石 勇，邢維升，王俊翔，池洪鵬

（1. 海軍裝備部沈陽局駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116041；2. 大連遼南船廠，遼寧 大連 116041）

0 引言

螺旋槳為船舶航行提供推力，是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。由于使用環(huán)境惡劣，在服役過程中需要定期對螺旋槳進(jìn)行檢查和修理。為了保證螺旋槳的制造和修理質(zhì)量，國家發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12916—2010《船用金屬螺旋槳技術(shù)條件》，對螺旋槳尺寸精度進(jìn)行了規(guī)范，螺旋槳槳葉的螺距是其中最重要的指標(biāo)之一。方便準(zhǔn)確地測量螺旋槳槳葉螺距，對于控制螺旋槳質(zhì)量具有重要意義。

目前，螺旋槳槳葉螺距一般是通過測量槳葉片測點相對槳軸位置坐標(biāo)進(jìn)行計算得到的，螺距規(guī)是常用的測量設(shè)備。螺距規(guī)采用極柱坐標(biāo)，極柱固定在被測槳軸中心，通過旋轉(zhuǎn)來測量角度，并通過水平標(biāo)尺和垂直標(biāo)尺來測量水平距離和垂直距離。螺距規(guī)利用旋轉(zhuǎn)軸系、懸臂梁式橫臂和滑動架來支撐和移動測桿、測量頭對槳葉不同截面進(jìn)行測量。該方法傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，配合精度要求高，制造難度大，而且使用一段時間后會因磨損引起測量誤差，所以對設(shè)備保養(yǎng)和校準(zhǔn)工作要求較高。

作為總裝造船廠或修船廠，要建立滿足精度要求的螺距規(guī)測量系統(tǒng)[1-2]難度很大。目前通常返回原螺旋槳生產(chǎn)廠家進(jìn)行螺距測量，費用較高，且周期較長，嚴(yán)重制約了現(xiàn)場修理工作。隨著三維激光測量技術(shù)的普及推廣，螺旋槳螺距三維激光測量技術(shù)成為可能[3-4]。本文利用全站儀進(jìn)行螺旋槳槳葉坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，通過三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到螺距計算所需數(shù)據(jù)，并通過與傳統(tǒng)螺距規(guī)測量結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了該方法的有效性。

1 全站儀測量系統(tǒng)及相關(guān)要求

全站儀測量螺距的主要流程見圖1。

圖1 螺旋槳螺距測量流程圖

全站儀測量螺距的主要測量設(shè)備為1臺全站儀，全站儀測量精度要求應(yīng)不大于1 in（1 in＝2.54 cm）；測量過程中，儀器水平度X和Y應(yīng)調(diào)整至10 in以下，測量模式設(shè)置為斜平改正。操作人員須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，考試合格后方可上崗。

測量工作一般在室內(nèi)進(jìn)行，且測量場地寬敞干凈，無振動等不良因素干擾。應(yīng)設(shè)置螺距測量平臺，平臺須牢固，測量施工范圍內(nèi)的平臺水平度偏差應(yīng)不大于3 mm。測量前，將全站儀和螺旋槳牢固地放置在平臺上，螺旋槳槳轂端面保持水平，槳轂端面的水平度偏差應(yīng)不大于1 mm，測量過程中，螺旋槳及全站儀不允許發(fā)生位置變化。

為提高測量效率，可采用輔助角度和半徑劃線工具，在槳葉上粗劃出不同測量位置的半徑和角度線作為全站儀測量位置參考點。

2 螺旋槳各測量點坐標(biāo)采集

2.1 全站儀架設(shè)與初始坐標(biāo)系建立

將全站儀架設(shè)在被測槳的側(cè)上方，保證全站儀激光可以照射到被測槳的槳轂端面和槳葉。在平臺上選取2點建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系，形成沿直測量基準(zhǔn)，2點位置應(yīng)在螺旋槳的外側(cè)，其中1點設(shè)置在槳葉靠近全站儀的一側(cè)（與全站儀鏡頭距離應(yīng)大于2 m），另1點設(shè)置在槳葉遠(yuǎn)離全站儀的一側(cè)，保證2個點間的距離大于待測螺旋槳直徑。坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，Z軸垂直向上。

