基于虛擬裝配的大型機電設備模塊化安裝路徑規劃設計

陳　巍

（中交一航局安裝工程有限公司，天津300457）

基于虛擬裝配的大型機電設備模塊化安裝路徑規劃設計

陳巍

（中交一航局安裝工程有限公司，天津300457）

針對大型鋼結構機電設備工程安裝過程中存在的問題，分析了大型鋼結構設備中的各組成部件的結構特點和裝配特征，實現設備模塊化封裝和組合件的信息建模；采用“大地坐標尺寸法”實現設備安裝的基準定位，保證設備的裝配精度和吊裝安全；設計了基于模塊化的大型設備虛擬裝配路徑，從而可以制定合理、高效的施工計劃，達到提高設備安裝的效率、質量以及安全性的目的。

大型機電設備安裝；模塊化；虛擬裝配；路徑規劃

隨著建筑工程的實際需求和科技水平的不斷提高，機電設備的安裝工程規模正在逐步向大型化和巨型化的方向發展。由于這些設備的體積龐大、組成部件數量眾多，導致其安裝成本和效率較低。為能提高施工效率，保證工程建設的順利進行，采用先進的裝配方法和科學施工手段已經成為大型機電設備安裝的發展趨勢［1］。

目前，國內外對大型機電設備的施工方法研究主要集中在如何采用新的安裝設備和新的裝配工藝，提高施工的質量和效率方面。例如文獻［2］采用了放樣定位和分期建網的方法實現設備安裝的精密定位；文獻［3］設計實現了一種基于自動控制的大型吊裝系統，可以實現超重、超大尺寸的電力設備吊裝。但由于物流條件局限，大部分大型設備的部件都是散裝運輸，安裝前必須進行部件組裝和成撬，僅僅改善安裝的設備和工藝并不能有效解決多部件組裝、起吊、就位的順序和精度問題。鑒于目前存在的問題，國內外的一些研究者，嘗試將虛擬現實技術應用在設備的安裝過程中，通過對實際施工情況的模擬和預安裝分析，確定設備部件組裝和安裝的最優方案。例如美國州立大學實現了一個通用的虛擬裝配仿真模型，實現了從CAD軟件導入數據建立層次化的裝配數字化模型［4］；國內的華中科技大學、清華大學、上海交通大學等高校也相繼開發了針對典型復雜機電設備的虛擬裝配系統［5］。由于上述研究主要面向結構復雜的中小型機電設備，在進行大型機電設備的虛擬裝配時，仍需要進行設備的安裝特性分析和路徑規劃，因此，本文在分析大型鋼結構設備結構特點和裝配特征的基礎上，構建了設備模塊化封裝和信息建模方法，并在此基礎上建立基于模塊化的大型設備虛擬裝配路徑，從而實現提高設備安裝的效率、質量以及安全性的目的。

1　大型機電設備的安裝特點和存在的問題

大型機電設備一般采用復雜鋼結構部件組合而成，存在立體多部件的組合連接，對尺寸測控和安裝定位要求較高，安裝過程復雜，時序性要求嚴格。其安裝過程一般具有以下特點：

（1）設備重量重、體積大，現場的安裝前一般需要預組裝或成撬；

（2）現場安裝的形式多樣、吊裝復雜，需要在高空完成設備對接、構件拼裝；

（3）各部件的對接、構件點均處在三維空間，測量難度較大。

目前，大型鋼結構設備的安裝一般采用“預裝整體調整法”和“定位找正調整法”的技術路線。其中“定位找正調整法”是嚴格按照設備的基準線、中心線等指標，將各部件按照組裝順序先在場地組裝好，再進行對接、拼裝、調整和固定。這種方法工序布置緊湊、場地狹窄、各部件的調整困難，同時由于設備調整好后需要鉆銷釘孔或焊接固定，無法進行平行作業，工期較長，操作不便捷。“預裝整體調整法”是在安裝前，先進行鋼結構主體的預安裝，確定各部件的對接和拼裝位置，然后吊出主體，再根據工藝要求按順序對接和拼裝各部件。在預安裝階段，可同時進行不同部件的調整和組裝，并通過軸線調整進行整體調整。該方法雖然具有較高的精度。但由于要進行預安裝，增加了安裝的復雜性，影響直線工期，而且，預安裝時需要交叉作業，需要較大的場地面積和空間體積，人員相對集中，各工種作業易產生干擾。因此，需要對以上兩種方法進行改進和完善。

2　大型機電設備的模塊劃分和基準定位

2.1模塊劃分和構建組合件信息模型

由于大型機電設備的很多部件在物流運輸時是散裝或按照物流特點進行分類包裝的，因此在安裝前需要根據設備裝配特點進行模塊化封裝，以方便后續起吊、就位、固定和成撬。模塊（組合件）裝配信息模型是對部件的裝配特性描述，包括含零部件的幾何模型、對接方式和約束條件等。用于快速裝配的模塊（組合件）模型如圖1所示。

