型钢成形后的精度检测方法

罗萍萍，俞 峰，张国新，朱 军

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引言

船体形状主要由肋骨线型决定，因此肋骨加工成形质量直接影响船体建造质量[1]。目前在船体建造过程中，钢板弯曲加工之前的船体设计、放样、展开、号料和切割等工作均已实现数字化，后续的装配和焊接工作也已基本实现机械化和流水线化，只有船体外板的成形加工和检测工作仍依靠手工完成[2]，这逐渐成为了制约船体建造效率的“瓶颈”。对于型钢成形之后的测量，目前采用的方法主要有逆直线法和铁样检验法2种，即根据线型制作铁样人工目测对样[3]。这些方法操作繁琐，对工人的技术水平要求较高。由于人为影响较大，检测效率较低，精度难以控制，加上制作的铁样数量较多，占地面积较大，不易保存（见图1），有必要对型钢成形之后的精度检测方法进行深入研究，突破技术壁垒，逐步淘汰传统的人工检测方法。

图1 型钢成形精度检测存在的问题

1 型钢成形之后的精度检测方法

开发一种型钢加工成形之后可替代传统铁样的智能检测系统，对其关键技术进行研究。

1.1 2种精度检测方法及其对比分析

针对型钢成形之后的精度检测提出2种方法，并对这2种方法进行分析对比，由现场作业人员综合打分，最终选出最佳的检测方法。

1.1.1 活络样条检测技术

铁样检测技术是目前船厂普遍采用的传统测量方法，在铁样使用周期内，需经过设计、切割下料、样条制作和型材加工等阶段。

1) 在设计阶段，首先由放样人员根据船体型线图对需加工的型材进行铁样绘制，标注前后型钢端部的具体位置；接着由套料设计人员收集铁样加工图形，根据具体钢板的长度制订套料方案；最后形成切割版图和切割指令，供车间下料使用。

2) 在切割下料阶段，作业人员收到切割指令之后，根据下料设计图纸，利用切割机的锌粉划线功能在钢板上喷印，并标注件号、方向和位置等工艺信息。

3) 在样条制作阶段，作业人员根据钢板上的划线位置，使用铁样进行排版和敲样，并在铁样上标注件号和具体位置。

4) 在型材加工阶段，作业人员对贴合加工铁样之后形成的型钢进行比对，在型钢上标注误差值，进行加工之后的二次修正。

为简化传统铁样的制造和检验步骤，提出一种新的设想，即开发一种新型活络样条，以避免制作铁样的过程，具体如下：

1) 在设计阶段，放样人员根据船体型线图对需加工的型材进行绘制，标注前后型钢端部的具体位置。根据指定的间距提供调形用的高度数据，形成列表清单。

2) 在加工阶段，作业人员根据数据报表对活络样条进行调形和加固（见图2）。同时，使样条与型钢紧密贴合，并标注误差值，指导后期完成二次修正。

图2 活络样条设想

该方法的优点是能避免制作铁样时划线和敲样的过程。同时，活络样条可反复使用，占用空间较小，存放方便。

1.1.2 智能检测系统方法

以工装设备的“智能化”为研究思路，开发一种新型自适应式智能感知装置，可自动导入TRIBON和CATIA等船体设计的型钢加工三维点阵数据。通过无接触式测量方法，实时获取被测型材表面的三维数据，并进行三维样条拟合。最后，通过三维线型对比计算出误差值，形成列表供作业人员修正使用（见图3）。

图3 智能检测系统设想

1.1.3 2种方法对比

为解决智能化、实用化和简单化等方面的问题，对2种方法进行对比，结果见表1。

表1 方案对比

从技术可行性、经济合理性和可操作性等方面对这2种方法进行分析可知，开发智能检测系统的方法更可行。

1.2 智能检测系统总体设计方案

目前的检测手段比较多，如接触式测量技术、三维扫描技术、视觉成像测量技术和激光测距技术等[4]。这些检测手段需提供一定的场景，面对不同的测量对象有不同的局限性。

在型钢加工成形之后的精度检测中，现场环境比较复杂，油、烟、振动对检测系统的可靠性和稳定性有很大影响[5]。通过对比多种方法，认为光学检测方法具有精度高、分辨率高和抗干扰能力强等优点，满足船厂的实际使用要求。

这里提出一种激光测距与实时跟踪反馈相结合的数字化检测方案。该方案的原理是模拟传统手工测量过程，采用激光测距跟踪仪跟踪移动靶标，快速获取被测型钢的成形数据。随后，将采集的一系列离散点的三维坐标经过三维坐标转换，与理论型钢型线的数据相匹配，最终计算出成形偏差值。

