張宜群

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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造船現(xiàn)場校管測量及出圖系統(tǒng)研究

張宜群

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

摘要通過對(duì)造船現(xiàn)場校管自動(dòng)出圖系統(tǒng)的研究，采用解方程組的方式，推導(dǎo)出一種快速的計(jì)算方法，并設(shè)計(jì)了一種新型的拉線測量裝置。基于AutoCAD 2010二次開發(fā)、建立相關(guān)法蘭數(shù)據(jù)庫原理，設(shè)計(jì)了造船現(xiàn)場校管出圖系統(tǒng)框架,可實(shí)現(xiàn)造船現(xiàn)場校管快速自動(dòng)出圖功能，也可為設(shè)計(jì)生產(chǎn)現(xiàn)場校管自動(dòng)出圖產(chǎn)品提供參考。

關(guān)鍵詞測量現(xiàn)場校管

0引言

近年來隨著中國造船業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)骨干造船基地先后順利建成投產(chǎn)，并全面形成總裝化造船模式。一批老造船企業(yè)為進(jìn)一步完善現(xiàn)代造船模式，加快了自動(dòng)化和信息化進(jìn)程，造船能力和生產(chǎn)效率快速增長，已經(jīng)成為中國船舶工業(yè)邁向現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。然而近年來我國面臨國際國內(nèi)雙重競爭的局面，外部經(jīng)濟(jì)環(huán)境更趨復(fù)雜、多變，勞動(dòng)力成本加大，進(jìn)一步提高了技術(shù)和成本門檻；內(nèi)部經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，保交船、降成本、調(diào)結(jié)構(gòu)的壓力更加激烈。經(jīng)過多年持續(xù)改進(jìn)，造船精度控制技術(shù)不斷提高，但是分段/總段合攏時(shí)由于管系零件存在制造和安裝過程的累計(jì)誤差，大量管系常無法對(duì)接，經(jīng)常會(huì)遇到必須在現(xiàn)場進(jìn)行放樣制作的管子。傳統(tǒng)現(xiàn)場校核方法、合攏管測量和制作周期相當(dāng)于制作預(yù)制管5倍以上的工作量，不僅效率低下，同時(shí)還會(huì)衍生出法蘭附件損傷、現(xiàn)校管體損傷、工藝規(guī)范沖突、安裝后效果不佳等質(zhì)量問題。若管徑較大時(shí)，搬運(yùn)也存在一定的安全隱患。為了改善在建造船合攏管的制作質(zhì)量、節(jié)約臨時(shí)固定用角鐵等材料以及節(jié)省勞動(dòng)力，通過對(duì)AutoCAD 2010進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)出了一套快速出圖軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了合攏管不同空間位置的精確測量、定位、擬合設(shè)計(jì)。

1基本原理

1.1求平面外一點(diǎn)坐標(biāo)算法

設(shè)基準(zhǔn)法蘭空間坐標(biāo)系為O′X′Y′Z′，T型掛線結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系為OXYZ，OXYZ與O′X′Y′Z′平行。在OXYZ坐標(biāo)系中，已知平面上A、B、C三點(diǎn)和平面外一點(diǎn)P(見圖1和圖2)，坐標(biāo)分別為A(r，0，0)、B(0，r，0)、C(-r，0，0)，|PA|=a，|PB|=b，|PC|=c，可以求解P(x，y，z)坐標(biāo)值。

圖1　基本原理示意圖

圖2　基本坐標(biāo)及空間位置

由兩點(diǎn)距離公式可得到如下3個(gè)等式。

(1)

(2)

(3)

由(3)-(1)，得

(4)

由(1)-(2)，得

(5)

由(1)+(2)+(3)，得

(6)

將(4)和(5)代入(6)，求得

(7)

同理也可以求出平面外Q點(diǎn)和M點(diǎn)。

1.2求兩個(gè)法蘭中心線的公垂線

設(shè)P、Q、M三點(diǎn)為被測法蘭外表面3個(gè)螺栓孔的3個(gè)中心點(diǎn)，通過測距可得P、Q、M三點(diǎn)坐標(biāo)，由于P、Q、M三點(diǎn)共圓，可以求得被測法蘭圓心及法向量，經(jīng)過坐標(biāo)平移可以得到相對(duì)基準(zhǔn)法蘭圓心O′(0，0，0)的坐標(biāo)及法向量。

ΔO′Z2E。

圖3　兩個(gè)法蘭中心線空間位置

(8)

(9)

(10)

(11)

由(8)-(11)式，經(jīng)過矢量運(yùn)算即可確定Z2、T2點(diǎn)坐標(biāo)和h的值。

1.3連接算法

(12)

(13)

因此，只要給定Z1點(diǎn)坐標(biāo)、L、夾角α和β，可以求得T1點(diǎn)坐標(biāo)，從而求得連接軌跡線(折線O′Z1T1O″)，最后設(shè)定倒角半徑，計(jì)算出倒角(見圖4)。已知兩條直線開倒角算法很多，本文應(yīng)用向量計(jì)算求解出圓心和切點(diǎn)坐標(biāo)，不在此贅述。

