CN103307947A - 模块结构总装误差空间测量定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模块结构总装误差空间测量定位方法，包括(1)在甲板片每个短立柱上设定上、下测量控制点；(2)测量制造工位上的甲板片每个短立柱测量控制点的坐标；(3)将制造工位测量控制点坐标匹配到模块整体安装坐标系中；(4)以甲板片上短立柱的中心线偏移量作为优化目标，判断关键误差短立柱；对关键误差短立柱进行修整。本发明的优点在于：使甲板片安装精度不符合要求时不再反复吊装。

Description

模块结构总装误差空间测量定位方法

技术领域

本发明涉及测量定位方法，特别是涉及模块结构总装误差空间测量定位方法。

背景技术

海洋钢结构上层平台组块的框架式结构是比较典型的大型多层钢结构，主要由甲板片、层间立柱、斜拉筋和附件组成。大型多层钢结构采用分层预制甲板片和层间立柱，再依次将甲板片和层间立柱进行焊接组装。模块建造时，由于上下层甲板片存在制造误差，导致上层甲板片安装不符合技术要求而必须反复吊装、并对甲板片误差矫正，直至满足要求，这样操作不仅加大了工作量，同时也增大了制造成本，大大降低了效率。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种提高了工作效率，保证了甲板片可以按精度装配的模块结构总装误差空间测量定位方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的模块结构总装误差空间测量定位方法，它包括以下步骤：

(1)在甲板片每个短立柱上设定上、下测量控制点，所述的上、下测量控制点位于每个短立柱中心线的上下两端；

(2)测量制造工位上的甲板片每个短立柱测量控制点的坐标；

(3)将制造工位测量控制点坐标匹配到模块整体安装坐标系中；

(4)以甲板片上短立柱的中心线偏移量作为优化目标，设定甲板片短立柱中心线偏移量公差为T_co，则约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\mathrm{ux}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{uy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dx}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\end{array}\right.$

其中，dx'_i,dy'_i为甲板片上第i短立柱下端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标;

ux_i,uy'_i为甲板片上第i短立柱上端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标;

X_i,Y_i为第i根短立柱中心线在整体安装坐标系下的水平面上的投影点的横、纵坐标;

将所有短立柱测量控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标代入约束方程,不满足约束方程的短立柱为关键误差短立柱；

(5)在整体安装坐标系下对关键误差短立柱的测量控制点的坐标进行修正使之满足约束方程，然后将修正后的测量控制点的坐标匹配为制造工位上的短立柱测量控制点的坐标，对关键误差短立柱进行修整；

(6)再次测量矫正好的关键误差短立柱的测量控制点坐标，继续进行步骤(3)和(4)判断是否满足约束方程，若满足约束方程，则不存在关键误差立柱，在制造工位上不需要修整任何短立柱；若不满足约束方程，则继续进行步骤(5)和(6)，直至所有矫正后的关键误差短立柱的测量控制点的坐标均满足约束方程。

本发明的优点在于：使甲板片安装精度不符合要求时不再反复吊装，而是通过测量数据匹配及定位优化运算，确定甲板片是否可以按精度装配，从而可预先在制造工位上对甲板片进行修整，矫正甲板片制造误差，将矫正好的甲板片进行吊装，从而减少使用龙门吊反复吊装次数，提高模块结构制造效率，大幅度减少工作量及制造成本。

附图说明

附图是本发明的模块结构总装误差空间测量定位方法中采用的甲板片短立柱控制点的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图所示的本发明的本发明的模块结构总装误差空间测量定位方法，它包括以下步骤：

(1)在甲板片每个短立柱上设定上、下测量控制点，所述的上、下测量控制点位于每个短立柱中心线的上下两端；

(2)测量制造工位上的甲板片每个短立柱测量控制点的坐标；

(3)将制造工位测量控制点坐标匹配到模块整体安装坐标系中；

(4)以甲板片上短立柱的中心线偏移量作为优化目标，设定甲板片短立柱中心线偏移量公差为T_co，则约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\mathrm{ux}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{uy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dx}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\end{array}\right.$

其中，dx'_i,dy'_i为甲板片上第i短立柱下端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标;

ux_i,uy'_i为甲板片上第i短立柱上端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标;

X_i,Y_i为第i根短立柱中心线在整体安装坐标系下的水平面上的投影点的横、纵坐标;

将所有短立柱测量控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标代入约束方程,不满足约束方程的短立柱为关键误差短立柱；

(5)在整体安装坐标系下对关键误差短立柱的测量控制点的坐标进行修正使之满足约束方程，然后将修正后的测量控制点的坐标匹配为制造工位上的短立柱测量控制点的坐标，对关键误差短立柱进行修整；