圖1　裝配模塊（組合件信息）封裝模型

模塊（組合件）模型建立后，可根據設備裝配的通用物料清單生成裝配主體上的裝配特征，然后根據裝配模塊的定位點、對接和拼裝與相對應的裝配模塊進行特征匹配，最后固定信息和裝配約束關系，實現組合件的快速裝配。

2.2基于大地坐標尺寸法的裝配基準定位

基于鋼結構的大型機電設備的連接與安裝尺寸精度將嚴重影響設備的裝配精度。在傳統的放樣模式的施工測量當中，由于設備的組成部件較多，安裝時需要不斷地在測量模式和放樣模式之間進行切換，直到滿足安裝要求。如此反復的切換，不僅增加了施工時間也加大了施工強度。因此為了便于設備安裝時的測量定位，本文建議采用基于大地坐標尺寸法的定位方法，通過對設備施工坐標系和大地坐標系間的轉換來實現測量模式和放樣模式的切換。大地坐標和施工坐標與之間的轉換時，可以以施工坐標系下的基準點為原點，推算各個設備部件的坐標點。例如轉換點為P（xp，yp），大地坐標為：xp、yp，施工坐標系原點為o：大地坐標：xo、yo施工坐標系X軸之大地方位角α，則大地坐標的轉換公式為：

3　大型機電設備虛擬裝配的路徑規劃方法

由于基于鋼結構的大型機電設備的組成部件形狀各異、種類繁多，并且裝配工具單一、作業空間有限狹窄，傳統的裝配方法將難以保證裝配的精度和效率。隨著虛擬現實技術的逐步成熟，通過在虛擬空間中構建虛擬樣機，使施工人員可以身臨其境地對施工作業的合理性和裝配的可行性和難易度等因素進行可感知的驗證，可以有效提高大型設備的裝配效率。虛擬裝配的研究主要包括裝配建模、裝配順序規劃、裝配檢驗和裝配仿真技術等。其中虛擬路徑規劃是虛擬裝配的關鍵技術之一，它可以利用模塊化的部件信息進行路徑分析和求解，并生成一條合理的裝配路徑，從而可達到優化裝配的效果。本文給出的裝配路徑規劃的流程如圖2所示，基于該路徑方法的某大型風機裝配過程如圖3所示。

圖2　虛擬裝配路徑規劃流程圖

圖3　虛擬裝配過程圖

4　結束語

本文針對在進行大型鋼結構機電設備安裝過程中，存在的裝配效率和精度低的問題，首先分析了大型鋼結構設備中的各組成部件的結構特點和裝配特征，實現設備模塊化封裝和組合件的信息建模；其次，采用大地坐標尺寸法實現設備安裝的基準定位，保證設備的裝配精度和吊裝安全；最后，設計了基于模塊化的大型設備虛擬裝配的路徑規劃流程，實現合理、高效的施工計劃制定，從而達到提高了大型設備安裝的效率、質量以及安全性的目的。

［1］谷士強.機械設備安裝技術的現狀與發展［J］.武漢鋼鐵學院學報，2014，17（1）：71-76.

［2］潘國榮，大型設備安裝測量的精密定位［J］.測繪通報，1993，9（4）：15-17.

［3］繆謙.大型設備吊裝裝置自動控制系統的開發及應用［J］.工業儀表與自動化裝置，2001，13（5）：31-34.

［4］夏平均，姚英學.虛擬裝配的研究綜述與分析（Ⅱ）［J］.哈爾濱工業大學學報，2008，15（6）：942-947.

［5］周亮，周來水，衛煒.基于裝配特征的組合件快速裝配技術研究［J］.宇航材料工藝，2010，21（4）：33-36.

［6］楊成貴.施工坐標（A，B）與大地測量坐標（X，Y）之間的幾種換算方法［J］.天然氣與石油，1998，16（1）：43-48.

The Path Planning Design ofModular Installation for Large ElectromechanicalEquipment Based on VirtualTechnology

CHENWei
（CCCC Installation Engineering Co.Ltd.，Tianjin 300457，China）

For the problem of large steel structure engineering in the installation process，the article first analyzes the structural characteristics and assembly features of various components in large steel structure equipment. According to above characteristics，module partition is done.Secondly，the method of geodetic coordinates is used to realize the origin reference location of equipment installation to ensure assembly accuracy of the equipment and the safety of the hoisting.Finally，the virtual assembly path is designed based on modular large equipment to realize reasonable and efficient construction plan.It improves the efficiency，quality and safety of large equipment installation.

installation of large engineering equipment；modularity；virtual assembly；path planning

TP391.9

A

1672-545X（2016）06-0105-03

2016-03-02

陳巍（1967-），男，湖南株洲人，本科，工程師，研究方向：主要從事港口設備安裝工程和現場施工。