船体建造精度控制

船体建造精度控制1.背景知识：船体的建造是按照设计的船体图纸，经过钢材预处 理、切割加工、弯曲加工、装配和焊接等一系列工序 的生产过程。钢材预处理后被加工成零件，再依次组 装成部件、分段，接着在平台总组成总段，最后在船 坞搭载合拢成主船体。船舶制造精度控制技术是以船 体建造精度标准为基本准则，通过科学的管理方法与 先进的工艺手段对船体建造进行全过程的尺寸精度分 析和控制，以达到最大限度地减少现场修整工作量，提 高生产效率。将精度控制技术应用于造船过程是现代 造船模式的需要，也是实现精益造船的关键环节。与日 本造船企业相比，国内船厂的制造设备水平远远领先 于20世纪90年代的日本造船设备水平,但造船精度管 理水平却远不及此时期日本造船的精度水平。究其原 因，目前中国造船业的主要精力都集中在对现有订单 的建造方面，而忽略了建造之外的其他问题。随着世界 航运能力逐步趋于平衡，中国造船企业的目光势必要 从“量”回归到“质”。同时，由于精度控制技术方面 与先进国家有较大的差距，尺寸控制达不到设计的要 求而导致建造周期延长,建造质量低等，降低了中国造 船企业的市场竞争能力。开展造船精度管理研究势在 必行。船舶建造市场广阔但竞争激烈，中国造船相对 日韩存在技术方面的劣势，特别是在船体精度控制方 面差距较大。船体分段精度控制技术是精度造船的主 要技术，在缩短造船周期、降低造船成本、提高造船 质量等方面具有重大意义。2.船体建造精度管理，就是以船体建造精度标准为基 本准则，通过科学管理方法与先进的工艺技术手段， 对船体建造进行全过程的尺寸精度分析与控制，以最 大限度地减少现场修整工作量，提高工作效率，降低 造船成本，保证产品质量。所谓精度管理，简单的说 就是在船舶建造过程中用补偿量代替余量，逐步增加 补偿量的使用范围，并控制船体结构位置精度。以最 少的成本控制船体建造的主尺寸偏差、线形偏差和结 构错位在标准范围内，保证船舶质量。精度管理是系 统工程，关键是全面、全过程推行精度控制，核心是 实施造船精度设计。造船 精 度 控制技术中精度补偿 就是在工件的基本尺寸上增加一个量值，这个量值称 之谓补偿量。补偿量是为了弥补工件在船体建造过程 中由各种热输人所引起的基本尺寸的收缩，以及扭曲、 上翘、下垂等变形引起的基本尺寸不足而加放的一种 余量。补偿量与传统的工艺余量不同，补偿量取代工 艺余量，并在各工艺阶段毋需进行二次号料切割和二 次定位，即可保证零部件、分段尺寸，以及船体主尺 度的尺寸精度需求。精度补偿可以达到最大限度地减 少施工过程中的修整工作量，这对于提高造船生产效 率和建造质量具有十分重要的作用。实施 精 度 补 偿，对船体建造全过程的尺寸精度分析和控制，不仅 需要运用先进的工艺技术，而且需要进行严密的科学 管理，其内容包括建立精度控制工作系统、编制精度 控制计划、确立精度补偿量的加放原则、精度补偿量 的加放方法、精度补偿的完善等。2.1精度控制意义：能够保证船体的主尺寸和线形误差在允许范围 内，保证船舶的载重量和航速，从而保护船东的利益; 能够控制船体结构错位在允许范围内，保证船舶的 强度和安全；最大限度地减少装焊作业的现场修整 工作量，提高劳动效率，降低人力成本；提高船体 分段下船坞的定位效率，缩短造船周期；提高钢材 利用率，降低材料成本；能够减少结构修割，高空 作业平地做，改善工作环境，保证生产工人的安全和 健康；能减少修割和返修，降低能源消耗，能节约 能源，减少环境污染；能够控制接缝间隙在合理范 围，有利于保证船舶焊接质量，从而保证船舶航行安 全。2.2精度控制国外现状国外造船精度控制技术经历了三个发展阶段。1) 分段上船台(船坞)前进行预修整，以满足分段大 合拢装配的尺寸精度要求；2) .