CN108137128A - 用于确定连接元件制造尺寸的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于确定连接元件(301)制造尺寸的方法，所述连接元件(301)待安装在两个结构模块(202，204)中的结构元件(201，203)之间。在所述方法中，用至少一个激光扫描器(205)扫描所述结构模块(202，204)，获得待连接在一起的结构模块端部的点云，以及将所述点云与所述结构模块(202，204)的3D数字模型进行比较，获得所述连接元件(301)的制造尺寸。本发明还提供了一种用于确定连接元件(301)制造尺寸的系统。
Description
技术领域
本发明涉及根据所附权利要求前序部分的用于确定连接元件制造尺寸的方法和系统。
背景技术
预制方法广泛用于船舶建造。在预制方法中，船舶由单独制造的预制建造模块即船舶模块组装而成。每个船舶模块通常包含一个以上部分，这些部分由切割到尺寸的钢板形成，这些钢板具有外形、支柱和侧壁。船舶模块在连接到一起之前，配备有大部分电气设备和大部分用于供暖、供水和通风目的的管道和导管。其余的安装工作是在船舶模块连接在一起后完成的。
与其他已知的船舶建造方法相比，通过使用预制方法，船舶的建造速度更快。此外，由于一般来说船舶模块是在工厂厂房内在受控环境中建造的，因此建造质量也较高。
尽管具有上述优点，但基于预制建造模块的已知船舶构造方法具有明显的缺点，该缺点涉及相互连接的两个船舶模块的连接区域中连接在两个结构元件之间的连接元件，例如管道和导管。在已知的船舶构造方法中，这些连接元件的制造尺寸是在船舶模块被连接在一起之后在船舶模块内就地测量的。由于这个原因，连接元件无法预先制造而使其在船舶模块连接在一起之后就可以立即安装。这种情形由于其他建造阶段必须推迟而拖延了船舶的建造。根据船舶模块连接区域中要安装的连接元件的数量和复杂性，这种延迟通常从几个小时到几天，甚至几个星期。
本发明的目的
本发明的主要目的是减少或甚至消除上面提到的现有技术问题。
本发明的一个目的是提供一种用于确定连接元件制造尺寸的方法和系统，所述连接元件待安装在两个互连结构模块的连接区域中的两个结构元件之间。本发明还有一个目的是提供一种方法和系统，能够安全且快速地确定两个互连结构模块的连接区域中待安装在两个结构元件之间的连接元件制造尺寸。
本发明的另一目的是提供一种方法和系统，其能够减少由预制建造模块构建的船舶或其他海事结构的施工时间。
为了实现上述目的，根据本发明的方法和系统的特征在于所附独立权利要求的特征部分中提出的内容。本发明的有利实施例在从属权利要求中描述。
发明内容
根据本发明的一种用于确定连接元件制造尺寸的一般方法，所述连接元件要连接在第一结构模块中的第一结构元件和第二结构模块中的第二结构元件之间，第二结构模块连接到第一结构模块，该方法包括：
-用至少一个激光扫描器扫描第一结构模块和第二结构模块，获得待连接在一起的结构模块端部的点云，以及
-将点云与第一和第二结构模块的3D数字模型进行比较，获得连接元件的制造尺寸。
在根据本发明的方法中，用至少一个激光扫描器扫描第一和第二结构模块的步骤是在结构模块连接在一起之前执行的。优选的是，将点云与第一和第二结构模块的3D数字模型进行比较的步骤也是在将结构模块连接在一起之前执行的。因此，连接元件的制造可以在早期阶段开始，使得连接元件能够在船舶模块连接在一起之后就立即安装。
在根据本发明的方法中，对将要连接在一起的结构模块的端部进行扫描以获得结构模块端部的点云。连接元件将安装在其间的结构元件能够从结构模块端部看见。因此，点云包括结构元件的数据。这样的数据可以包括例如结构元件的诸端部，连接元件连接到结构元件的诸端部。通常一次扫描结构模块端部的一端，但也可以使用多个激光扫描器，以便同时扫描结构模块的诸端部。
每个点云作为三维坐标系统中的数据点集合，表示结构模块端部。这些数据点由X，Y和Z坐标定义。点云通过使用一个以上激光扫描器来创建，这些扫描仪测量结构模块端部表面上的大量点。当仅使用一台激光扫描器时，对结构模块端部的扫描通常必须分几个阶段进行。在每个阶段，都要把激光扫描器放置在不同的位置，使得扫描结构模块端部的所有部分都能被扫描到。然后，将扫描结果组合起来，获得该结构模块端部的点云。当使用多个激光扫描器扫描结构模块端部时，选择激光扫描器数量的方式优选是，使得结构模块端部可以在一个阶段中得到扫描。这些激光扫描器放置距彼此适当的距离处，使得扫描结构模块端部的整个区域都可以得到扫描。
在根据本发明的方法中，将诸点云与诸结构模块的3D数字模型进行比较以获得连接元件的制造尺寸。制造尺寸包括制造出第一结构模块中的第一结构元件与第二结构模块中的第二结构元件之间正确尺寸的连接元件所需的数据。例如，制造尺寸可以包括连接元件的长度、宽度和高度，或连接元件诸端部的坐标，这些端部将连接到结构元件。
