Теоретические основы применения лазерных тахеометров в измерительной системе, привязанной к корпусу судна

УДК 629.5.05.001:681.783.24

В. Н. Блащук, И. А. Бунов, Хоанг Шон Минь, В. Н. Лубенко

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТАХЕОМЕТРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ, ПРИВЯЗАННОЙ К КОРПУСУ СУДНА

V. N. Blashchuk, I. A. Bunov, Hoang Son Minh, V. N. Lubenko

THEORETICAL BASES OF LASER TACHEOMETERS APPLICATION IN THE MEASUREMENT SYSTEM ATTACHED TO THE HULL OF THE VESSEL

Рассматривается математическая основа пересчета системы координат с локальной (тахеометр) в объектную (судна) при измерении координат точек на корпусе судна. Приведена блок-схема проверки при сборке корпуса судна на поточной линии с использованием лазерных тахеометров. Применение бесконтактных методов измерений в корпусостроении позволяет повысить производительность труда и конкурентоспособность верфей.

Ключевые слова: тахеометр, проверка, измерительная система, объектная система координат, локальная система координат, пересчет координат.

The paper presents a mathematical basis of recalculation of coordinates system with local (tacheometer) in objective (ship) at measurement of points coordinates on the hull of the vessel. It is shown a block diagram of testing at the assembly of the hull on the production line using laser tacheometers. The use of non-contact measurement techniques in hull production can improve productivity and competitiveness of shipyards.

Key words: tacheometer, control, measurement system, object coordinate system, local coordinate system, recalculation of coordinates.

Введение

Современное мировое судостроение характеризуется переходом к более совершенным технологиям изготовления деталей и сборки узлов корпуса судна, внедрением модульного и зонального методов проектирования и строительства судов и другой морской техники.

В этих условиях все более актуальными становятся вопросы повышения точности сборки, совершенствования технологии выполнения судовых проверочных работ, обеспечения собираемости крупногабаритных корпусных и монтажных единиц.

Корпусные конструкции (секции) и корпус судна в целом могут перемещаться и наращиваться в процессе сборки с позиции на позицию. Известны способы контроля неподвижных конструкций [1] - корпусов судов, собираемых, например, на наклонных стапелях. Однако в судостроении развиты поточно-позиционные методы сборки конструкций с передвижкой их с позиции на позицию. Так собирают секции на современных поточных линиях, так собирают корпуса мелких и средних судов на конвейерных линиях. При этом необходимо обеспечить контроль положения вновь устанавливаемых конструкций по отношению к ранее установленным и собранным, составляющим проверочную базу.

Настоящая работа посвящена развитию методов контроля устанавливаемых конструкций с привязкой базы к перемещаемому объекту.

Измерение координат точек объекта тахеометром

Несовершенство средств измерений сдерживает развитие технологий и оборудования для сборки и монтажа судовых конструкций и механизмов. Основная часть трудоемкости постройки судна (в среднем 40 %) приходится на долю корпусных видов производства.

В настоящее время в измерительной технике наблюдается прорыв, связанный с созданием цифровых трехмерных измерительных станций, способных с высокой точностью и в режиме «реального времени» выдавать объемную цифровую информацию о геометрической форме крупногабаритных объектов. В практике мирового судостроения стали применяться бесконтактные методы измерения координат объектов на основе оптических измерительных систем (электронные безотражательные тахеометры, оптические электронные лазерные теодолиты,

нивелиры), обеспечивающие высокую точность и оперативность размерного контроля [2]. Примерами в разработке и серийном изготовлении оптических приборов и систем являются фирмы «Leica» (Швейцария), «Sokkia» (Япония), «Spectra-Precision» (Швеция), УОМЗ (Россия) [3]. Опыт показывает, что их использование в судостроении позволяет существенно повысить производительность труда и качество постройки судов.

Приемлемые габаритные размеры и масса электронных тахеометров, так же как и относительно невысокие цены, позволяют использовать их при выполнении разметочных и проверочных работ в сборочно-сварочном и корпусостроительном производствах. Двухосевой компенсатор постоянно контролирует положение прибора в пространстве. Конструктивная защита от попадания влаги и пыли дает возможность эксплуатировать прибор в условиях производства.

На рис. 1 в качестве примера изображен тахеометр 3Та5Р Уральского оптикомеханического завода (Россия).

Рис. 1. Внешний вид тахеометра 3Та5Р

Одна из главных частей тахеометра - визирная труба. Она закреплена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси на столе. Стол вращается вокруг вертикальной оси. Перед измерениями тахеометр устанавливают на треногу. Установленный на треногу прибор юстируют. Юстировка состоит в ориентировании оси вращающегося стола тахеометра точно в зенит. Это выполняется последовательным использованием круглого и цилиндрического уровней тахеометра. Тахеометр проводит измерения в полярной системе координат (рис. 2).

