CC BY
106
УДК [629.5.081.4:629.5.02]:681.783.24 ББК [39.42-06:39.42-044]:30.108.1-5
В. Н. Лубенко, С. С. Трофимова
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТАХЕОМЕТРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОВЕРОЧНЫХ РАБОТ ПРИ СБОРКЕ КОРПУСОВ СУДОВ
V. N. Lubenko, S. S. Trofimova
ANALYSIS OF THE POSSIBILITY OF TACHEOMETERS APPLICATION FOR CONTROLLING TEST WORKS AT SHIP HULL ADJUSTING
Современное судостроение предусматривает постоянное развитие и применение новых технологий по усовершенствованию производства. Одно из новых направлений развития технологии судостроения - повышение точности изготовления и монтажа корпусных конструкций. Существенное повышение точности измерений может быть достигнуто применением современных оптических и лазерных приборов. Одним их таких приборов является тахеометр. Наличие в нем вычислительного и запоминающего устройств позволяет сохранять измеренные или проектные данные, вычислять координаты точек, недоступных для прямых измерений по косвенным наблюдениям. Описанные тахеометры успешно применяются на судостроительных предприятиях.
Ключевые слова: тахеометр, контроль обводов, оптические приборы.
Modem shipbuilding involves the constant development and application of new technologies to improve production. One of the new directions of the development of shipbuilding technologies is to improve the accuracy of fabrication and installation of hull structures. A significant increase in measurements accuracy can be obtained with the use of advanced optical and laser devices. One of these devices is a tacheometer. The presence of a computing and storage devices enables you to store the measured and design data, to calculate the coordinates of the points that are inaccessible to direct measurements from indirect observations. The given tacheometers have been successfully implemented in shipbuilding factories.
Key words: tacheometer, by-pass control, optical devices.
Существующая система измерения геометрической формы в судостроении основана на следующих принципах:
— построение и фиксация на сборочных стендах, стапеле и судовых конструкциях следов горизонтальных и вертикальных плоскостей с последующим определением отклонения от них контролируемых точек, линий и плоскостей объекта;
— проецирование контролируемых точек объекта на горизонтальную, а после внедрения теодолитов - и на вертикальную плоскости, определение взаимного положения указанных точек;
— измерение расстояний между точками в горизонтальных и вертикальных плоскостях;
— графоаналитическая (как правило, ручная) обработка измерительной информации и сравнение результатов измерений с проектными требованиями.
Основными базовыми плоскостями при проверочных работах служат: основная плоскость (ОП), диаметральная плоскость (ДП), плоскость мидель-шпангоута (ПМД) и плоскости, им параллельные.
Перед началом формирования корпуса судна производят подготовку построечного места. Подготовка заключается в нанесении базовых линий - ОП, ДП, ПМД и параллельных им.
Методы измерений в судостроении в течение длительного времени базируются на использовании традиционных инструментов:
— металлические рулетки и меры - для линейных измерений;
— шланговые уровни (ватерпасы) - для горизонтального нивелирования;
— шнуровые отвесы - для вертикального нивелирования.
Внедрение оптических методов измерений повысило точность выполнения проверочных работ, но принципиально не изменило систему измерений. Все операции по построению горизонтальных и вертикальных плоскостей, проецированию точек и измерению линейных размеров между точками, обработке измерительной информации требуют ручного квалифицированного труда.
Одним из новых направлений развития технологии судостроения является повышение точности изготовления и монтажа корпусных конструкций. В процессе изготовления и монтажа корпусных конструкций выполняется большое число измерений (до 5 000 и более).
Требования к точности изготовления и монтажа корпусных конструкций регламентируются руководящими техническими документами [1]. Согласно этим документам, допускаемые отклонения на форму, размеры и положения конструкций находятся в пределах ± (2-8) мм.
