CN101169201A - 嵌补管的数字化设计与制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种针对嵌补管的数字化设计与制造方法，其先采用数字化测量仪进行嵌补管的制造安装数据测量，并将测量数据转换为管件制造计算机辅助设计所需的数据，然后对嵌补管进行计算机辅助设计和制造。该发明方案实现了数字化测量与数字化设计制造的有效衔接，大大提高了制造精度和成品率，从而缩短了制造周期，节约制造成本，克服了现有嵌补管制造人工取样、经验制管、现场试装的低效模式。
Description
技术领域
本发明涉及先进制造与自动化技术领域。
背景技术
由于设计制造，特别是施工现场的种种原因及不确定因素，所设计管系安装后总会产生事先无法预料的长度及形状各异的空段需要嵌补，由此产生嵌补管的制造问题。目前，嵌补管的制造，没有零件加工制造图，由工人现场弯制样棒拿回内场根据样棒弯制出管零件，再拿到现场试装焊接法兰。由于人为因素影响及制造过程的误差等，制作一根嵌补管往往需要反复数次试制，很少有一次就成功的。现有的嵌补管制造方式存在的劳动强度大、工作效率低、制造质量不可控的缺点。
发明内容
本发明的任务是提供一种嵌补管的数字化设计与制造方法，取代嵌补管由工人现场弯制样棒制作或现场手工拼制完成的制造方式，克服现有制造方式制造质量不可控、工作效率低、劳动强度大的缺点。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案为，首先运用数字化测量仪，对与嵌补管管端法兰对接的一组现场法兰，分别测量并采集该现场法兰的法兰端面、法兰圆心、法兰螺栓孔圆心的三维坐标，然后根据该三维坐标进行计算处理，得到嵌补管的计算机辅助设计所需的数据，最后在所述数据的基础上，进行嵌补管的计算机辅助设计及制造。
所述测量并采集法兰端面、法兰圆心、法兰螺栓孔圆心的三维坐标的方法包括，用所述数字化测量仪的探头分别接触法兰端面上任意的三个点，采集该三个点的三维坐标，由此确定法兰端面的三维坐标；
用所述数字化测量仪的探头分别接触法兰内圆周上的三个点，采集该三个点的三维坐标，确定法兰内圆的三维坐标，由此得到法兰圆心的三维坐标；
在法兰焊接时，螺栓孔眼位校准也是嵌补管设计制造必须考虑的重点，因此还必须对法兰螺栓孔的位置进行测量。选定任一螺栓孔，用所述数字化测量仪的探头分别接触法兰螺栓孔圆周上的三个点，采集该三个点的三维坐标，确定法兰螺栓孔圆周的三维坐标，由此得到法兰螺栓孔圆心的三维坐标。
所述三维坐标计算处理过程包括：
(i)经过法兰圆心且垂直于法兰端面的直线即法兰轴心线；由于嵌补管的管端法兰轴心线与该法兰轴心线是重合的，所以该法兰轴心线就是嵌补管的管端法兰轴心线，该管端法兰轴心线与三个坐标轴的夹角确定法兰在空间的偏转方向；
(ii)法兰圆心在法兰端面上的投影即法兰中心点，该中心点沿法兰轴心线上向外偏移，偏移距离为对接法兰间的垫片厚度，所得到的点就是嵌补管的管端法兰中心点；
(iii)法兰螺栓孔圆心在法兰端面上的投影即法兰螺栓孔中心点；以法兰中心点与法兰螺栓孔中心点的连线为一边，以过法兰圆心且垂直于法兰端面的那个平面与法兰面的交线为另一边，两条边的夹角即法兰螺栓孔偏转角，该法兰螺栓孔偏转角即嵌补管的管端法兰螺栓孔偏转角；
(iv)根据所述嵌补管的两个管端法兰中心点的空间坐标，计算嵌补管的管端法兰之间的相对距离。
本发明在所述标准数据的基础上，进行嵌补管的计算机辅助设计及制造，属于现有计算机辅助设计技术的范畴，故不再赘述。
优化地，为便于嵌补管制造后现场的安装，在上述的嵌补管的数字化设计与制造方法中，本发明方案将所述法兰螺栓孔偏转角用该转角对应的法兰内圆或外圆的弧长表示。
优选地，本发明所采用的数字化测量仪为触点式激光测量仪，能适应现场测量环境，快速、精确测量空间坐标，满足工程化应用的要求。
