船舶長軸系對中激光數(shù)顯技術(shù)與應(yīng)用

謝桂芬, 張 峰, 魯鳳蓮

(1.威海職業(yè)學(xué)院 交通工程系， 山東 威海 264200；2.大連海事大學(xué)， 遼寧 大連116026)

船舶長軸系對中激光數(shù)顯技術(shù)與應(yīng)用

謝桂芬1,2, 張 峰1, 魯鳳蓮2

(1.威海職業(yè)學(xué)院 交通工程系， 山東 威海 264200；2.大連海事大學(xué)， 遼寧 大連116026)

為解決船舶長軸系拉線法對中準(zhǔn)直性差的問題，減少常規(guī)船舶軸系激光對中人工測量造成的誤差，通過模擬船舶軸系對中系統(tǒng)試驗(yàn)，對激光準(zhǔn)直儀、數(shù)字接收光靶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與圖像識(shí)別處理軟件進(jìn)行組合應(yīng)用，形成高效精確的軸系對中激光數(shù)顯檢測系統(tǒng)，從而提高船舶軸系定位對中精度。

船舶長軸系；定位精度；數(shù)顯系統(tǒng)

0 前言

船舶軸系是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分,其定位對中精度對確保軸系長期正常的運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。針對船舶長軸系對中拉線法準(zhǔn)直性差、常規(guī)光學(xué)法人工測量誤差大等問題，對船舶軸系對中激光數(shù)顯檢測技術(shù)進(jìn)行研究。經(jīng)多年的研究實(shí)踐，成功研制了一套船舶軸系對中激光數(shù)顯系統(tǒng)，并應(yīng)用于修造船廠及教學(xué)中。該系統(tǒng)可以簡化船舶軸系定位對中檢測數(shù)據(jù)并提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度并縮短軸系定位時(shí)間，從而提高修造船質(zhì)量和效率。

目前國內(nèi)外船舶修造企業(yè)對船舶軸系理論中心線的確定方法有拉線法和光學(xué)法兩種。拉線法是一種用直徑為0.5～1.0 mm的鋼絲通過動(dòng)力裝置首、尾基點(diǎn)來確定動(dòng)力裝置理論中心線的原始方法[1]。其通常用于船舶軸系長度小于15 m時(shí)。當(dāng)軸系長度大于15 m時(shí)，拉線法確定理論中心線。由于受重力的影響，鋼絲在距首、尾基點(diǎn)的各處存在撓度，各支承點(diǎn)的理論中心需要用撓度公式計(jì)算后通過劃線的方法求得。工人操作時(shí)，拉線法容易受到呼吸、風(fēng)吹和振動(dòng)的影響。因此，確定各支承點(diǎn)理論中心的正確位置與工人的熟練程度、經(jīng)驗(yàn)有極大的關(guān)系。拉線法確定船舶軸系理論中心線其準(zhǔn)直性較差[2]。而在光學(xué)法對中過程中，人工測量常常會(huì)造成很大誤差。

1 激光定位原理

船舶軸系激光定位原理圖如圖1所示。

(1) A-B為激光束，是船舶軸系理論中心線；

圖1 船舶軸系激光定位原理

(2) 5為激光儀的安裝點(diǎn)，即船舶舵系與軸系理論中心線的交點(diǎn)；

(3) 1為船舶主機(jī)輸出法蘭、機(jī)體，可根據(jù)軸線的要求對柴油機(jī)進(jìn)行曲折和位移的微調(diào)；

(4) 根據(jù)軸線理論中心線調(diào)整2，3，4，6，7，8模擬船舶軸承支點(diǎn)，使支點(diǎn)各中心同軸。

2 船舶軸系定位激光數(shù)顯技術(shù)

威海職業(yè)學(xué)院與大連拉特激光技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)了一套包括激光準(zhǔn)直儀、數(shù)字接收光靶、數(shù)據(jù)采集與圖像識(shí)別處理軟件的船舶軸系定位激光數(shù)顯測量系統(tǒng)。

船舶軸系定位激光數(shù)顯系統(tǒng)主要由平板液晶一體機(jī)、激光光源、光源支架、軸承支點(diǎn)、數(shù)字接收靶、固定支架、模擬機(jī)架等部分組成，如圖2所示。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖2 船舶軸系激光定位數(shù)顯系統(tǒng)

圖3 激光數(shù)顯系統(tǒng)工作流程

3 船舶軸系激光定位數(shù)顯系統(tǒng)設(shè)備

(1) 激光準(zhǔn)直儀。激光準(zhǔn)直儀如圖4所示。激光準(zhǔn)直儀角度調(diào)整選用球鉸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，因此也不存在應(yīng)力釋放時(shí)產(chǎn)生的漂移[3]。在激光準(zhǔn)直儀的光學(xué)系統(tǒng)中采用了空間位相調(diào)制器，該光學(xué)定位系統(tǒng)的空間位相調(diào)制器使測量過程中不需要調(diào)焦，實(shí)現(xiàn)了全程無調(diào)焦運(yùn)行差，保證了激光儀所提供的是一條清晰度高且易于分辨的激光光束。在長距離測量時(shí)光斑是環(huán)柵結(jié)構(gòu)，光斑的圖像清晰、易于分辨，保證了激光光束軸心的識(shí)別精度[4]。