结构模块的3D数字模型是在构建结构模块中使用的CAD模型。第一和第二结构模块的端部的点云与相应的3D数字模型对齐，并进行比较以检查差异。这些差异用于提取连接元件的制造尺寸。这些差异可以作为彩色图显示在显示器上，这些彩色图可以给出对制造的结构部件与其数字模型之间偏差的视觉指示。
尽管可以直接渲染和检查点云，但通常点云本身一般不能直接在3D应用程序中使用，因此通常通过一般被称为表面重建的过程，被转换为多边形网格或三角形网格模型、NURBS表面模型或CAD模型。有许多技术将点云转换为3D表面。一些方法，如Delaunay三角剖分、阿尔法形状和球枢转等，在点云的现有顶点上建立三角形网络，而其他方法将点云转换为体积距离场，并通过移动立方体算法重建这样定义的隐式曲面。
根据本发明的一个实施例，用至少一个激光扫描器扫描第一和第二结构模块的步骤包括：对于每个结构模块，利用所述至少一个激光扫描器从不同位置和/或方向扫描结构模块端部，从所述至少一个激光扫描器收集扫描数据，然后处理扫描数据以生成结构模块端部的点云。扫描位置的数量例如取决于所扫描的结构模块端部的尺寸以及所使用的(一个或多个)激光扫描器的属性。扫描方向可以例如根据是否扫描结构模块端部的中心区域或边缘区域而变化。
根据本发明的一个实施例，相邻扫描位置之间的距离小于10米。相邻扫描位置之间的距离优选小于8米，更优选小于6米。相邻扫描位置之间距离更小的优点是扫描精度更好。然而，由于相邻扫描位置之间距离变小通常会增加扫描处理的次数并因此增加总扫描时间，所以相邻扫描位置之间的距离优选不小于2米。
根据本发明的一个实施例，将点云与第一和第二结构模块的3D数字模型进行比较的步骤包括：计算点云中的结构元件相对于3D数字模型中的结构元件的位置，以及使用所述位置和3D数字模型中的数据计算连接元件的制造尺寸。通过计算点云中的结构元件相对于3D数字模型中的结构元件的位置，可以获得结构元件与其设计的偏差。通过利用这些信息和3D数字模型中的数据，可以计算连接元件的制造尺寸。优选的是，计算点云中的结构元件的端部相对于3D数字模型中的结构元件的端部的位置。结构元件的端部是指连接元件要连接的端部。优选的是，连接元件的第一端部将被连接到第一结构元件的端部，连接元件的第二端部将被连接到第二结构元件的端部。
根据本发明的一个实施例，该方法包括使用该结构元件之外的一个结构作为参考点，将每个点云对齐在相应的3D数字模型上。优选的是，在对齐时用作参考点的结构是靠近结构元件的结构。这种结构例如可以是结构模块中的地板或墙壁。
根据本发明的一个实施例，该方法包括产生连接元件的等轴测图。等轴测图是一种形式的三维投影，其中所有主平面均与相应建立的轴平行并按真实尺寸进行绘制。等轴测图能够进行可视化并理解连接元件将看起来像什么，从而使得连接元件的制造更容易。
根据本发明的一个实施例，连接元件和结构元件是以下之一：用于内部设计的管道、导管、电缆托架或框架。通常，连接元件和结构元件是相同类型的。例如，连接元件可以是连接在结构模块中的管道的端部之间的管道。优选的是，连接元件和结构元件主要由金属例如钢制成。
根据本发明的一个实施例，结构模块是以下之一：船舶模块或离岸结构模块。优选的是，结构模块主要由金属例如钢制成。
本发明还涉及一种用于确定连接元件制造尺寸的系统，所述连接元件将连接在第一结构模块中的第一结构元件和连接到第一结构模块的第二结构模块中的第二结构元件之间。根据本发明的一种典型系统包括：
-至少一个激光扫描器，用于扫描第一和第二结构模块以获得待连接在一起的结构模块端部的扫描数据，以及
-数据处理装置，用于使用扫描数据生成结构模块端部的点云，并将点云与第一和第二结构模块的3D数字模型进行比较，以获得连接元件的制造尺寸。
数据处理装置优选是计算机，其包括存储器、至少一个处理器和存储器中的计算机程序代码。计算机程序代码被配置为当在所述至少一个处理器上执行时使系统使用接收到的扫描数据生成结构模块端部的点云，并且将点云与结构模块的3D数字模型进行比较，以获得连接管道的制造尺寸。计算机可以连接到显示器和至少一个输入装置。使用显示器和输入装置，用户可以选择性地管理和查看由计算机管理的数据。输入装置可以是键盘、鼠标、滚球、笔和触控笔，或者语音识别系统。输入装置也可以是与显示器关联的触摸屏。
根据本发明的一个实施例，激光扫描器是相移激光扫描器。激光扫描器可以是例如3R类激光扫描器。
根据本发明的一个实施例，激光扫描器是灰度激光扫描器。
本发明可以应用于船舶和离岸结构建造等许多技术领域，在这些领域中，船舶和离岸结构模块连接后，将如管道和导管等各种连接件安装在船舶内和离岸结构模块中。本发明还可以应用于建筑行业，用以建造钢结构的高层建筑。
