CN103942373B - 海工装备复杂管道焊接空间位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海工装备复杂管道焊接空间位置确定方法，该方法是一种基于对管道截平面沿着管道中心线进行平移和绕着管道中心线旋转，在空间确定管道末端的空间位置，从而为管道焊接工艺提供准确的数据信息，指导海工装备管路的装配和焊接。本发明的方法只需对组成空间管系的各个直线管，圆弧管进行测量、建模和计算，就可以确定管道终点所处的空间位置，简单易行，适合于海工装备在海上装配作业。

Description

海工装备复杂管道焊接空间位置确定方法

技术领域

本发明属于海工装备管道安装技术领域，特别是一种复杂管道焊空间位置确定方法。

背景技术

2011年9月，国家发改委、科技部等四部委联合下发的《关于印发海洋工程装备产业创新发展战略(2011-2020)的通知》，将海工装备产业创新发展上升为国家战略。在海工装备制造过程中，有很大一部分产品为管道设施。可以将管路分解成各种直线管、圆弧管，U型管，T型管，每一段管的几何特征都简单明了。在海工装备的预制过程中，有很多的管道需要拆解、连接、焊接、和分路等。在装配、焊接过程中，由于长度尺寸和空间角度的关系，管子在通过若干工艺后，其末端所处的位置通常会有较大的误差，有的甚至不能和目标对接管相连，这就给海工装备的焊接工作带来巨大的难题。因此，亟需一种能够精确定管道各端的空间位置的方法，为焊接工艺提供依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种海工装备复杂管道焊接空间位置确定方法，该方法是一种基于对管道进行平移和旋转的方法，确定管道各端的空间位置，从而为管道焊接工艺提供准确的数据信息，指导海工装备管路的装配和焊接。

本发明公开的一种基于对管道进行平移和旋转的方法包括以下步骤：

1)根据设计图纸，确定管道总长L，直线管段数m，圆弧弯管段数n；所有的直线管都是笔直的，长度为L_i，i＝1,2,...,m，所有的弯管都是符合圆弧特征的弧线，圆弧半径为R_j，j＝1,2,...,n,所对应的圆心角为δ_j，j＝1,2,...,n；

2)对管路中的每段直线管建立数学模型：以直线管的始端中心作为原点建立笛卡尔坐标系，原点O_i坐标为(x_0i,y_0i,z_0i)，该直线管与xy平面的交角为λ_i，该直线在xy平面投影后与x轴的夹角为φ_i，则该直线管末端中心A的坐标(x_i,y_i,z_i)值为：

3)对管路中的每段圆弧弯管建立数学模型：以圆弧弯管的始端中心作为原点建立笛卡尔坐标系，原点O_j坐标为(x_0j,y_0j,z_0j)，圆弧弯管的圆弧弯管的弦线OA’与xy平面的交角为θ_j，该弦线在xy平面投影后与x轴的夹角为α_j，圆弧弯管末端中心A’的坐标(x_j,y_j,z_j)值为：

4)对第k段管道进行k次平移和旋转，最终使得其始端中心与本段管道的末端中心重合，并且，如果该管道是直线管，则使得其法线与以本管道中心线重合；如果该管道是圆弧弯管，则使得其截面法线在本管道末端与本管道中心线相切；加上直线管和圆弧管的累加，可求得第k段管道末端中心在以第一段管道始端中心为原点的坐标系中的空间位置为：

其中，ω_k、β_k、γ_k是每次绕x、y、z轴旋转的角度，k＝1,2,...,m+n；求得第k段管道末端中心的坐标值，即确定了第k段管道的空间位置。

有益效果：

本发明的方法只需对组成空间管系的各个直线管，圆弧管进行测量、建模和计算，就可以确定管道终点所处的空间位置，简单易行，适合于海工装备在海上装配作业。

附图说明

图1为确定直线管空间位置示意图；

图2为确定圆弧弯管空间位置示意图；

图3为单段管路平移和旋转坐标变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种海工装备复杂管道焊接空间位置确定方法进行详细说明。

本发明公开的一种海工装备复杂管道焊接空间位置确定方法包括以下步骤：

1)根据设计图纸，确定管道总长L，直线管段数m，圆弧弯管段数n；所有的直线管都是笔直的，长度为L_i，i＝1,2,...,m，所有的弯管都是符合圆弧特征的弧线，圆弧半径为R_j，j＝1,2,...,n,所对应的圆心角为δ_j，j＝1,2,...,n，可算出该圆弧对应的弦长；只要确定了该弦与各坐标轴的角度关系，则圆弧终点的空间位置也容易获得。

2)如图1所示，对管路中的每段直线管建立数学模型：以直线管的始端中心作为原点建立笛卡尔坐标系，原点O_i坐标为(x_0i,y_0i,z_0i)，该直线管与xy平面的交角为λ_i，该直线在xy平面投影后与x轴的夹角为φ_i，则该直线管末端中心A的坐标(x_i,y_i,z_i)值为：

式(1)可以转换成齐次坐标形式：

2)对管路中的每段圆弧弯管建立数学模型：以圆弧弯管的始端中心作为原点建立笛卡尔坐标系，原点O_j坐标为(x_0j,y_0j,z_0j)，圆弧弯管的弦线OA’与xy平面的交角为θ_j，该弦线在xy平面投影后与x轴的夹角为α_j，圆弧弯管末端中心A’的坐标(x_j,y_j,z_j)值为：

式(3)可以转换成齐次坐标形式：

3))对第k段管道进行k次平移和旋转，最终使得其始端中心与本段管道的末端中心重合，并且，如果该管道是直线管，则使得其法线与以本管道中心线重合；如果该管道是圆弧弯管，则使得其截面法线在本管道末端与本管道中心线相切.如图3所示，在整个空间范围内，不管是直线接直线，还是直线接圆弧，进行如上转换，其起始点和终了点之间存在一个坐标变换。