Существенное повышение точности измерений, как показывает опыт судостроения, может быть получено с применением современных оптических и лазерных приборов [2]. В технической документации на выполнение проверочных работ на построечном месте оптический метод принят в качестве основного. Для реализации такого метода используют оптические приборы - теодолиты. Их назначение - нанесение базовых линий на стапеле и проверка положений судовых секций при сборке корпуса.
Однако использование теодолитов не удовлетворяет современным требованиям технологии судостроения, а именно:
— их использование на наклонном продольном стапеле затруднено;
— теодолиты не имеют проекционного канала, наличие которого существенно упрощает методику выполнения проверочных работ;
— оптическая система теодолита дает обратное изображение, что осложняет работу для оператора.
В результате развития науки и техники были разработаны оптико-электронные измерительные приборы - тахеометры, которые позволяют производить не только угловые, но и линейные измерения, способствуют повышению точности измерений, обеспечивают первоначальную обработку результатов на месте измерений благодаря наличию встроенного вычислительного устройства. Применение таких приборов не только позволит устранить указанные недостатки и ряд других, но и, по сведениям фирм-изготовителей, поможет существенно повысить точность изготовления и монтажа конструкций. Эти системы различаются аппаратными средствами и техническими характеристиками, областью их применения, характером обработки данных с использованием специального программного обеспечения. Ниже приведены характеристики лазерных тахеометров, использование которых предпочтительно для измерений в судовом корпусостроении (табл. 1) [3, 4]:
Таблица 1
Характеристики лазерных тахеометров
Характеристика
Тахеометр УОМЗ 5Та5 (Россия)
Тахеометр 8оккіа 8ЕТ 650КХ (Япония)
Фотография
Увеличение зрительной трубы
30х
26х
Ошибка измерения
5"
6"
Точность измерения расстояний до отражателя, мм_________________
± (5 + 3 • 10-6Э)
± (2 + 2 • 10-6Э)
Дальность измерения без отражателя
250 м
400 м
Дальность измерения до 1 призмы
3 000 м
5 000 м
Память
1 МВ
Дополнительно порты 8Э/8ЭИС-карта,
ШБ (до 4 Гб) ____________________
Продолжение табл. 1
Характеристика Тахеометр УОМЗ 5Та5 (Россия) Тахеометр Sokkia SET 650RX (Япония)
Объём встроенной памяти РСМСI А- кар та 10 000 точек
Панель управления Цифровая Односторонняя, полная (27 клавиш)
Диапазон действия компенсатора Двухосевой ±3’ Двухосевой ±6’
Тип дисплея Матричный (4 стр.) ЖК (192 х 80), антибликовое стекло
Диапазон рабочих температур -2G ... +5G °С -20 ... +50 °С
Класс пылевлагозащиты IP54 IP66
Размеры 352 x 157 x 17S мм 166 х 180 х 341 мм
Вес 5,6 кг 5,4 кг
Приемлемые габаритные размеры и масса этих электронных тахеометров позволяют использовать их при выполнении разметочных и проверочных работ в сборочно-сварочном и корпусостроительном производствах. Двухосевой компенсатор постоянно контролирует положение прибора. Конструктивная защита от попадания влаги и пыли дает возможность эксплуатировать прибор в сложных условиях.
Концептуальный план размерного контроля обводов корпуса судна заключается в следующем:
1) выполняется проверка обвода судна. Обводы проверяют в 5-10 сечениях длины судна, совпадающих с поперечными переборками, и на мидель-шпангоуте. В намеченном к проверке поперечном сечении судна проводят измерения на каждом борту в 7-10 точках, по возможности вблизи пересечения плоскости шпангоута с продольными связями (вертикальный киль, днищевые и бортовые стрингеры, крайний междудонный лист, палубы, платформы и т. д.).
