CN102393169A - 一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法，步骤1：将三个可拉出绳的传感器呈三角成一三角形平面，将三角形平面安装到待测法兰Ⅰ上的一个平面上，三个可拉绳传感器的出绳口到该平面的距离相等，三角形平面与法兰Ⅰ的密封面平行，且中心同轴。步骤2：在三角形平面上建立坐标系，X轴和Y轴在三角形平面的表面，Z轴垂直于三角形平面的表面；若以三个出绳口的坐标为球心，以三根拉绳从出绳口到法兰Ⅱ螺栓孔的长度为半径，则可建立三个球面方程，这三个球面有2个交点，在此坐标系下，交点关于坐标面XY对称，所以其中一个交点坐标就是法兰Ⅱ螺栓孔的坐标，而另一点的坐标并不是所要求的点，步骤3：确定法兰Ⅱ的空间位置及法兰Ⅱ的特征参数。

Description

一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法

技术领域

本发明属于材料成型自动化技术领域。涉及一种用于合拢管测量方法，尤其涉及一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法，应用于合拢管的加工制造，更具体是涉及精确测量待合拢管两法兰的空间位置的三拉绳测量方案。

背景技术

船舶里到处都布满了管路，这些管件的设计、制作及在船内安装后的检查等一系列的作业被称作“管路铺设”。通常船舶是分段建造的，在分段合拢时分段间的管线就需要合拢管来连接，但依靠管线设计图纸无法制造出各式各样的合拢管，合拢管的制作通常采取取型法和现场焊接法。

但是这两种方法存在效率低，材料浪费严重，加工精度不高的诸多缺点，为解决此种现状，日韩等国针对上述问题开发了合拢管再现系统，通过测量机现场测量两个待合拢管的法兰的空间位置特征，然后通过专门的拟合软件拟合出这种空间位置特征，并且输出控制参数，配合专用的三坐标变位机可以再现两法兰的位置特征，将制造好的合拢短管吊装到再现机上与法兰焊接即可制造出无误差的合拢管。其中测量设备采用的是具有两个角度传感器和一个长度传感器的单拉绳测量机，其主要原理是在规定的球面坐标系两个角度和一个长度可以唯一确定一个点。因此，通过该测量机可以测量法兰上特征点在指定的坐标系中的坐标。但是此种测量方法的不足之处是测量时需要反复调整出绳口的位置，以保证拉绳是直线状态，此操作过程繁琐。

为获得待合拢管的法兰的特征参数，采用三座标测量臂也是可行的方案，这种测量臂由6个转动的臂和1个测量头通过6个旋转关节串联连接，在每个关节中都安装有角度编码器，测量臂的一段固定在基座上，测量过程中不可移动，而测头可在空间自由运动，构成一个封闭球形测量空间，通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获得各关节转角和杆件转角，在结合各关节臂的臂长、关节间的夹角等，应用坐标模型从而获得被测点的三维坐标位置。使用测量臂测量法兰的特征参数非常方便，只需在特征位置取点，然后即可通过软件计算出所需的特征参数，而不用预先知道这些特征参数，但是这种测量臂的价格昂贵，另外测量臂的各关节都是薄弱环节，在使用中若发生碰撞则极易损坏。

发明内容

针对目前合拢管制造精度不高，工艺繁琐、制造时间长的问题，发明通过三个拉绳位移传感器的组合测量待合拢管的法兰的特征点，通过一定的计算方法计算出两法兰的位置特征，结合再现机使用，提供了一种可实现高效、精确、低成本的三拉绳测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法，包括以下步骤：

步骤1：安装测量设备：

将三个可拉出绳的传感器呈三角分布，形成一三角形平面，将该三角形平面安装到待测法兰Ⅰ上的一个平面上，三个可拉绳传感器的出绳口到该平面的距离相等，三角形平面与法兰Ⅰ的密封面平行，且三角形平面的中心与法兰Ⅰ密封面的中心同轴； 

步骤2：确定待测法兰Ⅱ螺栓孔的坐标点：

在三角形平面上建立坐标系，X轴和Y轴在三角形平面的表面，Z轴垂直于三角形平面的表面；此时三个可拉绳传感器的出绳口的位置已定，若以三个出绳口的坐标为球心，以三根拉绳从拉绳传感器的出绳口到法兰Ⅱ螺栓孔的长度为半径，则可以建立三个球面方程，这三个球面有2个关于某一坐标面对称的交点，在此坐标系下，交点关于坐标面XY对称，所以其中一个交点坐标就是法兰Ⅱ螺栓孔的坐标，而另一点的坐标并不是所要求的点，在后续的数据处理中可以将其舍去，从而得到一个数据点，在该法兰Ⅱ不同的三个螺栓孔测量各测量一次，共得到三个这样的数据点；

步骤3：确定法兰Ⅱ的空间位置及法兰Ⅱ的特征参数：

上述三个数据点构成的平面和法兰Ⅱ的密封面是平行的；另外这三个点可以构建一个圆，这个圆的直径和法兰Ⅱ的孔径相等，同时计算出这个圆的中心点，该点在法兰Ⅱ的中心线上；根据上述数据计算出法兰Ⅱ密封面中心点坐标，以及各个螺栓孔在密封面上中心点坐标，同时计算出法兰Ⅱ的孔径，根据孔径结合相关的法兰标准就可以确定所测量的法兰的型号；这样所测量的法兰在该坐标系下的空间位置特征以及法兰的特征参数便可以测量出来。