平直分段进行建造全过程的尺寸精度控制，与曲 面分段预修整尺寸精度控制相结合；3) .对全船所有分段进行建造全过程的尺寸精度控制。 目前，国外先进船厂都已达到了第二阶段水平，有些 船厂已达到第三阶段水平。精度控制的基本模式造船精度控制在日本、韩国和欧美等先进造船国家的 各船厂都已形成一个基本模式，即各厂每年根据生产 任务与产品的特点制订一个精度管理计划，其中包括 基本方针、工作重点、各阶段精度控制的项目、控制 的目标值、实际测t值、责任单位、工艺流程等内容。 其中有的船厂设有精度品质管理委员会，负责该项工 作，每月一次会议检查落实情况，分析对策、积累经 验。有的船厂没有设专门委员会，但已纳人正常的生 产渠道，也是每月检查落实。第二层次是各车间按照 厂精度管理计划和明确的责任分工，对要求控制的项 目进行细化，并制订相关的推进计划与措施；同样每月 召开各车间精度品质管理会议、检查落实、跟踪考核、 分析存在问题提出改进措施。采用机械化、自动化确保造精度目前日本 船厂已把重点放在机器人的开发应用和 推广机械化、自动化以替代人工上。他们认为切割、 加工、装配精度是实现精度造船的关键。为此国外先 进船厂不惜巨资进行技术改造，购买各种设备、船体 建造的机械化，自动化程度很高，同时也确保了建造 的精度。日本 船 厂 在工艺装备上还重视对一些小的 工艺工装的改革与改进，大拼板配用电磁小油泵，一 人操作，简捷实用，不用烧马，不用铁锲与榔头，对 造化学品船等高附加值船尤显优越。又如装配型钢用 的定位工夹具，省略了焊接、批磨与修补等工序，实 现了分段制造不用风割少动榔头，提高了工作效率， 净化了环境。严格按工艺纪律操作国外 造 船 先进国家除了具有科学的精度管理和先 进的机械化、自动化装备来提高精度以外，船厂都具 有严格的工艺纪律，将影响建造精度的主要因素（人、 机、工艺、材料、环境等）作为重点对象切实有效地 控制起来，使它们处于被控制、被管理状态，尽量减 少系统误差的产生，保证稳定的质量和精度.3-造船精度管理的内容及实施步骤一般程序可以归纳为精度控制阶段的划分、标准偏差 的测算以及各控制阶段补偿量的确定三个步骤。3.1精度控制阶段的划分船体建造是一个工序多，周期长的生产过程。因此， 要实施精度控制，可以把船体建造全过程分解成若干 个控制阶段，通过对各个阶段的有效控制，最终达到 精度控制的目标。船体 建 造 全过程精度控制的阶段 划分应与船体建造的工艺阶段相对应，这对于精度控 制来说，不仅是合理的，而且是有利的。船体建造工 艺阶段通常划分为：号料、加工，部件制造，分段制造 和船台装配四个阶段，精度控制也按这四个阶段分别 实施。这四个控制阶段相互制约，前一个阶段是后一 个阶段的控制基础，每一个阶段的有效控制都是精度 控制的保证。3.2标准偏差的测算测算船体建造各个阶段的标准偏差是制订精度控制计 划的基础，也是确定各个阶段加放补偿量的重要依据。 测算方法一般采用大量实测数据，通过作出直方图求 得标准偏差。需要测算的标准偏差，零件加工方面的 有:板材割缝的偏差、数控切割热变形偏差、火工成型 板材的偏差等；部件制造方面的有:T型材焊接收缩量、板材拼焊收缩量、构架与 板列焊接收缩量等;分段制造方面的有：分段焊接收缩 量、分段火工矫正的收缩量等；船台装配方面的有：横 向、纵向、水平大接缝的焊接收缩量、温差变化的影 响等。综合这些测算数据是确定加放补偿量，实施尺 寸精度控制的依据。一般来说，船体建造各个阶段的标准偏差值与补偿量 应相一致的。由于船体建造各阶段中补偿各种因素 引起的尺寸偏差，而给定的补偿值可以看作为相应独 立的正态分布。根据概率的定理，各个正态分布叠加 后仍是正态分布。