CN103279623A - 一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，所述方法包括：钢结构节点构件中心轴线数据采集；对钢结构节点构件中心轴线数据进行分析、处理和输出特征数据；通过特征数据复现钢结构三维实体模型。本发明提供了简洁而全面的确定节点位姿的参数，以及参数的确定算法和分析过程，提高了程序的运行效率。本发明提供的校验算法能够在构件实际切割前实现对制造数据信息的精确可视化校验，为数据信息用于实际切割提供了检验方法，降低了切割过程的废品率，节约了成本。

Description

一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法

技术领域

本发明涉及空间复杂钢结构设计数模的相贯节点制造领域，特别涉及一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法。

背景技术

钢结构以其形式美观、强度高、自重轻、抗震性好、施工周期短等优点，广泛应用于高层建筑、电视塔架、大型场馆和石油平台等。为了保证钢结构建筑的美观、强度和稳定性，切割和焊接节点构件时要求沿其相贯线来进行，同时还要预留出焊接坡口。

随着CAD/CAM的发展，直接从空间复杂钢结构设计数模中自动提取构件节点制造数据信息，获得节点构件相贯线切割和焊接所需的格式化文件，用于数控设备加工，建立节点制造CAD/CAM软件接口，是实现空间钢结构节点构件相贯线数字化切割和焊接迫切需要解决的问题。

针对基于空间复杂钢结构设计数模的节点构件相贯线数字化制造技术，国内外学者研究甚少，仅限于少数特定类型构件的深化设计及与装备间的信息共享方面，例如：

(1)荷兰HGG公司与芬兰Tekla公司合作，于2009年首次开发出基于BIM模型的管桁类构件数字化制造模块，该模块可自动生成标准XML格式控制数据，为该公司生产的卡盘式管类相贯线切割机提供数据接口。

(参见Available at http://www.tekla.com/international/about-us/news/Pages/1298130_2009031 7091002.aspx.)

(2)同济大学张其林教授针对大跨度钢结构构件切割，借助AutoCAD二次开发工具提出一种复杂异型钢结构的快速深化设计方法，可自动生成用于后续制造的全部构件的几何参数文件。(参见Yang H Z,Chang Z G,Yang Z L,Zhang Q L,Development of CAD/CAM SoftwareSystem for Large Non-Regular Steel Constructions,Advanced Materials Research,2010,97-101:3657-3662.)

(3)天津大学黄田教授领导的团队针对上海世博会“阳光谷”单层网壳钢结构铸钢节点制造需求，提出集节点空间几何特征数据、工艺参数和拼装检验数据等于一体的机器人数控指令生成算法，并利用5自由度混联机器人实现了铸钢节点消失铸造模具的自动切割与装配。(参见Mei J P,Tan Y,Wang L,Zhang W C,Robot based manufacturing technology of cast-steeljoints of Sunny Valley at Shanghai world expo axis,Advanced Materials Research,2011,228-229:385-389.)

然而，上述研究成果仅能满足特定类型钢结构构件的自动化制造需求，算法复杂，数字化程度低且通用性差。

发明内容

本发明提供了一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，本方法降低了算法的复杂度，提高了方法的通用性，详见下文描述：

一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，该方法包括：

钢结构节点构件中心轴线数据采集；对钢结构节点构件中心轴线数据进行分析、处理和输出特征数据；通过特征数据复现钢结构三维实体模型。

其中，钢结构节点构件中心轴线数据采集的过程按照以下操作进行：

提取节点构件中心轴线端点坐标，并剔除所有重复的端点坐标，获得空间钢结构所有汇交节点的坐标；

查询各个汇交节点周围的中心轴线，确定节点构件的位置关系；以汇交节点为起点，计算节点构件中心轴线的单位矢量。

其中，对钢结构节点构件中心轴线数据进行分析、处理和输出特征数据的过程按照以下操作进行具：

确定汇交节点局部坐标系o-xyz、节点构件之间的相互位置关系和节点构件姿态；实现汇交节点局部坐标系和建筑坐标系之间的自由矢量变换，并输出特征数据。

本发明还给出了汇交节点局部坐标系o-xyz具体为：z轴单位矢量k按下式定义，

$k=(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\±(P_i\×P_i))/\left|(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\±(P_i\×P_j))\right|$

p_i为第i个节点构件中心轴线单位向量，p_j为第j个节点构件中心轴线单位向量，n为节点构件的数量；x轴正向向量为p₁在过汇交节点且垂直于z轴平面投影的单位向量；按右手定则确定y轴，汇交节点作为原点。

节点构件之间的相互位置关系具体为：设p_i向xoy平面投影的单位化向量为t_i，x、y轴正向单位向量分别为l、m，θ_i为t_i和l的夹角，则有：

式中i=1,2,…,n；

记已排序的中心轴线单位向量为q_i(i=1,2,…,n)，则第i个节点构件的分度角定义为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_i=\arccos (P_i\·P_{i+1})& (i=\mathrm{1,2},...,n-1)\\ {\mathrm{\γ}}_i=\arccos (P_{n-1}{\·P}_1)& (i=n)\end{array}\right.$

