輸電鐵塔試裝仿真碰撞檢測技術研究與應用

鄧新敏

(中電建武漢鐵塔有限公司，湖北 武漢 430011)

輸電線路電力鐵塔[1]是電力網絡系統中重要的基本設施。在電力鐵塔加工制造過程中，為了保證在施工現場中電力鐵塔能順利地安裝，鐵塔試組裝是鐵塔生產加工最后一道工序，可有效地檢測部件之間是否碰撞干涉，核實電力鐵塔主控尺寸是否滿足設計要求。

系統是建立在充分分析研究放樣數據正確性的基礎上，根據電力鐵塔零部件和試組裝形式的特點，進行三維計算機仿真裝配模擬，并檢查設計、放樣數據正確性的系統平臺。本系統運用了最先進的制造虛擬技術[2]，并結合電力鐵塔制造企業自身的特點，對裝配過程中出現構件相互干涉情況，進行有效地預警顯示，同時輸出對應的干涉報告。

通過在線檢查設備對加工零部件進行有效地檢測[3]，保證電力鐵塔零部件的加工誤差在允許范圍內，逐步探索替代人工試塔的可能性。

1 電力鐵塔試組裝工序的現狀

電力鐵塔從勘探設計至生產加工必須經過一個漫長的過程，放樣技術[4-5]和試組裝工序較復雜和費時，是鐵塔制造最為關鍵的工序環節。當前放樣工序基本上實現完成了計算機輔助放樣，很大程度上提高了放樣的準確率和效率。但目前試組裝[6-7]工序一直采用人工試塔來檢驗加工制造和放樣工序的準確性。

生產批量的塔型時，現有生產模式下先通過單件生產，廠內試組裝，檢查放樣數據和生產加工的正確性，經修正后投入批量生產。若不進行試組裝直接批量生產，錯誤的構件將可能流入到施工現場，造成批量的報廢，花費更多的人力和物力。然而試組裝工序影響交貨工期，針對此種情況，設計一款試組裝的系統保證放樣數據的正確性，通過在線檢查設備檢驗構件的加工正確性。

試組裝作為鐵塔制造過程中的重要工序，制造企業一般采用人力安裝和機械吊裝相結合的方式進行全塔試組裝，生產成本高并存在安全隱患，三維試組裝仿真系統將角鋼、鋼板、螺栓及腳釘等構件按一定比例實物顯示，具有直觀和逼真的三維效果，實現模擬實體組裝功能。

2 三維實體碰撞算法設計原理

三維實體碰撞算法是鐵塔試組裝仿真系統中核心算法之一[8]。角鋼一鍵切角和角鋼校核，實體碰撞校核等功能均基于實體碰撞算法設計來實現。主要針對計算機圖形學中的碰撞檢測技術的算法及實現進行研究討論。三維仿真試組裝平臺采用B-rep線框模型進行實體建模，對于三維實體碰撞算法的討論都是基于B-rep線框模型，三維實體碰撞算法流程如圖1所示。

圖1 三維實體碰撞算法流程

如何在眾多三維實體中找到有效的碰撞預警并兼顧計算的準確率與計算效率。在三維仿真試組裝系統中，每基鐵塔是由數以萬計的構件組成，兩兩工件應進行碰撞檢測。實體碰撞算法基本原理是：先粗判找到有可能碰撞干涉的工件，再進行精確計算，找到最終的碰撞點。

2.1 模糊檢測，過濾不可能發生碰撞的實體

在粗判階段過程中，采用正交包圍盒[9-12]算法模糊檢測，過濾掉與當前實體無關的實體。正交包圍盒算法是由一個長方體簡單標示每個提示工件，再在三維坐標軸上進一步簡化后的正交包圍盒投影區域是否有相交判斷，實體有無碰撞。

正交包圍盒中的正交表示三維實體包圍盒的長、寬、高3個邊與X、Y、Z軸3軸平行，減少計算量，提高計算速度。下述以角鋼(見圖2)、鋼板(見圖3)為例，簡單地描述正交包圍盒。

圖2 角鋼正交包圍盒

圖3 鋼板正交包圍盒

利用一次矩(均值)和二次矩(協方差矩陣)統計量來計算包圍盒的位置和方向。設第i個長方形的頂點矢量pi、qi、ri、si包圍盒包圍的長方形片數為n，則包圍盒的中心位置為：

協方差矩陣元素：

式中，

pi=pi-m,qi=qi-m,ri=ri-m,si=si-m

每個都是4×1向量：

利用數值的方法解出協方差矩陣的特征向量并單位化，因為矩陣C是一個實對稱矩陣，所以矩陣C的特征向量相互垂直，可作為包圍盒的方向軸。把將要包圍的幾何體的頂點向方向軸上投影，找出各方向軸的投影區間，各投影區間的長度就是所求包圍盒相應的尺寸。

2.2 精確計算碰撞區域

B-rep線框模型思路是：一個實體通過自身面的集合表達，每一個面又可用一組邊描述，邊采用2個點來描述，頂點通過3個坐標值定義。鋼板實體由10個頂點構成頂面、底面和10個側面(見圖4)。

圖4 鋼板線框模型

精確計算：可根據實體的每條輪廓點與另外一個實體的所有面進行線面求交運算，計算是否相交，判斷兩實體是否碰撞。

3 鐵塔試組中三維碰撞算法的設計與實現

由若干個工件(角鋼、鋼板、螺栓等零件)組成每基鐵塔。三維實體碰撞檢測：1)在計算機中描述工件的準確的裝配位置；2)依據工件三維坐標信息判斷與相鄰工件是否碰撞干涉。

3.1 坐標系定義(模型坐標系、工件裝配坐標系)

模型坐標系是全塔的絕對坐標系，每基試組塔例只有一個不變的坐標系。系統中默認采用四邊形塔所形成的右手螺旋直角坐標系(見圖5)。

圖5 模型坐標系示意圖

坐標軸定義：X軸位于鐵塔前后對稱面上，由電腦屏幕的左側指向右側代表其正方向；Y軸位于塔身的左右對稱面上，并且指向用戶代表其正方向，而且X軸、Y軸兩者均與地面平行(O-XY平面代表水平面)；Z軸同重力方向一致且與鐵塔模型的中心軸線相重合。

用戶坐標系的原點一般情況下位于鐵塔模型的最高點，且位于鐵塔的中心軸線上。對于高低腿的塔位可采用同一坐標系，便于避免不必要的換算過程。工件實體相對坐標系采用右手螺旋直角坐標系，角鋼坐標系如圖6所示，鋼板坐標系如圖7所示。

圖6 角鋼坐標系圖

圖7 鋼板坐標系圖

圖6中，Z坐標軸的正方向為角鋼的延伸方向，即角鋼楞線起始端點①指向楞線終止端點⑦；X軸所在的角鋼肢平面稱為角鋼的X肢；Y軸所在的角鋼肢平面稱為角鋼的Y肢。右手定則：右手食指與拇指成90°，四指與手掌成90°，用手握住角鋼背，大拇指指向角鋼楞線終端，手掌所在的肢為Y肢，四指所在的肢為X肢。

3.2 碰撞算法的選擇與實現

基于鐵塔構造的特殊性，在設計三維實體碰撞算法時可添加構件連接過濾算法。鐵塔工件連接方式主要有螺栓聯接、連板連接和焊接等3種。圖8所示為典型的連板連接方式，鋼板D連接了A、B、C等3根角鋼。角鋼A、B、C與鋼板D為螺栓聯接，不需要進行碰撞檢測，角鋼A與角鋼C螺栓聯接同樣不需要進行碰撞檢測。該連接構造中只有角鋼B與角鋼A進行碰撞檢測。

圖8 鐵塔典型連接構造

在三維模型試組裝過程中，角鋼A、B、C與鋼板D不能進行碰撞檢測，因為鐵塔加工屬于粗加工工藝，此連接構造在三維仿真顯示時，鋼板D與其連接的角鋼A、B、C可能會出現輕微相交，這種情況屬于正常狀態，若不進行特殊的處理有可能會誤報碰撞預警。

構件連接過濾算法主要通過工件上螺栓孔坐標進行連接關系匹配，有效地識別連接關系，過濾鋼板連接關系、螺栓聯接關系，完成后再進行正交包圍盒算法過濾不可能發生碰撞的實體，最終運用線面求交算法精確計算碰撞關系。

4 在三維試組仿真模型中進行實體碰撞檢測

碰撞檢測主要用于檢測鐵塔仿真模型中角鋼與角鋼、角鋼與鋼板以及角鋼、鋼板與螺栓等零部件之間是否存在碰撞情況，若出現碰撞情況，必須在實際鐵塔設計加工中杜絕，否則會使零部件無法安裝。對發生干涉的零部件一般應進行切角、切肢和打扁等工藝處理。

本平臺系統提供<實體碰撞>命令進行實體碰撞檢測，按構件類型進行分類：角鋼-角鋼、角鋼-螺栓、鋼板-螺栓、螺栓-螺栓、角鋼-鋼板、鋼板-鋼板，具體如圖9所示。

a) 角鋼與角鋼間的碰撞檢測

b) 角鋼與螺栓間的碰撞檢測

c) 板子與螺栓間的碰撞檢測

d) 角鋼與鋼板間的碰撞檢測

5 結語

目前，該鐵塔試組裝仿真系統運行穩定性較強，實用性較好，通過多種塔型測試，進一步優化了系統。對輸電鐵塔制造行業的數字化轉型，從“制造”到“智造”提供了較強的成功案例。

1)在未來的生產實踐中，可不斷迭代升級，以便能對更多的塔型進行仿真裝配取代人工試塔工作。

2)運用實體碰撞測試功能進行了多次實例，充分證明該系統的有效性和正確性。

3)結合人工智能工程實踐，深入分析軟件仿真裝配試組裝與人工試裝組間的差異及各自的作用與定位，對該軟件的后期功能完善和改進工作提供了參考。