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1、船舶建造精度控制技術(shù)綜述船舶111 潘黎明 1105080129 摘要:船舶建造精度控制技術(shù)是船舶建造十分重要的技術(shù)。文章通過對(duì)船舶建造精度控制工藝概念和內(nèi)容的闡述,分析國(guó)內(nèi)外精度管理和研究水平的進(jìn)展和現(xiàn)狀,探討了制約船廠發(fā)展精度控制技術(shù)的因素,并提出了相應(yīng)的對(duì)策。 關(guān)鍵詞:船體建造;精度控制 引言:船舶建造精度控制技術(shù)是船舶建造十分重要的技術(shù),目前主要集中研究船體控制技術(shù)。 船舶建造精度控制技術(shù)是縮短造船周期、降低成本和提高造船企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要方法之一,對(duì)其開展研究和應(yīng)用具有重要的意義。該項(xiàng)技術(shù)是適應(yīng)我國(guó)船舶工業(yè)跨越式發(fā)展急需解決的重要課題之一,也是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期持續(xù)研究的課題。一、船體建造精

2、度控制 船體建造精度控制是以船體建造精度標(biāo)準(zhǔn)為基本準(zhǔn)則,通過科學(xué)的管理方法與先進(jìn)的工藝手段對(duì)船體建造進(jìn)行全過程的尺寸精度分析和控制,以達(dá)到最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)修整工作量,提高生產(chǎn)效率,保證船舶產(chǎn)品質(zhì)量。 所謂精度控制,簡(jiǎn)單的說就是在船舶建造過程中用補(bǔ)償量代替余量,逐步增加補(bǔ)償量的使用范圍,并控制船體結(jié)構(gòu)位置精度。以最少的成本控制船體建造的主尺寸偏差、線形偏差和結(jié)構(gòu)錯(cuò)位在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),保證船舶質(zhì)量。精度管理是系統(tǒng)工程,關(guān)鍵是全面、全過程推行精度控制,核心是實(shí)施造船精度設(shè)計(jì)。造船精度控制技術(shù)中精度補(bǔ)償就是在工件的基本尺寸上增加一個(gè)量值,這個(gè)量值稱之謂補(bǔ)償量。補(bǔ)償量是為了彌補(bǔ)工件在船體建造過程中由各種熱

3、輸人所引起的基本尺寸的收縮,以及扭曲、上翹、下垂等變形引起的基本尺寸不足而加放的一種余量。補(bǔ)償量與傳統(tǒng)的工藝余量不同,補(bǔ)償量取代工藝余量,并在各工藝階段毋需進(jìn)行二次號(hào)料切割和二次定位,即可保證零部件、分段尺寸,以及船體主尺度的尺寸精度需求。精度補(bǔ)償可以達(dá)到最大限度地減少施工過程中的修整工作量,這對(duì)于提高造船生產(chǎn)效率和建造質(zhì)量具有十分重要的作用。實(shí)施精度補(bǔ)償,對(duì)船體建造全過程的尺寸精度分析和控制,不僅需要運(yùn)用先進(jìn)的工藝技術(shù),而且需要進(jìn)行嚴(yán)密的科學(xué)管理,其內(nèi)容包括建立精度控制工作系統(tǒng)、編制精度控制計(jì)劃、確立精度補(bǔ)償量的加放原則、精度補(bǔ)償量的加放方法、精度補(bǔ)償?shù)耐晟频取?改進(jìn)造船工藝水平,提高船舶質(zhì)

4、量,降低生產(chǎn)成本,縮短施工時(shí)間,是船舶行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果和要求。船舶建造過程中精度控制研究是改進(jìn)造船工藝水平的基礎(chǔ),深入研究船舶制造中的精度問題,分析造船工藝的科學(xué)性和合理性,發(fā)現(xiàn)問題,找出改進(jìn)措施,進(jìn)而為施工工藝改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。 從工藝技術(shù)方面,船體建造精度控制經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:(1)分段上船臺(tái)前進(jìn)行修正以適應(yīng)船臺(tái)裝配的尺寸精度要求(即分段無余量上船臺(tái)裝配)(2)平直分段進(jìn)行建造全過程尺寸精度控制與曲面分段進(jìn)行預(yù)修正后上船臺(tái)相結(jié)合(3)對(duì)全船所有分段進(jìn)行建造全過程的尺寸精度控制二、精度控制意義:(1) 能夠保證船體的主尺寸和線形誤差在允許范圍內(nèi),保證船舶的載重量和