(6)再次测量矫正好的关键误差短立柱的测量控制点坐标，继续进行步骤(3)和(4)判断是否满足约束方程，若满足约束方程，则不存在关键误差立柱，在制造工位上不需要修整任何短立柱；若不满足约束方程，则继续进行步骤(5)和(6)，直至所有矫正后的关键误差短立柱的测量控制点的坐标均满足约束方程。

实施例1

第一步：测量制造工位上甲板片短立柱测量控制点坐标。

甲板片每个短立柱中心线的上下两端各设置一个测量点，利用全站仪测出各个测量点在加工制造位置上的空间坐标。[ux_i,uy_i,uz_i]、[dx_i,dy_i,dz_i]分别为第i个短立柱上端、下端测量点在制造位置上的空间坐标。

甲板片短立柱控制点测量如图1所示，其中：1-短立柱上端测量点；2-短立柱下端测量点；3-短立柱中心线。

第二步：将制造工位测量控制点坐标匹配到模块整体安装坐标系中。

（1）计算匹配矩阵：

取加工制造位置甲板片局部坐标系原点P₀和X、Y轴上各一点P₁和P₂，设计模型甲板片安装位置局部坐标系原点Q₀和X、Y轴上各一点Q₁和Q₂。

以P₀为原点，P₀到P₁为X轴构建单位向量

$e_1=\frac{P_1-P_0}{|P_1-P_0|}$

然后以X轴的方向向量e₁与P₀到P₂的方向矢量的叉乘确定Z轴方向，构建Z轴的单位向量

$e_3=\frac{e_1(P_2-P_1)}{|e_1\×(P_2-P_1)|}$

Y轴单位向量

e₂=e₁×e₃

同理，设计模型中Q₀、Q₁、Q₂来计算模型中三个坐标单位向量：

$e_1^{\′}=\frac{Q_1-Q_0}{|Q_1-Q_0|}$

$e_3^{\′}=\frac{e_1^{\′}(Q_2-Q_1)}{\left|e_1^{\′}(Q_2-Q_1)\right|}$

e′₂=e′₁×e′₃

经坐标变换，两坐标系必能完全重合，设同一向量在两坐标系下坐标分别为M和M'，则

[e′₁ e′₂ e′₃]^T×M'=[e₁ e₂ e₃]^T×M

M'＝([e′₁ e′₂ e′₃]^T)^-1×[e₁ e₂ e₃]^T×M

[e′₁ e′₂ e′₃]为正交阵，故[e′₁ e′₂ e′₃]^T)^-1=[e′₁ e′₂ e′₃]，

匹配矩阵中的旋转矩阵R为

R_3×3＝[e′₁ e′₂ e′₃]×[e₁ e₂ e₃]^T

匹配矩阵中的平移矩阵T为

T_3×1=[Q₀－P₀]

完整的匹配矩阵为

$C={\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0& 1\end{array}\right]}_{4\×4}$

（2）坐标匹配

将全站仪在制造工位上测量的甲板片短立柱上下两端测量点的坐标数据[ux_i,uy_i,uz_i]、[dx_i,dy_i,dz_i]分别乘以匹配矩阵C，即得到各短立柱上下端测量点在模块整体安装坐标系中的坐标[dx'_i,dy'_i,dz'_i]、[ux'_i,uy'_i,uz'_i]。

即[dx'_i,dy'_i,dz'_i,1]=[dx_i,dy_i,dz_i,1]C；[ux'_i,uy'_i,uz'_i,1]=[ux_i,uy_i,uz_i,1]C。

第三步：建立以短立柱中心线为优化目标的精度优化模型及约束方程。

以甲板片上短立柱的中心线偏移量作为优化目标，通过最小二乘法建立精度优化的目标函数。

$f=\min \left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[{({\mathrm{dx}}_i^{\′}-X_i)}^2+{({\mathrm{dy}}_i^{\′}-Y_i)}^2+{({\mathrm{ux}}_i^{\′}-X_i)}^2+{({\mathrm{uy}}_i^{\′}-Y_i)}^2\left]\right\}$

其中，dx'_i,dy'_i为甲板片上第i根短立柱下端控制点在整体安装坐标系中的位置坐标。

ux'_i,uy'_i为甲板片上第i根短立柱上端控制点在整体安装坐标系中的位置坐标。

X_i,Y_i为第i根短立柱中心线在整体安装坐标系下的水平面上的投影点的横、纵坐标;