因此，假设船体建造完工后的理想 精度为0值状态，船台装配补偿量为a，分段制造补偿 量为b,部件制造补偿量c,零件加工补偿量为d,那末某 一控制阶段的补偿量应为该阶段的补偿量与其后续阶 段的补偿量的代数和。所以，零件加工的补偿量、部 件装配的补偿量、分段制造的补偿量、船台装配的补 偿量，可以以工件为对象按其所需经过的阶段分别予 以考虑。1）零件补偿量零件是 船 体建造中组成工件最基本的单元，因此在 考虑零件的补偿量时，应把它作为补偿的起始点。对 零件的补偿量，除了对形成零件本身阶段的补偿外， 还必须包含其后续所有阶段的补偿。计算公式为：A部二 o+ a +b + c +d2）部件补偿量同零件补偿原理一样，部件补偿量，除了对形成部件 本身阶段的补偿外，还必须包含其后续所有阶段的补 偿。计算公式为:An二o+ a + b+ c与零件补偿不同之处在于，部件补偿对零件无严格要 求。3）分段补偿量同部件补偿原理一样，分段补偿除了对分段制造本身 阶段的补偿外，还必须包含船台装配阶段的补偿。而 它对零件、部件无严格要求。计算公式为A分段=o + a+ b4）船台装配的补偿量因为船台装配是船体建造的最后一道工序，它之后设 有后续阶段，所以船台装配的补偿仅需对船台装配全 过程中的收缩进行补偿，而它的补偿量加放时机应在分段制造阶段。计算公式为：A船台=o + a各阶段补偿量如图4确精度补偿，的加放原则 各控制阶段的补偿船体建造是一个极其复杂的过程，引起船体工件收缩 变形的因素繁多，变形复杂，因此对工件尺寸的补偿 也是一项十分艰巨和复杂的工作。它不仅与船型的差 异、分段结构的型式、分段划分的方式、分段建造的 方法、装焊程序、焊接方法、火工校正程度，以及船 台吊装的程序有关，而且还与船厂的生产条件、管理 水平、人员素质等因素有着密切的关系。为此，在进 行精度补偿量计算和加放时，一般应遵循以下原则。4.1补偿的先决条件(1) 参照相似产品如果实行精度计划的船舶产品与以往生产的船舶产品 的船型、吨位和结构等方面具有相似性，则可参照以 往产品的精度补偿方法进行。(2) 稳定的工艺指建造方法、装焊程序、焊接方法，以及人员、设备 等工艺稳定不变，并以此作为精度补偿的前提。如果 是随意装配、焊接和“人海战术”施工等，则尺寸精 度不仅得不到补偿，相反适得其反。(3)严格的管理和控制正确地衡量和提高管理水平与精度控制直接相关。如 果管理水平很高，各道工序能切实做到严格地控制， 那么就有可能实行全过程的尺寸精度补偿。如果管理 水平较高，则只能实行局部的尺寸精度补偿。如果管 理水平较差，要开展尺寸精度的系统补偿是不可能的， 只能进行非系统补偿，或以加放工艺余量为主。5造船过程控制5.1造船精度测量技术可靠的检测工具和较高的测量水平是提高造船精度的 保障。一方面，测量是补偿量计算中原始数据获取的主 要手段；另一方面，测量又是船舶建造过程中进行质量 管理、监督和控制的基本手段。随着现代测量技术的 发展,测量技术已从接触式测量发展到了非接触式测 量。Lightfoot等利用远距离照相技术对船舶建造过程 中的焊接收缩量进行测量，收集焊接热应力变形的原 始数据。与此同时，现代化的测量工具不断推进了造船 精度测量技术的发展。翟新涛根据现代测量技术的发 展,针对船体分段等大型工件尺寸测量的需求和应用， 将线结构光应用到大型工件的测量系统中。钱华清采 用激光经纬仪对艉轴管镗孔及舵承镗孔前的轴线进行 勘测,为现代造船过程提供了一种简单可靠的测量方 法。全站仪作为一种可以同时进行角度测量、距离测 量和数据处理的现代化测量工具，在船舶制造企业中 得到广泛应用，提高了船厂的测量技术水平，推进了造 船精度管理及过程控制的发展。