造船現場校管測量及出圖系統研究

張宜群

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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造船現場校管測量及出圖系統研究

張宜群

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

摘要通過對造船現場校管自動出圖系統的研究，采用解方程組的方式，推導出一種快速的計算方法，并設計了一種新型的拉線測量裝置?；贏utoCAD 2010二次開發、建立相關法蘭數據庫原理，設計了造船現場校管出圖系統框架,可實現造船現場校管快速自動出圖功能，也可為設計生產現場校管自動出圖產品提供參考。

關鍵詞測量現場校管

0引言

近年來隨著中國造船業的不斷發展，國內骨干造船基地先后順利建成投產，并全面形成總裝化造船模式。一批老造船企業為進一步完善現代造船模式，加快了自動化和信息化進程，造船能力和生產效率快速增長，已經成為中國船舶工業邁向現代化的重要標志。然而近年來我國面臨國際國內雙重競爭的局面，外部經濟環境更趨復雜、多變，勞動力成本加大，進一步提高了技術和成本門檻；內部經濟環境中，保交船、降成本、調結構的壓力更加激烈。經過多年持續改進，造船精度控制技術不斷提高，但是分段/總段合攏時由于管系零件存在制造和安裝過程的累計誤差，大量管系常無法對接，經常會遇到必須在現場進行放樣制作的管子。傳統現場校核方法、合攏管測量和制作周期相當于制作預制管5倍以上的工作量，不僅效率低下，同時還會衍生出法蘭附件損傷、現校管體損傷、工藝規范沖突、安裝后效果不佳等質量問題。若管徑較大時，搬運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量、節約臨時固定用角鐵等材料以及節省勞動力，通過對AutoCAD 2010進行二次開發，開發出了一套快速出圖軟件系統，實現了合攏管不同空間位置的精確測量、定位、擬合設計。

1基本原理

1.1求平面外一點坐標算法

設基準法蘭空間坐標系為O′X′Y′Z′，T型掛線結構的坐標系為OXYZ，OXYZ與O′X′Y′Z′平行。在OXYZ坐標系中，已知平面上A、B、C三點和平面外一點P(見圖1和圖2)，坐標分別為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)坐標值。

圖1　基本原理示意圖

圖2　基本坐標及空間位置

由兩點距離公式可得到如下3個等式。

(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點和M點。

1.2求兩個法蘭中心線的公垂線

設P、Q、M三點為被測法蘭外表面3個螺栓孔的3個中心點，通過測距可得P、Q、M三點坐標，由于P、Q、M三點共圓，可以求得被測法蘭圓心及法向量，經過坐標平移可以得到相對基準法蘭圓心O′(0，0，0)的坐標及法向量。

ΔO′Z2E。

圖3　兩個法蘭中心線空間位置

(8)

(9)

(10)

(11)

由(8)-(11)式，經過矢量運算即可確定Z2、T2點坐標和h的值。

1.3連接算法

(12)

(13)

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

圖4　兩條直線開倒角

2現場校管自動出圖系統總體設計

2.1總體設計思路

本文提出的現場校管自動出圖系統分為硬件系統和軟件系統(見圖5)。其中，硬件系統包括拉線測量裝置和PDA設備，通過9次拉線測量長度，確定被測法蘭的圓心空間坐標及法相方向；軟件包括拉線位移傳感器測距讀數程序編寫、基于Auto CAD二次開發的參數輸入程序實現接管自動擬合、建立法蘭數據庫，以及應用上海船舶工藝研究所開發的SB3DX軟件出圖程序模塊，實現自動出圖功能。

圖5　總體設計思路

2.2拉線測量裝置設計及操作流程

拉線測量裝置(見圖6)主要包括拉線位移傳感器、長方形固定結構、T型掛線結構件(含掛線孔和基準線)、固定螺栓、定位銷釘等。

其主要操作步驟如下。

(1) 當管徑較大時采用內掛式(如圖7左圖所示)，當管徑較小時采用外掛式(如圖7右圖所示)。

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

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

(3) 將傳感器線頭拉出，掛在對角卡槽中，準備對中校核。

(4) 手動調整長方形固定結構，使得傳感器拉線與基準線平行，然后擰緊定位銷釘，完成對中校核(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)。待測法蘭同一個測量點，需測量3次長度(逆時針掛線，每次通過T型結構掛線的1個掛線孔)。

(6) 重復上步，通過PDA記錄，直至測完3個不同螺栓孔(共拉9次)。

(7) 將數據導入電腦，調用法蘭數據庫數據，通過程序完成接管擬合及自動繪制施工圖。

圖8　對中校核　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖9　拉線測量長度

2.3與其他測量裝置對比分析

其他測量裝置主要包括3種類型：三坐標測量臂數據臂測量裝置、單點懸掛轉動式拉線裝置、兩點固定式3條拉線測量裝置。其主要特點如表1所示。

表1　典型合攏管測量裝置優缺點對比表

本文設計的單點懸掛式拉線測量裝置與上述3類裝置相比，具有如下優勢。

(1) 與三坐標測量臂數據測量裝置相比，本裝置造價低、體積小、搬運便利。

(2) 與單點懸掛轉動式拉線裝置相比，減少了角度傳感器，降低了成本，同時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) 與兩點固定式3條拉線測量裝置相比，造價低、體積小、搬運便利、可適應于更小口徑的管子法蘭。

3結論

本文設計了一種新型的拉線測量裝置，并設計了造船現場校管自動出圖系統的雛形，研究結論如下：

(1) 本次設計新型的拉線測量裝置，可以實現現場校管快速測量，達到了設計預期。(2) 本次設計的新型拉線測量裝置與3類測量裝置相比，造價較低、體積更小、可適應于較大口徑范圍的測量，實用性更強。

(3) 本文提出接管算法并非最優算法，但可實現現場快速校管和自動出圖，因此還需要在今后進一步優化。

參考文獻

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[3]鄒家生，嚴鏗，高飛，等. 一種用于測量管系合攏管的測量裝置：201110262326.8[P].2012-05-02.

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[5]王建明，陳良方，陳海華，等. 合攏管設計制造系統在船舶建造中的應用[J].江蘇船舶，2014(5)：40-41.

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U662

文獻標志碼A

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