船体精度控制系统

5.4.1　船体精度控制系统

根据系统工程理论，按照人员、物料、设备、能源和信息等生产要素对船体精度控制的影响，构建船体精度控制系统（如图5.4－1所示）。这是一个涉及造船物资、组织体系、设备工装、精度设计、工艺和检验测量等要素的复杂系统。

图5.4－1　船体精度控制系统

5.4.1.1　造船物资

影响船体建造精度的物资主要有钢板、型钢、管子和焊接材料等。外部物资供应链要符合按时到货、质量合格和规格可定的总体要求。目前国内出现造船企业与炼钢企业建立联盟，逐步满足船企的钢板定制要求，这对精度管理有很大的帮助，现按精度控制需要提出钢板等物资的详细要求。

对钢板的基本要求是：钢板规格尽量可以定制，这样可减少分段焊缝和焊接变形；钢板规格要尽量采用本厂加工能力最大规格的大板，这样可以减少分段拼板对接焊缝和变形；钢板的尺寸质量要符合国标标准，即最大可切割矩形尺寸要达到钢板规格，平面度和厚度误差符合国家标准要求，这样可以避免切割零件由于钢板精度不合格而造成的返修或返工。

对型钢和管子的要求：型钢作为船体分段零件材料时，要求厚度、形状尺寸符合国标要求；对于船体加强用的型钢一般到货及时、强度足够就可以了，避免发生由于加强材料缺少造成分段在制作、搁置、吊运和冲砂时的变形；对于管子零件来说主要是舾装件，一般要求到货及时，厚度、圆度和直线度符合标准要求。

精度造船对于焊接材料的要求：必须具有船级社的认证，到货及时，尽量采用焊接变形小的焊接材料。对于为弥补部件、分段精度偏差造成装配对接、角接间隙过大，可以采用大间隙对接陶瓷衬垫和角接陶瓷衬垫，这对减少船体建造精度超差的修整工作量至关重要。

5.4.1.2　组织体系和人员

组织体系是船体建造精度控制系统中最活跃、最主要的部分。根据船体建造精度控制的目标和内容分析，可以确定相应管理组织的类型、职责和权限，并由具备相应资质的专兼职人员组成。制订相应的管理职责和制度。

1）船体建造精度控制管理组织体系

船体精度控制管理组织，就是针对船体设计和制作的全过程，通过科学的精度控制方法和必要的精度管理制度，将影响船体建造精度的一切因素控制起来，并通过组织体系的建立和正常运行，使船体建造精度管理始终在标准范围内的常设工作机构。船体建造精度管理组织可分为三个层面：公司精度管理层面要有精度管理领导小组，主要负责船体建造精度控制的目标和标准制定的批准、重大问题协调等工作；精度管理部门负责制订精度控制目标、标准和精度计划等基准，负责船体中间产品的精度检查、处理和考核；对于精度检查小组来说，主要负责船体建造作业过程中具体工序的精度问题自我检查、分析和处理。船体建造精度控制管理组织体系可参照图5.4－2。

图5.4－2　船体建造精度管理组织体系图

（1）精度管理部门职责：

—制定明确的船体建造精度方针、标准和控制目标；

—制定实现精度管理目标的具体措施；

—制定船体建造精度管理的规划或计划；

—全面建立船体建造精度管理制度；

—建立畅通有效的船体精度信息反馈渠道；

—反馈设计部门船体精度设计中问题或改进建议；

—现场船体精度工艺制度执行检查和指导工作；

—调查、处理船体精度问题；

—全面有效的监督、评价考核制度和手段。

船体精度控制组织或精度管理部门应由公司分管质量或生产的领导抓总，按企业规模及工作量，配备一定数量的专职船体精度管理人员和兼职质量管理人员组织管理日常精度工作，并辅以生产一线主要行政管理人员兼职配合。这样的人员结构组成才能保证精度管理工作的正常开展。

（2）管理区的主要职责是执行船体精度设计要求、工艺和管理制度、分析处理现场精度问题等。通常可以由基层行政管理人员推荐有现场生产经验的技师或高级装配工，并报公司船体精度领导小组批准即可。管理区的主要职责有：

