CN101458731A - 钢结构组件计算机模拟拼装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢结构组件计算机模拟拼装方法，对制造已完成的构件进行三维测量，用测量数据在计算机中构造构件模型，在计算机中对构件模型进行模拟拼装，在计算机上进行拼装干涉检查，在计算机上分析拼装精度，在计算机上得到构件连接件加工所需要的信息。构思的模拟预拼装有两种方法，一是按照构件的预拼装图纸要求，将构造的构件模型在计算机中按照图纸要求的理论位置进行预拼装，然后逐个检查构件间的连接关系是否满足产品技术要求，反馈回检查结果和后续作业需要的信息。二是保证构件在自重作用下不发生超过工艺允许的变形的支撑条件下，以保证构件间的连接为原则，将构造的构件模型在计算机中进行模拟预拼装，检查构件的拼装位置与理论位置的偏差是否在允许范围内，并反馈回检查结果作为预拼装调整及后续作业的调整信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢结构组件计算机模拟拼装方法，属计算机模拟钢结构组件拼装方法制造领域。
背景技术
目前，在钢结构产品制造领域，为了保证能把钢结构构件顺利拼装成组件，一般在构件制造完成后要按照组装要求对其进行实际预拼装，同时完成构件间连接件的配制。实际预拼装作业效率低，费用高，劳动强度大，而且存在一定的作业安全隐患。
发明内容
本发明的目的是：在钢结构产品制造过程，用计算机对制造完成的构件进行模拟拼装，代替传统的实际预拼装作业，从而提高作业效率，降低作业费用，减少劳动强度，消除实际预拼装作业过程的安全隐患。
本发明的设计方案：对制造已完成的构件进行三维测量，用测量数据在计算机中构造构件模型，在计算机中对构件模型进行模拟拼装，在计算机上进行拼装干涉检查，在计算机上分析拼装精度，在计算机上得到构件连接件加工所需要的信息。构思的模拟预拼装有两种方法，一是按照构件的预拼装图纸要求，将构造的构件模型在计算机中按照图纸要求的理论位置进行预拼装，然后逐个检查构件间的连接关系是否满足产品技术要求，反馈回检查结果和后续作业需要的信息。二是保证构件在自重作用下不发生超过工艺允许的变形的支撑条件下，以保证构件间的连接为原则，将构造的构件模型在计算机中进行模拟预拼装，检查构件的拼装位置与理论位置的偏差是否在允许范围内，并反馈回检查结果作为预拼装调整及后续作业的调整信息。
1、三维测量系统
这里所描述的三维测量系统能实现：任意结构形式的构件在任意姿态的静止状态下所需要的要素进行精密的三维测量，测量精度能达到10ppm。
测量系统由一台激光跟踪测量仪及一台(或数台)数码照相测量仪构成，数码照相测量仪主要对构件进行局部测量，测量内容主要是构件上的棱边及连接螺栓孔等，激光跟踪测量仪实现对数码照相测量仪所测量局部群间关系的测量。对以上两种测量数据进行坐标转换计算，最终实现对整个构件在同一坐标下的是三维测量。
测量过程要求构件静止不动，对构件的空间位置、姿态无任何特殊要求，测量仪的摆放位置也无特殊要求，只要构件上被测要素在仪器的视线范围内即可。测量位置可以是多个，最终数据处理时将他们转换到同一坐标系下，测量过程示意如下图1～图2。
2、构建构件模型并确定预拼基准
构件模型有两种，一是用上述测量系统获得的测量数据构建的实物模型；二是用设计数据构建的理论模型。
在测量后处理软件或其它具有三维造型和装配功能的软件平台上，分别用构件的测量数据构建实物模型，用设计数据构建理论模型，生成有直观效果的构件模型图。然后用自主开发的软件，采用最小二乘法原理，采用拟合方法确定出构件模型上能满足模拟拼装所需要基准要素(基准点、基准线或基准面)。
3、模拟拼装
方案一：在计算机中根据设计组装图，并通过构件模型上的基准要素将构件模型放在正确的拼装位置上，在计算机中逐个检查构件间的连接关系是否满足产品技术要求，检查结果一般有两种情况：一是所有构件间的连接关系均满足技术要求，这种情况下就可以继续进行确定构件连接件的加工制造信息等其它任务，比如确定连接件上孔的加工位置等；另一种情况是个别构件的连接关系不能满足设计组装图的要求，这种情况下需要对局部的构件位置和姿态在计算机中进行微调，调整的结果也由两种可能：一是经微调后构件的连接关系满足组装要求，这种情况下也可以往下进行其它的任务；还有一种情况是经过微调还不能达到组装要求，这种情况下就要根据组装误差的大小对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件。
