CN104359366B - 卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法与装置，装置由测量部分和记录部分组成。测量部分分为XY轴定位和Z轴定位，XY轴定位利用容栅式百分表尖细触头在触摸屏触点位置的感应，通过附加电路板实现通讯参数设置、数据的解析换算功能，进而实现触感点位置的XY坐标的即时定位与显示；Z轴定位则直接利用容栅式百分表的测量与显示功能实现Z轴的即时定位与显示；通过二者结合，实现XYZ三坐标的即时定位与显示，测量方便且精度适当，能够满足需求，对于提高大法兰对接安装质量及密封性能具有明确的现实意义。

Description

卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法

技术领域

本发明涉及两竖直平行端面相接近时的相对位置测量方法与装置，尤其涉及卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法与装置，属于两竖直平行端面位置机械量测量的范畴。

背景技术

本发明的卧式容器大法兰是指法兰直径明显大于成人身高，不便于操作人员直接观察对接过程的卧式容器法兰，在对接过程容易且可能对橡胶圈的产生误伤的容器法兰。

三坐标测量机是现有的对于机械零部件或结构的测定装置之一，该装置能够在一个六面体的空间范围内，表现几何形状、长度及圆周分度等，又称为三坐标测量仪或三次元，是在x、y、z三个或三个以上坐标(圆转台的一个转轴习惯上也算作一个坐标)内进行测量的通用长度测量工具，主要用于测量复杂形状表面轮廓尺寸，例如透平叶片、显象管屏幕、凸轮和轿车等轮廓尺寸、箱体零件各孔的孔径和坐标尺寸等，还常与加工中心配套，成为柔性制造系统的一个组成部分。

按自动化程度，三坐标测量机(简称测量机)一般分为手动、自动和计算机数字控制三种。手动测量机由人工完成对被测长度的全部测量过程。自动测量机由测头自动完成对被测长度的瞄准定位，由人工完成其他测量过程。计算机数字控制测量机除具有自动瞄准定位的功能外，还能按照预先编制好的程序自动完成全部测量和计算过程。

测量机按用途又可分为坐标测量机和万能测量机两类。前者是20世纪50年代中期出现的，常用于测量某种类型的工件，测量效率较高，适宜于在车间使用。这类测量机规格很多，测量范围可达10000×1600×1000毫米或更大。万能测量机是从坐标镗床的基础上发展而来的，测量精度高，单坐标精度可达2微米/1000毫米以上。它带有不同测头和较多附件如数字显示分度台、具有精密轴系的回转工作台等，测量功能较多，适宜在计量室使用。

主要相关文献主要有以下4项：

【1】超大法兰自寻位加工技术的研究，崔科，哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，1绪论，2007年7月，目前在“自寻位加工技术”加工超大构件方面应用最多且较为成熟的是利用“自寻位加工技术”加工磁悬浮列车轨道梁。上海交通大学、同济大学、西安交通大学在这方面已经取得了一定的研究成果[39-45]。磁悬浮列车的新型轨道梁是用钢筋混凝土来代替钢或其他金属材料制造梁体，导致装夹的变形和定位面的粗糙度都大大超过金属材料，致使定位无效，无法完成加工要求。同时轨道梁庞大的体积和上百吨的重量，都使传统的定位方法不再适合。利用数控机床上的三坐标测量系统测得轨道梁上特征点在机床坐标系中的位置，将这些特征点与理论特征点进行拟合，计算出工件在机床坐标系中的实际位置，使加工时无需对工件进行找正。

该文献采用数控机床上的三坐标测量系统技术移植到超大型构件的三维测量，三坐标测量系统技术的技术核心为光栅尺测量技术，该技术与本发明无共同之处。

【2】刘晓东.同济大学现代制造技术研究所上海200092；使用激光跟踪仪确定数控机床空间位置关系[J].制造业自动化.2004(08)，主要是确定两台机床之间的相互位置关系，目的是使用两台机床同时加工一个工件。首先使用激光跟踪仪对两台机床进行离散化测量，然后根据测量数据建立两台机床各自的坐标系，并确定两台机床之间的相互位置关系，最后计算了由于建立新坐标系导致的坐标误差。