Рис. 2. Система координат, измеряемая тахеометром

Тахеометр снабжен высокоточными электронными датчиками измерений вертикального а и горизонтального ф углов. Дальность Я от точки размещения тахеометра до марки, на которую наведена визирная труба, определяется лазерным дальномером.

Тахеометр снабжен внутренним вычислительным устройством. Это устройство может пересчитывать координаты из полярной системы координат (ф, а, Я) в прямоугольную (X, У, 7).

После определения координат точек объекта судна в локальной системе координат тахеометра следует установить взаимосвязь этой системы с системой координат объекта и пересчитать измеренные координаты точек в систему координат объекта.

Объектная координатная система

Чтобы определить тахеометром локальную систему координат, его размещают в точке О (рис. 3), затем выставляются вертикальная и горизонтальные оси, которые имеют произвольные ориентирования.

Х2

Рис. 3. Схема измерения координат точек конструкций судна тахеометром

Таким образом, векторы е и Є2 (рис. 4) системы О задают горизонтальную плоскость, вектор е3 - это вертикаль.

При формировании корпуса судна на стапеле можно задать объектную систему координат следующим образом:

1) наметить на собираемом объекте ось двумя марками в точках А и В (рис. 4);

2) далее тахеометром измеряют координаты этих двух марок.

За одну из осей Х1/ (см. рис. 3) объектной системы координат принимается линия, соединяющая марки на оси судна, А и В. Через эту ось проводится вертикальная плоскость. Располагаем начало координат на одной из марок. Из начала координат проводим перпендикуляр к вертикальной плоскости. Это будет вторая ось X2 , которая лежит точно в горизонтальной плоскости.

Третью ось X3 зададим как перпендикуляр к плоскости, образованной осями X/ и X2. Отметим, что ось X1 - приблизительная вертикаль, т. е. вертикаль с точностью до той степени, с которой мы выставили в горизонтальной плоскости ось судна. Это означает, что корпус судна будет собираться без крена на бок и с легким дифферентом на нос или корму, в соответствии с профилем стапельной площадки при сборке на наклонном стапеле.

Пересчет координат из локальную системы О в объектную координатную систему О

Этот пересчет задается способом построения объектной системы координат. Ниже приведен пример построения объектной системы координат, заданной осью объекта, как описано выше.

В

X*

Имеется локальная система координат О. На построечном месте мы определяем ось АВ будущего объекта (судна) (рис. 4). В точках А и В помещаем марки и тахеометром определяем координаты точек А и В в локальной системе координат тахеометра. Координаты точек А и В в локальной системе О есть х1А, Х2А, Х3А, Х1В, Х2В, Х3В.

Рис. 4. Построение объектной системы координат

Обозначим через О связанную с судном объектную систему координат, которую мы будем строить.

Направим орт е/ системы О по оси АВ. Тогда для проекций е/ на осях е/, Є2, Є3 системы О можно записать [4]:

(е)= / 2 Х1В~Х1А 2 2 ,

(Х1В -Х1А )2 +(Х2В -Х2А )2 +(Х3В -Х3А )2

( ^ e2 ) = (el, ^3) =

x2B x2A

^

x3B x3A

x1B -x1A )2 +(x2B -x2A )2 +(x3B -x3A )2

Проведем плоскость через оси е/ и е3 .

Вспомним, что ось е3 всегда направлена строго вертикально. Ось е37 построим как лежащую в этой вертикальной плоскости перпендикулярно к оси е/ . Ось е2 будем строить как нормаль к этой плоскости.

Из рис. 4 следует:

cos a

sin a

= ^( e( • ?1) +( el • e2 ) , = ±^1 -(e1 • e1 )2 + (Є1 • *2 )2

где a - угол между e3' и e3 .

Знак «+» у корня cos a выбран потому, что вектор е/ лежит близко к горизонтальной плоскости; знак «+» у корня sin a выбираем, если х3B - х3 A > 0 , «-» - если х3B - х3 A < 0 .

Для проекций вектора е37 на оси локальной системы О можно записать:

(е3 • е3 ) = cosа = ^(е/ • e1) +(e1 • e2 ) ,

(«3 • ?2 )=-( <?/ • 62 ) tg a ,

( «3 • ei )= - ( ё/ • 6i ) tg a .

Для проекций вектора e2 на оси локальной системы O можно записать:

(е2 • е3) =0, (е2 • ^2 ) = COS р ,

(е2 • 6 ) = - sin р ,

sin b =

cos b =

где Ь - угол между е2 и е2 .