本发明所具有的有益效果主要体现在：一是采用拉绳位移传感器作为测量部件，所要测量的数据只有拉绳的长度，在数据处理中只有三根拉绳的长度是变量，所以测量操作非常简便。二是采用求三个球面交点的方法计算测量点的坐标，算法简单，计算误差小。三是确定密封面的数据点都是共面的，所以数据处理中不需要复杂的投影计算，简化了计算过程。 

具体实施方式

一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法的原理：

在笛卡尔直角坐标系中，三个相交的球面交点有2个，若已知三个球面相交于一点，在选定的直角坐标系中这三个球面的球心和交点的坐标都是确定的。若在此坐标系中，三个球面的半径是已知的，结合球心坐标，可以建立三个球面方程，联立这三个方程获得一个方程组，这个方程的解就是交点的坐标。若将三个拉绳传感器的拉绳始端固定在一起，那么以拉绳传感器的出绳口为球心，以拉绳的长度为半径构成的球面是相交的，且交点就是三根拉绳始端的交点。因此，从理论上就存在利用三根拉绳制造一种测量点的坐标的可能。这种拉绳传感器输出的只是拉绳的长度值，在拉绳的时候不需用调节角度，以此种方案制造出的测量设备将具有测量简单方便的特点。

下面结合具体实施方式对本发明做详细的描述。

一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法，包括以下步骤：

步骤1：安装测量设备：

将三个可拉出绳的传感器呈三角分布，形成一三角形平面，将该三角形平面安装到待测法兰Ⅰ上的一个平面上，三个可拉绳传感器的出绳口到该平面的距离相等，三角形平面与法兰Ⅰ的密封面平行，且三角形平面的中心与法兰Ⅰ密封面的中心同轴； 

步骤2：确定待测法兰Ⅱ螺栓孔的坐标点：

在三角形平面上建立坐标系，X轴和Y轴在三角形平面的表面，Z轴垂直于三角形平面的表面；此时三个可拉绳传感器的出绳口的位置已定，若以三个出绳口的坐标为球心，以三根拉绳从拉绳传感器的出绳口到法兰Ⅱ螺栓孔的长度为半径，则可以建立三个球面方程，这三个球面有2个关于某一坐标面对称的交点，在此坐标系下，交点关于坐标面XY对称，所以其中一个交点坐标就是法兰Ⅱ螺栓孔的坐标，而另一点的坐标并不是所要求的点，在后续的数据处理中可以将其舍去，从而得到一个数据点，在该法兰Ⅱ不同的三个螺栓孔测量各测量一次，共得到三个这样的数据点；

步骤3：确定法兰Ⅱ的空间位置及法兰Ⅱ的特征参数：

上述三个数据点构成的平面和法兰Ⅱ的密封面是平行的；另外这三个点可以构建一个圆，这个圆的直径和法兰Ⅱ的孔径相等，同时计算出这个圆的中心点，该点在法兰Ⅱ的中心线上；根据上述数据计算出法兰Ⅱ密封面中心点坐标，以及各个螺栓孔在密封面上中心点坐标，同时计算出法兰Ⅱ的孔径，根据孔径结合相关的法兰标准就可以确定所测量的法兰的型号；这样所测量的法兰在该坐标系下的空间位置特征以及法兰的特征参数便可以测量出来。

上述计算方法都是本领域技术人员公知的计算方法。

因为待测法兰Ⅰ上的一个平面上总是固定在法兰Ⅰ上，并且三角形平面总是与法兰Ⅰ的密封面平行，设立的坐标系原点在三角形平面上，所以一旦测量设备固定在法兰上之后，该法兰上各点在该坐标系下的坐标点就唯一确定，是已知的，因此只要测量另一侧法兰Ⅱ的相关数据就可以确定这两个法兰的所有空间位置特征，包括两法兰的夹角，间距，螺栓孔位置等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种用于合拢管测量的三拉绳测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：安装测量设备：

将三个可拉出绳的传感器呈三角分布，形成一三角形平面，将该三角形平面安装到待测法兰Ⅰ上的一个平面上，三个可拉绳传感器的出绳口到该平面的距离相等，三角形平面与法兰Ⅰ的密封面平行，且三角形平面的中心与法兰Ⅰ密封面的中心同轴； 

步骤2：确定待测法兰Ⅱ螺栓孔的坐标点：

在三角形平面上建立坐标系，X轴和Y轴在三角形平面的表面，Z轴垂直于三角形平面的表面；此时三个可拉绳传感器的出绳口的位置已定，若以三个出绳口的坐标为球心，以三根拉绳从拉绳传感器的出绳口到法兰Ⅱ螺栓孔的长度为半径，则可以建立三个球面方程，这三个球面有2个关于某一坐标面对称的交点，在此坐标系下，交点关于坐标面XY对称，所以其中一个交点坐标就是法兰Ⅱ螺栓孔的坐标，而另一点的坐标并不是所要求的点，在后续的数据处理中可以将其舍去，从而得到一个数据点，在该法兰Ⅱ不同的三个螺栓孔测量各测量一次，共得到三个这样的数据点；

步骤3：确定法兰Ⅱ的空间位置及法兰Ⅱ的特征参数：

上述三个数据点构成的平面和法兰Ⅱ的密封面是平行的；另外这三个点可以构建一个圆，这个圆的直径和法兰Ⅱ的孔径相等，同时计算出这个圆的中心点，该点在法兰Ⅱ的中心线上；根据上述数据计算出法兰Ⅱ密封面中心点坐标，以及各个螺栓孔在密封面上中心点坐标，同时计算出法兰Ⅱ的孔径，根据孔径结合相关的法兰标准就可以确定所测量的法兰的型号；这样所测量的法兰在该坐标系下的空间位置特征以及法兰的特征参数便可以测量出来。