5、航速,從而保護(hù)船東的利益;(2) 能夠控制船體結(jié)構(gòu)錯(cuò)位在允許范圍內(nèi),保證船舶的強(qiáng)度和安全;(3) 最大限度地減少裝焊作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)修整工作量,提高勞動(dòng)效率,降低人力成本;(4) 提高船體分段下船塢的定位效率,縮短造船周期;(5) 提高鋼材利用率,降低材料成本;(6) 能夠減少結(jié)構(gòu)修割,高空作業(yè)平地做,改善工作環(huán)境,保證生產(chǎn)工人的安全和健康;(7) 能減少修割和返修,降低能源消耗,能節(jié)約能源,減少環(huán)境污染;(8) 能夠控制接縫間隙在合理范圍,有利于保證船舶焊接質(zhì)量,從而保證船舶航行安全。三、船舶建造測(cè)量與精度控制技術(shù)研究進(jìn)展(1)國(guó)外目前研究狀況。日本、韓國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)等先進(jìn)造船國(guó)家,都有系統(tǒng)

6、的研究和成功的應(yīng)用成果。這些國(guó)家大多以承接建造高技術(shù)、高附加值的船舶為主,如液化氣船、大型集裝箱船、豪華游船等。這些先進(jìn)的造船國(guó)家,通過應(yīng)用先進(jìn)的船舶建造精度控制技術(shù)等,大幅度提高了造船質(zhì)量,達(dá)到了現(xiàn)代化的造船水平。 船舶建造測(cè)量與精度控制技術(shù)在國(guó)外大致經(jīng)歷下列發(fā)展歷程:上個(gè)世紀(jì)40 年代起公差概念引入造船業(yè),探索各個(gè)工序合理的公差;50 年代起對(duì)工件裝配邊加放余量,裝配時(shí)修割;50 年代末開始使用激光經(jīng)緯儀進(jìn)行分段預(yù)修割后上船臺(tái),日本運(yùn)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)控制船體零件的尺寸公差;60 年代起造船界運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)技術(shù)和尺寸鏈技術(shù)探索船體建造公差和合理分布問題;70 年代造船業(yè)開始用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值或公式解決熱變形

7、的補(bǔ)償量問題,貨艙平直分段已做到無余量,曲型分段放余量;80 年代,開始應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)開發(fā)出補(bǔ)償系統(tǒng),可做到所有分段無余量制作;本世紀(jì)初,韓國(guó)三星巨濟(jì)船廠開展巨型總段建造模式的研究,這對(duì)精度造船提出新的要求,韓國(guó)大宇造船廠已逐步開發(fā)出巨型總段的精度控制和激光三維定位測(cè)量技術(shù),使2 000-5 000噸的巨型總段能夠無余量下塢搭載,縮短船塢周期,降低造船成本。 國(guó)外很多學(xué)者在船舶建造精度控制技術(shù)方面,獲得了大量的研究成果,并且大多數(shù)被應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。但出于商業(yè)秘密的考慮,成果很少公開,能收集到的有關(guān)文獻(xiàn)資料不多,特別是對(duì)于補(bǔ)償量建模和系統(tǒng)開發(fā)方面,缺乏具體應(yīng)用的材料。另外,精度控制技術(shù)同船廠的生

