謝 宇， 張 威， 劉序辰

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

激光的指向性強(qiáng)，波形穩(wěn)定，反射光接收強(qiáng)度高，適合作為測距工具。采用相位法的激光測距儀可達(dá)到毫米級的測距精度。也有一些測量活動不需要測距，主要利用激光的指向性，如激光經(jīng)緯儀，在水平面和垂直面內(nèi)目視精確測角，結(jié)合激光照射功能，衍生出確立垂線、水平線、投影線等基準(zhǔn)的功能。

將激光測距儀和激光經(jīng)緯儀的功能結(jié)合起來，就是全站儀(全站型電子測距儀)的基本原理。全站儀可建立坐標(biāo)系，集成坐標(biāo)點(diǎn)儲存和三角運(yùn)算功能，可實(shí)現(xiàn)對空間坐標(biāo)的測定，還可實(shí)現(xiàn)空間直線和平面的構(gòu)造及相對位置關(guān)系的解算，求取并引導(dǎo)尋找特征點(diǎn)等功能，解決安裝定位、安裝偏差檢測、直線度和平面度檢測等廣泛測量需求，是目前工程領(lǐng)域較具代表性的激光測量儀器。但其操作需借助與激光同軸的目視瞄準(zhǔn)，難免引入操作誤差；且其精度一般為毫米級，對于高精度要求的舾裝作業(yè)，如軸系安裝、機(jī)加工面檢測等，其應(yīng)用仍存在局限。對此也有精度更高的、更自動化的激光測量設(shè)備可供選擇，如絕對跟蹤儀、自動對中儀、平面度測量儀等。

1 激光測量技術(shù)應(yīng)用概況

以全站儀的應(yīng)用技術(shù)為代表的激光測量技術(shù)目前在造船行業(yè)的胎架定位、分段制造、總組、搭載等建造環(huán)節(jié)已普遍應(yīng)用，為提升船體結(jié)構(gòu)建造精度、提高精度管理效率發(fā)揮了重要作用。在船舶舾裝方面，吊錘、拉線、彈線、機(jī)械量具等傳統(tǒng)測量器具和工藝仍在廣泛使用，激光測量技術(shù)應(yīng)用相對較少，且存在激光儀器種類單一、適用性欠佳、操作較復(fù)雜等問題。船舶舾裝的物量和工時消耗在船舶建造中占據(jù)了較大比重，隨著行業(yè)競爭的深化，高性能、高附加值船舶產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，對舾裝質(zhì)量和效率的要求也不斷提升，對激光測量技術(shù)的需求隨之增長；另一方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展及其與光學(xué)技術(shù)的融合，激光測量設(shè)備的種類不斷細(xì)分，功能專業(yè)化和操作自動化的發(fā)展趨勢越來越明顯，激光測量技術(shù)在船舶舾裝上的適用性不斷提高。因此激光測量技術(shù)在船舶舾裝方面的應(yīng)用將有較大發(fā)展。

2 激光測量技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 常規(guī)測量

借助激光儀器，在船舶舾裝施工中可以準(zhǔn)確快速地確立常用的基準(zhǔn)點(diǎn)、線和坐標(biāo)定位。以激光經(jīng)緯儀[1]和全站儀為例，其可以在軸、舵系理論軸線的測量中發(fā)揮重要作用。

2.1.1 激光經(jīng)緯儀

激光經(jīng)緯儀可以代替U形管原理的注水軟管，將船外距基線高度轉(zhuǎn)駁入船內(nèi)。將其調(diào)水平并與船外尾基準(zhǔn)點(diǎn)A等高，然后圍繞豎直軸在水平面內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)180°，照射在首標(biāo)桿上的光斑位置F即為首基準(zhǔn)點(diǎn)。連線AF即為軸系理論線，如圖1所示。進(jìn)一步，將激光經(jīng)緯儀O調(diào)整到AF連線上，調(diào)水平后，使其在垂面內(nèi)斜向內(nèi)底照射，依次在內(nèi)底表面形成遠(yuǎn)近不同的若干光斑(D1，D2，…，Dn)，將光斑標(biāo)出并連接成線，即為軸線投影線，可用于在內(nèi)底上對中間軸承基座、主機(jī)基座等進(jìn)行初定位測量，代替手工拉線，如圖2所示。

圖1 激光經(jīng)緯儀確立水平軸線基準(zhǔn)點(diǎn)示例

圖2 激光經(jīng)緯儀確立安裝面投影線示例

上述投影線方法亦可應(yīng)用到分段、總段、舾裝單元合龍斷面附近管路、舾裝件的端面標(biāo)齊，有利于搭載合龍的順利完成和提高管路、舾裝件的安裝精度，有利于提高合龍管的配制效率、減少合龍管數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。還可通過在兩個平面內(nèi)劃線形成交點(diǎn)，用來定位、檢測具有連接關(guān)系的待連接設(shè)備和管路的接口對正情況，如大型燃油設(shè)備、大口徑排氣管、大口徑風(fēng)管等，以便于中間的合龍管路盡量采用直管連接。