—执行公司船体建造精度工艺和管理制度；

—反馈处理现场船体精度问题和设计需改进的事项；

—进行船体建造过程中的胎架报验、划线检查和完工测量等工作；

—对如何保证船体建造精度提出意见和建议；

—进行现场船体精度施工工艺检查，并现场教育指导工人操作；

—指导班组的精度小组按照PDCA循环开展工作，逐步改进精度施工工艺和设备工具。

（3）精度小组是生产现场开展精度管理活动，解决管理区内精度问题的最基层组织，其主要工作职责为：

—针对精度管理小组的目标或现场精度问题，制订活动规划；

—学习执行精度管理方法、工艺和制度，提高业务技术水平；

—对船体建造的过程精度进行全方位的检测和控制；

—对于精度问题选配和设计问题做好信息反馈。

2）人员的选配

船体精度控制组织确定后，需要选择一定资质和数量的人员保证组织正常开展工作，各个层次精度管理人员有不同的资质要求。

公司级精度管理人员资质要求：船舶相关专业院校毕业，有现场造船经验；熟悉船体建造流程和工艺要求；掌握船体精度控制原理和工艺措施；能够制订船体建造精度控制目标、标准、计划和控制措施；能够制订船体精度控制管理制度。

精度小组人员资质要求：有现场生产经验的高级工或技师；熟悉船体建造流程和工艺；有工作热情和责任心。

人员数量方面：精度管理部门要根据生产规模决定管理人员的多少，对大型船企一般需要50～70名专职人员；每个基层管理区要配备15～30名专职人员；切割、弯曲加工、中小组立、分段组立和总组搭载等工序要成立相应的精度管理小组，每个小组人员控制在8～10名。这些精度管理人员必须指导带动全体现场船体作业人员严格按照精度要求施工，采取一定的奖惩措施，实现全员精度管理。刚开始船体精度管理时，人员需求量较多。待各项精度管理制度、工艺和标准基本制订修改完成、现场管理比较完善和生产人员的精度培训基本完成、现场能够按照工艺生产后，可适当减少专职精度管理人员，但必须提前向公司精度领导小组提出申请。

3）管理制度

“不以规矩，不成方圆”，健全的船体精度管理制度是保证船体精度标准贯彻和工艺执行的基础。船体精度管理制度包括船体精度管理的目标、计划和工作内容，船体精度管理体系的管理规定、船体精度管理体系人员的工作职责和权限、考核制度、船体制作过程精度管理和部门精度考核奖惩规定、船体精度信息收集和处理规定以及船体精度问题处理办法等。具体的管理制度要根据现场船体精度控制情况不断修改和完善。精度管理制度重在执行和坚持，切不可仅形成文本和束之高阁。

4）船体精度组织体系的建立和运作

（1）造船企业的高层领导要有实行精度造船的要求和决心，给予必要的财力和物力支持，成立公司层面的精度造船领导小组和设立专门的精度造船管理部门，船体建造精度控制体系也就有了良好的开端。

（2）船体建造精度管理领导小组要规划制定船体建造精度管理的目标、标准、计划和工作内容等基础文件，招聘选拔具有经验的人员组成企业精度管理部，制定船体精度管理的各类管理制度。

（3）船体建造精度管理领导小组要指导涉及船体精度控制的设备、工具和软件的选型，使船体建造精度控制有坚实的基础。

（4）组织审查涉及船体精度的工装设计图纸，并监督生产、安装到位。

（5）对于采购的钢材、舾装件等物资，船体建造精度管理人员有权提出有利于船体精度控制的要求（参照上一节的要求），保证造船物资符合分段精度控制的要求。

（6）船体生产设计必须包含船体建造精度控制要求的内容（参照上一节的要求），对于精度管理小组的设计要求，设计部门作为设计内容必须严格执行。

（7）精度管理小组制定船体制造各工序的精度测量表，作业人员必须按照表格进行测量和收集数据，并如实按期交给精度管理小组，精度小组对数据进行分析、处理。

（8）组织船体建造精度控制、检查人员学习船体建造精度控制工艺和制度，逐步分级培训到每个船体建造工序生产人员，使主要的船体建造生产人员和管理人员了解船体建造精度控制要求。

（9）建立精度管理奖惩体系，以利于推进精度工作。

（10）根据船体建造生产实际过程中出现的精度问题分析原因，逐步改善船体精度控制系统。

（11）船体建造精度管理组织要跟踪世界上先进的各类切割、加工技术、焊接技术、装配技术、吊运技术和测量技术，引进先进技术，改进完善精度补偿量值，使船体建造精度控制水平不断提高。