所述节点构件姿态具体为：设第i个节点构件的中心轴线指向的相邻节点局部坐标系z轴正向单位向量为k′，则第i个节点构件的定位向量v_i为：

$v_i=\frac{P_i\×K\text{'}}{|P_i\×K\text{'}|}+\frac{K\×P_i}{|K\×P_i|}$

v_i单位化：

$u_i=\frac{v_i}{\left|v_i\right|}$

第i个节点构件的俯仰角α_i、扭转角β_i分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_i=\arccos (p_i\·k)\\ {\mathrm{\β}}_i=\arccos (u_i\·\frac{p_i\×(k\×p_i)}{|p_i\×(k\×p_i)|})\end{array}.\right.$

其中，通过特征数据复现钢结构三维实体模型的过程可以为：首先根据局部坐标系位姿进行汇交节点中心圆柱建模；然后根据节点构件中心轴线单位矢量、方位矢量和截面数据进行节点构件实体建模；其次结合节点构件之间的相互位置关系求取各个汇交节点之间的距离，进行连接杆件建模；最后进行汇交节点和连接杆件装配，装配成功得到钢结构三维实体模型，则完成数据的校验，判断数据是否有效，如果是，保存钢结构三维实体模型，如果否，重新提取特征数据。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)算法通用性强：针对钢结构轴线设计数字模型，制定各类截面构件节点的制造数据格式，通过稍微修改参数即可实现各类相贯形式节点的制造数据规格化输出，因此具有通用性。

(2)位姿参数选取简洁：本发明提供了简洁而全面的确定节点位姿的参数，以及参数的确定算法和分析过程，提高了程序的运行效率。

(3)参数可视化校验：本发明提供的校验算法能够在构件实际切割前实现对制造数据信息的精确可视化校验，为数据信息用于实际切割提供了检验方法，降低了切割过程的废品率，节约了成本。

附图说明

图1为节点构件中心轴线数据提取流程；

图2为节点制造数据分析和处理流程；

图3为钢结构三维实体模型复现流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决上述问题，本发明实施例旨在提供一种自动采集、分析和校验空间复杂钢结构相贯节点制造数据信息的算法，包括制造数据信息规格化定义、节点构件中心轴线数据采集、构件位姿关系分析和处理、钢结构三维实体模型复现校验数据，输出数控设备可识别的格式化制造数据文件，参见图1、图2和图3，详见下文描述：

101：钢结构节点构件中心轴线数据采集；

参见图1，对钢结构设计软件进行二次开发，在钢结构轴线设计数模（为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述）中遍历各节点构件轴线，提取节点构件中心轴线端点坐标，并剔除所有重复的端点坐标，获得空间钢结构所有汇交节点坐标。遍历轴线，查询各个汇交节点周围的中心轴线，从而确定节点构件的位置关系。以汇交节点为起点，计算节点构件中心轴线的单位矢量。

102：对钢结构节点构件中心轴线数据进行分析、处理和输出特征数据；

1、确定汇交节点局部坐标系o-xyz；

首先需要定义汇交节点局部坐标系o-xyz，z轴单位矢量k按下式定义：

$k=(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\±(P_i\×P_j))/\left|(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\±(P_i\×P_j))\right|$

式中，p_i为第i个节点构件中心轴线单位向量，p_j为第j个节点构件中心轴线单位向量，n为节点构件的数量。x轴正向向量为p₁在过汇交节点且垂直于z轴平面投影的单位向量；按右手定则确定y轴，汇交节点作为原点。

2、确定节点构件之间的相互位置关系；

设p_i向xoy平面投影的单位化向量为t_i，x、y轴正向单位向量分别为l、m，θ_i为t_i和l的夹角，则有：

式中i=1,2,…,n。

θ_i按从小到大排序，实现t_i绕z轴的逆时针排序，由于t_i和p_i一一对应，即可实现p_i绕z轴的逆时针排序。记已排序的中心轴线单位向量为q_i(i=1,2,…,n)，则第i个节点构件的分度角定义为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_i=\arccos (P_i\·P_{i+1})& (i=\mathrm{1,2},...,n-1)\\ {\mathrm{\γ}}_i=\arccos (P_{n-1}\·P_1)& (i=n)\end{array}\right.$

3、确定节点构件姿态；

设第i个节点构件的中心轴线指向的相邻节点局部坐标系z轴正向单位向量为k′，则第i个节点构件的定位向量v_i为：

$v_i=\frac{P_i\×K\text{'}}{|P_i\×K\text{'}|}+\frac{K\×P_i}{|K\×P_i|}$

式中i=1,2,…,n。

v_i单位化：

$u_i=\frac{v_i}{\left|v_i\right|}$

第i个节点构件的俯仰角α_i、扭转角β_i分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_i=\arccos (p_i\·k)\\ {\mathrm{\β}}_i=\arccos (u_i\·\frac{p_i\×(k\×p_i)}{|p_i\×(k\×p_i)|})\end{array}\right.$

4、自由矢量变换。

节点局部坐标系各坐标轴单位向量均在建筑坐标系下定义，则其相对于建筑坐标系的旋转矩阵R为：

R=[l m k]