该文献采用使用激光跟踪仪确定数控机床空间位置关系的方法，系激光测距技术在三坐标测量上的应用，与本发明无共同之处。

【3】解则晓，中国机械工程2008年08期，基于双目立体视觉的光笔式三坐标测量系统，提出了一种基于双目立体视觉系统的光笔式三坐标测量系统，该系统基于接触式测量方式，以带点光源的光笔作为接触测量工具。首先，对摄像机进行了高精度的标定，建立了双目立体视觉系统模型；其次，通过左右摄像机拍摄的二维图像，将两幅图像中的点进行匹配，获得光笔上的LED光斑中心三维坐标；然后，由一系列LED光斑中心的三维坐标拟合直线，从直线上得到笔尖的三维坐标。实验结果表明，该方法实现了对物体的接触式测量，具有结构简单、成本低的优点，并且具有较高的精度。

该文献采用的是图像处理与识别方法，该方法与本发明无共同之处。

【4】张晓芳，光笔式无导轨三坐标测量系统的研究，航空精密制造技术，2003年01期提出一种非正交系统(俗称无机械导轨)，利用位置敏感探测器PSD交汇成像实现三坐标测量，其测量头为一支带有点光源的笔，故称“光笔式无导轨三坐标测量系统”。文章阐述了该系统的结构设计理论及测量原理。

该文献采用的利用位置敏感探测器PSD交汇成像实现三坐标测量的技术一般是将激光束照射到被测物体，经反射到位置敏感探测器PSD，经过数学解算，获得三坐标测量。该技术与本发明无共同之处。

相关专利有以下三篇：

公开号为CN103712572A的中国专利，公开了一种结构光源与相机结合的物体轮廓三维坐标测量装置；公开号为CN103712557A的中国专利，公开了一种面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位方法；公开号为CN2348348的中国专利，公开了一种大直径物体空间三维坐标测量装置。

相关三项专利均为以激光测距技术或光学成像与识别技术为基础发展而来，与本发明的以触摸屏与数字百分表联合使用实现空间接触点的三维位置测量技术无技术相关性。

通过以上文献及专利申请可以得到以下初步结论：

(1)触摸屏一般作为仪器的输入端，便于操作，替代传统意义的仪器控制按钮(面板)。其本身具有一定的触摸位置精度(0.2～1mm左右)，但将触摸屏作为位置传感器使用并实现接触位置测量尚未见报道；

(2)容栅式数字百分表用于长度测量已是成熟技术，其精度可达0.01mm，但将数字百分表触头作为触摸屏接触测点并与触摸屏组合作为三维测量技术以及作为滑动触头尚未见报道；

(3)当前通用于数控机床刀头位置三维测量一般采用三坐标光栅测量技术，且安装在机床导轨内部，结构相对复杂，难以在不影响法兰本身结构的情况下实现法兰对接过程相对位置的测量。并且其核心技术与本专利无共同之处。

(4)以激光测距技术或光学成像与识别技术为基础发展的三维测量技术要求在所测量的区域中有稳定的通视通光通道，这在法兰对接的逐渐接近并最终合拢过程中是无法实现的。

发明内容

为了解决卧式大法兰对接过程缺少有效的监测装置，对接精度很难把握的技术问题，本发明提供一种卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法与装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测结构，其特殊之处在于：包括至少一个数字百分表、至少一个触摸屏、计算机、安装在触摸屏内的用于实现变量的数字化及无线传输的附加电路板、分别安装在每个数字百分表和每个触摸屏上的天线、分别安装在每个数字百分表和每个触摸屏内的与天线进行通讯的无线模块，

所述触摸屏安装在预对接的两个卧式容器大法兰的其中一个法兰上且与法兰面平行，所述数字百分表安装在预对接的另外一个卧式容器大法兰上，所述数字百分表包括伸缩杆，所述伸缩杆正对触摸屏；所述触摸屏及数字百分表分别通过自身安装的无线模块及天线与计算机连接。

上述数字百分表及触摸屏分别置于卧式容器大法兰的外径圆弧面上。

上述触摸屏安装在固定法兰上，所述数字百分表固定在移动法兰上。

上述触摸屏与数字百分表的数量分别为3个，分别置于正上方、左下方、右下方且圆周均布。

上述触摸屏与数字百分表均通过磁性表座或螺钉与卧式容器大法兰固定连接。

一种卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法，其特殊之处在于：

所述监测方法将触摸屏与数字百分表相结合测量空间接触点的三维位置，其中触摸屏充当位置传感器实现接触点X轴及Y轴的定位，数字百分表实现接触点Z轴定位，具体监测步骤如下：

