CN107577643A - 基于二面框架的相贯局部特征描述方法、服务器及系统 - Google Patents

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田新诚
石磊
刘燕
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Abstract

本发明公开了一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法、服务器及系统，其中，该方法包括步骤1：获取相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标，进而求取主管坐标系{M}到支管坐标系{B}的齐次变换矩阵步骤2：构建相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架；步骤3：求取相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征。

Description

基于二面框架的相贯局部特征描述方法、服务器及系统
技术领域
本发明属于相贯局部特征描述领域，尤其涉及一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法、服务器及系统。
背景技术
相贯曲线焊接在石油化工、管道工程和压力容器制造等领域是一项典型的焊接任务。由于相贯曲线焊缝的复杂性和现有自动焊接设备功能的局限性，相贯曲线的自动化程度一直处于较低水平，尤其是对于多支管、共主管的复杂相关管道，手工焊接是普遍采用的作业方式。
在相贯线的自动焊接中，两圆柱面相贯产生一条复杂的相贯线，相贯的局部特征是指相贯线上一点邻近范围内的两曲面及其交线构成的二面框架的形状及位姿。相贯局部特征的研究对轨迹规划的其他方面有着重要的基础意义。
目前在相贯线焊接领域的研究获得了较大的突破，相关的技术日趋完善。但是在相贯线的特征及其描述方面还没有比较系统的研究，理论体系的缺乏就会导致相关的技术难以实现，如相贯线的坡口焊接、摆动焊接、多层多道焊接等。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法，其建立了相贯线焊缝上任一点的相贯局部特征描述，对相贯线焊接的轨迹规划方面有着重要的基础意义。
本发明的一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法，包括：
步骤1：获取相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标，进而求取主管坐标系{M}到支管坐标系{B}的齐次变换矩阵
步骤2：构建相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架；
步骤3：求取相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征；
所述步骤3的求取过程为：
步骤3.1：以点OF为原点构建相贯局部特征坐标系{F}；其中，相贯局部特征坐标系{F}的一个轴与二面框架的交线平行，指向相贯线焊接的方向；另一个轴平分二面框架且指向圆柱面外侧，第三个轴由右手定则确定；
步骤3.2：分别求取主管和支管分别在OF点的单位法矢量v1和v2，根据齐次变换矩阵将单位法矢量v1和v2和相贯局部特征坐标系{F}的主轴单位矢量均转换为同一坐标系进行描述，进而得到二面框架的位姿，即相贯局部特征坐标系{F}的位姿。
进一步的，所述相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征还包括：二面框架的二面角其中
相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征除了二面框架的位姿以外，二面框架的形状只有一个度量值，即二面角。
进一步的，在所述步骤1中，根据确定的主管圆柱面和支管圆柱面的数学模型以及主管坐标系{M}和支管坐标系{B}，得到主管和支管的相贯线，进而获得相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标。
进一步的，所述步骤2中，构建相贯线上任一点OF邻近区域内的二面框架的具体过程为：
过OF点分别作主管与支管的切平面，两切平面构成OF点邻近区域内的二面框架。
由于二面框架实际是由曲面构成，当进行微观研究时，可用平面代替。
本发明还提供了一种基于二面框架的相贯局部特征描述服务器。
本发明的基于二面框架的相贯局部特征描述服务器，包括：
相贯线上任一点坐标获取模块，其用于获取相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标，进而求取主管坐标系{M}到支管坐标系{B}的齐次变换矩阵
二面框架构建模块，其用于构建相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架；
二面框架的特征求取模块，其用于求取相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征；
所述二面框架的特征求取模块包括：
相贯局部特征坐标系构建模块，其用于以点OF为原点构建相贯局部特征坐标系{F}；其中，相贯局部特征坐标系{F}的一个轴与二面框架的交线平行，指向相贯线焊接的方向；另一个轴平分二面框架且指向圆柱面外侧，第三个轴由右手定则确定；
相贯局部特征坐标系的位姿求取模块，其用于分别求取主管和支管分别在OF点的单位法矢量v1和v2，根据齐次变换矩阵将单位法矢量v1和v2和相贯局部特征坐标系{F}的主轴单位矢量均转换为同一坐标系进行描述，进而得到二面框架的位姿，即相贯局部特征坐标系{F}的位姿。
进一步的，所述相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征还包括：二面框架的二面角其中