8、產(chǎn)條件、管理水平等是密不可分的。因此,提高精度控制技術(shù)水平還需要結(jié)合企業(yè)實(shí)際。 (2)國(guó)內(nèi)目前研究狀況。國(guó)內(nèi)開展船舶建造精度控制技術(shù)研究的起步較晚。上世紀(jì)六十年代中期,我國(guó)開始從國(guó)外引入船體建造精度管理的概念,但是由于對(duì)這一概念缺乏足夠的認(rèn)識(shí),忽視了這項(xiàng)技術(shù)有其極其豐富的技術(shù)內(nèi)容,而片面的強(qiáng)調(diào)有關(guān)工藝部分。在1978年初開始國(guó)內(nèi)興起了一股研究和推行精度造船的熱潮,大連、滬東、江南和上海船廠成立課題組研究精度造船,到1982年取得了一定的成就,實(shí)現(xiàn)了貨艙區(qū)分段精度造船,艏艉分段預(yù)修整后上船臺(tái)。但我國(guó)在精度造船方面還沒有形成一個(gè)完善的數(shù)據(jù)庫和一整套系統(tǒng)支持且大多局限于尺寸精度的研究,與日、韓先進(jìn)造

9、船強(qiáng)國(guó)還有一定差距。分段精度控制是船體精度控制的基礎(chǔ),國(guó)內(nèi)的分段精度控制技術(shù)目前僅限在船體中部平直貨艙區(qū)域以補(bǔ)償量代替余量,而分段精度控制包括“主尺寸、線形和結(jié)構(gòu)位置”三方面的控制內(nèi)容。國(guó)內(nèi)研究也限于主尺寸控制的理論方面,對(duì)分段的線形和結(jié)構(gòu)位置研究較少。國(guó)內(nèi)的精度造船研究?jī)H限于工具和技術(shù)方面,個(gè)別造船公司在船體建造精度控制中的對(duì)合基準(zhǔn)線控制技術(shù)、全船余量和補(bǔ)償量加放技術(shù)、變形和反變形技術(shù)以及在精度控制上的統(tǒng)計(jì)技術(shù)等。由于精度造船技術(shù)作為日韓造船業(yè)的核心技術(shù),對(duì)中國(guó)造船業(yè)進(jìn)行技術(shù)封鎖,中國(guó)造船業(yè)無法學(xué)習(xí)其先進(jìn)的精度控制方法和技術(shù)。國(guó)內(nèi)各家船舶企業(yè)之間技術(shù)設(shè)施的差異性,也基本上處于各自發(fā)展的狀態(tài)。

10、4、 建造精度控制技術(shù) 建造過程中的精度控制技術(shù),是指從制造開始后,在加工、裝配、分段合攏和總段合攏等各工序中按著相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范實(shí)施精度控制的技術(shù),主要有兩方面:一是各工序中的精度檢測(cè)與評(píng)估;二是出現(xiàn)超差問題時(shí)的對(duì)策。具體包括以下內(nèi)容: (1)加工工序的精度控制技術(shù)。切割技術(shù)己達(dá)到自動(dòng)化加工水平。對(duì)各類機(jī)器的檢測(cè)和修整、補(bǔ)充機(jī)器用消耗品,定期抽樣檢查零件的切割精度等是這段工序的精度控制的主要內(nèi)容。對(duì)策主要是調(diào)整機(jī)器的加工精度和培訓(xùn)作業(yè)人員的技術(shù)水平等。曲面加工曲面成型技術(shù)基本屬于手工作業(yè)水平。對(duì)成品的成型尺寸和焰道熱加工的溫度控制檢驗(yàn)等是這段工序的精度控制的主要內(nèi)容。對(duì)策主要是使作業(yè)工人掌握水