1)安装测量设备

在预对接的两个卧式容器大法兰的其中一个法兰上安装一个或多个触摸屏，在每个触摸屏上安装无线模块和天线，

在另外一个卧式容器大法兰上与触摸屏相对的位置安装数字百分表，在数字百分表上安装无线模块和天线，并将数字百分表的伸缩杆正对触摸屏；

2)测量

2.1)调节两个卧式容器大法兰中的一个法兰使数字百分表的伸缩杆的触头接触触摸屏，触摸屏受到碰触后，将碰触点的平面位置X、Y坐标经数字变换后经由无线模块及天线传输至计算机处理显示，

2.2)数字百分表触碰到触摸屏后，将触碰点的轴向位置Z坐标经数字变换后经由无线模块及天线传输至计算机处理显示。

上述监测方法，还包括根据将碰触点的平面位置坐标和轴向位置坐标，调节两个卧式容器大法兰的位置和角度，直至二者完全对准的步骤。

上述数字百分表及触摸屏分别置于卧式容器大法兰的外径圆弧面上；所述触摸屏安装在固定法兰上，所述数字百分表固定在移动法兰上。

上述触摸屏与数字百分表的数量分别为3个，分别置于正上方、左下方、右下方且圆周均布。

上述触摸屏与数字百分表均通过磁性表座或螺钉与卧式容器大法兰固定连接。本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明将触摸屏与数字百分表联合使用实现空间接触点的三维位置测量技术与装置，结构相对简洁，成本相对低廉，可以快速方便实用的实现法兰对接过程相对位置的测量。

2、本发明作为卧式容器大法兰对接过程中相对位置的监测技术，测量方便且精度适当，能够满足需求，对于提高大法兰对接安装质量及密封性能具有明确的现实意义，采用容栅式数字百分表及触摸屏技术组合的技术思路，能较好地实现其技术目标。

3、本发明应用范围广，可以推广到其它两竖直平行端面的相对位置测量，诸如电站、水利、桥梁等大型零部件的水平组装对接工作，通过3-4点位置的三维坐标测量值，可以给出诸如：(两法兰)同轴度(x，y)、夹角(平行度)、转角、间隙(z)等两竖直平行端面的空间三维相对位置关系。

4、本发明对实现法兰精确对接发挥了良好作用。经采用机械法对比标定，对正测量精度误差≤±0.42mm，间隙与平行测量精度误差≤±0.1mm。

附图说明

图1及图2分别为本发明测量系统及安装位置的示意图；

图3及图4分别为本发明测量器件及原理示意图；

附图标记为：1-触摸屏、2-数字百分表、3-固定法兰、4-移动法兰、5-天线、6-计算机、10-伸缩杆、11-固定法兰连接板、12-移动法兰连接板。

具体实施方式

以下从本发明的原理出发，对本发明做详细介绍。

对于数字百分表2，它是将容栅式传感器的容栅移动变量通过一个称之为数据转换器的电路盒实现移动变量的数字化及传输。数字百分表变换前的位置信号为容栅式传感器的容栅移动变量，单位为容栅移动变量个数；经数字变换后的最终显示信号为便于使用的公称mm单位，两者之间有一个转换系数关系。这在教科书及大量文献中均有详细描述。

同理，对于触摸屏1接触点的位置信号测量，它也是将触摸屏接触点的位置信号测量通过一个称之为附加电路板实现移动变量的数字化及传输。触摸屏变换前的位置信号为触摸屏的触感点单元本身的位置信号，单位为某个平面坐标系上第某个触感点单元；经数字变换后的最终显示信号为便于使用的某个平面坐标系上的X、Y坐标，其单位为mm单位。两者之间同样有一个转换系数关系。与数字百分表所不同的是通过触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上，有触摸后分时检测内层接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。有关变量的数字化及传输电路的设计与实现在教科书及大量文献中均有详细描述，非本发明的发明点。

本发明的发明点：(1)首次将触摸屏用作位置传感器；(2)首次将触摸屏与数字百分表联合使用实现空间接触点的三维位置测量；(3)首次将该技术在卧式容器大法兰对接相对位置监测过程中成功使用。