方案二：保证构件在自重作用下不发生超过工艺允许的变形的支撑条件下，以保证构件间连接部位的连接关系为原则，对构件进行模拟拼装，检查预拼装结果是否满足相关要求。检查结果有两种情况：一是按照工艺要求，所有检查项点均满足要求，说明实际构件及连接件的制作精度达到标准要求。二是部分拼装精度不满足工艺要求，则需要对参与模拟预拼装的构件在计算机中进行姿态和位置调整。如果调整后构件连接件间的连接关系没有被破坏，也说表构件及连接件的制作质量达到标准要求。如果调整后模拟预拼装结果满足仍不能达到标准要求，则对构件或连接件提出返修方案。设计方案的流程图如下图3所示。
技术方案：钢结构组件计算机模拟拼装方法，其特征是：对制造已完成的构件进行三维测量，用测量数据在计算机中构造构件模型，在计算机中对构件模型进行模拟拼装，在计算机上进行拼装干涉检查、分析拼装精度、得到构件连接件加工所需要的信息：
(1)测量系统：采用一台或数台数码照相测量仪对被测量构件、构件的端面尺寸、棱边、孔组进行三维测量，激光跟踪测量仪实现对数码照相测量仪所测量局部群间关系的测量，并将以上两种测量数据进行坐标转换计算，最终实现对整个构件在同一坐标下的是三维测量，在测量后处理软件或其它具有三维造型和装配功能的软件平台上，分别用构件的测量数据构建实物模型，用设计数据构建理论模型，生成有直观效果的构件模型图，然后用自主开发的软件，采用最小二乘法原理，采用拟合方法确定出构件模型上能满足模拟拼装所需要基准要素----基准点、基准线或基准面；
(2)构建构件模型、确定预拼基准：①在计算机中根据设计组装图，并通过构件模型上的基准要素将构件模型放在拼装位置上，在计算机中逐个检查构件间的连接关系是否满足产品技术要求，当所有构件间的连接关系均满足技术要求时，确定构件连接件的加工制造信息，如果个别构件的连接关系不能满足设计组装图的要求，对局部的构件位置和姿态在计算机中进行微调，微调后构件的连接关系满足组装要求，确定构件连接件的加工制造信息，微调不能达到组装要求，根据组装误差的大小对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件；或，②对构件进行模拟拼装，并检查模拟拼装结果，当所有检查项点均满足要求时，说明实际构件及连接件的制作精度达到标准要求；当部分拼装精度不满足工艺要求，则需要对参与模拟预拼装的构件在计算机中进行姿态和位置调整，如果调整后构件连接件间的连接关系没有被破坏，说明构件及连接件的制作质量达到标准要求，如果调整后模拟预拼装结果满足仍不能达到标准要求，则对构件或连接件提出返修方案。
本发明与背景技术相比，一是对实际的构件进行精密三维测量，能更加准确评价构件的制造精度；二是同传统的构件现场拼装相比，计算机模拟拼装在提高效率、节省资源、保障安全等方面有非常明显的工程意义和社会意义；三是能针对产品制造过程形成系统、详细、直观的工程资料；四是不受产品结构形式和重量的限制；五是能加强企业的竞争力。
附图说明
图1是钢结构组件计算机模拟拼装方法的测量系统的主视结构示意图。
图2是钢结构组件计算机模拟拼装方法的测量系统的轴侧结构示意图。
图3是钢结构组件计算机模拟拼装方法的流程图。
图4是构件拼装的结构示意图。
图5是自主开发软件流程图。
图6是测量后处理软件流程图。
图1标号说明：
1、照相测量仪，一台(或数台)可在需要的位置测量。2、激光跟踪测量仪；3、被测构件；4、激光跟踪测量仪转站基准靶标；
图4标号说明
1、模拟拼装定位基准线；2、构件1；3、连接件；4、连接孔；5、构件2；6、模拟拼装定位基准点2；7、构件支撑；8、模拟拼装定位基准点1
具体实施方式
实施例1：参照附图1～3。钢结构组件计算机模拟拼装方法，对制造已完成的构件进行三维测量，用测量数据在计算机中构造构件模型，在计算机中对构件模型进行模拟拼装，在计算机上进行拼装干涉检查、分析拼装精度、得到构件连接件加工所需要的信息：(1)测量系统：采用一台或数台数码照相测量仪对被测量构件、构件的端面尺寸、棱边、孔组进行三维测量，激光跟踪测量仪实现对数码照相测量仪所测量局部群间关系的测量，并将以上两种测量数据进行坐标转换计算，最终实现对整个构件在同一坐标下的是三维测量，在测量后处理软件或其它具有三维造型和装配功能的软件平台上，分别用构件的测量数据构建实物模型，用设计数据构建理论模型，生成有直观效果的构件模型图，然后用自主开发的软件，采