2) пересчет результатов измерений в систему координат построенной математической модели судна;
3) сравнение результатов измерения с исходными данными, полученными с математической модели (СЛБ-модель) (пример сравнения приведен в табл. 2):
Таблица 2
Таблица примера сравнения между измеряемыми точками и точками из СЛБ-модели
№ Т очки, полученные из CAD-модели Измеряемые точки Сравнение
1 X Y Z X1 Y1 Z1 dX dY dZ
Использование оптико-электронных измерительных приборов, в частности лазерных тахеометров, имеет ряд преимуществ:
1. Высокая скорость получения данных (время одного замера - от 1 до 8 с - зависит от режима измерения).
2. Повышение точности судового корпусостроения (по сравнению с традиционными инструментами измерений).
3. Улучшение организации производства, уменьшение объема пригоночных работ и, как следствие, уменьшение трудоемкости при сборке корпуса судна.
4. Простота в использовании, результаты измерений можно редактировать и сохранять для дальнейшего применения.
5. Применение соответствующего интерфейса дает возможность интеграции тахеометра с автоматизированными системами проектирования судов и технологической подготовки производства.
В процессе выполнения проектных, строительных и геодезических работ с использованием тахеометра производятся измерения для получения координат объектов и их последующего представления в графическом виде [5]. Основной принцип работы тахеометра заключается в том, что расстояние определяется временем прохождения лазерного пучка до объекта и обратно или по сдвигу фаз. Точность и дальность измерений зависят как от технических возможностей прибора, так и от температуры воздуха, прозрачности атмосферы, наличия препятствий и других внешних факторов. Принцип работы тахеометра и предельную дальность определяет
и то, в каком режиме работает прибор - в отражательном или безотражательном. В первом случае в качестве отражателя используется призма, закрепляемая на поверхности измеряемого объекта, во втором случае можно фокусировать прибор на точку и производить измерения непосредственно до объекта. Принцип работы тахеометра с сервоприводом основан на том, что посредством измерения вертикального и горизонтального угла вычисляются трехмерные координаты, т. е. создается цифровая модель окружающей местности в виде набора точек.
По сути, тахеометр представляет собой комплекс, состоящий из теодолита, светодально-мера и ЭВМ.
Первые модели прототипов тахеометра появились в 70-е гг. 20 в. Тогда были созданы первые полуэлектронные приборы, в которых оптический теодолит был оснащен светодально-мером (SM-41, Zeiss West Germany; Е0Т-2000, Karl Zeiss Iena). Затем специалисты Уральского оптико-механического завода создали тахеометр Та-5, который имел общий для теодолита и дальномера корпус, а также был оснащен панелью управления для ввода значений углов. Это устройство позволяло прямо в поле определять превышения, проложения, приращения. Но все равно это требовало дополнительных усилий и не особенно ускоряло процесс полевых работ. Мощным толчком в геодезическом приборостроении был выпуск электронного тахеометра AGA-136 (Швеция), в котором оптическая система отсчета углов была заменена на электронную. Открылись широкие возможности автоматизации работы. Ведь при электронном угловом отсчете информация о значении углов поступает в процессор в виде sin и cos угла. Туда же поступает информация о длине измеренной линии. Все вычисления производятся в процессоре, и на индикатор S (наклонная дальность), D (горизонтальное проложение), h (превышение), dX, dY (приращения координат) поступают в виде измеренных величин. В 80-е гг. шведская фирма Geodimetr стала лидером по выпуску электронных тахеометров. Затем, уже в 90-е гг., на рынок пришли японские Sokkia, Topcon, Nikon, швейцарская Leica, американский Trimble.
С 90-х гг. 20 в. электронный тахеометр - самый распространенный геодезический прибор. Это связано в первую очередь с его универсальностью. Тахеометр используется для вычисления координат и высот точек местности при топографической съемке местности, при разбивочных работах, выносе в натуру проектных решений и т. п. Но использовать его в судостроении начали гораздо позднее.