11、火彎板基本變形機(jī)理的知識(shí)和提高加工的技術(shù)水平。而研究實(shí)用的水火成型工藝參數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng),直至研制出可應(yīng)用于生產(chǎn)的水火成型自動(dòng)加工設(shè)備等是主要研究目標(biāo)。 (2)裝配工序的精度控制技術(shù)。小組立中的精度控制技術(shù),主要有在橫向構(gòu)件上安裝小骨材的尺寸精度檢測(cè)對(duì)前期工序是否出錯(cuò)的檢驗(yàn)等。對(duì)策是修整超差的變形,報(bào)告前面工序的錯(cuò)誤并調(diào)整因此而出現(xiàn)的錯(cuò)誤,直至返工到前面的工序從新加工。大組立是分段合攏前的最后一項(xiàng)工程。一方面受前期小組立裝配精度的影響,另一方面還要滿足分段合攏的精度要求。大組立中的精度控制技術(shù)主要有檢驗(yàn)縱骨定位、精度檢驗(yàn)、橫向構(gòu)件的裝配精度檢查和焊接坡口的寬度等。對(duì)策是找出裝配中產(chǎn)生誤差的原因,并能

12、分析累積誤差。分段重量、重心位置在分段前的作業(yè)過程中,每完成一道工序,需要檢測(cè)零件、部件、組立等的重量和重心位置,能準(zhǔn)確估算的,可以省略測(cè)試。特別是在海洋結(jié)構(gòu)物的建造過程中,空船結(jié)構(gòu)的重量和重心位置的檢測(cè)和修整是必須的。 (3)合攏過程的精度控制技術(shù)。分段生產(chǎn)制造的周期長(zhǎng),制造過程中焊接工藝實(shí)施不當(dāng),吊運(yùn)過程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形等原因,使得分段與設(shè)計(jì)尺寸存在偏差,導(dǎo)致合攏出現(xiàn)問題,常見的問題是端部的錯(cuò)位現(xiàn)象。對(duì)策是設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)線,按著定位要領(lǐng)指導(dǎo)書進(jìn)行作業(yè)調(diào)整局部變形。 綜上所述,造船企業(yè)須對(duì)船體加工、裝配、合攏進(jìn)行控制,以滿足船東的建造精度要求。造船企業(yè)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的主尺寸、形狀和位置偏差的控制

13、,開始采用得是船體零件上加放余量的辦法,后來根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)技術(shù),對(duì)零件加工和焊接的收縮量進(jìn)行分析,以零件的補(bǔ)償量來代替余量,并逐漸擴(kuò)大零件補(bǔ)償量的加放范圍,從平直貨艙區(qū)域逐步推廣到部分首尾船體結(jié)構(gòu)區(qū)域,逐步形成了船體精度控制的技術(shù)。五、造船精度管理的內(nèi)容及實(shí)施步驟一般程序可以歸納為精度控制階段的劃分、標(biāo)準(zhǔn)偏差的測(cè)算以及各控制階段補(bǔ)償量的確定三個(gè)步驟。 (1)精度控制階段的劃分船體建造是一個(gè)工序多,周期長(zhǎng)的生產(chǎn)過程。因此,要實(shí)施精度控制,可以把船體建造全過程分解成若干個(gè)控制階段,通過對(duì)各個(gè)階段的有效控制,最終達(dá)到精度控制的目標(biāo)。船體 建 造 全過程精度控制的階段劃分應(yīng)與船體建造的工藝階段相對(duì)應(yīng),這

14、對(duì)于精度控制來說,不僅是合理的,而且是有利的。船體建造工藝階段通常劃分為:號(hào)料、加工,部件制造,分段制造和船臺(tái)裝配四個(gè)階段,精度控制也按這四個(gè)階段分別實(shí)施。這四個(gè)控制階段相互制約,前一個(gè)階段是后一個(gè)階段的控制基礎(chǔ),每一個(gè)階段的有效控制都是精度控制的保證。 (2)標(biāo)準(zhǔn)偏差的測(cè)算測(cè)算船體建造各個(gè)階段的標(biāo)準(zhǔn)偏差是制訂精度控制計(jì)劃的基礎(chǔ),也是確定各個(gè)階段加放補(bǔ)償量的重要依據(jù)。測(cè)算方法一般采用大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過作出直方圖求得標(biāo)準(zhǔn)偏差。需要測(cè)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差,零件加工方面的有:板材割縫的偏差、數(shù)控切割熱變形偏差、火工成型板材的偏差等;部件制造方面的有:T型材焊接收縮量、板材拼焊收縮量、構(gòu)架與板列焊接收縮量等;