激光經(jīng)緯儀可以代替吊錘，確立鉛垂線。典型應(yīng)用場合是確定舵桿中心點(diǎn)位置。如圖3所示，將其架設(shè)于塢底，使自身基準(zhǔn)點(diǎn)O與A點(diǎn)對正，調(diào)水平后按轉(zhuǎn)盤刻度將儀器指向垂直向上并發(fā)射激光，在預(yù)定高度遮擋光束形成光斑B即為安裝位置。此實(shí)例消除風(fēng)力等外界擾動造成的吊錘搖擺帶來的測量誤差，準(zhǔn)確高效。

圖3 激光經(jīng)緯儀確立鉛垂線示例

2.1.2 全站儀

全站儀可以在第2.1.1節(jié)實(shí)例中完全代替激光經(jīng)緯儀。基于坐標(biāo)測量的基本功能，全站儀主要適用于下列場合：

(1) 精度具有明顯重要性的舾裝件的定位和檢驗(yàn)。如主機(jī)基座、集裝箱導(dǎo)軌、主船體上水密門的伸縮和鎖閉機(jī)構(gòu)等。以集裝箱導(dǎo)軌的定位和檢測為例，如圖4所示。使用全站儀可以方便地測得若干關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，據(jù)此判斷前后導(dǎo)軌的對正情況和導(dǎo)軌架各垂面之間的平行度，保證箱子與導(dǎo)軌之間的穩(wěn)定間隙，甚至實(shí)現(xiàn)模擬試箱，可為船廠帶來巨大的工時節(jié)省效益和碼頭、吊車資源的節(jié)省效益。

圖4 集裝箱導(dǎo)軌檢測示例

(2) 具有陣列特征和采用較大間距的鏈?zhǔn)匠叽鐦?biāo)注的舾裝件的測量。如集裝箱船箱腳、氣體運(yùn)輸船的絕緣材料基座等，因其精度較高，可顯著減小累積測量誤差。

(3) 安裝于傾斜平面上的舾裝件的定位。例如拱形上甲板上的舾裝件，如圖5所示。受甲板坡度的影響，沿坡度測量ΔL較容易，測量ΔY較困難，易產(chǎn)生安裝誤差。借助全站儀則可較好地解決這個問題。

圖5 傾斜平面上的舾裝件的定位示例

2.2 高精度測量

船上某些系統(tǒng)和設(shè)備對安裝施工有較高的精度要求，誤差單位往往比1 mm低1～2 個量級[2]，同時兼有施工空間跨度大的特點(diǎn)，導(dǎo)致測量過程中操作步驟多、耗時長、效率低。隨著激光測量技術(shù)的發(fā)展，一些高精度自動化激光測量儀器的出現(xiàn)，較好地解決了這些問題。

2.2.1 同軸度測量

同軸度測量的典型應(yīng)用場合是推進(jìn)軸系的找中。找中的目的在于將軸系上的需對中部件，如各中間軸承中心、主機(jī)飛輪中心，尤其是尾軸管中心的目標(biāo)位置，調(diào)整到設(shè)定的理論軸線上。找中精度涉及推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和船舶安全，要求較高。找中一般采用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡，先將其調(diào)整到理論軸線上并固定，再通過目鏡觀測，逐一將軸線上其他各控制點(diǎn)對應(yīng)的光靶中心調(diào)整至與目鏡十字分劃中心重合。上述操作的困難在于：準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡須反復(fù)調(diào)整，才能達(dá)到同時與首、尾基準(zhǔn)點(diǎn)重合；準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡十字分劃本身有寬度，在調(diào)整與基準(zhǔn)點(diǎn)和目標(biāo)光靶重合時，易產(chǎn)生觀測誤差，在軸系長度較長時，這一點(diǎn)表現(xiàn)得更為明顯。絕對激光跟蹤儀可較好地承擔(dān)起軸系找中的任務(wù)，同時避免上述缺陷。該裝置的原理與全站儀基本相同，但完全脫離目測操作，依靠激光主機(jī)對配合反射目標(biāo)(反射鏡)的跟蹤測量完成各類測量任務(wù)，精度更高。以軸系找中為例，如圖6所示。將跟蹤儀固定至對整個軸線可視的位置(無須在軸線上)，先依次將反射鏡放置在首尾基準(zhǔn)靶上，將兩個基準(zhǔn)靶位置采集到主機(jī)中，并在軟件中生成坐標(biāo)系和軸線；再將反射鏡依次放置在其他需對中位置(D1，D2，D3，…，Dn)，采集對中靶坐標(biāo)，根據(jù)屏幕反饋的偏差值將其逐步調(diào)整至軸線上，直至滿足找中要求。操作過程精確高效，誤差在規(guī)定范圍(0.5 mm)內(nèi)[3]。對于長軸系和超長軸系(如100 m以上)船舶，對中測點(diǎn)多，軸系找中負(fù)荷大，常規(guī)目測方法望光距離遠(yuǎn)、誤差大，尤其適合采用絕對激光跟蹤儀作為測量工具。使用該儀器時，應(yīng)注意選用與測量工況匹配精度等級的反射鏡。測量距離越遠(yuǎn)、施工環(huán)境干擾越大，反射鏡精度應(yīng)越高。