圖4　兩條直線開倒角

2現(xiàn)場校管自動(dòng)出圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)思路

本文提出的現(xiàn)場校管自動(dòng)出圖系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)(見圖5)。其中，硬件系統(tǒng)包括拉線測量裝置和PDA設(shè)備，通過9次拉線測量長度，確定被測法蘭的圓心空間坐標(biāo)及法相方向；軟件包括拉線位移傳感器測距讀數(shù)程序編寫、基于Auto CAD二次開發(fā)的參數(shù)輸入程序?qū)崿F(xiàn)接管自動(dòng)擬合、建立法蘭數(shù)據(jù)庫，以及應(yīng)用上海船舶工藝研究所開發(fā)的SB3DX軟件出圖程序模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出圖功能。

圖5　總體設(shè)計(jì)思路

2.2拉線測量裝置設(shè)計(jì)及操作流程

拉線測量裝置(見圖6)主要包括拉線位移傳感器、長方形固定結(jié)構(gòu)、T型掛線結(jié)構(gòu)件(含掛線孔和基準(zhǔn)線)、固定螺栓、定位銷釘?shù)取?/p>

其主要操作步驟如下。

(1) 當(dāng)管徑較大時(shí)采用內(nèi)掛式(如圖7左圖所示)，當(dāng)管徑較小時(shí)采用外掛式(如圖7右圖所示)。

圖6　單點(diǎn)懸掛式拉線測量裝置　　　　　　　　　　　　　　圖7　兩種懸掛方式(左內(nèi)掛，右外掛)

(2) 通過固定螺栓，將拉線測量裝置初步固定在基準(zhǔn)法蘭上，將卡槽安裝到對(duì)點(diǎn)螺栓上。

(3) 將傳感器線頭拉出，掛在對(duì)角卡槽中，準(zhǔn)備對(duì)中校核。

(4) 手動(dòng)調(diào)整長方形固定結(jié)構(gòu)，使得傳感器拉線與基準(zhǔn)線平行，然后擰緊定位銷釘，完成對(duì)中校核(見圖8)。

(5) 將傳感器線頭拉出，穿過掛線孔，掛到待測法蘭螺栓的卡槽中(見圖9)并記錄拉線長度(PDA記錄)。待測法蘭同一個(gè)測量點(diǎn)，需測量3次長度(逆時(shí)針掛線，每次通過T型結(jié)構(gòu)掛線的1個(gè)掛線孔)。

(6) 重復(fù)上步，通過PDA記錄，直至測完3個(gè)不同螺栓孔(共拉9次)。

(7) 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，調(diào)用法蘭數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過程序完成接管擬合及自動(dòng)繪制施工圖。

圖8　對(duì)中校核　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖9　拉線測量長度

2.3與其他測量裝置對(duì)比分析

其他測量裝置主要包括3種類型：三坐標(biāo)測量臂數(shù)據(jù)臂測量裝置、單點(diǎn)懸掛轉(zhuǎn)動(dòng)式拉線裝置、兩點(diǎn)固定式3條拉線測量裝置。其主要特點(diǎn)如表1所示。

表1　典型合攏管測量裝置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

本文設(shè)計(jì)的單點(diǎn)懸掛式拉線測量裝置與上述3類裝置相比，具有如下優(yōu)勢。

(1) 與三坐標(biāo)測量臂數(shù)據(jù)測量裝置相比，本裝置造價(jià)低、體積小、搬運(yùn)便利。

(2) 與單點(diǎn)懸掛轉(zhuǎn)動(dòng)式拉線裝置相比，減少了角度傳感器，降低了成本，同時(shí)消除了角度測量誤差，提高了測量精度，如果采用外掛方式可測量更小口徑的法蘭。

(3) 與兩點(diǎn)固定式3條拉線測量裝置相比，造價(jià)低、體積小、搬運(yùn)便利、可適應(yīng)于更小口徑的管子法蘭。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的拉線測量裝置，并設(shè)計(jì)了造船現(xiàn)場校管自動(dòng)出圖系統(tǒng)的雛形，研究結(jié)論如下：

(1) 本次設(shè)計(jì)新型的拉線測量裝置，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場校管快速測量，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。(2) 本次設(shè)計(jì)的新型拉線測量裝置與3類測量裝置相比，造價(jià)較低、體積更小、可適應(yīng)于較大口徑范圍的測量，實(shí)用性更強(qiáng)。

(3) 本文提出接管算法并非最優(yōu)算法，但可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速校管和自動(dòng)出圖，因此還需要在今后進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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The Automatic Drawing System for Shipbuilding Pipe Spot Checking and Measurement

ZHANG Yi-qun

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032， China)

AbstractThe automatic drawing system of pipe spot checking for shipbuilding was researched in this paper. By solving the equations, derived a fast calculation method and designed a new spot checking instrument. Based on the AutoCAD 2010 secondary development and the establishment of the relevant flange database, the design of the drawing system framework of the pipe spot checking was designed, which can realize the quick and automatic drawing function of the pipe spot checking in shipbuilding. Results can provide reference for the design and production of the automatic drawing products for pipe spot checking.

KeywordsMeasurementPipe spot checking

中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：張宜群(1982-)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶與海工裝備建造工藝研究和工藝裝備研發(fā)。