Ранее тахеометры различались по принципу: были круговые (повторительные теодолиты с цилиндрическим уровнем при алидаде вертикального круга и с нитяным дальномером), номо-граммные и авторедукционные (позволяющие определять h и горизонтальные проложения S соответственно по вертикальной рейке и номограмме, видимой в поле зрения трубы, и по горизонтальной рейке при помощи дальномера двойного изображения) и внутрибазные с базой при приборе (для определения горизонтального проложения S непосредственно и h по измеренному углу v). Все названные тахеометры можно отнести к оптическим. В настоящее время выпускаются только электронные тахеометры, различающиеся по точности, встроенному дальномеру и своей функциональности, но принцип действия в них один и тот же.
В электронных тахеометрах расстояния измеряются по разности фаз испускаемого и отраженного луча (фазовый метод), иногда, в некоторых современных моделях, - по времени прохождения луча лазера до отражателя и обратно (импульсный метод). Точность измерения зависит от технических возможностей модели тахеометра, а также от многих внешних параметров (температура, давление, влажность и т. п.).
Современные тахеометры оборудованы вычислительным и запоминающим устройствами, позволяющими сохранять измеренные или проектные данные, вычислять координаты точек, недоступных для прямых измерений, по косвенным наблюдениям.
Диапазон измерения расстояний зависит также от режима работы тахеометра: отражательный или безотражательный. Максимальная дальность линейных измерений для режима с отражателем (призмой) - до пяти километров (при нескольких призмах еще дальше); для без-отражательного режима - до одного километра. Дальность измерений при безотражательном режиме напрямую зависит от отражающих свойств поверхности, на которую производится измерение. Дальность измерений на светлую гладкую поверхность (штукатурка, кафельная плитка и пр.) в несколько раз превышает максимально возможное расстояние, измеренное на темную поверхность. Модели тахеометров, которые имеют безотражательный режим, могут измерять расстояния практически до любой поверхности, однако следует с осторожностью относиться к результатам измерений, проводимых сквозь ветки, листья и подобные преграды, поскольку неизвестно, от чего именно отразится луч, и, соответственно, расстояние до чего он измерит.
Существуют модели тахеометров, обладающие дальномером, совмещенным с системой фокусировки зрительной трубы. Преимущество таких приборов заключается в том, что измерение расстояний производится именно на тот объект, по которому в данный момент выставлена зрительная труба прибора.
Точность угловых измерений современным тахеометром достигает половины угловой секунды (0°00’00,5"), расстояний - до 0,5 мм + 1 мм на км. Точность линейных измерений в безотражательном режиме - до 1 мм + 1 мм на км.
Тахеометры, собираемые из отдельных модулей, позволяют выбрать компоненты именно под конкретные прикладные задачи, полностью исключив лишнюю функциональность.
Современные судостроительные предприятия для повышения качества сборки судов, уменьшения трудоемкости постройки и повышения конкурентоспобности стараются внедрить в свое производство новейшие инновационные технологии с новыми потребительскими свойствами или качественным повышением эффективности производственных систем. Одним из таких приборов является тахеометр, который имеет ряд преимуществ перед его предшественником -теодолитом. Но с появлением нового прибора геодезического назначения предприятия столкнулись с рядом задач. Алгоритм работы и рациональное использование тахеометра зачастую становятся проблемой для служб, работающих с ним. Для решения этих проблем необходим опыт работы с прибором, а также научные разработки по качественному использованию и расширению возможностей работы тахеометра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ 5Р.9613-84. Корпуса металлических надводных судов. Проверочные работы при изготовлении на построечном месте. Технические требования.
2. 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.
3. http.•//www.aspector.m.
4. http://uomz.ru.
5. http://tut.ru.
Статья поступила в редакцию 17.02.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Лубенко Владимир Николаевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; dr_lubenko@rambler.ru.
Lubenko Vladimir Nickolaevich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Sea Technological Equipment"; dr_lubenko@rambler.ru.
Трофимова Софья Сергеевна - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; sofitrofi@yandex.ru.
Trofimova Sofya Sergeevna - Astrakhan State Technical University; Undergraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Sea Technological Equipment"; sofitrofi@yandex.ru.