5.4.1.3　设备、工具、工装和软件

“工欲善其事，必先利其器”，各种设备、工具、工装和软件等对船体精度控制影响很大，特别是软件系统，对快速提取数据，准确分析是必不可少的。

1）设备

船体建造设备是船体精度控制的基本保证，主要设备有钢板矫平设备、数控等离子切割机、数控型钢切割机、高精度门式切割机、肋骨冷弯机、卷板三芯辊、油压机、装配流水线、各类高效自动或半自动焊机和起重量大于50t的各类行车或吊车、台车等。大体可分为矫平设备、切割设备、加工设备、装配焊接设备和物流设备等。

（1）矫平设备虽说使用频率不高，但对于变形严重超过标准的钢板或型钢必须矫正后再切割，这样才能在原材料上保证零件切割精度，从而保证分段精度。矫正厚度小于16mm钢板可用九辊矫平机矫正，厚度大于16mm的钢板可以用大型水平下压式三芯辊矫正；型钢可以用型钢矫直机进行矫正。

（2）切割设备包括了数控等离子切割机、数控型钢切割机、光电切割机、板条切割机和高精度门式切割机等。数控切割机只需要输入切割指令，就能够准确切割出零件，尺寸误差可以控制在0.5mm以内。高精度门式切割机可以满足FCB焊接所需的坡口直线度和留根的切割要求。光电切割机主要通过1∶1比例的图纸切割小零件，切割精度较高。板条切割机主要用于长条状零件的多头切割。切割设备的发展方向是激光切割机，切割精度高、变形小，但切割的板厚还受限制。

（3）弯曲加工设备有单臂油压机、框式油压机、三芯辊和型钢冷弯机等。弯曲钢板的设备有油压机和三芯辊，可以对钢板零件进行折边或单曲率卷板加工；弯曲型钢的设备可以用数控型钢冷弯机进行。钢板热加工设备目前在国内还没有产品，已开发的数控水火弯板机样机，也是将来精度控制设备的发展方向。目前双向曲率钢板零件的热加工还主要采用手工火焰加热的水火弯板工艺。

（4）装配焊接设备应尽量使用机械化、自动化的装配和焊接设备、设施，这样可减少人为失误和焊接变形。装配设备目前使用不多，主要有T型材装焊流水线、平直分段装焊流水线等。焊接设备发展很快，从手工焊机发展到半自动、自动焊机和焊接机器人等。有利于减少焊接变形的焊接设备有CO₂气体保护焊机、埋弧焊机、FCB焊机、自动角焊机和垂直气电焊机等。有利于精度控制的焊接设备发展方向是焊接机器人和激光焊设备的应用，特别是激光焊机，焊接能量密度集中、焊接变形很小，但其高昂成本和设备笨重问题制约了在船厂推广使用。

（5）对吊运设备而言，要求设备的承载能力要尽可能大，这样分段总段划分可尽量大些，增加结构刚性，减少吊运变形。这类设备主要有各种行车、液压平板车、液压台车和龙门吊等。

2）工具、工装和软件

船体精度控制必须要有能保证装焊精度的工具和工装。

（1）船体精度检测工具分为尺寸测量、角度测量和水平度测量等三大类。尺寸测量比较简单主要是卷尺和钢尺。角度测量类工具主要有角尺、量角器和线锤等。水平度测量工具有水平软管、水平尺、水平仪和激光经纬仪等。水平软管利用互通液面水平的原理测量胎架或分段的水平度。这种方法虽然测量慢、精度差，但成本低、操作简便。水平仪只能测量水平度，激光经纬仪可以测量水平度、垂直度、固定角度和直线度。全站仪可以同时测量尺寸、角度和水平，全站仪通过安放在分段上的若干个测量点测量精度数据，同时得出尺寸、角度和水平等数据。