2.2 槳轂端面圓心坐標(biāo)獲取

采集槳轂內(nèi)圓加工面與槳轂上端面交線處任意3點坐標(biāo)擬合出槳轂端面圓心，3個測量點位置盡量在圓周上均勻分布，將槳轂端面圓心作為原點，建立柱坐標(biāo)系，圓柱坐標(biāo)系Z軸垂直向上，r取螺旋槳半徑方向。

2.3 槳葉各測量坐標(biāo)采集

將反射靶片放置在由劃線工具事先劃出的參考點位置，利用全站儀采集各參考點坐標(biāo)，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將該點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以槳轂端面圓心為原點的柱坐標(biāo)系下坐標(biāo)，比較測點坐標(biāo)與理論位置的偏差：當(dāng)半徑距離偏差值不大于1 mm，且角度偏差不大于0.1°時（起始點僅考慮距離偏差），在全站儀中保存該點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并用劃針在槳葉對應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記；此標(biāo)記點為準(zhǔn)確管理點位置，若超出偏差要求，則將反射靶片沿相應(yīng)方向調(diào)整，并重新測量。在反射靶片調(diào)整過程中，為快速、準(zhǔn)確找到管理點，應(yīng)先調(diào)整水平夾角，再調(diào)整水平距離。

根據(jù)以上方法依次測量、修正每個槳葉不同比例半徑、不同角度處測量點坐標(biāo)，保存有效測量數(shù)據(jù)，并在槳葉相應(yīng)位置用劃針進(jìn)行標(biāo)記。測量過程見圖2。

圖2 全站儀螺旋槳螺距測量布置圖

3 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

將全站儀測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入“EcoBlock”數(shù)據(jù)分析軟件中，將基礎(chǔ)坐標(biāo)系下各測點坐標(biāo)P(x,y,z)轉(zhuǎn)化為以槳轂端面圓心為原點的坐標(biāo)系下坐標(biāo)(r,θ,Z)，見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換幾何模型示意圖

基本原理如式（1）～式（3）：

式中：r1為螺旋槳某截面半徑；x0、y0和z0分別為槳轂端面圓心坐標(biāo)；x1、y1和z1為螺旋槳截面上一點的坐標(biāo)；θ水平為螺旋槳截面上2點p1、p2分別與槳轂中心連線間的水平夾角；P1P2水平為螺旋槳截面上兩點p1和p2距離在水平方向的投影。

利用余弦定理可得：

4 螺距計算方法

將全部測量點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到以槳轂端面圓心為原點的坐標(biāo)系后，計算兩測點間的水平角度θ水平和垂直坐標(biāo)差值ΔZ，根據(jù)螺旋槳局部螺距Ps計算為

式中：Ps為螺旋槳截面上兩點的局部螺距；ΔZ為螺旋槳同一截面上兩點垂向坐標(biāo)差值。

5 測量精度分析及驗證

為驗證螺距三維測量數(shù)據(jù)有效性，選取某船螺旋槳進(jìn)行實際測量，并將三維激光（全站儀）螺距測量結(jié)果與螺距規(guī)測量結(jié)果進(jìn)行對比。對其中一個槳葉在0.6r、0.7r、0.8r和0.9r位置處進(jìn)行了測量，每個半徑處在弧長20%～90%處測量8個點，共測量32個點，選取典型測量位置包括不同半徑、不同角度的測量值列表，見表1。

表1 三維激光螺距測量結(jié)果與螺距規(guī)測量結(jié)果對比表

三維激光測量值與螺距規(guī)測量值最大差值為?0.16 mm，最小差值為0.01 mm，平均差值為0.012 mm，滿足GB/T 12916—2010《船用金屬螺旋槳技術(shù)條件》中“各種測量工具允許的最大誤差，不應(yīng)超過被測螺旋槳幾何尺寸或被測量的公差的1/2，或者在尺寸測量時，大、中型螺旋槳不超過0.5 mm，小型螺旋槳不超過0.25 mm，兩者選用大值?！钡臏y量工具精度要求。

6 結(jié)論

螺旋槳螺距三維激光測量方法的精度達(dá)到了與標(biāo)準(zhǔn)螺距規(guī)相當(dāng)?shù)乃?，可以滿足船舶修理過程中各種定距螺旋槳、可調(diào)距螺旋槳的螺距測量要求。

螺旋槳螺距三維激光測量方法，測量裝置簡單，設(shè)備保養(yǎng)方便，經(jīng)濟(jì)性好，但存在找點速度較慢的缺點，是后續(xù)研究改進(jìn)的方向。