设任意一向量在建筑坐标系下表示为Q₁，在节点局部坐标系下表示为Q₂，则矢量变换为：

Q₂=R^T Q₁

5、基于上述分析，实现节点制造数据规格化输出，程序流程图如附图(2)，节点制造数据规格化如表1所示，其中截面长、长向厚度、截面宽和宽向厚度的取值根据实际工程需要确定。

表1 特征数据规格

103：通过特征数据复现钢结构三维实体模型。

参见图3，对三维实体建模软件进行二次开发，读取特征数据。首先根据局部坐标系位姿进行汇交节点中心圆柱建模；然后根据节点构件中心轴线单位矢量、方位矢量和截面数据进行节点构件实体建模；其次结合节点构件之间的相互位置关系求取各个汇交节点之间的距离，进行连接杆件建模；最后进行汇交节点和连接杆件装配，装配成功得到钢结构三维实体模型，则完成数据的校验，判断数据是否有效，如果是，保存钢结构三维实体模型，如果否，重新提取特征数据。

综上所述，本发明根据钢结构节点构件切割和焊接工程实际需求，制定出制造数控设备所需的文件格式，进行钢结构设计软件二次开发，实现基于设计数模的节点构件中心轴线数据自动采集，设计每个节点构件位姿关系分析和处理的高效算法并输出规格化制造数据文件，对三维实体建模软件进行二次开发复现实体模型实现制造数据文件的可视化校验。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，其特征在于，所述方法包括：

钢结构节点构件中心轴线数据采集；对钢结构节点构件中心轴线数据进行分析、处理和输出特征数据；通过特征数据复现钢结构三维实体模型。

2.根据权利要求1所述的一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，其特征在于，所述钢结构节点构件中心轴线数据采集的过程具体为：

提取节点构件中心轴线端点坐标，并剔除所有重复的端点坐标，获得空间钢结构所有汇交节点的坐标；

查询各个汇交节点周围的中心轴线，确定节点构件的中心轴线的矢量；以汇交节点为起点，计算节点构件中心轴线的单位矢量。

3.根据权利要求1所述的一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，其特征在于，所述对钢结构节点构件中心轴线数据进行分析、处理和输出特征数据的过程具体为：

确定汇交节点局部坐标系o-xyz、节点构件之间的相互位置关系和节点构件姿态；实现汇交节点局部坐标系和建筑坐标系之间的自由矢量变换，并规格化输出特征数据。

4.根据权利要求1所述的一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，其特征在于，所述汇交节点局部坐标系o-xyz具体为：z轴单位矢量k按下式定义，

$k=(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\±(p_i\×p_j))/\left|(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\±(p_i\×p_j))\right|$

p_i为第i个节点构件中心轴线单位向量，p_j为第j个节点构件中心轴线单位向量，n为节点构件的数量；x轴正向向量为p₁在过汇交节点且垂直于z轴平面投影的单位向量；按右手定则确定y轴，汇交节点作为原点。

5.根据权利要求4所述的一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，其特征在于，所述节点构件之间的相互位置关系具体为：

设p_i向xoy平面投影的单位化向量为t_i，x、y轴正向单位向量分别为l、m，θ_i为t_i和l的夹角，则有：

式中i=1,2,…,n；

记已排序的中心轴线单位向量为q_i(i=1,2,…,n)，则第i个节点构件的分度角定义为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_i=\arccos (p_i\·p_{i+1})& (i=\mathrm{1,2},...,n-1)\\ {\mathrm{\γ}}_i=\arccos (p_{n-1}\·p_1)& (i=n)\end{array}\right.$

6.根据权利要求4所述的一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，其特征在于，所述节点构件姿态具体为：

设第i个节点构件的中心轴线指向的相邻节点局部坐标系z轴正向单位向量为k′，则第i个节点构件的定位向量v_i为：

$v_i=\frac{P_i\×K\text{'}}{|P_i\×K\text{'}|}+\frac{K\×P_i}{|K\×P_i|}$

v_i单位化：

$u_i=\frac{v_i}{\left|v_i\right|}$

第i个节点构件的俯仰角α_i、扭转角β_i分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_i=\arccos (p_i\·k)\\ {\mathrm{\β}}_i=\arccos (u_i\·\frac{p_i\×(k\×p_i)}{|p_i\×(k\×p_i)|})\end{array}\right..$

7.根据权利要求1所述的一种钢结构相贯节点制造数据的采集、分析和校验方法，其特征在于，所述特征数据复现钢结构三维实体模型的过程具体为：

首先根据局部坐标系位姿进行汇交节点中心圆柱建模；然后根据节点构件中心轴线单位矢量、方位矢量和截面数据进行节点构件实体建模；其次结合节点构件之间的相互位置关系求取各个汇交节点之间的距离，进行连接杆件建模；最后进行汇交节点和连接杆件装配，装配成功得到钢结构三维实体模型，则完成数据的校验，判断数据是否有效，如果是，保存钢结构三维实体模型，如果否，重新提取特征数据。

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