（2）保证船体建造精度的工装有切割加工工装、焊接工装、胎架工装、坞内支撑工装和吊运工装等。切割工装主要是用于仿行切割的模具和切割平台。对于各种流水孔或透气孔的切割，使用仿形切割机配合开孔模具可以使开孔又快又好。切割平台要采用强框结构、水冷和点接触的形式，保证钢板安放平整，切割热影响小，保证零件切割精度。加工工装主要是零件弯曲加工的压头模具，如槽型分段槽型板压制时使用专用模具，压制精度高、速度快，这需技师根据实际情况研究制作。焊接工装包括拼板压力架和平直分段流水线等，可以减小焊接变形。胎架工装根据建造分段、总段类型主要分为水平胎架、管子活络胎架和专用固定胎架。坞内支撑工装能够保证搭载定位的精度。吊运工装包括各种吊环和吊排，根据分段类型不同，选择不同的吊环和吊排，可以减少钢丝绳夹角，以有效减少吊运变形。

（3）船体精度控制软件主要有三类：一是能够实现船体建模和模拟制造的设计软件系统，比如TRIBON和SPD设计软件系统，能够在设计阶段加放精度补偿量；二是有限元计算软件，用于计算焊接结构变形，也可以计算船体分段、总段在吊运、搁置和冲砂的受力和变形，以采取加强措施，减小变形；三是船体精度数据的收集、分析和处理的软件系统，即精度管理软件。可以对采集到精度数据进行分析，得出各个加工阶段的变形数据，为改进精度补偿量提供依据。

典型的精度管理系统，由三个模块组成。

第一个模块是一款基于PDA（手持测量终端或掌上电脑）的软件，即分段测量、分析系统，它可以和现场使用的测量仪器连接（全站仪Total Station），将勘测所得的现场实物分段的尺寸数据与设计数据进行对比。同时软件还具有分段测定、分析、附加计算等功能，以便对实物分段的变形状况进行分析，从而提高分段的生产效率，PDA测定界面如图5.4－3所示。

图5.4－3　PDA系统主界面

第二个模块是一款基于三维CAD上的分段变形分析程序，称为三维精度管理系统，它可以连接三维CAD系统，获取设计模型，对比设计资料，对实物分段的变形进行分析，以设计资料或实物资料为准，自动生成精度测量校对图（见图5.4－4）以及精度管理报告书。

第三个模块是一款三维虚拟搭载软件，即三维预测模拟系统，它可以通过虚拟实物分段搭载时发生的构件间的重叠、端差等问题，自动分析搭载状态以及自动计算切割量，从而实现一次性搭载，如图5.4－5所示。

以上三个模块构成了一套完整的精度管理系统。该系统在船厂的运用，能与目前船厂使用的生产设计系统和全站仪完美连接，实现与其他高端技术装备的信息互换，有利于积累船厂生产数据，形成完整尺寸数据链；实现模拟预搭载，极大地减少精度误差，缩短了计算分析以及切割修整工时，由手工作业向系统自动化转变，从而真正实现一次性搭载、无余量造船。

5.4.1.4　精度设计

船体精度设计作为船体精度控制的源头，必须贯穿到各个设计阶段。涉及船体精度设计的图纸和文件有船体详细设计图、分段总段划分图、全船排板图、全船工艺孔图、全船精度布置图、船体分段待焊区设计规定、分段建模、切割版图、零件弯曲加工图、分段施工图、吊环和加强安装图、搁墩布置图、典型装焊工艺、搭载工艺、船坞搭载划线用的格子线图、全船坞墩布置图等。

图5.4－4　精度测量校对图

1）详细设计

详细设计图纸除满足基本设计的要求外，还要注意尽量减少船体线型变化、结构尽量简单、减少结构开孔和加强，结构连接除强力构件外采用角接代替对接的形式等。这样可降低船体建造精度控制难度，有利于提高船体建造精度。

2）分段总段划分

分段划分应尽量满足精度设计的要求：分段划分采用“一刀切”的形式，方便分段端面结构长短的控制；保证分段的整体刚性，减少焊接和吊运搁置变形；分段长度要尽量用足板规，以减少分段个数和焊缝；分段划分尽量使分段结合端处于结构的过渡处；艏艉线型变化大的区域分段要划得小些，方便精度控制。总段划分主要考虑在船厂最大吊运重量的允许下保证舾装的完整性，同时要保证总段的刚性足够大，避免产生吊运变形。