用最小二乘法原理，采用拟合方法确定出构件模型上能满足模拟拼装所需要基准要素----基准点、基准线或基准面；(2)构建构件模型、确定预拼基准：①在计算机中根据设计组装图，并通过构件模型上的基准要素将构件模型放在拼装位置上，在计算机中逐个检查构件间的连接关系是否满足产品技术要求，当所有构件间的连接关系均满足技术要求时，确定构件连接件的加工制造信息，如果个别构件的连接关系不能满足设计组装图的要求，对局部的构件位置和姿态在计算机中进行微调，微调后构件的连接关系满足组装要求，确定构件连接件的加工制造信息，微调不能达到组装要求，根据组装误差的大小对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件；或，②对构件进行模拟拼装，并检查模拟拼装结果，当所有检查项点均满足要求时，说明实际构件及连接件的制作精度达到标准要求；当部分拼装精度不满足工艺要求，则需要对参与模拟预拼装的构件在计算机中进行姿态和位置调整，如果调整后构件连接件间的连接关系没有被破坏，说明构件及连接件的制作质量达到标准要求，如果调整后模拟预拼装结果满足仍不能达到标准要求，则对构件或连接件提出返修方案。也就是说，设计理论构件特征点数据准备，构造设计理论构件三维模型，制作完成的构件，对实物构件三维测量，并在计算机中构造实物构件三维模型，理论模型与实物模型最小二乘法拟合，并通过计算机内置程序检查构件制作情况，如果不符要求，提出实物构件返修方案，返修后重新测量，如果符合要求，由程序确定实物构件基准---点、线、面，当参与预拼装的所有构件完成以上工作，开始计算机模拟预拼装，预拼装有两种方案：(1)实物构件模型按设计图摆放，检查构件间的连接关系，符合要求，提供连接件加工信息；如果不符合要求，根据预拼工艺要求对构件微调，然后再检查构件连接关系，符合要求，提供连接件加工信息；如果不符合要求，对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件；或(2)实物构件模型支撑设定，模拟拼装，检查预拼结果，符合要求，构件精度达到要求；如果不符合要求，在保证连接关系情况下对构件微调，然后再检查预拼结查，符合要求，构件精度达到要求；如果不符合要求，对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件。
自主开发软件工作流程图
自主开发的软件主要是确定实测构件的基准要素，即基准点、基准线或基准面，为后处理软件进行构件制作质量检查，计算机模拟拼装等提供基准。其工作流程如下图5。
后处理软件工作流程图
后处理软件的任务是对理论模型和实物模型进行三维造型并检查实物模型与理论模型的偏差，反馈偏差大小，以确定实际制作的构件误差是否满足制造规范要求；以实物模型上的基准要素为基准，进行实物模型的装配；检查装配结果，反馈偏差大小，以确定装配结果是否制造规范要求；生产需要的连接板数据或图形，确定连接板加工依据。其工作流程如下图6。
举例说明如下：
图4为两构件模拟预拼装示意图，多构件模拟拼装原理相同。构件三维测量：对构件1、构件2的端面尺寸、棱边、孔组进行三维测量。
构造构件模型：在测量后处理软件或其它具有三维造型和装配功能的软件平台上，用构件的测量数据，生成有直观效果的构件1、构件2模型。然后依据构件的特点，确定出构件模型上能满足模拟拼装定位所需要基准要素(基准点、基准线或基准面)。在图4所示的构件1、2模拟预拼装中，可以用来定位构件的基准选择方案有：①构件的轴心线及构件上不在轴心线上的一点；②构件上的三个点；③构件上三个正交的平面；④轴心线及一个与轴心线垂直面，一个与轴心线平行面等定位基准。本例中我们用方案①，即构件1、2的轴心线及构件1、2上不在轴心线上的一点，作为构件模拟预拼装的基准，如上图1中所示。
模拟拼装：
方案一：如上图4所示，在计算机中根据设计组装图，用构件1、2上的定位基准对构件1、构件2进行空间定位，使其处于正确的拼装位置上，利用软件的三维装配检查功能，检查构件1、构件2的连接关系是否满足产品技术要求，同时检查构件间是否干涉、壁板间的错台情况等信息。当构件1、构件2的连接关系均满足技术要求时，确定出图1中所示的连接件上孔的加工位置等制造信息。此加工信息可以直接在数控机床上使用，也可将加工信息转化成需要的数据，为常规工艺制作提供依据。但另一种情况是模拟拼装后构件的连接关系不能满足设计组装图的要求，这时先对构件1或构件2的空间位置和姿态在计算机中进行微调，调整的结果也有两种可能：一是经微调后构件的连接关系满足组装要求，这种情况下也可以往下进行其它的任务；还有一种情况是经过微调还不能达到组装要求，这种情况下就要根据组装误差的类型和大小对相关构件提出返修方案。
