关于船体架设阶段分段定位度量系统的研究外文翻译资料

 2022-07-29 15:38:46

J Mar Sci Technol (2002) 6:158–167

Studies on the block positioning metrics system for

the hull erection stage

Shoji Takechi, Kazuhiro Aoyama, and Toshiharu Nomoto

Department of Environmental and Ocean Engineering, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku,

Tokyo 113-8656, Japan

Abstract: In ship hull production, the accuracy of manage-

ment activities is extremely important. The block positioning

operation in the erection stage is a key process in such man-

agement. The quality of the block positioning determines not

only the accuracy of the final hull, but also the productivity

and cost at the erection stage. We have previously proposed

the basic concepts of computer-aided accuracy management.

Accuracy management activities consist of “accuracy planning

activities” and “accuracy measurement activities.” Accuracy

measurement activities involve checking and coping with

inaccuracy. We have also proposed a system of accuracy

measurement metrics: one is accuracy for completion (e.g.,

straightness, flatness), and the other is accuracy for construc-

tion (e.g., the relative joint shapes of each part). This paper

explains the detailed accuracy metrics for a block positioning

operation in the erection stage. The quality of the block posi-

tioning operation is estimated by this system: the accuracy

of the completed hull can be evaluated by the concept of

tolerance, and the accuracy of the construction process can be

evaluated by the concept of labor costs. The prototype of this

accuracy metrics system is then implemented. This metrics

system is combined with the optimization software program

iSIGHT to decide the best block positioning process. Then

some examples of the block position optimizing process are

shown.

order to cut down costs and to utilize automatic weld-

ing machines. Modern measurement and computer

technologies are highly developed. The fundamental

concept of computer-supported accuracy management,

based on such technologies, was explained previously.

Many other research activities are now executed based

on this concept.

1

2

The block positioning operations in the block erec-

tion stage not only determine the final quality of the hull

form, but also have a large impact on the productivity

and cost of subsequent operations. In other words, the

block positioning operation is the key process in the

accuracy management of hull construction. It requires

at least 10 years training to become a skillful block

positioning technician. The transfer of block positioning

skills to the next generation is becoming a serious prob-

lem, because the present skillful technicians are aging,

and the younger generation generally tend to prefer not

to work in heavy industry. Moreover, it is necessary to

increase the production of each shipyard because of the

severe global competition in the shipbuilding industry.

The production process of block positioning is one of

the main bottlenecks in attempts to increase of amount

of construction. One example is “Tsurigime,” i.e., the

positioning of a curved block which is supported by a

crane throughout the operation. If the operation time

could be shortened by improved accuracy, the produc-

tivity of the shipyard could be greatly increased.

Key words: Accuracy management · Engineering knowledge

· Positioning · Metrics · Optimization

Owing to the progress of recent measurement tech-

nology, it is easily possible to measure a 10-m hull block

to accuracy of 1mm. Moreover, developments in com-

puter technology such as measurement data processing,

simulations based on computer analysis, and the optimi-

1 Introduction

In recent years, hull accuracy management has been

regarded as an important production technology in

zation of the block positioning operation, etc., will help

3

in the modernization of the block positioning process.

As mentioned above, implementing a computer-

aided block positioning system as part of the develop-

ment of a new accuracy management system has many

practical advantages. In this paper, the concept of an

Address correspondence to: S. Takechi

Updated from the Japanese original which won the 2001

SNAJ prize (J Soc Nav Archit Jpn; 188: 399–408).

Received: November 2, 2001 / Accepted: December 6, 2001

S. Takechi et al.: Positioning metrics

159

accuracy management system is proposed based on the

condition that accurate three-dimensional geometric

measurements are achieved. The construction of a

block position support system based on evaluation

metrics is discribed.

by the heat of the sun, by the force of gravity when the

block changes its position, and as a result of welding,

etc. A skillful positioning technician needs to evaluate

many items and to judge their combined effect.