进一步的，在所述相贯线上任一点坐标获取模块中，根据确定的主管圆柱面和支管圆柱面的数学模型以及主管坐标系{M}和支管坐标系{B}，得到主管和支管的相贯线，进而获得相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标。
进一步的，在所述二面框架构建模块中，构建相贯线上任一点OF邻近区域内的二面框架的具体过程为：
过OF点分别作主管与支管的切平面，两切平面构成OF点邻近区域内的二面框架。
本发明还提供了一种基于二面框架的相贯局部特征描述系统。
本发明的一种基于二面框架的相贯局部特征描述系统，包括上述所述的基于二面框架的相贯局部特征描述服务器。
进一步的，该系统还包括显示器，所述显示器与所述基于二面框架的相贯局部特征描述服务器相连。
其中，显示器用于显示基于二面框架的相贯局部特征描述服务器所输出的二面框架的相贯局部特征。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明对两管相贯形成的相贯线局部特征进行了描述，建立了相贯线局部二面框架，并给出了二面框架的位姿描述和二面角求解方法，为相贯线的坡口焊接、摆动焊接、多层多道焊接等技术的实现奠定了理论基础。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法流程图；
图2是相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征；
图3是相贯线上任一点OF处的法平面；
图4是本发明的基于二面框架的相贯局部特征描述服务器结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明的一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法流程图。
如图1所示，本发明的一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法，包括：
步骤1：获取相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标，进而求取主管坐标系{M}到支管坐标系{B}的齐次变换矩阵
在所述步骤1中，根据确定的主管圆柱面和支管圆柱面的数学模型以及主管坐标系{M}和支管坐标系{B}，得到主管和支管的相贯线，进而获得相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标。
点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标分别为：
MP＝[MPx MPy MPz 1]T和BP＝[BPx BPy BPz 1]T。
步骤2：构建相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架；
由于二面框架实际是由曲面构成，当进行微观研究时，可用平面代替。
在所述步骤2中，构建相贯线上任一点OF邻近区域内的二面框架的具体过程为：
过OF点分别作主管与支管的切平面，两切平面构成OF点邻近区域内的二面框架。
步骤3：求取相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征；
其中，所述步骤3的求取过程为：
步骤3.1：以点OF为原点构建相贯局部特征坐标系{F}＝XFYFZF；其中，相贯局部特征坐标系{F}的轴XF与二面框架的交线平行，指向相贯线焊接的方向；轴ZF平分二面框架且指向圆柱面外侧，轴YF由右手定则确定。
步骤3.2：分别求取主管和支管分别在OF点的单位法矢量v1和v2，根据齐次变换矩阵将单位法矢量v1和v2和相贯局部特征坐标系{F}的主轴单位矢量均转换为同一坐标系进行描述，进而得到二面框架的位姿，即相贯局部特征坐标系{F}的位姿。
容易得知，XF轴、ZF轴、主管在OF点的法矢量和支管在OF点的法矢量均在相贯线法平面内。直线lb与lm是二面框架与相贯线法平面的交线，矢量v1为主管在OF点的单位法矢量，矢量v2为支管在OF点处的单位法矢量，且有v1⊥lm及v2⊥lb，如图3所示。
对主管和支管这两柱面方程进行微分，求得主管及支管在相贯线上一点处的单位法矢量分别为：
上式具有不同的参考坐标系，为了进行矢量运算，齐次变换矩阵将支管法矢量v2变换到{M}下：
假设XF、YF与ZF是{F}的主轴单位矢量。按照矢量运算法则，XF、YF与ZF分别在{M}下的坐标为：
结合上式，得到二面框架的位姿，即局部特征坐标系{F}的位姿：
括号内的数字表示上式中主轴单位矢量的相应元素。
如图2所示，相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征除了二面框架的位姿以外，二面框架的形状只有一个度量值，即二面角。
在本发明中，所述相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征还包括：二面框架的二面角其中
图4是本发明的基于二面框架的相贯局部特征描述服务器结构示意图。
如图4所示，本发明的基于二面框架的相贯局部特征描述服务器，包括：
(1)相贯线上任一点坐标获取模块，其用于获取相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标，进而求取主管坐标系{M}到支管坐标系{B}的齐次变换矩阵
在所述相贯线上任一点坐标获取模块中，根据确定的主管圆柱面和支管圆柱面的数学模型以及主管坐标系{M}和支管坐标系{B}，得到主管和支管的相贯线，进而获得相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标。
(2)二面框架构建模块，其用于构建相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架；
在所述二面框架构建模块中，构建相贯线上任一点OF邻近区域内的二面框架的具体过程为：