平移的坐标变换公式为：

其中Tx,Ty,Tz是三个坐标方向的移动量。

绕x轴旋转ω角度的坐标变换公式为：

绕y轴旋转β角度的坐标变换公式为：

绕z轴旋转γ角度的坐标变换公式为：

由于坐标系的变化，可以通过坐标的平移和坐标的旋转来改变通过坐标系的转变(平移+旋转)，加上直线管和圆弧管的累加，就可以得出第k段管子末端的空间位置：

其中，ω_k、β_k、γ_k是每次绕x、y、z轴旋转的角度，k＝1,2,...,m+n；求得第k段管道末端中心的坐标值，即确定了第k段管道的空间位置。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种海工装备复杂管道焊接空间位置确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据设计图纸，确定管道总长L，直线管段数m，圆弧弯管段数n；所有的直线管都是笔直的，长度为L_i，i＝1,2,...,m，所有的弯管都是符合圆弧特征的弧线，圆弧半径为R_j，j＝1,2,...,n,所对应的圆心角为δ_j，j＝1,2,...,n；

2)对管路中的每段直线管建立数学模型：以直线管的始端中心作为原点建立笛卡尔坐标系，原点O_i坐标为(x_0i,y_0i,z_0i)，该直线管与xy平面的交角为λ_i，该直线在xy平面投影后与x轴的夹角为φ_i，则该直线管末端中心A的坐标(x_i,y_i,z_i)值为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& L_i{\mathrm{cos\λ}}_i{\mathrm{cos\φ}}_i\\ 0& 1& 0& L_i{\mathrm{cos\λ}}_i{\mathrm{sin\φ}}_i\\ 0& 0& 1& L_i{\mathrm{sin\λ}}_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{0i}\\ y_{0i}\\ z_{0i}\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

3)对管路中的每段圆弧弯管建立数学模型：以圆弧弯管的始端中心作为原点建立笛卡尔坐标系，原点O_j坐标为(x_0j,y_0j,z_0j)，圆弧弯管的弦线OA’与xy平面的交角为θ_j，该弦线在xy平面投影后与x轴的夹角为α_j，圆弧弯管末端中心A’的坐标(x_j,y_j,z_j)值为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_j\\ y_j\\ z_j\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 2R_{j}sin\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_j}{2}\right){\mathrm{cos\θ}}_j{\mathrm{cos\α}}_j\\ 0& 1& 0& 2R_{j}sin\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_j}{2}\right){\mathrm{cos\θ}}_j{\mathrm{sin\α}}_j\\ 0& 0& 1& 2R_j\sin \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_j}{2}\right){\mathrm{sin\θ}}_j\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{0j}\\ y_{0j}\\ z_{0j}\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

4)对第k段管道进行k次平移和旋转，最终使得其始端中心与本段管道的末端中心重合，并且，如果该管道是直线管，则使得其法线与以本管道中心线重合；如果该管道是圆弧弯管，则使得其截面法线在本管道末端与本管道中心线相切；加上直线管和圆弧管的累加，可求得第k段管道末端中心在以第一段管道始端中心为原点的坐标系中的空间位置为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=\underset{i}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& L_i{\mathrm{cos\λ}}_i{\mathrm{cos\φ}}_i\\ 0& 1& 0& L_i{\mathrm{cos\λ}}_i{\mathrm{sin\φ}}_i\\ 0& 0& 1& L_i{\mathrm{sin\λ}}_i\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\underset{j}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 2R_{j}sin\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_j}{2}\right){\mathrm{cos\θ}}_j{\mathrm{cos\α}}_j\\ 0& 1& 0& 2R_{j}sin\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_j}{2}\right){\mathrm{cos\θ}}_j{\mathrm{sin\α}}_j\\ 0& 0& 1& 2R_j\sin \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_j}{2}\right){\mathrm{sin\θ}}_j\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\underset{k}{\overset{M+N}{\mathrm{\Π}}}\\ \left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\ω}}_k& -{\mathrm{sin\ω}}_k& 0\\ 0& {\mathrm{sin\ω}}_k& {\mathrm{cos\ω}}_k& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\β}}_k& 0& {\mathrm{sin\β}}_k& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{sin\β}}_k& 0& {\mathrm{cos\β}}_k& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\γ}}_k& -{\mathrm{sin\γ}}_k& 0& 0\\ {\mathrm{sin\γ}}_k& {\mathrm{cos\γ}}_k& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\\ 1\end{array}\right]\end{array}---\left(9\right)$

$L=\underset{i=0}{\overset{M}{\Σ}}{L}_i+\underset{j=0}{\overset{N}{\Σ}}{R}_j\×{\mathrm{\δ}}_j$

其中，

x、y、z为管道末端的中心坐标，

x₀、y₀、z₀为管道第一段的起始端的中心坐标，

L_i为直线管的长度，

λ_i为直线管与xy平面的交角，

φ_i为直线在xy平面投影后与x轴的夹角，

R_j为圆弧弯管的半径；圆弧半径为，j＝1,2,...,n,

δ_j为圆弧所对应的圆心角，j＝1,2,...,n，

θ_j为圆弧弦线OA’与xy平面的交角，

α_j为圆弧弦线在xy平面投影后与x轴的夹角，

ω_k、β_k、γ_k是每次绕x、y、z轴旋转的角度，

k＝1,2,...,m+n；求得第k段管道末端中心的坐标值，即确定了第k段管道的空间位置。