本发明的优点是减少了由预制块构建的结构的施工时间。通过本发明，在结构单元连接在一起之前确定待安装在两个相互连接的结构模块中两个结构元件之间的连接元件制造尺寸，由此可以预先制造连接元件，使其能够在结构模块连接在一起后立即安装。
本发明的另一个优点在于，其能够安全且快速地确定待安装在两个互连结构模块中两个结构元件之间的连接元件制造尺寸。
本发明的另一个优点在于，其能够准确地确定待安装在两个互连结构模块中两个结构元件之间的连接元件制造尺寸。
在本文中提出的本发明示例性实施例不应被解释为对所附权利要求的适用性造成限制。在本文中使用动词“包括”作为开放的限制，不排除也存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中列举的特征可相互自由组合。
本文中提出的示例性实施例及其优点，就其可应用部分的意义而言，涉及根据本发明的方法和系统。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例用于确定连接元件制造尺寸的方法的流程图。
图2示出了使用根据本发明一个实施例的系统确定连接管道的制造尺寸。
图3示出了安装在两个相互连接的船舶模块内的连接管道的一个示例。
具体实施方式
不同实施例中，相同或相似组件使用相同的附图标记。
图1示出根据本发明一个实施例用于确定连接元件制造尺寸的方法流程图，所述连接元件待连接在第一结构模块中的第一结构元件和第二结构中的第二结构元件之间。
在步骤110，用至少一个激光扫描器扫描第一和第二结构模块，获得待连接在一起的结构模块端部的点云。连接元件将安装在其间的结构元件能够从结构模块端部看见。步骤110包含在结构模块连接在一起之前执行的子步骤111、112和113。
在子步骤111，用至少一个激光扫描器从不同位置和/或方向扫描结构模块端部。扫描位置的数量取决于扫描的结构模块端部的大小以及所使用的激光扫描器的属性。扫描方向可以基于是否扫描结构模块端的中心区域或边缘区域而变化。
在子步骤112，从该至少一个激光扫描器收集扫描数据。在子步骤113，对扫描数据处理以产生结构模块端部的点云。每个点云作为三维坐标系统中的数据点集合，表示结构模块端部。点云包括结构元件的数据，例如结构元件的端部的数据，连接元件将连接到该端部。
在步骤120，将点云与第一和第二结构模块的3D数字模型进行比较，以获得连接元件的制造尺寸。结构模块的3D数字模型是在构建结构模块中使用的CAD模型。制造尺寸包括制造出第一结构模块中第一结构元件与第二结构模块中第二结构元件之间正确尺寸的连接元件所需的数据。步骤120包含子步骤121、122和123。
在子步骤121，使用该结构元件之外的一个结构作为参考点，将点云对齐在相应的3D数字模型上。在对齐中用作参考点的结构是靠近该结构元件的结构。
在子步骤122，计算点云中的结构元件相对于3D数字模型中的结构元件的位置，并且在子步骤123，使用所述位置和3D数字模型中的数据计算连接元件的制造尺寸。通过计算点云中的结构元件相对于3D数字模型中的结构元件的位置，可以获得结构元件与其设计的偏差。通过利用这些信息和3D数字模型中的数据，可以计算出连接元件的制造尺寸。
在步骤130，产生连接元件的等轴测图。等轴测图是三维投影的一种形式，其中所有主平面均与相应建立的轴平行并按真实尺寸进行绘制。
图2示出使用根据本发明一个实施例系统确定连接管道的制造尺寸，所述连接管道待连接在第一船舶模块202中的第一管道201与第二船舶模块204中的第二管道203之间。
该系统包括激光扫描器205，用于扫描待连接在一起的船舶模块202和204的端部206和207。船舶模块202和204分几个阶段一次扫描一个模块。在每个阶段中，激光扫描器205相对于船舶模块202或204放置在不同的位置，使得船舶模块端部206或207的所有部分都可以得到扫描。从船舶模块端部206和207可以看到连接管要安装在其间的管道201和203的端部208和209。
扫描数据被传送到计算机210，计算机210包括存储器、至少一个处理器和存储器中的计算机程序代码。计算机程序代码被配置为当在该至少一个处理器上执行时使得系统使用接收到的扫描数据生成船舶模块端部206和207的点云，并且将点云与3D数字模型进行比较，以获得连接管道的制造尺寸。在将点云与船舶模块202和204的3D数字模型进行比较时，使用靠近管道201或203的端部208或209的壁211或212作为参考点，将每个点云对齐在相应的3D数字模型上，计算点云中管道端部208和209相对于3D数字模型中管道端部208和209的位置，并且使用所述位置和3D数字模型中的数据计算连接管道的制造尺寸。计算机程序代码还被配置为当在该至少一个处理器上执行时使系统产生连接管道的等轴测图。等轴测图能够实现可视化并理解连接管道看起来会是什么样子，从而使连接管道的制造更容易。