本发明的装置由测量部分和记录部分组成。测量部分分为XY轴定位和Z轴定位，XY轴定位利用容栅式数字百分表尖细触头在触摸屏触点位置的感应，通过附加电路板实现通讯参数设置、数据的解析换算功能，进而实现触感点位置的XY坐标的即时定位与显示；Z轴定位则直接利用容栅式百分表的测量与显示功能实现Z轴的即时定位与显示；通过二者结合，实现XYZ三坐标的即时定位与显示。

记录部分则是由测量部分的无线模块及天线将记录数据传输至计算机，通过几何解算同时实现原始XYZ三轴坐标数据和两法兰同轴度(x，y)、夹角(平行度)、转角、空间间隙(z)等三维相对位置关系处理结果的显示。

本发明的主要内容：

1、以触摸屏触点位置作为x，y坐标，容栅式数字百分表触头的伸缩量作为z坐标；

2、将百分表伸缩杆10的触头作为触摸屏接触测点并与触摸屏组合作为三维测量组合体；

3、将百分表触感头与触摸屏分别通过固定法兰连接板11与移动法兰连接板12置于对接法兰相对的法兰3外径圆弧面上，一般建议触摸屏安装在固定法兰3上，数字百分表固定在移动法兰4上；安装触摸屏与百分表触感头三对，分别置于正上方、左下方、右下方均匀布置，采用磁性表座或螺钉固定牢靠；

4、分别将由百分表触感头与触摸屏获得的位置信号(x1、y1、z1、x2、y2、z2、x3、y3、z3)经数字变换后经由无线模块及天线5传输至计算机6处理显示。

实施例：在某卧式容器大法兰对接过程中，由于该容器法兰直径达3.2m，法兰端面设置了2道O型橡胶密封圈，且法兰端面处于与地面垂直状态。如果不能一次性准确对接就位，极易造成橡胶密封圈的损伤以及返工，并造成超大型设备安装过程的时间延误，经济损失巨大。为避免以上情况，以往的工作中，均采用人员使用卡尺及板尺测量查看方式。由于高空作业和测量手段及测量位置不便(测量位置最高处于4.5m处)等原因，致使测量效率与测量精度很难满足要求。在采用本发明技术后，由于测量方法的改进，测量效率与测量精度得到了保证，避免了高空作业，取得了良好的实施效果。触摸屏触感点间距0.21mm，通过测量法兰上下左右4点的三坐标位置量，经数学换算得到了法兰对接过程中间隙与对中位置监测实时数据，对实现法兰精确对接发挥了良好作用。经采用机械法对比标定，对正测量精度误差≤±0.42mm，间隙与平行测量精度误差≤±0.1mm。

Claims (5)

1.一种卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法，其特征在于：

所述监测方法将触摸屏与数字百分表相结合测量空间接触点的三维位置，其中触摸屏充当位置传感器实现接触点X轴及Y轴的定位，数字百分表实现接触点Z轴定位，具体监测步骤如下：

1)安装测量设备

在预对接的两个卧式容器大法兰的其中一个法兰上安装一个或多个触摸屏，在每个触摸屏上安装无线模块和天线，

在另外一个卧式容器大法兰上与触摸屏相对的位置安装数字百分表，在数字百分表上安装无线模块和天线，并将数字百分表的伸缩杆正对触摸屏；

2)测量

2.1)调节两个卧式容器大法兰中的一个法兰使数字百分表的伸缩杆的触头接触触摸屏，触摸屏受到碰触后，将碰触点的平面位置X、Y坐标经数字变换后经由无线模块及天线传输至计算机处理显示，

2.2)数字百分表触碰到触摸屏后，将触碰点的轴向位置Z坐标经数字变换后经由无线模块及天线传输至计算机处理显示。

2.根据权利要求1所述的卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法，其特征在于：

还包括根据将碰触点的平面位置坐标和轴向位置坐标，调节两个卧式容器大法兰的位置和角度，直至二者完全对准。

3.根据权利要求1或2所述的卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法，其特征在于：

所述数字百分表及触摸屏分别置于卧式容器大法兰的外径圆弧面上；所述触摸屏安装在固定法兰上，所述数字百分表固定在移动法兰上。

4.根据权利要求3所述的卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法，其特征在于：

所述触摸屏与数字百分表的数量分别为3个，分别置于正上方、左下方、右下方且圆周均布。

5.根据权利要求4所述的卧式容器大法兰对接过程相对位置的监测方法，其特征在于：

所述触摸屏与数字百分表均通过磁性表座或螺钉与卧式容器大法兰固定连接。