2.2 Accuracy tolerance and accuracy management

2 Block positioning operation and

accuracy management

Accuracy tolerance is a typical accuracy management

concept in any mass-production system such as the

mechanical engineering industries. The target of accu-

6

2.1 Block positioning operation

racy tolerance in mechanical engineering is grouped

roughly i

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关于船体架设阶段分段定位度量系统的研究

摘要：

在船体生产中，管理活动的准确性极为重要。在架设阶段，分段定位的操作是管理中一个关键的过程。分段定位的质量不仅决定最终船体的精度，也决定着在架设阶段的生产效率和成本。我们之前提出过计算机辅助精度管理的基本概念。精度管理活动包括“精度规划活动”和“精确度测量活动”。精度测量活动涉及校核和解决不满足精度要求的地方。我们还提出了一个精度测量的度量系统：一个是完成的精度（例如，平直度），另一个是施工精度（例如，每个部件的相对连接形状）。本文解释了在架设阶段分段定位作业的详细精度度量。分段定位作业的质量由该系统评估：施工完成船体的精度可以通过公差来评价，以及施工过程的准确性由劳动力成本评估。精度度量系统的原型开始应用。度量系统与优化软件相结合来决定最佳分段定位过程。分段定位优化处理的一些示例在以下展示。

关键词：精度管理；工程知识；定位；度量；优化

1引言

最近几年，船体精度管理已经被视为一种重要的生产技术以此来降低成本和使用自动化焊接设备。现代化的测量技术和计算机技术得到飞速发展。基于这种技术，计算机辅助精度管理这一概念被很早阐释。基于这个概念，许多研究正在进行。

分段定位作业在架构阶段不仅决定了船体的最终质量，而且对生产效率和后续作业的成本有很大的影响。换句话说，分段定位操作是船体结构精度管理的关键过程。这个需要至少10年的训练才能成为一个巧妙的分段定位的技术员。将分段定位的技术传授给下一辈人正在成为一个严重的问题，因为目前熟练的技术人员正在老化，年轻一代一般倾向于不在重工业行业工作。此外，在全球造船业激烈竞争的形势下有必要增加每个造船厂的生产。想要提高生产量，分段定位的生产过程是主要瓶颈之一。其中一个例子是“Tsurigime”即弯曲分段的定位，在整个作业过程中它是由起重机支撑起来。如果作业时间可以通过提高精度来缩短，船厂的生产率可以大大增加。

由于近来的测量技术的进步，测量10米的船体分段可以很容易地将精度控制在1mm。 此外，计算机技术的发展如测量数据处理，基于计算机分析的仿真，以及分段定位作业的优化等等，将对分段定位的现代化有所帮助。

如上所述，作为新的精度管理系统发展的一部分，实现计算机辅助分段定位系统有很多实用优势。 在本文中，精度管理系统的提出是基于准确三维几何测量的实现。 基于精度评价度量的分段定位辅助系统的建设将会被阐述。

2分段定位作业和精度管理

2.1分段定位作业

根据Ioku的分段定位作业被定义为“在码头作业阶段中的操作满足最终船体几何精度标准，以及使作业效率最高。船体几何的精度标准是日本船舶质量标准（JSQS）5由日本海军建筑师的钢结构协会委员会的研究小组成立，现在的标准适用于每个造船厂。分段定位的目的之一建立船体的形状。随后的操作是拟合（预焊接操作），焊接，发动机安装和管件安装等。分段定位的另一个目的是最小化这些操作所需的时间。 因此，目的的分段定位操作是双重的：建立船体的形状，并尽量减少参与之后的操作的劳动。

确定船体的形状。保证船舶的功能（速度和货物能力）：例如螺旋桨轴的直线度，龙骨直线度，双层底的平坦度，上甲板的外倾角度等等。最小化劳动量。例如拟合和焊接操作。为了实现这些目标，分段定位技术人员应该具有：

——建立准确性管理的卓越技能系统;

——在脑海里形成一个真正复杂的船体形状的技术通过使用简单的测量仪器例如钢带卷尺，水平测量仪器，带导线的插脚等;

——模拟两个或更多分段定位的计划然后选择一个考虑船体形状的精度和生产率的后续操作;

——指导精确管理的关键地方和允许精度公差量度的技术。

此外，一位资深的定位技术人员考虑到分段几何形状的变形可由热度，分段移动时的重力以及焊接引起，熟练的定位技术人员需要评估许多因素和判断他们相互作用的效果。

2.2精度公差和精度管理

在任何批量生产系统中精度公差是一种典型的精度管理概念，如机械工程行业。在机械工程中精度公差的目标被大致分为两种类型：一个是精度公差控制，另一个是容差分布。

精度公差控制的目的是检查最终产品是否达到所需要的功能，最终产品由两个或更多个具有给定的精度公差基本部分所装配，并且是可获得的。的目标的公差分布是确定的从各部分的精度公差既经济又可靠的工程。准确性公差控制和公差分布均为互补。在概念之内公差分布，精度公差范围应该与过程能力进行权衡。具有窄精度公差范围的加工成本可能很高，但所有产品通过质量测试将满足其所需的功能。自从废弃产品的数量通常在期间增加这个过程，这些都会增加生产成本。相反，在宽精度公差范围内，处理成本可能较低，但产生的产品可能不满足所需的功能。如果一个穷人优质产品发布，公司也会输其质量品牌形象。因此，有必要确定通过平衡可接受的精度公差生产力和成本之间。如上所述，在造船业中，确实存在JSQS等精度标准。然而，精度管理采用系统化的概念精度公差非常罕见。一些可能的原因为此列出如下：