本发明所述的嵌补管数字化设计与制造的方法，运用数字化测量仪进行嵌补管制造安装测量，在嵌补管制造领域，实现了数字化测量与数字化设计制造的有效衔接，克服了现有的嵌补管人工现场取样、经验制管、现场试装的低效模式。它由于采用数字化测量和数字化设计制造，因此大大提高了制造精度和成品率，从而缩短了制造周期，节约制造成本。
附图说明
图1为触点式扫描仪工作示意图。
图2为法兰转角换算成弧长。
下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。
具体实施方式
如图1所示，1为测量所用数字测量仪为INFINITE series2000型触点式测量仪，其配置为：无极测量臂(臂长3.0m)；标准测头(含15mm钢球、针式测头各一支)；测量软件为POWERINSPECT、SCANWORK；激光扫描头；测量计算机(Pentium 3 CPU)。所需测量的现场管零件为某船舶主机舱花铝板下的φ114×5mm不锈钢管，管的始端、末端连接件均为16100 CB/T46-1999规格的法兰，分别命名为Fa-1和Fa-2，图1中2为Fa-1，3为Fa-2。将触点式测量仪1放置于机舱单元框架上，触点式扫描仪1通过位于测量仪脚的三个传感器，确定测量仪测量的空间坐标系。
在该空间坐标系下，首先测量嵌补管一端待接法兰Fa-1的空间坐标信息。用测量仪折臂触点接触法兰Fa-1端面上的任意三个点，扫描仪记录该三个点的空间坐标值。将扫描仪折臂触点分别接触Fa-1法兰内圆圆周上的任意三个点，扫描仪记录该三个点的空间坐标值。将扫描仪折臂触点分别接触Fa-1任意选定的一个法兰螺栓孔圆周上的任意三个点，扫描仪记录该三个点的空间坐标值。
然后，测量嵌补管另一端待接法兰Fa-2的空间坐标信息，测量方法同上所述。
测量仪的测量软件根据Fa-1法兰内圆圆周上三个点的空间坐标计算得出Fa-1的法兰内圆心坐标，法兰内圆圆心在法兰端面的投影点即法兰中心点坐标；通过法兰中心点坐标并且垂直于法兰端面的直线，即法兰轴心线；同样，扫描仪的测量软件根据法兰圆周上三个点的空间坐标计算得出Fa-1的法兰螺栓孔圆心坐标，法兰螺栓孔圆心在法兰端面的投影点即法兰螺栓孔中心点；以法兰圆心与法兰任一螺栓孔中心点的连线为一边，以经过法兰圆心且垂直于法兰面的那个平面与法兰面的交线为另一边，两条边的夹角即为法兰螺栓孔偏转角。同样，对Fa-2的法兰中心点坐标、法兰轴心线、法兰螺栓孔中心点、法兰螺栓孔偏转角进行计算确定。
设与Fa-1对接的嵌补管管端法兰为Fa-1′，与Fa-2对接的嵌补管的另一端管端法兰为Fa-2′。由于嵌补管的管端Fa-1′法兰轴心线与Fa-1法兰轴心线是重合的，所以Fa-1法兰轴心线就是嵌补管的管端Fa-1′法兰轴心线，Fa-1′法兰轴心线与三个坐标轴的夹角确定法兰Fa-1′在空间的偏转方向；
Fa-1法兰圆心在Fa-1法兰端面上的投影即Fa-1法兰中心点，该中心点沿Fa-1法兰轴心线上向外偏移，偏移距离为与Fa-1′对接时法兰间的垫片厚度，所得到的点就是嵌补管的管端Fa-1′法兰中心点；
因为，Fa-1与Fa-1′法兰对接，所以，Fa-1法兰螺栓孔偏转角即嵌补管的管端Fa-1′法兰螺栓孔偏转角；
对于Fa-2和Fa-2′用同样的方法计算处理，得到嵌补管的管端法兰Fa-2′的法兰中心点、法兰轴心线和法兰螺栓孔偏转角。
然后，根据Fa-1′和Fa-2′的法兰中心点坐标，计算Fa-1′与Fa-2′的法兰中心点的相对距离。
为方便嵌补管在制造车间的校管平台上制作，本实施例对坐标系进行了转换。转换的方式为，设定法兰Fa-1的法兰轴心线方向为X轴，经过法兰中心点的水平面与法兰Fa-1的法兰端面的交线为Y轴，经过法兰中心点并且垂直于水平面的直线为Z轴，在该坐标系下，换算出Fa-1′和Fa-2′的法兰中心点坐标、中心点相对距离、法兰轴心线相对坐标轴的转角、法兰螺栓孔偏转角，这种坐标转换为公知的空间坐标换算。经坐标转换和计算处理后，