图5.4－5　虚拟搭载系统界面

3）全船排板图

全船排板图涉及的精度设计要求：平直或线型不大的板尽量选择规格大的钢板，减少拼板变形；艏艉线型变化大的外板规格不宜过大（宽度小于2m，长度小于4m），以方便外板热加工，提高外板加工精度；舭部或舷侧顶部分段须转圆加工的单曲率外板尽量为一块整板，并留出足够的直边长度以方便加工。

4）全船分段精度布置图

全船分段精度布置图对船体精度影响最大，必须要与精度管理部门和现场船体制造部门共同商定。具体内容有：

（1）每个分段内部构件焊接补偿量和端部补偿量或余量的确定。

（2）确定分段余量的切割阶段。

（3）确定分段端部内部构架和外板（甲板）必须同步加放补偿量或余量的原则。

（4）确定内部构件的装配补偿量。

（5）确定T型材趾端三角补偿量的大小和加放位置。

（6）确定长纵骨T型材的长度补偿量。

5）船体分段建模

分段建模决定船体零件的各种尺寸数据。精度设计内容有：

（1）必须按照精度布置图要求加放各种补偿量和余量。

（2）需弯曲加工的零件还要根据零件弯曲的要求按标准加放各种加工余量。

（3）细长的曲形肋骨T型材腹板必须划上以后焊接变形矫正的检查直线。

（4）须冷弯的型钢必须划上弯曲检验的逆直线。

（5）对于艏艉线型变化大的分段平台板，如果与外板角接出现的三角间隙大于3mm，平台板必须采用变坡口建模，以减少焊接角变形。

（6）分段建模时考虑建造方案，焊接坡口尽量采取自动焊或半自动焊，以减少焊接变形。

（7）建模完成后必须与舾装件进行干涉综合检查，发现构件相碰、间隙超差或结构错位等问题必须调整模型。

6）切割版图和程序

切割版图精度设计的内容有：

（1）切割零件不能错套、漏套或多套，零件间隙要符合要求。

（2）切割版图上零件坡口要与施工图上核对一致。

（3）切割版图和程序必须与零件建模同步更新。

（4）细长零件切割要加过桥防止切割变形。

（5）具有大开口的钢板零件刚度差，必须在版图上加大过桥保证零件刚度。

（6）切割顺序要按照孔内零件、孔、小零件和大零件的顺序安排，以减少切割变形。

（7）零件尽量不要翻身套料，特别是需折边加工的零件和需装小零件的底板零件必须正套。

（8）切割版图上最少要标注一个零件的长宽作为精度检验尺寸，可在切割时随时检查切割精度。

7）零件弯曲加工图

零件弯曲加工图是保证船体加工零件线型精度的前提。要求提供的加工位置、加工曲率等数据必须准确无误，加工零件无遗漏。根据图上数据可以制作出样板、样箱供零件加工检查使用。特别是线型复杂的外板加工还要写上具体的冷加工和火工加工工艺。

8）船体分段施工图

船体分段施工图必须包括的精度设计内容有：精度布置图上要求的补偿量和余量标注、曲形分段提供胎架图（注意实施反变形工艺的胎架图不是按照理论面给出的）、二次划线图、零件定位尺寸和角度（图面上尽量用长度尺寸表示角度大小）必须准确齐全，艏艉曲形分段提供装配型值表。

9）船体分段总段吊环和加强图

船体分段总段吊环和加强图涉及分段总段建造完成后的吊运变形，对分段总段精度密切相关。要求分段总段吊环选择和布置要合理；易变形的分段总段必须进行型钢加强；复杂、重量大结构的吊环和加强布置最好进行有限元计算。

10）船体分段搁墩布置图

船体分段搁墩布置关系到分段搁置时的变形，对船体分段精度也有影响。分段搁墩不仅要考虑分段或总段重量和刚度，还要考虑其在积水或冲砂时的重量，合理布置搁墩，以避免搁置变形。

11）搭载工艺

搭载工艺包括搭载支撑图和搭载装焊工艺等内容。这些图纸关系到分段总段搭载时定位精度和焊接变形，必须有详细的指导图纸，以确保船体搭载的精度。

12）全船坞墩布置图

全船坞墩布置图确定每个坞墩的位置，相当于主船体的胎架，必须准确提供，这是保证主船体线型的基础。尽量采用铁质或硬木坞墩，避免坞墩受压变形影响主船体的线型精度。