1.3 智能检测系统的组成

型钢成形之后的精度检测系统主要由硬件系统和软件系统组成，其中硬件系统包括激光测距仪和移动小车。

1) 激光测距仪定时返回靶球的三维坐标。

2) 移动小车是测量系统中的靶球载体，具有吸附型钢和夹持机构，能使小车沿着型钢腹板边缘线稳定行走；同时，具有转向装置，能保证靶球实时朝向激光测距仪镜头，进而实现对完整型钢的测量。

测量系统整体布局见图4，主要包括激光测距仪（记录移动靶标的位置）、计算机系统（存储与分析数据）、移动靶标（形成被测物体的型值）和被测型钢（形式可以是球扁钢、角钢和双球头球扁钢等）。

图4 测量系统整体布局

1.4 智能检测系统的软件功能设计

为实现操作简单和实用的目标，在软件设计中，主要为智能检测系统设计扫描控制、模型数据接口、点云线型配准及偏差计算等功能模块。肋骨成形检测软件工作流程图见图5。

图5 肋骨成形检测软件工作流程图

1.4.1 扫描控制

该模块能实现激光测距仪的主要功能和控制指令，包括激光测距仪的开启和关闭、激光的开启和关闭、激光测距仪的转角控制、跟踪模式的切换和测量模式的选择等；同时，能实现对测量数据的实时存储与共享，便于操作人员进行跟踪测量和获取数据。

1.4.2 模型数据接口

该模块能识别TRIBON或CATIA设计软件提供的型钢的三维点阵数据，通过数据接口将型钢的理论线型导入系统理论曲线库，若数据库中已保存该理论线，则直接从数据库中读取型钢的理论曲线。

1.4.3 点云线型配准

为达到快捷的目标，采用改良的迭代最近点（Iterative Closest Point, ICP）算法提高数据匹配速度。同时，设计良好的用户交互界面，用户可在界面中对扫描点云和测量点云进行2种形式的配准，即粗匹配和精匹配（见图6）。在使用粗匹配功能时，系统会自动选择数据模型的质心和模型的终止标识点，进行空间二维曲线的粗配准重合[6]。在使用精匹配功能时，系统提供配准微调控制功能，主要针对粗配准的微调控制，包括测量点云的平移微调和旋转调整，微调控制的平移方向分别是±x方向和±y方向，微调控制模块位于软件主界面的“配准微调”控制面板的上方，微调控制操作面板中包含平移步长设置、角度值设置、测量点云平移（上、下、左、右）按钮及顺时针和逆时针功能按钮。

图6 匹配之后的显示结果

1.4.4 偏差计算

在完成理论点云和测量点云配准之后，通过偏差计算功能求解测量点云在xOy面的投影点云的y坐标值与理论曲线在xOy平面的投影曲线的y坐标值的差值Δy，Δy为高度偏差；求解测量点云在xOz平面的投影点云的z坐标值与理论曲线在xOz平面的投影曲线的z坐标值的差值Δz，Δz为扭曲偏差。

完成偏差计算之后，测量点云以色斑图的形式显示，在场景中有以颜色表示偏差的指示条。此外，高度偏差和扭曲偏差均以数据形式显示在表格中。作业人员可根据表格中具体的偏差位置对型钢进行二次修正。

1.5 系统应用和效果

为验证系统的可靠性和分析结论的准确性，以实船产品为研究载体，对多种类型、多种规格的型钢成形之后的精度检测进行试验。通过不断对设备进行优化和改进，消除振动和烟雾等因素的影响，目前已在角钢、球扁钢和双球头球扁钢等型材上进行测试应用。作业过程简单、可靠，实测数据的检测精度均达到±1mm，符合生产建造各项精度检验指标的要求（见表2）。该方法能取代传统的人工检测方式，使型钢成形之后的精度检测逐步实现数字化、智能化。

表2 检测精度数据评估

2 结 语

本文提出的船舶型钢成形之后的智能检测系统能解决型钢测量精度低、制作成本高、劳动负荷大和占用地多等实际问题。系统的成功应用能有效提高型钢成形之后的检测效率。以一个分段的50根型钢铁样为例，以往从设计到制造需花费2周的时间，现在采用智能检测系统仅需1～2d，工时节约效果显著。

在数据管理方面，智能检测系统测量的所有数据都是以数字的形式呈现的，整个测量过程有依可循、有据可查，检测结果直观、可靠。在经济效益提升方面，智能检测系统可重复利用，与以往手工制作铁样对比，不仅能节约人力成本，而且能节省大量的材料成本，达到降本增效的目的。在科技进步方面，攻克了数模匹配和自动跟踪等关键技术，研制的智能检测系统能实现从人工判断向智能化数字化驱动的转型，促进型钢成形测量技术的快速发展，为绿色造船提供有利的技术基础。