圖6 絕對激光跟蹤儀軸系找中示例

2.2.2 連接軸對中

連接軸對中在船舶上較常見于主機(jī)-齒輪箱、柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組、電機(jī)-泵等。連接軸對中的好壞，對設(shè)備運(yùn)行表現(xiàn)和壽命有直接影響。常規(guī)對中方法是使用百分表，將其用懸架固定于一側(cè)軸端，隨該軸的旋轉(zhuǎn)，在對側(cè)軸的圓周表面移動，觀察百分表指示的高低起伏，從而判斷兩軸中心存在的相對位移。該方法可得出徑向偏差，但獲取兩軸的角度偏差較困難；而且懸架自身撓度對測量精度的影響隨兩軸間距的增大而增大，對人員操作的熟練程度也有較強(qiáng)的依賴。因此在進(jìn)行大軸距對中施工時，傳統(tǒng)方法的弊端就表現(xiàn)得尤為明顯。激光對中儀是完成此類任務(wù)的理想工具。激光對中儀的主要原理是，激光發(fā)射端和接收端分別通過磁性支架(及鏈條)固定于兩軸端面，互相可見，隨兩軸同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動到不同角度時，兩軸固有的相對偏移和偏折程度會反映在激光接收端的照射位置的相對偏差上。因此一般只需操作儀器停留在12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)位置，即可自動計算并在顯示終端上顯示出兩軸的偏角和徑向偏移，并相應(yīng)給出設(shè)備底腳的調(diào)整參考值，如圖7所示。激光對中儀的出現(xiàn)使得人為操作主要用于盤車和根據(jù)提示調(diào)整設(shè)備底腳，基本排除測量環(huán)節(jié)的操作誤差，精度可達(dá)μm級，是大軸徑、大軸間距部件連接軸對中的理想選擇。尤其對于主機(jī)和齒輪箱的對中，考慮到運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下齒輪箱內(nèi)部熱膨脹導(dǎo)致軸偏心的情況，在對中時須預(yù)留出熱膨脹偏移量。該數(shù)值可以輸入到對中儀，實(shí)現(xiàn)偏心對中，十分方便。

圖7 激光對中儀操作示例

2.2.3 平面度測量

某些重要設(shè)備的底座安裝精度往往影響其工作穩(wěn)定性，關(guān)系到某一系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，因此對基座(墊片)表面的平面度要求較高。船上不乏跨距長達(dá)十余米的具有機(jī)加工安裝面的大型基座，加上施工空間有限，需要小型化高精度的激光儀器，解決在狹小空間架設(shè)和大范圍測量的問題。目前已有滿足上述要求的激光平面度測量儀。該測量儀包括1臺激光主機(jī)、3個無線接收靶、1臺顯示終端，如圖8所示。主機(jī)可連續(xù)發(fā)射激光并持續(xù)360°旋轉(zhuǎn)，接收靶收到激光后即可通過顯示終端給出高度讀數(shù)。當(dāng)進(jìn)行多點(diǎn)平面度測量時，可只使用1個接收靶，保持主機(jī)固定，將第一個測點(diǎn)(C1)測得的高度設(shè)為0，然后依次進(jìn)行后續(xù)各位置(C2，C3，…，Cn)的測量，相應(yīng)顯示出的高度即為每個測點(diǎn)相對于第一點(diǎn)的高差，由此可得出整個待測平面的整體平面度情況。

圖8 激光平面度測量儀示例

當(dāng)需要對裝船設(shè)備或加工設(shè)備進(jìn)行調(diào)水平時，則利用3點(diǎn)確定一個平面的原理，同時使用3個接收靶。先將每個接收靶的本體高度調(diào)至相等，再將各靶分立于設(shè)備的特征平面的各遠(yuǎn)端，同時掃測3個靶的高度。根據(jù)3個同步讀數(shù)的相對大小判定各位置的高低水平，可有針對性地對設(shè)備特定位置底腳進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的水平。測量儀器的測量半徑達(dá)30 m，精度最高可達(dá)0.001 mm/m，架設(shè)簡便，可充分滿足船舶舾裝的精度需求。

3 結(jié) 語

激光測量儀器的出現(xiàn)顯著突破了施工空間、測量范圍、氣候條件、人員熟練程度等對舾裝測量活動施加的限制，明顯簡化了測量和數(shù)據(jù)處理過程，顯著提高了施工質(zhì)量和效率。尤其是在滿足對中、機(jī)加工平面等船舶舾裝中的高精度測量需求方面，高精度激光測量儀器起著難以替代的作用。業(yè)內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)從激光儀器的基本原理和功能出發(fā)，積極開拓激光儀器的應(yīng)用范圍，推動激光測量技術(shù)與船舶舾裝施工的深入結(jié)合，充分發(fā)揮出高技術(shù)資產(chǎn)的效益。