚栓孔的坐标的计算方法如下：

l_s为曲线元的弧长，K_AB为A点至B点的曲率差，艉基点的里程为0，艏基点的里程为艏、艉基点的平面距离，

令β为曲线元偏转角，对弧长l进行微分方程得出d_β＝Kd_l，对(式5)关于弧长l求定积分得出：

则任意点i在线路坐标系中的切线方位角α计算通式为：

曲线元上任一微弧d_l与其对应的坐标差存在如下关系：

将式7带入式8，则有：

式9中X_A，Y_A为艏基点坐标，正交多项式选用Legendre多项式，其Gauss型积分称为Gauss-Legendre公式，实用线路中桩坐标计算的通用Gauss-Legendre公式：

R_i与V_i经对专用手册变换后为：

式中(X_边，Y_边)为边桩坐标，B为符号函数，表示边桩位于曲线元左边时取-1，位于右边时取+1，(X，Y)为式10表示的中桩坐标，根据图纸上艉轴口至主机每个锚栓孔的距离及横向距离按照式11计算每个主机锚栓孔的平面坐标；高度坐标为统一设计高度；

根据图纸上艉轴口至主机每个锚栓孔的距离及横向距离按照式8计算每个主机锚栓孔的三维坐标；

2.根据权利要求1所述的采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法，其特征在于：所述的艏基点测量步骤如下：首先在机舱后部任意架设全站仪或跟踪仪，控制全站仪或跟踪仪盘左、盘右两次照准机舱中心标志点得到两套测量原始数据(H₁,V₁,S₁)和(H₂,V₂,S₂)；为了消除仪器固定误差，采用测量误差修正模型(ΔH＝H₁-H₂±180°)、(ΔV＝V₁+V₂-360°)、(ΔS＝S₁-S₂)计算出误差值，然后加入到盘左原始观测数据中(H₁＝H₁+ΔH，V₁＝V₁+ΔV，S₁＝S₁+ΔS)进行误差修正，通过以下三维坐标计算公式(式1)

式中S₁为修正后的斜距，H₁为修正后的水平角，V₁为修正后的天顶距，根据式1计算其中心标志点三维坐标(x,y,z)；设计图纸中主机中心线距基座面高度为H_j，将标志点坐标z加上高度H_j，x和y坐标不变得到艏基点三维坐标(X_艏,Y_艏,Z_艏)。

3.根据权利要求1或2所述的采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法，其特征在于：所述的艉基点测量步骤如下：从挂舵壁上部管分中吊下钢丝，钢丝下挂垂球，对中船体中心线，全站仪或跟踪仪盘左、盘右两次对准钢丝同一标志点；同艏基点测量得到两套测量原始数据(H₃,V₃,S₃)和(H₄,V₄,S₄)；进行误差修正并通过(式1)计算出钢丝上测点的三维坐标(x,y,z)，设置反变形量为ΔH，将测点的坐标z加上反变形量ΔH，x和y坐标不变得到艉基点三维坐标(X_艉,Y_艉,Z_艉)。

4.根据权利要求3所述的采用三维坐标计算船舶艉轴管镗孔量及主机锚栓孔定位的方法，其特征在于：所述的艉轴管轴承上的任意点测量和计算镗孔量步骤如下，

艏、艉基点测量完成后根据下式2建立空间直线模型：

依据式2可得出直线的任意方向向量A(m,n,p)叫做直线的一组方向数，t为常数，

通过向量模的计算公式式3计算两个向量A的向量模L₀；

式中(a_x,a_y,a_z)为向量A的系数，(b_x,b_y,b_z)为向量B的系数，通过式4计算出的向量A和向量B的积为向量C(i,j,k)并通过式3计算出向量C的模L₁，L₁/L₀即为任一点至艏艉基线的空间距离，统计所有测量横断面上的点至艏艉基线的空间距离与设计图纸上艉轴管轴承的孔大小的偏差和各个横断面的间距即可计算镗孔量。