随着现代测量手段及 测量工具的发展，目前造船精度测量技术相对比较成 熟。5.2 造船过程控制船舶制造过程中精度控制一般分为主动控制和被动控 制两类。所谓主动控制就是研究造船过程中各种影响 精度的因素，在精度损失之前就采取合理措施来保证 造船精度的控制行为;而被动控制是在建造过程中出 现某些突发因素造成预料之外的精度损失时，能够及 时采取一些应急措施来保证造船精度的控制行为。实 际上，造船精度管理是一个需要不断完善改进的过程， 因此，有必要将柔性生产模式中的动态公差控制理论引 入到造船过程控制中来。算段序补肚 计总T的偿算立序补最 计组工的偿汁件的3 新零序偿 童野丄补*下料零件部件分段总段合拢预修整预修整算段序补量 计分匚的偿订料的址 新下序偿 AA2两项组成环，解决制造过程中的精度问题。这种方法在各造船工序的精度不高和余量补偿不能确 定的条件下，是一种行之有效的工艺方法。例如,山东 省新船重工公司精度管理技术水平处于起步阶段，分 段（总段）制作前所有工序仍允许建造余量的存在，分 段（总段）制作工序结束后采取预修整措施，具体做法 为：利用全站仪等先进的测量工具对完工分段（总段） 的总尺寸、水平度和垂直度等项进行测量，测量值与模 型值进行比较，偏差大于精度标准士 5mm的尺寸需要进行预修整，进而保证船台（坞）合拢工序 的零余量。对30 0001散货船建造成本进行数据统计, 上述比较初级的精度管理技术对船厂生产的影响反映 为以下几点：1）钢材利用率提高0. 3%; 2）船台（坞） 修割及矫正工时减少20%； 3）缩短船台（坞）使用周期 5d。该造船企业准备将尺寸预修整工艺推广到整个造 船过程的每一道工序中,并建立基于图3所示的造船动 态精度控制系统，以进一步提高企业的生产效 率，节约建造成本，提高市场竞争力。6精度标准制定精度管理的实质是科学管理与先进制造技术的互相结 合，制定有效的精度标准需要有成熟的工艺技术、先进 的生产设备及科学的管理团队作为保障。张明华面阐 述了船舶建造精度管理计划、标准和实施方法，以及评 估体系等问题12,为国内造船企业不断提高市场竞 争力指明了发展方向。精度管理系统的研发是一切精 度管理研究的最终落脚点。SH0JITAKECHI等建立了基 于焊接收缩量评估的精度管理系统13,该系统包括 精度计划实施、精度评估等精度管理的各个方面，实现 了 一 体化制造系统。G.W. Johnson等发的 SMAS(StructureMeasurement and A-alysis)法，利用 普通消费级数码相机实现了测量、分析、图像显示及 虚拟建造的一体化,在船舶分段建造的测量和精度控 制方面起到了巨大的推进作用。此外，造船精度标准必 须考虑造船经济性因素。当船舶建造的某工序精度降 低时，本工序的加工成本 是减少的，但同时，也带来了下道工序修整成本的增 加。选择合适的精度等级，就是要找到总成本最低 的那个平衡点。7精度补偿的完善7.1准备阶段 据分析求得各工序实际误差的算术平均值又，标准偏 差a，工序能力指数C等特性值，据此制订出船体建造 精度控制的精度标准。另一方面，将过去船体建造时 所测得的数据(该数据必须是真实可靠的)收集起来， 按工序阶段用数理统计方法分别计算出各特性值。特 别需要指出的是，解决焊接收缩变形是船体建造精度 控制中的首要问题，因此一定要了解和掌握不同形式 的焊缝收缩变形规律。在此基础上，才可确定补偿对 象、时机和方法。最后，还应对测量仪器和量具进行 精度鉴定，凡不符合精度要求的，应进行检修或更换。7.2实施阶段这一阶段，要重视精度管理技术。在管理上，采用完 整的体制、方法和手段。在设计上，必须对设计图纟氏 进行改进和深化，图面上应逐步实现精度计划的要求， 并将补偿量按不同时机标注到图面上。