方案二：如图4所示，用实际测量数据在计算机中构建构件1、构件2及其连接件的模型。构件1在适当支撑条件下，以保证构件1、2及连接件关系为原则进行拼装。检查预拼装精度(预拼装线形、壁板错台、扭转等)是否满足工艺要求，如检查结果满足要求则说明构件1、构件2、连接件制作质量达到要求。如检查结果不满足工艺要求，在保证构件1、2连接关系的情况下，对构件1、2或连接件的位置进行微调，调整后如果达到要求同样说明构件1、构件2、连接件制作质量达到要求。调整后如果不满足要求，则依据偏差情况判断误差原因，对连接件或构件1、2提出返修方案。
需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1、一种钢结构组件计算机模拟拼装方法，其特征是：对制造已完成的构件进行三维测量，用测量数据在计算机中构造构件模型，在计算机中对构件模型进行模拟拼装，在计算机上进行拼装干涉检查、分析拼装精度、得到构件连接件加工所需要的信息：
(1)测量系统：采用一台或数台数码照相测量仪对被测量构件、构件的端面尺寸、棱边、孔组进行三维测量，激光跟踪测量仪实现对数码照相测量仪所测量局部群间关系的测量，并将以上两种测量数据进行坐标转换计算，最终实现对整个构件在同一坐标下的是三维测量，在测量后处理软件或其它具有三维造型和装配功能的软件平台上，分别用构件的测量数据构建实物模型，用设计数据构建理论模型，生成有直观效果的构件模型图，然后用自主开发的软件，采用最小二乘法原理，采用拟合方法确定出构件模型上能满足模拟拼装所需要基准要素----基准点、基准线或基准面；
(2)构建构件模型、确定预拼基准：
①在计算机中根据设计组装图，并通过构件模型上的基准要素将构件模型放在拼装位置上，在计算机中逐个检查构件间的连接关系是否满足产品技术要求，当所有构件间的连接关系均满足技术要求时，确定构件连接件的加工制造信息，如果个别构件的连接关系不能满足设计组装图的要求，对局部的构件位置和姿态在计算机中进行微调，微调后构件的连接关系满足组装要求，确定构件连接件的加工制造信息，微调不能达到组装要求，根据组装误差的大小对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件；
或，②对构件进行模拟拼装，并检查模拟拼装结果，当所有检查项点均满足要求时，说明实际构件及连接件的制作精度达到标准要求；当部分拼装精度不满足工艺要求，则需要对参与模拟预拼装的构件在计算机中进行姿态和位置调整，如果调整后构件连接件间的连接关系没有被破坏，说明构件及连接件的制作质量达到标准要求，如果调整后模拟预拼装结果满足仍不能达到标准要求，则对构件或连接件提出返修方案。
2、根据权利要求1所述的钢结构组件计算机模拟拼装方法，其特征是：设计理论构件特征点数据准备，构造设计理论构件三维模型，制作完成的构件，对实物构件三维测量，并在计算机中构造实物构件三维模型，理论模型与实物模型最小二乘法拟合，并通过计算机内置程序检查构件制作情况，如果不符要求，提出实物构件返修方案，返修后重新测量，如果符合要求，由程序确定实物构件基准---点、线、面，当参与预拼装的所有构件完成以上工作，开始计算机模拟预拼装，预拼装有两种方案：(1)实物构件模型按设计图摆放，检查构件间的连接关系，符合要求，提供连接件加工信息；如果不符合要求，根据预拼工艺要求对构件微调，然后再检查构件连接关系，符合要求，提供连接件加工信息；如果不符合要求，对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件；或(2)实物构件模型支撑设定，模拟拼装，检查预拼结果，符合要求，构件精度达到要求；如果不符合要求，在保证连接关系情况下对构件微调，然后再检查预拼结查，符合要求，构件精度达到要求；如果不符合要求，对相关构件提出返修方案或重新制造新的构件。
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| CN101458731B (zh) | 2010-12-22 |
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