15、分段制造方面的有:分段焊接收縮量、分段火工矯正的收縮量等;船臺(tái)裝配方面的有:橫向、縱向、水平大接縫的焊接收縮量、溫差變化的影響等。綜合這些測(cè)算數(shù)據(jù)是確定加放補(bǔ)償量,實(shí)施尺寸精度控制的依據(jù)。 (3)各控制階段補(bǔ)償量的確定 一般來說 ,船體建造各個(gè)階段的標(biāo)準(zhǔn)偏差值與補(bǔ)償量應(yīng)相一致的。由于 船 體 建造各階段中補(bǔ)償各種因素引起的尺寸偏差,而給定的補(bǔ)償值可以看作為相應(yīng)獨(dú)立的正態(tài)分布。根據(jù)概率的定理,各個(gè)正態(tài)分布疊加后仍是正態(tài)分布。因此,假設(shè)船體建造完工后的理想精度為0值狀態(tài),船臺(tái)裝配補(bǔ)償量為a,分段制造補(bǔ)償量為b,部件制造補(bǔ)償量c,零件加工補(bǔ)償量為d,那末某一控制階段的補(bǔ)償量應(yīng)為該階段的補(bǔ)償量與其后續(xù)

16、階段的補(bǔ)償量的代數(shù)和。所以,零件加工的補(bǔ)償量、部件裝配的補(bǔ)償量、分段制造的補(bǔ)償量、船臺(tái)裝配的補(bǔ)償量,可以以工件為對(duì)象按其所需經(jīng)過的階段分別予以考慮。 1)零件補(bǔ)償量:零件是船體建造中組成工件最基本的單元,因此在考慮零件的補(bǔ)償量時(shí),應(yīng)把它作為補(bǔ)償?shù)钠鹗键c(diǎn)。對(duì)零件的補(bǔ)償量,除了對(duì)形成零件本身階段的補(bǔ)償外,還必須包含其后續(xù)所有階段的補(bǔ)償。 2)部件補(bǔ)償量:同零件補(bǔ)償原理一樣,部件補(bǔ)償量,除了對(duì)形成部件本身階段的補(bǔ)償外,還必須包含其后續(xù)所有階段的補(bǔ)償。與零件補(bǔ)償不同之處在于,部件補(bǔ)償對(duì)零件無嚴(yán)格要求。 3)分段補(bǔ)償量:同部件補(bǔ)償原理一樣,分段補(bǔ)償除了對(duì)分段制造本身階段的補(bǔ)償外,還必須包含船臺(tái)裝配階段的

17、補(bǔ)償。而它對(duì)零件、部件無嚴(yán)格要求。 4)船臺(tái)裝配的補(bǔ)償量:因?yàn)榇_(tái)裝配是船體建造的最后一道工序,它之后設(shè)有后續(xù)階段,所以船臺(tái)裝配的補(bǔ)償僅需對(duì)船臺(tái)裝配全過程中的收縮進(jìn)行補(bǔ)償,而它的補(bǔ)償量加放時(shí)機(jī)應(yīng)在分段制造階段。 (4)明確精度補(bǔ)償?shù)募臃旁瓌t船體建造是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,引起船體工件收縮變形的因素繁多,變形復(fù)雜,因此對(duì)工件尺寸的補(bǔ)償也是一項(xiàng)十分艱巨和復(fù)雜的工作。它不僅與船型的差異、分段結(jié)構(gòu)的型式、分段劃分的方式、分段建造的方法、裝焊程序、焊接方法、火工校正程度,以及船臺(tái)吊裝的程序有關(guān),而且還與船廠的生產(chǎn)條件、管理水平、人員素質(zhì)等因素有著密切的關(guān)系。為此,在進(jìn)行精度補(bǔ)償量計(jì)算和加放時(shí),一般應(yīng)遵循以