甲板片短立柱中心线偏移量公差为T_co，则约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\mathrm{ux}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{uy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dx}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\end{array}\right.$

其中，dx'_i,dy'_i为甲板片上第i立柱下端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标。

ux_i,uy'_i为甲板片上第i立柱上端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标。

X_i,Y_i为第i跟立柱中心线在整体安装坐标系下的水平面上的投影点的横、纵坐标。

第四步：将所有短立柱上、下测量点在整体安装坐标系中的横、纵坐标ux'_i,uy'_i、dx'_i,dy'_i代入约束方程,不满足约束方程的短立柱即为关键误差立柱。

第五步：在整体安装坐标系下对关键误差短立柱上、下测量控制点的横、纵坐标进行修正使之在满足约束方程的基础上使精度优化模型目标函数值f尽可能小，然后将修正后的测量控制点的坐标匹配为制造工位上的短立柱测量点的坐标，对关键误差短立柱进行修整；具体步骤为：

（1）在满足约束方程的条件下，对关键误差立柱的精度控制点进行定位优化：将所有短立柱的测量控制点在整体安装坐标系下的横、纵坐标dx'_i,dy'_i、ux'_i,uy'_i带入精度优化目标函数中，求取优化后的关键误差立柱的空间坐标数据[dx″_i,dy″_i,dz″_i]、[ux″_i,uy″_i,uz″_i]，使精度优化模型目标函数值f尽可能小。

（2）将关键误差立柱优化后的空间坐标数据[dx″_i,dy″_i,dz″_i]、[ux″_i,uy″_i,uz″_i]乘以匹配矩阵的逆矩阵C^-1，得到制造工位坐标系中关键误差立柱定位优化后的坐标数据[dx″′_i,dy″′_i,dz″′_i]、[ux″′_i,uy″′_i,uz″′_i]，并与关键误差立柱定位优化前的初始坐标[ux_i,uy_i,uz_i]、[dx_i,dy_i,dz_i]进行比较，从而指导甲板片立柱的误差矫正。

其中，

[dx″′_i,dy″′_i,dz″′_i,1]=[dx″_i,dy″_i,dz″_i,1]C^-1，[ux″′_i,uy″′_i,uz″′_i,1]=[ux″_i,uy″_i,uz″_i,1]C^-1。

第六步：用全站仪再次测量矫正好的关键误差短立柱的测量点坐标，并匹配到模块安装坐标系中并判断是否满足约束方程，若满足约束方程，则不存在关键误差立柱，在制造工位上不需要修整任何短立柱；若不满足约束方程，则继续进行第五步和第六步，直至所有矫正后的关键误差短立柱的测量点的坐标均满足约束方程。

第七步：将制造工位上满足要求的甲板片进行吊装。

采用本方法提高模块结构制造效率提高，大幅度减少制造成本。

Claims (1)

1.模块结构总装误差空间测量定位方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)在甲板片每个短立柱上设定上、下测量控制点，所述的上、下测量控制点位于每个短立柱中心线的上下两端；

(2)测量制造工位上的甲板片每个短立柱测量控制点的坐标；

(3)将制造工位测量控制点坐标匹配到模块整体安装坐标系中；

(4)以甲板片上短立柱的中心线偏移量作为优化目标，设定甲板片短立柱中心线偏移量公差为T_co，则约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\mathrm{ux}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{uy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dx}}_i^{\′}-X_i|\≤T_{\mathrm{co}}\\ |{\mathrm{dy}}_i^{\′}-Y_i|\≤T_{\mathrm{co}}\end{array}\right.$

其中，dx'_i,dy'_i为甲板片上第i短立柱下端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标;

ux_i,uy'_i为甲板片上第i短立柱上端控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标;

X_i,Y_i为第i根短立柱中心线在整体安装坐标系下的水平面上的投影点的横、纵坐标;

将所有短立柱测量控制点在整体安装坐标系中的横、纵坐标代入约束方程,不满足约束方程的短立柱为关键误差短立柱；

(5)在整体安装坐标系下对关键误差短立柱的测量控制点的坐标进行修正使之满足约束方程，然后将修正后的测量控制点的坐标匹配为制造工位上的短立柱测量控制点的坐标，对关键误差短立柱进行修整；

(6)再次测量矫正好的关键误差短立柱的测量控制点坐标，继续进行步骤(3)和(4)判断是否满足约束方程，若满足约束方程，则不存在关键误差立柱，在制造工位上不需要修整任何短立柱；若不满足约束方程，则继续进行步骤(5)和(6)，直至所有矫正后的关键误差短立柱的测量控制点的坐标均满足约束方程。

Images