圖4 激光準(zhǔn)直儀

(2) 接收光靶。數(shù)字化接收光靶如圖5所示。系統(tǒng)的接收光靶對入射光進(jìn)行了嚴(yán)格處理，將雜光、 散射光的影響減低到最低限度[5]，以保證提供給CMOS攝像機(jī)的是能夠識(shí)別的激光圖像。接收光靶的關(guān)鍵部件是高分辨率的CMOS攝像機(jī)等，CMOS是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，一種晶體管放在硅塊上的技術(shù)。CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對于高幀攝像機(jī)非常有用，高幀速度能達(dá)到400～2 000幀/s，可以保證整個(gè)系統(tǒng)的精度。數(shù)字接收光靶可以將采集到的激光圖像傳輸至計(jì)算機(jī)。

圖5 數(shù)字化接收光靶

(3) 模擬船舶軸系對中檢測系統(tǒng)裝置。模擬船舶軸系對中檢測系統(tǒng)裝置圖如圖6所示。

圖6 模擬船舶軸系對中檢測系統(tǒng)裝置圖

(4) 圖像識(shí)別與數(shù)據(jù)采集處理軟件。激光光斑結(jié)構(gòu)在整個(gè)光程的不同位置都有一定變化，圖像識(shí)別軟件對整個(gè)光程中不同結(jié)構(gòu)的激光光斑圖像進(jìn)行識(shí)別和處理，最終提供一份能準(zhǔn)確描述軸系沿線各軸頸中心相對于艏、艉或機(jī)、艉基準(zhǔn)線的空間位置坐標(biāo)圖及幾何圖像中心的坐標(biāo)值[6]。測量值可直接通過屏幕顯示、打印機(jī)打印或直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。

4 船舶軸系對中激光數(shù)顯系統(tǒng)的應(yīng)用

(1) 船舶軸系理論中心線技術(shù)要求與調(diào)整。① 輸出軸法蘭與理論中心線(即光束)的垂直度X≤0.5 mm/m，Y≤0.5 mm/m。② 中間軸承中心與理論中心線偏差小于0.20 mm，且兩個(gè)測量點(diǎn)偏差方向相同。③ 艉軸管填料盒中心與理論中心線偏差小于0.30 mm。④ 各軸承中心允許偏差0.5 mm[7]。

(2) 激光數(shù)顯系統(tǒng)的應(yīng)用。當(dāng)用接收光靶(數(shù)字測量光靶)測量軸頸中心點(diǎn)時(shí)，測量軟件通過反饋光靶處于軸頸圓弧3個(gè)不同位置時(shí)激光束中心的測值，計(jì)算出軸頸中心點(diǎn)在該測量斷面中心的位置，并將內(nèi)部參考系坐標(biāo)值換算成外部參考系坐標(biāo)值。

由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)測量中間點(diǎn)橫向和縱向偏差值，直接輸出各點(diǎn)參數(shù)，數(shù)值和圖形直接顯示(如用于教學(xué)可連接一體機(jī)，數(shù)值和圖形直接顯示在平板液晶一體機(jī)屏幕上[8])，滿足數(shù)字化造船精度控制要求。圖7為圖像識(shí)別與數(shù)據(jù)采集處理軟件應(yīng)用界面。

船舶軸系對中激光數(shù)顯系統(tǒng)摒棄落后的傳統(tǒng)工藝，使用高效、精確的定位檢測設(shè)備，能夠大幅減少不良對中帶來的不良震動(dòng)，避免產(chǎn)生異常載荷使設(shè)備過早失效[9]，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景，將運(yùn)用于船舶類院校的實(shí)踐教學(xué)及對船廠職工的培訓(xùn)中，有著很強(qiáng)的實(shí)用性和市場開發(fā)前景。該對中激光數(shù)顯系統(tǒng)已成功應(yīng)用于威海職業(yè)學(xué)院船舶軸系對中實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，并多次對威海地區(qū)船舶企業(yè)員工進(jìn)行培訓(xùn)，效果良好。

圖7 圖像識(shí)別與數(shù)據(jù)采集處理軟件應(yīng)用界面

[1] 王禮卿. 船舶軸系對中探討[J].機(jī)電技術(shù)，2008，31(3):66-69.

[2] 孫樹德. 船舶軸系校中狀態(tài)及軸心軌跡的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

[3] 周中亮,周冰,何永強(qiáng),等. 成像型激光探測系統(tǒng)中光斑精確定位方法研究[J]. 激光技術(shù),2008(3):248-251.

[4] 劉鵬,高立民,樂開端. 應(yīng)用于鐵軌平直度檢測的激光測量系統(tǒng)的研究[J]. 激光技術(shù),2009(6):575-578.

[5] 王杰飛,劉潔瑜,趙晗,等. 一種改進(jìn)的激光光斑中心亞像素定位方法[J]. 激光技術(shù),2015(4):476-479.

[6] 王建政，張文平，曹貽鵬，等.船舶軸系校中工藝流程探究[J].船舶工程，2011，33(6)：77-79.

[7] 楊勇.船舶軸系校中技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[8] 趙秀忠.船舶推進(jìn)軸系安裝與校中的分析研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[9] 陳紹綱.輪機(jī)工程手冊[M].北京：人民交通出版社，1992.

Application of Ship’s Shafting Laser Positioning Display Technology on Shipbuilding

XIE Guifen1，2, ZHANG Feng1, LU Fenglian2

(1.Weihai Vocational College, Shipbuilding Department，Weihai 264200， Shandong, China; 2.Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning， China)

In order to improve ship shafting straightness and reduce the error of manual measurement when using laser method, methods of improving the shafting precision to simulate the ship's shafting,coordination and integration of laser collimator, digit light target,data acquisition and image recognition processing software are provided, and the high accuracy laser positioning system is formed.

ship shafting; positioning precision; digit system

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：J10LD73)。

謝桂芬(1973-)，女，高級工程師，研究方向?yàn)榇皺C(jī)械工程，輪機(jī)工程。

U664

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