Таким образом, у нас имеются проекции всех векторов - в/, , е?, е/, е2, - друг

на друга.

Примем координаты точки А в локальной системе координат О за начало координат системы О.

Тогда координаты точки М в объектной системе х/м , х2м , х3м выражаются через координаты точкиМ в локальной системе О хм, хм, х3М (рис. 5) следующим образом:

L2 M

= 0 = ( = 0

1M

4 A

x1 M x

1M

1A

)(

)(e1 )(

x1 A )( e1 • e3 )+ ( x 2 M

e1 • el)+(x2M - x2A )(e2 • e1 )+(x3M - x3A )(^3 • ^ ) , )+(x2M - x2A )(^2 • e2 )+(x3M - x3A )(e3 • ^ ,

)(^3 • ^ ) .

)+0

C2A )(e2 • e3 ) + (x3M

x3 A П e3 • e3

M

Рис. 5. Точка М в локальной и объектной системах координат

/

Так как ось АВ параллельна, но в общем случае не совпадает с осью судна на чертеже, то, замерив координаты известной точки и сравнив их с теоретическими на чертеже, получим окончательную привязку измеряемых координат и теоретических как

НМ

2М

К3М

= Х

1М

= Х

2М

= Х

3М

где сь с2, с3 - величины сдвига по координатам в объектной системе.

В итоге фактическая модель контролируемой конструкции сопоставляется с теоретической моделью, а пересчитанные фактические координаты точек сравниваются с исходными (плазовыми) из математической модели корпуса судна по формулам:

А1 = хфакт - Х

теор

А = ХФакг _ уте°р

ІЛ2—Л2 х2

А3 = х3факт

теор

где индексы факт и теор соответствуют фактическим и плазовым данным судна.

По этим результатам, вместе с информацией о допускаемых отклонениях, формы и положения конструкций, можно сделать вывод о погрешностях изготовления или положении конструкции при формировании корпуса судна.

На рис. 6 изображена укрупненная блок-схема измерительной системы для судового кор-пусостроения на основе применения лазерных тахеометров. Эта система позволяет быстро получить данные фактически прямо на месте выполнения измерения в реальном времени.

Рис. 6. Блок-схема измерительной системы для судового корпусостроения на основе лазерных тахеометров

с

1

с

2

с

3

3

По сравнению с традиционными инструментами измерений, такими как металлические рулетки и метры, шланговые уровни, шнуровые отвесы, точность измерений существенно повышается. Имеется и ряд других преимуществ.

Заключение

Как видно из вышеизложенного, внедрение новых измерительных средств позволит повысить точность и информативность измерений и сократить время, необходимое для проверочных работ при сборке секций и корпусов судов. Результаты сравнения с традиционными методами измерений в судостроении будут получены после накопления практических данных. Но практика мирового судостроительного производства показывает, что применяемые бесконтактные методы измерения координат объектов на основе оптических измерительных систем позволяют повысить производительность труда и конкурентоспособность верфей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Изаренков О. В. Совершенствование методов проверочных работ на основе применения оптикоэлектронных измерительных приборов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.08.04. - СПб., 1999. - 23 с.

2. Логачев С. И., Чугунов В. В., Горин Е. А. Мировое судостроение: современное состояние и перспективы развития. - СПб.: МорВест, 2009. - 544 с.

3. Гаврилюк Л. П. Инновационные метрологические решения в судостроении // Вестн. технологии судостроения и судоремонта. - 2009. - № 17. - С. 102-105.

4. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры: учеб. для вузов. -М.: Физматлит, 2005. - 304 с.

Статья поступила в редакцию 29.06.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Блащук Владимир Николаевич - ООО «КНРГ-управление», Астрахань; канд. физ.-мат. наук; зам. директора по инжинирингу - управляющий директор; тел.: 8 906 455 29 92.

Blashchuk Vladimir Nickolaevich - "CNRG-Management" LLC, Astrakhan; Candidate of Physical-Mathematical Science; Deputy Director in Engineering - Managing Director; tel. 8 906 455 29 92.

Бунов Игорь Анатольевич - ООО «КНРГ-проекты», Астрахань, Центральная служба качества; инспектор контроля качества; тел.: 8 905 360 83 83.

Bunov Igor Anatolievich - "CNRG-Projects" LLC, Astrakhan, Central Office of Quality; Quality Control Inspector; tel. 8 905 360 83 83.

Хоанг Шон Минь - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; тел.: 8 (8512) 614-166.

Hoang Son Minh - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Sea Technological Equipment"; tel. 8 (8512) 614-166.

Лубенко Владимир Николаевич — Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; тел.: 8 (8512) 614-190.

Lubenko Vladimir Nickolaevich — Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Sea Technological Equipment"; tel. 8 (8512) 614-190.