18、下原則。六、船廠目前在分段精度控制方面的問題由于軟硬件的差距,在測(cè)量與精度控制方面更加薄弱,基本還是處于事前加余量建造,事后測(cè)量切割的狀態(tài),并且缺乏對(duì)精度控制的分析研究能力。對(duì)船體分段精度控制體系的研究方面基本是空白,也沒有可操作的控制方法,這樣對(duì)中小型船廠船體分段精度控制體系和方法的研究就很有意義和必要了。(1)分段建造精度控制的問題非數(shù)字化的測(cè)量,其結(jié)果要手工記錄,不便于與現(xiàn)代的造船設(shè)計(jì)軟件及現(xiàn)代的數(shù)據(jù)處理分析方法結(jié)合,不利于形成有效的數(shù)據(jù)庫;鋼尺量距的準(zhǔn)確性不穩(wěn)定,而且非常不方便,對(duì)于大型船只的結(jié)構(gòu)件,鋼尺無法完成準(zhǔn)確的測(cè)量;數(shù)據(jù)采集需要的人員較多,工作效率低下。(2)分段及總段精度檢查

19、控制存在的問題分段體必須按照特定要求擺放,否則不好進(jìn)行測(cè)量;數(shù)據(jù)報(bào)表需要人工計(jì)算,不方便與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對(duì)比;效率比較低,容易出現(xiàn)錯(cuò)誤,造成工期延誤;由于測(cè)量手段及數(shù)據(jù)處理方式的落后目前還無法形成有效的精度管理機(jī)制及精度數(shù)據(jù)循環(huán)。 (3)船體合攏精度檢查控制存在問題傳統(tǒng)測(cè)量方法效率低下,占用吊機(jī)時(shí)間較長(zhǎng);需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)余量進(jìn)行切割,需要對(duì)分段進(jìn)行復(fù)位作業(yè);很多分段需要進(jìn)行二次定位,影響船臺(tái)周期;傳統(tǒng)的測(cè)量手段很難對(duì)船體分段在船體成型過程中的變化進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì),為反變形的施放及無余量生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。七、船廠深入開展船體精度管理的對(duì)策 (1)重視精度控制工作,建立船舶精度控制體系。完整的精度管理體

20、系是保證建造精度工藝執(zhí)行的基礎(chǔ)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā),中小型船廠的經(jīng)營(yíng)者應(yīng)改變經(jīng)營(yíng)理念,重新認(rèn)識(shí)到船舶建造精度控制技術(shù)的重要性。站在整個(gè)企業(yè)的發(fā)展的角度,從根本上重視船舶精度控制工作,加大資金和人力的投入。以建立船舶精度控制體系為目標(biāo),健全各部門之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)制,加強(qiáng)管理,改善生產(chǎn)環(huán)境,提高船舶產(chǎn)品質(zhì)量,增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。 (2)加強(qiáng)與科研機(jī)構(gòu)和院校的技術(shù)交流。各船廠往往沒有足夠研究能力,可以通過和科研院所的交流合作,來提高自身技術(shù)水平。同時(shí),船廠之間也應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)交流,共同提高技術(shù)水平,如南通周邊各船廠,通過交流和學(xué)習(xí),一方面提高了生產(chǎn)工藝水平,另一方面也為開展精度控制工作的開展打下了技術(shù)基礎(chǔ)。 (3)積極引進(jìn)先進(jìn)精度控制技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的精度控制的軟硬件的開發(fā)水平也比較高。直接引進(jìn)成熟的先進(jìn)精度控制技術(shù),可以比較快的投入到生產(chǎn)中,較快的提高生產(chǎn)水平。比如在精度測(cè)量方面,青島某技術(shù)公司開發(fā)的精度控制軟件DACS(Dimensional & Accuracy Control System)尺寸與精度控制系統(tǒng),就可以通過直接購買系統(tǒng)軟件、高精度全站儀及各種附件。人員經(jīng)過培訓(xùn)后就可以直接在生產(chǎn)中快速、精確的對(duì)各種焊接件、船體分段、船體合攏進(jìn)行精度檢查及控制。也可以用于船舶制造過程現(xiàn)場(chǎng)尺寸檢

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