计算机210连接到显示器213和两个输入装置：键盘214和鼠标215。使用显示器213和输入装置214和215，用户可以选择性地管理和查看在计算机210中管理和处理的数据。
图3示出了两个相互连接起来的船舶模块202和204的横截面，在其中安装有一个示例性连接管道301。连接管道301的一个端部302连接到第一船舶模块202中的第一管道201的端部208，连接管道301的另一个端部303连接到第二船舶模块204中的第二管道203的端部209。在船舶模块202和204连接在一起之前，用根据本发明的系统确定连接管道301的制造尺寸。
附图中仅描述了本发明的有利示例性实施例。本领域技术人员清楚的是，本发明并不仅限于上面给出的示例，而是本发明可以在随后提出的权利要求的范围内变化。从属权利要求中描述了本发明的一些可能实施例，并且它们不应被认为是将本发明的保护范围限制成实施例那样。
Claims (11)
1.一种用于确定连接元件制造尺寸的方法，所述连接元件(301)待连接在第一结构模块(202)中的第一结构元件(201)和第二结构模块(204)中的第二结构元件(203)之间，所述第二结构模块(204)连接到所述第一结构模块(202)，其特征在于，所述方法包括：
-用至少一个激光扫描器(205)扫描所述第一结构模块(202)和所述第二结构模块(204)，获得待连接在一起的结构模块端部的点云，以及
-将所述点云与所述第一结构模块(202)和所述第二结构模块(204)的3D数字模型进行比较，获得所述连接元件(301)的制造尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用至少一个激光扫描器(205)扫描所述第一结构模块(202)和所述第二结构模块(204)的步骤，对于每个结构模块(202，204)都包括：
-利用所述至少一个激光扫描器(205)从不同位置和/或方向扫描所述结构模块端部(206，207)，
-从所述至少一个激光扫描器(205)收集扫描数据，以及
-处理所述扫描数据，生成所述结构模块端部(206，207)的点云。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，相邻扫描位置之间的距离小于10米。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述点云与所述第一结构模块(202)和所述第二结构模块(204)的3D数字模型进行比较的步骤包括：
-计算所述点云中的结构元件(201，203)相对于所述3D数字模型中的结构元件的位置，以及
-使用所述位置和所述3D数字模型中的数据计算所述连接元件(301)的制造尺寸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述结构元件之外的结构(211，212)作为参考点，将每个点云对齐在相应的3D数字模型上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括产生所述连接元件(301)的等轴测图。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述连接元件(301)和所述结构元件(201，203)是以下之一：用于内部设计的管道、导管、电缆托架或框架。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述结构模块(202，204)是以下之一：船舶模块或离岸结构模块。
9.一种用于确定连接元件制造尺寸的系统，所述连接元件(301)待连接在第一结构模块(202)中的第一结构元件(201)和第二结构模块(204)中的第二结构元件(203)之间，所述第二结构模块(204)连接到所述第一结构模块(202)，其特征在于，所述系统包括：
-至少一个激光扫描器(205)，用于扫描所述第一结构模块(202)和所述第二结构模块(204)，以获得待连接在一起的结构模块端部(206，207)的扫描数据，以及
-数据处理装置(210)，用于使用所述扫描数据生成所述结构模块端部(206，207)的点云，并将所述点云与所述第一结构模块(202)和所述第二结构模块(204)的3D数字模型进行比较，以获得所述连接元件(301)的制造尺寸。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述激光扫描器(205)是相移激光扫描器。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述激光扫描器(205)是灰度激光扫描器。
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