(i)法兰Fa-1′、Fa-2′的中心点空间坐标如下表所示：
| 法兰号 | X | Y | Z |
| Fa-1′ | 0.00 | 0.00 | 560.32 |
| Fa-2′ | 1176.79 | 2.68 | 205.40 |
(ii)对应法兰中心点相对距离如下表所示：
| 对应法兰 | Δx | Δy | Δz |
| Fa-2′相对Fa-1′ | 1176.79 | 2.68 | -354.92 |
(iii)法兰轴心线相对坐标轴的转角如下表所示：
| 法兰轴心线 | 相对X的角度 | 相对Y的角度 | 相对Z的角度 |
| Fa-1′ | 4.7 | 1.5 | 0 |
| Fa-2′ | 9.8 | -1.2 | 1.6 |
(iv)法兰螺栓孔偏转角
Fa-1′的法兰螺栓孔偏转角为4.7°，其对应的法兰内外弧长分别为10.2mm和22.26mm；Fa-2′的法兰螺栓孔偏转角为9.8°，其对应的法兰内外弧长分别为18.3mm和39.8mm。
根据上述(i)至(iv)项中的数据，利用计算机辅助设计软件CADDS5，构建出嵌补管管件模型。在嵌补管管件模型的基础上，根据制造安装管路的要求，设计嵌补管的加工零件图。设计图纸包括管零件的基本尺寸、焊接材料、表面处理方式、弯曲信息、试验压力、安装位置、零件编号等信息，尤其包括主管弯管参数和校管数据。主管弯管数据用于控制弯管机的主管加工操作；校管数据在弯管加工的精度控制上，用于进行检查校对。最后，管件加工车间根据零件图加工进行下料，弯管，装配，焊接工序后，即完成了本嵌补管的设计制造。鉴于上述过程为本领域技术人员公知的技术，因此不予赘述。
值得说明的是，为便于实际施工中的法兰螺栓孔定位，本发明的技术方案将法兰螺栓孔偏转角以弧长表示，可以便于施工。如图2所示，法兰中心点与法兰螺栓孔中心点的连线4，过法兰圆心且垂直于法兰端面的那个平面与法兰面的交线5，连线4和交线5作为两条边所形成的的夹角即法兰螺栓孔偏转角。连线4和交线5形成的法兰螺栓孔偏转角切割法兰内外圆，分别得到内圆弧6和外圆弧7。在实际的螺栓孔眼位定位中，可以直观地确定连线4。设连线4与法兰内圆和外圆分别交于点A和点B，在法兰内圆上以A为起点划一段法兰螺栓孔偏转角对应法兰内圆弧长的弧，设弧的止点为C；在法兰外圆上以B为起点划一段法兰螺栓孔偏转角对应法兰外圆弧长的弧，设弧的止点为D。则点C和点D相连形成的直线CD即为过法兰圆心且垂直于法兰端面的那个平面与法兰面的交线5。显然，当法兰面处于垂直于人的视线的视角下，使直线CD垂直于水平面，则法兰螺栓孔就处在正确的偏转角度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种嵌补管的数字化设计与制造方法，其特征在于，首先运用数字化测量仪，对与嵌补管管端法兰对接的一组现场法兰，分别测量并采集该现场法兰的法兰端面、法兰圆心、法兰螺栓孔圆心的三维坐标，然后根据该三维坐标进行计算处理，得到嵌补管的计算机辅助设计所需的标准数据，最后在所述标准数据的基础上，进行嵌补管的计算机辅助设计及制造。
2.根据权利要求1所述的一种嵌补管的数字化设计与制造方法，其所述测量并采集法兰端面、法兰圆心、法兰螺栓孔圆心的三维坐标的方法包括，用所述数字化测量仪的探头分别接触法兰端面上任意的三个点，采集该三个点的三维坐标，由此确定法兰端面的三维坐标；
用所述数字化测量仪的探头分别接触法兰内圆周上的三个点，采集该三个点的三维坐标，确定法兰内圆的三维坐标，由此得到法兰圆心的三维坐标；