过OF点分别作主管与支管的切平面，两切平面构成OF点邻近区域内的二面框架。
(3)二面框架的特征求取模块，其用于求取相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征；
其中，所述二面框架的特征求取模块包括：
相贯局部特征坐标系构建模块，其用于以点OF为原点构建相贯局部特征坐标系{F}；其中，相贯局部特征坐标系{F}的一个轴与二面框架的交线平行，指向相贯线焊接的方向；另一个轴平分二面框架且指向圆柱面外侧，第三个轴由右手定则确定；
相贯局部特征坐标系的位姿求取模块，其用于分别求取主管和支管分别在OF点的单位法矢量v1和v2，根据齐次变换矩阵将单位法矢量v1和v2和相贯局部特征坐标系{F}的主轴单位矢量均转换为同一坐标系进行描述，进而得到二面框架的位姿，即相贯局部特征坐标系{F}的位姿。
本发明的相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征还包括：二面框架的二面角其中
本发明还提供了一种基于二面框架的相贯局部特征描述系统。
本发明的一种基于二面框架的相贯局部特征描述系统，包括如图4所示的基于二面框架的相贯局部特征描述服务器。
其中，该系统还包括显示器，所述显示器与所述基于二面框架的相贯局部特征描述服务器相连。
显示器用于显示基于二面框架的相贯局部特征描述服务器所输出的二面框架的相贯局部特征。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标，进而求取主管坐标系{M}到支管坐标系{B}的齐次变换矩阵
步骤2：构建相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架；
步骤3：求取相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征；
所述步骤3的求取过程为：
步骤3.1：以点OF为原点构建相贯局部特征坐标系{F}；其中，相贯局部特征坐标系{F}的一个轴与二面框架的交线平行，指向相贯线焊接的方向；另一个轴平分二面框架且指向圆柱面外侧，第三个轴由右手定则确定；
步骤3.2：分别求取主管和支管分别在OF点的单位法矢量v1和v2，根据齐次变换矩阵将单位法矢量v1和v2和相贯局部特征坐标系{F}的主轴单位矢量均转换为同一坐标系进行描述，进而得到二面框架的位姿，即相贯局部特征坐标系{F}的位姿。
2.如权利要求1所述的一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法，其特征在于，所述相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征还包括：二面框架的二面角其中
3.如权利要求1或2所述的一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法，其特征在于，在所述步骤1中，根据确定的主管圆柱面和支管圆柱面的数学模型以及主管坐标系{M}和支管坐标系{B}，得到主管和支管的相贯线，进而获得相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标。
4.如权利要求1或2所述的一种基于二面框架的相贯局部特征描述方法，其特征在于，所述步骤2中，构建相贯线上任一点OF邻近区域内的二面框架的具体过程为：
过OF点分别作主管与支管的切平面，两切平面构成OF点邻近区域内的二面框架。
5.一种基于二面框架的相贯局部特征描述服务器，其特征在于，包括：
相贯线上任一点坐标获取模块，其用于获取相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标，进而求取主管坐标系{M}到支管坐标系{B}的齐次变换矩阵
二面框架构建模块，其用于构建相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架；
二面框架的特征求取模块，其用于求取相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征；
所述二面框架的特征求取模块包括：
相贯局部特征坐标系构建模块，其用于以点OF为原点构建相贯局部特征坐标系{F}；其中，相贯局部特征坐标系{F}的一个轴与二面框架的交线平行，指向相贯线焊接的方向；另一个轴平分二面框架且指向圆柱面外侧，第三个轴由右手定则确定；
相贯局部特征坐标系的位姿求取模块，其用于分别求取主管和支管分别在OF点的单位法矢量v1和v2，根据齐次变换矩阵将单位法矢量v1和v2和相贯局部特征坐标系{F}的主轴单位矢量均转换为同一坐标系进行描述，进而得到二面框架的位姿，即相贯局部特征坐标系{F}的位姿。
6.如权利要求5所述的一种基于二面框架的相贯局部特征描述服务器，其特征在于，所述相贯线上任一点OF邻近区域内二面框架的特征还包括：二面框架的二面角其中
7.如权利要求5所述的一种基于二面框架的相贯局部特征描述服务器，其特征在于，在所述相贯线上任一点坐标获取模块中，根据确定的主管圆柱面和支管圆柱面的数学模型以及主管坐标系{M}和支管坐标系{B}，得到主管和支管的相贯线，进而获得相贯线上任一点OF分别在主管坐标系{M}和支管坐标系{B}中的齐次坐标。
8.如权利要求5或6所述的一种基于二面框架的相贯局部特征描述服务器，其特征在于，在所述二面框架构建模块中，构建相贯线上任一点OF邻近区域内的二面框架的具体过程为：
过OF点分别作主管与支管的切平面，两切平面构成OF点邻近区域内的二面框架。
9.一种基于二面框架的相贯局部特征描述系统，其特征在于，包括如权利要求5-8中任一项所述的基于二面框架的相贯局部特征描述服务器。
10.如权利要求9所述的一种基于二面框架的相贯局部特征描述系统，其特征在于，该系统还包括显示器，所述显示器与所述基于二面框架的相贯局部特征描述服务器相连。
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