——标准化和规范化的困难。因为造船业一般是遵循订单式造船原则。

——质量变化相当大。因为几乎所有的造船业是以劳动为导向。

——变形。这是不可避免的（由于焊接，重力，太阳的热量等引起），它是指严重的精度损失。

在我们看来，船舶的加工水平远低于允许的精度极限，这由公差分布给出。虽然精度公差是精度管理的一个很好的理念，高效的管理层需要新的指导方针，尤其是在分段定位的过程中。

3.分段定位的指标

指标的概念最近出现了。传统的质量统计控制技术，如在软件上的质量管理，不能应用于这个领域，因为大部分的工作取决于个体工作者的能力。 在这种情况下，生产力和质量的标准必须要建立，所以必须建立一个测量方法（例如，如何收集和处理数据），并创建模型（例如，成本模型，质量模型，等等。）。 最后，有必要比较各个标准和模型，并对其进行分析评估。该质量或测量标准定义为指标。 指标概念的要点是：

——首先要弄明白测量的对象。

——明确描述测量值的方法

——明确测量结果与质量的关系

这里，提出了分段定位操作的指标，阐述了定量评价分段定位操作质量的方法。

3.1确保船体的形状和尽量减少劳动力

正如2.1所描述的，分段定位的主要目的是确保正确的船体形状，并在后续的作业中尽量减少劳动力。 这里，提出两种精度的控制标准：船舶整体的精度和接头精度（如图1）。 整体的精度是确保船体形状的指标，以及由精度公差进行评估。接头的精度是使劳动力最小化的指标，并按后续劳动力劳动的总量进行评估。因此，构建了一个系统来定量评估分段 定位作业的质量。有必要测量实际在建分段特征点的三维坐标。 测量点应为角点和结构件的交叉点。

3.2船体整体的精度

船体的形状由整体的精度来保证。 整体的精度对精确度，即用来比较指定的形状与测量形状，并由精度公差来估计。（图2）。

3.2.1定位公差

定位公差以测量点的位置精度为标准。它是指定的允许区域内表达特征点的位置，即分段结束或者构件相交的位置等等。 这里的几何球体表示其位置的精度公差带，中心为标称位置，半径作为精度值。

0

Eposition = Igrave;Ocirc;

(1)

)

ep = pm - pn

Iuml;

(

(

position)

ep р t

ep gt; tposition

0

Eposi

(1)

)

ep = pm - pn

Iuml;

(

(

(1)

)

在这里，Pn是一个指定位置的点，Pm是与Pn相对应的被测量位置上的点。是这两数据之间的差值。是位置公差。是定位的指标公差, | ep | 是ep的绝对值。

3.2.2直度公差

直线度公差是以测量线的直线度为标准。 它是在指定线的允许区域内表达，即船的中心线，梯子的中心线或者推进轴的中心线等等。这里，几何圆柱形表示直线度的精度公差区域，其轴为指定线，圆筒底面的半径值作为精度值。

其中l是标称线，是第i个测量值位置（应在l），是l和之间的距离，是平直度容忍度，是直线度量公差。

3.2.3平坦度公差

平坦度公差是被测量平面平坦度的标准。 这是表达在名义上的允许区域，平坦度的精度公差带是由夹在两个平面之间的区域表示，在一定距离内表示三维空间平行于标称平面，区域的宽度显示精度值。

其中S是标称平面，是第i个测量值位置（应在S上），是与S之间的距离,是平坦度公差（标量），,是平坦度容忍度的指标。

3.2.4完工精度的评估功能

完工精度的指标以等式3.2.1-3.2.3乘以比例因子wi作为精度公差。根据自身判断，用户设定比例因子。 完工精度的评估指标Et被定义为

在确保船体形状的评估（即完工精度）取值为零或正实数。 Et定量表达完工精度的精度公差的极限。理想的Et为零，这表明所有形状都在精度公差极限之内。根据这个定义，该值越低（非负值），分段定位就越好。