选定任一螺栓孔，用所述数字化测量仪的探头分别接触法兰螺栓孔圆周上的三个点，采集该三个点的三维坐标，确定法兰螺栓孔圆周的三维坐标，由此得到法兰螺栓孔圆心的三维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种嵌补管的数字化设计与制造方法，其所述三维坐标计算处理过程包括，
(i)经过法兰圆心且垂直于法兰端面的直线即法兰轴心线；由于嵌补管的管端法兰轴心线与该法兰轴心线是重合的，所以该法兰轴心线就是嵌补管的管端法兰轴心线，该管端法兰轴心线与三个坐标轴的夹角确定法兰在空间的偏转方向；
(ii)法兰圆心在法兰端面上的投影即法兰中心点，该中心点沿法兰轴心线上向外偏移，偏移距离为对接法兰间的垫片厚度，所得到的点就是嵌补管的管端法兰中心点；
(iii)法兰螺栓孔圆心在法兰端面上的投影即法兰螺栓孔中心点；以法兰中心点与法兰螺栓孔中心点的连线为一边，以过法兰圆心且垂直于法兰端面的那个平面与法兰面的交线为另一边，两条边的夹角即法兰螺栓孔偏转角；
(iv)根据所述嵌补管的管端法兰中心点的空间坐标，计算嵌补管的管端法兰之间的相对距离。
4.根据权利要求1所述的嵌补管的数字化设计与制造方法，其特征在于，将所述法兰螺栓孔偏转角用该转角对应的法兰内圆或外圆的弧长表示。
5.根据权利要求1所述的嵌补管的数字化设计与制造方法，其特征在于，所述数字化测量仪为触点式激光测量仪。
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: WUCHANG SHIPBUILDING INDUSTRY GROUP CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: WUCHANG SHIPBUILDING INDUSTRY CO., LTD. Effective date: 20140729 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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Effective date of registration: 20140729 Address after: 430060 Hubei Province, Wuhan city Wuchang District Ziyang Road No. 2 Patentee after: WUCHANG SHIPBUILDING INDUSTRY GROUP CO., LTD. Address before: 430060 Zhang Zhidong Road, Wuhan, Hubei, No. 2, No. Patentee before: Wuchang Shipbuilding Industry Company Ltd. |
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Address after: 430060 Zhang Zhidong Road, Wuhan, Hubei, No. 2, No. Patentee after: WUCHANG SHIPBUILDING INDUSTRY GROUP CO., LTD. Address before: 430060 Hubei Province, Wuhan city Wuchang District Ziyang Road No. 2 Patentee before: WUCHANG SHIPBUILDING INDUSTRY GROUP CO., LTD. |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |