关于合拢阶段船体分段定位方法的研究外文翻译资料
2022-09-08 12:40:51
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关于合拢阶段船体分段定位方法的研究
摘要：在船体生产制造中，精度的控制是及其重要的。分段的准确定位在合拢阶段是十分重要的一环。分段定位的质量不仅仅决定了制造完成后船体的质量同时也影响了合拢阶段的速度以及成本。我们之前提出了计算机辅助精度管理的基本概念。精度管理包括精确规划以及精确测量。精确测量包括检查以及消除误差。我们还提出了一个精确测量的参数体系：一个是船台精度（例如：直线度，平面度），另一个是船体精度（例如：各分段的接头形状）。本文讲述了合拢阶段船体分段定位的精度系数细节。分段定位的质量可以由该方法进行预估：总体精度可以由公差标准进行评估，施工过程中的精度可以由人工成本进行评估。该精度控制方法重点在于实施标准。本方法结合了最优化软件ISIGHT来决定最佳的分段定位步骤。本文还给出了分段定位步骤优化的一些实例。
关键字：精度控制 工程知识 定位 参数 优化
正文：
- 介绍
最近几年，造船精度控制被认为是降低造船成本以及使用自动焊接机器人的一个重要手段。现代测量技术以及计算机技术获得了极大的提高。以前就提出过1，计算机辅助精度管理的基本方法基于这些技术。现在进行的许多研究就是基于这一概2。
装配阶段中分段的定位不仅仅决定了完成后的船体最终质量，它对于总体的制造速度以及后续的一些成本都有极大的影响。换句话说，船体分段的精确定位是船体建造精度管理中的重要一环，但这至少需要十年训练才能让进行分段定位的技术人员熟练掌握。而传授精确分段定位技术给下一代技术人员目前被认为是一个极大的难题。因为现在熟练的技术工人年龄偏大，而年轻一代对投身重工业制造并不感兴趣。此外，由于全球船舶制造业的激烈竞争，提高船厂的制造能力是十分必要的。制造过程中的分段定位技术是制约船厂提高产量的关键因素。举个例子，“Tsurigime”，即通过吊机吊起弯曲分段进行定位。如果通过提高精度来缩短吊机的工作时间，那么船厂的生产量会大大增加。
由于现代测量技术的进步，在测量一个10m长的分段时我们能够轻易的将误差控制在1mm以内。此外，计算机技术的发展能帮助我们对测量数据的处理，我们可以通过计算机进行分析并且对分段定位工艺进行模拟以及优化3等等，这将促进现代分段定位工艺的发展。
正如上面提到的，作为提高精度控制方法的一部分，使用计算机辅助技术来进行分段定位在实际应用中有许多优点。本文中，精度管理这一方法的提出是基于三维测量技术已经实现的情况。采用何种分段定位的方法是由参数进行评估的。
- 分段定位与精度管理
2.1分段定位工艺
根据Ioku4，分段定位工艺被认为“是船体总装阶段满足船体几何精度的标准并且操作最有效”的依据。船体几何精度标准应满足日本船舶建造质量标准（TSQS）5，它是由日本海军造船协会下属的研究委员会建立的，目前所有船厂都要满足它的建造标准。分段定位工艺的一个目的是确定船体的外形，之后的工序就是装配（预焊）、焊接、发动机安装以及管系装配等等。它的另一个目的是缩减这些工序的时间。因此，分段定位工艺的目的是双重的：正确放置船体构件以及减少后续的人力工作。
确定船体的外形，保证船舶的性能（航速以及载货量）：举例来说，螺旋桨轴的直线度，龙骨的直线度，双层底的平直度，上甲板的外倾角等等。
减少人力成本，拿装配和焊接工艺举例。为达到这些要求，分段定位技术人员应有这些能力：
——有足够能力对分段的定位进行精度管理；
——能够通过使用像钢卷尺，水平测量仪，重锤线等简单的测量工具将复杂的船体外型在脑海中反映出来；
——能够对两个或更多的分段定位方案进行模拟，并在考虑了船舶外型的精度公差以及后续工艺方面来选择最优方案；
——能够掌握精度管理要点以及分段建造的精度公差。
另外，一位资深的定位技术人员需要考虑到分段由于爆晒，分段移动时力的变化以及焊接等原因造成的几何变形。一个熟练的技术人员应当可以考虑到多个方面，并能判断总体的影响。
2.2精度公差以及精度管理
精度公差在所有规模化生产行业如机械行业中是一个典型的精度管理方面的概念6。精度公差在机械行业中的应用大致被封为两类。一种是控制精度公差，另一种是分配构件的精度公差。
控制精度公差的目的是给定两个或两个以上构件组成的最终产品可以实现的精度公差标准，来确保产品的功能能够实现。分配公差的目的是从可靠性以及经济性来确定每个构件的精度公差。控制精度公差以及分配精度公差是相辅相成的。确定精度公差标准时应该权衡生产实际能力。
高精度意味着产品的成本会增加，但达到要求的产品能够更好的实现应有的功能。由于不达标的产品数量会在这一过程中会增加，会导致产品的成本升高。相反，低精度也许能降低制造成本，但是也许会导致产品不能实现应有的功能。如果这种劣质产品发布，会导致公司丧失它的形象。因此，权衡产品的精度以及造价是十分必要的。
就如上文所述，像JSQS这种精度标准会在船舶制造业中出现。然而，在精度管理中使用成体系的精度公差是十分罕见的。下面列出造成这种现象的一些原因。
——由于船舶制造业是属于典型的定制型行业，因此规范化和标准化十分困难；
——由于船舶制造业属于劳动密集型，因此改变工艺是需要长久考虑的；
——不可避免的变形（焊接、受力、爆晒等导致），这意味着精度的严重损失。
在我们看来，造船业普遍的水平不足以满足我们要求的精度要求。虽然精度公差在精度控制中是一个很好的方法，但仍然需要新的方针来对造船尤其是分段定位的有效管理进行指导。
3分段定位参数
参数这个概念是最近才出现的。传统的通过统计进行质量控制的技术如计算机软件质量管理不适用于这一领域，这是因为这其中大部分工作都取决于员工个人的努力。面对这种情况，我们必须建立生产能力以及质量的参数。这必然要考虑测量手段（例如如何收集以及处理数据），并且建立模型（如成本模型，质量模型等等）。最后，我们需要进行比较模型和标准，并对他们进行分析评估。这种质量或测量手段的标准定义为参数。参数的关键点在于：
——应该明确测量什么；
——应该明确测量的值说明了什么；
——应该明确测量对后续的工作的影响
在这里，提出分段定位工艺中的参数，这是能定量的评估分段定位方法的质量。
3.1确保船体构件并减少人工操作
正如2.1提到过的，分段定位的主要目的是确保构件能够在船体位置被正确安装，并且减少后续的人工操作。这里，提出两个精度管理的参数：总体的精度以及接头处的精度(图1)。总体的精度参数是为确保船体外形，并且由精度公差来评估。接头处的精度是减少人工操作的指标，并由后续总的人工工时来评估。因此，一个定量评估分段定位工艺的体系就建立了。有必要测量分段中实际特征点的三维坐标。测量的点是结构的边界点以及折点。
图1
3.2总体精度
船体外形是通过确定总体精度来保证实现的。总体精度是绝对的，这就是说，通过比较理想外形以及标称外形，并且估计精度公差（图2）。
图2
3.2.1位置公差
位置公差是精确测量一个点的位置的判断依据。它表示特定点的理想位置的允许误差范围，这些点也就是，分段末端，部分交点等等。这里，用一个几何球体表示位置的精度公差范围，点的理想位置作为球体中心，球的半径作为精确度的表示值。
（1）
这里是点的理想位置，是相对应与点的测量位置，是与的差值，是位置公差（标量），是位置公差的指标，是的绝对值。
3.2.2直线度公差
直线度公差是准确测量一条直线的直线度的标准。它表示理想直线的允许误差范围，比如船体中心线，梯子的轴线，螺旋桨轴的轴线等等。这里，用几何圆柱表示直线度的精度公差范围，以理想直线作为圆柱的轴线，圆柱底面的半径作为精确度的表示值。
0
（2）
是一条理想直线，是第i次测量的位置（这个点应该是测量的点），是与的距离，是直线度公差（标量），是直线度公差的参数。
3.2.3平面度公差
平面度公差是准确测量平面的平直度的标准。它表示理想平面的允许误差范围。这里，平面度公差范围表示在实际表面与理想平面进行比较，两者之前的线值距离的范围。
0
（3）
这里，S是理想平面，是第i次测量的位置（这个点应该是测量S的点），是与S之间的距离，是平面度公差（标量），是平面度公差参数。
3.2.4总体精度的评价函数
总体精度参数表示为3.2.1—3.2.3的方程的中精度公差的和，并乘上一个比例因子。使用者根据自己的判断确定比例因子的值。总体精度参数表示为：
（4）
这通过0或者一个正实数来评价了船体的外形。的值超过了精度公差的限制定量表示了总体精度。的理想值是0，这表明船体外形误差度公差的允许范围内。根据这个定义，值（非负数）越小，分段的定位越精确。
3.3接头处精度
接头处的精度可以由船台上的人工工时来估计。这是评估接头处时早已建立的一个标准。相对精度是通过比较两个已经测量的分段形状来计算出的。通过测量得到分段的几何资料，然后将几何资料转化成可以共享的工作资料。在估算出总工时之后，接头处的精度也可以通过工时定量的得到。
3.3.1通过测量的坐标算出错位以及间隙
接头处精度计算的第一步是比较两个需要合拢的两个分段的接头形状。在比较之前，必须先测量完两个分段的所有点的坐标。
两个分段接头的焊缝应该经过之前测量的点。然后这条线应该按照单位长度进行离散。对两个分段之间的每条焊缝的中心点应该进行数据采集。然后进行几何变换将从整体坐标系（船体坐标系）转标为局部坐标系（关节坐标系）。两个分段之间的焊缝的中心点在两个坐标系中的不同就可以计算得出。最后，通过计算几何变换后两个坐标的差值，我们可以计算出根部间隙（内表面）以及错位（外表面）的值。
图3
3.3.2计算根部间隙所需的工时
从第i条焊缝到第j条焊缝中间的间隙值g计算工时的方法由下面列出。解决这种间隙包括下面四种工艺操作：气割、增加焊脚长度焊接法、背面焊、返修。四种工艺方法对根部间隙值的函数值的影响：
1火焰切割：，当根部间隙过小小于预估的值或过大时需要额外浪费人力。
2焊接：，当根部间隙大于预想的值时需要额外的工时。
3后退：，当根部间隙大于预想的值时需要额外的工时。
4部分返修：，当根部间隙大于预想的值时需要额外的工时。
3.3.3计算错位所需的工时
从第i条焊缝到第j条焊缝中间的错位值d计算工时的方法由下面列出。解决这种错位包括下面三种工艺操作：改装，部分重装，部分返修。三种工艺方法对错位值的函数值的影响：
1改装：，当错位值大于预想的值时需要额外的工时。
2部分重装：，当错位值大于预想的值时，包括角焊缝接头，需要额外的工时。
3部分返修：，当错位值大于预想的值时需要额外的工时。
下面在图4给出部分例子的函数关系，在图4的所有图表中，单位焊缝长度是100mm，横轴表示根部间隙值或错位值，竖轴表示工时。
图4
3.3.4评估接头精度的函数
接头精度参数表示为3.3.1—3.3.3的方程的中的值的和，并乘上比例因子和。使用者根据自己的判断确定比例因子的值。比例因子取决于工作环境，例如狭小的工作范围。比例因子取决于工作设备，例如自动焊接机器人。接头精度参数表示为：
（5）
方程5中表示合适的根部间隙以及错位值的焊接工时。它对工时（如接头精度）的取值是一个正实数。根据这个定义，这个值（非负值）越小，分段定位越精确。
3.4可变区域
分段定位技术人员在进行他的工作时，要考虑爆晒以及改变分段受力等情况时的变形。他们要根据经验区分分段定位时的刚性区域和弹性区域。一个较小的负荷让弹性区域变形。因此，弹性区域的形状很容易受到各种情况如分段的放置方式影响。出于这个原因，弹性区域的尺寸是变化的，这让装配工作更容易进行。在本文中，分段中的弹性区域称为可变区域。介绍弹性区域的目的是为了让分段定位参数更加灵活。
4定位优化
定位参数可以通过3.1的方法定量取得。这将允许我们利用数值优化技术对定位进行优化。在本节中，介绍基于定位评估参数进行优化。这里，船体被视为刚体，认为在最初进行分段定位的测量后，其数值不会因为分段位置改变以及焊接而改变改变。
4.1设计变量
进行优化的设计变量是刚体只能进行平移以及旋转的自由度。即设计变量是在三维直角坐标系（如船体坐标系）中的六个自由度：（六个自由度）。自由度中转动的定义是以物体重心
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