3.3接头精度

接头精度是由在码头阶段工作的工时来估计。它从固定好的分段与正在固定分段的接头区域来评估。相对精度通过比较被测量的两个分段的形状来得出。测量的几何信息根据接头状况转化为劳动信息。然后估计总劳动量，然后接头精度由劳动量来评估。

3.3.1将测量坐标转换为差值和不对中

第一步是通过比较两个分段的接头形状计算接头精度。在做这个比较之前，两个分段所有点坐标的测量工作都必须完成。

接头焊接线的形状是从测量点创建的。这条线然后被分为单位长度的线。每条焊接线的中央区域的点用于数据采样。仿射变换是将整体坐标系（全船坐标系）转变为局部坐标系（接头坐标系）。已固定分段和正在固定的分段的焊接线段的中心点之间的坐标差异被计算出来。最后，根间隙的值（inplane差异）g和不对准（平面外）差异）d由坐标和仿射变换Af的差异计算得出（图3）。

3.3.2从绝对差值计算劳动时间

劳动值的计算从绝对差值在中心区域第j个焊接中心的第i条焊接线的线段如下所示。涉及四项业务：气割，焊接长度增加，焊接支撑材料和部分更新操作。这四个操作的值是绝对函数差值。

1火焰切割：lcut-butt。当绝对差值小于它的要求值时，额外的劳动将会被使用。

2焊接：loverlay。当绝对差值大于它的要求值时，额外的劳动将会被使用。

3支持：lstrap。当绝对差值小于它的要求值时，额外的劳动将会被使用。

4.部分更新：lrenew-g。当绝对差值小于它的要求值时，额外的劳动将会被使用。

3.3.3从未对准值计算劳动时间

劳动值的计算从绝对差值在中心区域第j个焊接中心的第i条焊接线的线段如下所示。未对准值涉及三项作业：重新安装操作，部分重新组装操作，和部分更新操作。这三项作业的精度值对未对准值起着根本作用。

1.安装适配：当未对准值大于它的要求值时，额外的劳动将会被使用。

2.部分重新组装：lcut-fillet。当未对准大于于它的要求值时，额外劳动，包括重新焊接圆角接头将会被使用。

3.部分更新：lrenew-d。当未对准值大于它的要求值时，额外的劳动将会被使用。

这些功能的一些例子如图4。对于图中的所有图4，焊接线长度为100mm。 绝对差值和未对准值在水平轴上显示，劳动时间在垂直轴上显示。

3.3.4接头精度的评估功能

接头精度的度量由Sects 3.3.1-3.3.3中方程的总和表示。Sects 3.3.1-3.3.3的每个方程乘以缩放因子wsurround和wability。 用户可以根据根据他的判断设置每个缩放因子的值。 缩放因子wsurround通过考虑工作环境而决定，例如一个狭窄的工作区域。 确定缩放因子的可靠性通过考虑到工作设备，例如自动焊接机。接头精度的评估指标El被定义为

式中是在理想绝对差值和未对准值的情况下的劳动值，劳动评价（即联合准则）是一个积极的实数。 根据这个定义，该值越低（非负值）分段定位越好。

3.4弹性点

分段定位技术人员进行他的工作时要考虑到由太阳的热度引起的变形，以及分段放置状态的改变等等。 根据经验他区分了分段中刚性较大的点结构和较刚性较小的点结构。相对轻微的负载可以引起刚性较小的点结构的变形。 因此，刚性较小点结构的形状可能受到各种因素的影响，如分段的放置姿态。 基于这个原因，测量刚性较小的点结构是不统一的，安装操作更容易 。在这篇文章中，刚性较小的区块结构被称为“弹性点”。弹性点的概念引入是让分段定位指标变得更加灵活。

4定位优化

可以通过第Sect3节提到的定位度量来获得数量的评估。 这将允许通过使用数值优化技术来进行定位优化。 在本节中，描述了基于定位评估度量的优化。 这里，船体分段被认为是在初始挡块定位之后在测量之后不改变形状或在焊接操作之后不变形的刚体。

4.1设计变量

优化的设计变量是刚体的平行移动和旋转的自由度。 也就是说，设计变量是三维正交坐标系（例如，船体坐标系）中的六个自由度：x，y，z，qx，qy，qz（六自由度），其中旋转度 自由度被定义为围绕x轴，y轴和z轴的分段的重心的旋转。

4.2约束条件

为确保船体的形式，必须优化约束。 这是通过评估完成的准确性来进行评估，由准确度公差表示。 约束条件定义为

Et = 0（6）

其中Et和公式4中定义一样， 一般

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