另外，还要制 订出符合精度要求的专用工艺和各项精度标准。在施 工中，按检测要求认真测量、记录和分析这些数据， 逐步掌握船体结构的实际变形规律和确定出影响变形 的主要因素，以此来检验所加放的补偿量的准确性。7.3数据的反债阶段精度检测是确保施工尺寸精度的必要手段，也是精度 控制的重要环节。通过检测所获得的数据反馈到精度 控制部门，经分析处理，以掌握以下几种情况：(1) 了解船 体建造过程中各工序的实际精度是否出现 或可能出现超差现象；(2) 余量加放的对象和切割时机是否正确；(3) 加放的补偿量是否准确；(4) 补偿时机的方法是否合理；(5) 补偿范围是否需要修正等。在整个船体建造 过程中，实现精度控制。7.4深入探讨和完善阶段新技术和新设备的不断采用，将为船体建造精度的提 高创造有利条件。由于船体结构复杂、精度要求较高 的新型船舶不断出现，这就需要不断地进行探索和掌 握它们的变形规律，通过准确的补偿来达到船体建造 精度的要求。对船厂建造的一般船舶，如散货船、油 船等的补偿量加放方法也存在一个深化和完善的问 题，即补偿量的加放应从平行肿体和缓曲部分向舷， 娓方向扩展;从立体分段向平面分段、部件、零件方面 扩展，逐步扩大精度补偿的范围8展望由于船舶这一产品的特殊性，精度控制一直是较难解 决的问题，精度控制作为“瓶颈”，一直制约船舶建造 的整体质量。从我国造船工业长远发展来看，船舶精度 管理与过程控制技术的研究应该列入到日程中，特别 是取代人工经验的补偿量建模系统研究、建造过程中 的检测和调整技术研究，以及建造过程中影响变形因 素的机理研究等工作都需要长期持之以恒地进行，才 能有高水平的成果应用到实际中去。只有认清造船精 度管理的内容，明确精度管理的实施步骤,采用先进的 测量手段及制造工艺，加强造船过程管理,完善精度管 理标准，才能不断提高精度管理水平，适应现代造船模 式的需要。船体建造精度管理，从国外发展历史到我 国引进概念并应用以来的情况看，这项新工艺技术对 于保证船体建造质量、缩短造船周期、提高生产效率 等诸多方面都有不容置疑的优点，在造船发达国家已 得到全面应用，在我国船厂也已被证明是切实可行的。 今后在以下几方面应继续研究。(1) 从技术上加强精度管理的研究，对焊接收缩、热变 形、吊装变形等影响建造精度的关键技术难点，应加 强理论研究和经验数据的积累。(2) 扩大先进设备和先进工艺的应用，应对每道工序所 涉及的设备精度的影响加以研究，努力开发或引进(等 离子)数控切割机等高精度的造船设备，积极探索有利 于精度管理的新工艺，尽可能地消除各道工序的累积误差，使精度 控制工作贯穿于产品建造的全过程(3) 在船体建造工位上的具体操作者是精度管理工作 的关键，要提高职工的重视程度，加强技术培训，提 高人员素质。(4) 加强精度管理过程中的质量检验工作，经常性的每 道工序的质量检验是精度造船工作的保证，有助于及 早发现问题，改正缺陷，积累经验，及时改进。要做 好质量的自检、互检和专检工作，通过船厂的质量保 证体系的正常运作，不断改善精度管理工作。参考文献：1精度管理的理念和实践范克惠2国外船舶精度妆制技术中国船舶工业船舶工艺研 究所3浅谈造船精度补偿的控制方法中国船舶工业船舶 工艺研究所唐汉帆4精益造船模式研究5造船行业分析报告62011-2015年中国造船行业市场调研及投资前景分 析预测报告7船舶制造精度管理及过程控制技术探讨于昌利, 初冠南8船体建造精度控制9造船精度控制和精度管理相关技术工艺的分析研 究老秩家，柳良音10现代造船模式下的造船精度管理体系曹志兵 孙建志11中国船舶报12,世界先进造船技术（KPS教育）13主装造船流程研究14精度管理的理念和实践15精益造船模式研究