CN109733554B - 面向船舶分段建造的胎架智能布置方法及计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向船舶分段建造的胎架智能布置方法及计算机存储介质，方法包括以下步骤：1)基于包围盒算法获取船体曲面分段构件的体质量；2)基于均等面积获取船体分段构件在投影平面上的面质量；3)基于面质量以及船体分段投影平面的质心和单个胎架的支撑重量等约束条件确定胎架的点位布置；4)获取船舶分段外板关于胎架点位与高度的数学拟合模型；5)确定胎架与分段外板的接触点位；6)确定胎架最上端支柱的支撑点位；7)确定丝杠上升高度。本发明有效提高了胎架布置的精度和利用率，提升了胎架布置的智能化水平，提高船体分段建造的精度、质量和生产效率，降低了工人的劳动强度，目前在船舶建造领域还是首次提出，具有广阔的发展空间。

Description

面向船舶分段建造的胎架智能布置方法及计算机存储介质

技术领域

本发明涉及一种胎架智能布置方法及计算机存储介质，特别是涉及一种面向船舶分段建造的胎架智能布置方法及计算机存储介质。

背景技术

船舶分段构件是根据船体结构特点和建造施工工艺要求，对船体进行合理划分所形成的区段。在产品生产设计中，根据分段建造的原则，以及生产设施的实际情况，以各分段工作量相近作为主要依据，科学、合理地划分船体分段，使中间产品的设计合理，各分段生产的作业量均衡。各个分段在建造的过程中，需要多个胎架进行支撑，为了提高船体分段建造过程中胎架布置的效率、胎架的空间布置、胎架的利用率，为了提高分段建造的精度和质量，避免现场管理混乱，降低安全隐患，提高胎架的智能化，需要对胎架进行智能布置。

鉴于胎架的智能布置在船舶分段建造过程中的重要性，因此确保胎架的合理布置显得尤为重要。但是，由于船体曲面分段及其内部结构比较复杂，，船体分段受力不均匀，且下底面为曲面，因此在确定胎架布置过程中，胎架数量的确定和具体布置比较困难。目前的技术对胎架的布置较为主观和随意，如中国实用新型专利“船用活络胎架”(专利号ZL200920263535.2)中对于胎架的布置存在以下缺陷：(1)胎架由现场施工人员自行布置，智能化程度较低，精度不高，存在较大安全隐患；(2)按照相同的间距对胎架进行布置，但船体曲面分段受力不均匀，使得各个胎架受力不尽相同，造成船体曲面分段产生变形；(3)胎架数目较多，胎架布置过程中，现场比较混乱，胎架的利用率低，造成资源浪费，工作效率低，成本提高。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种面向船舶分段建造的胎架智能布置方法及计算机存储介质，克服了目前胎架布置中智能化程度低、胎架布置不合理、利用效率低等缺陷，有效提高了胎架布置的精度和利用率，提升了胎架布置的智能化水平，提高船体分段建造的精度、质量和生产效率，降低了工人的劳动强度。

技术方案：本发明所述的面向船舶分段建造的胎架智能布置方法，包括以下步骤：

(1)通过船体分段构件的BOM表和包围盒算法获取船体分段构件的体质量；

(2)以与船体分段构件曲面最低点相切的平面作为投影平面,投影平面法向量的方向为z轴；将各构件最小包围盒的坐标沿z轴转换至投影平面所在坐标系上；根据投影平面上各构件投影的面积，求得各构件单位面积的面质量；根据投影平面的面积将投影平面均分为∈个区域A_∈，获得各个区域内各构件面质量之和；

(3)确定单个胎架的支撑质量M^*；根据船体分段构件的面质量之和确定船体分段的的胎架总数量Q；求出船体曲面分段投影平面的质心C的位置(X_c,Y_c)；确定胎架的点位布置坐标

为正整数，

(4)建立船体分段构件的关于胎架点位坐标和高度的数学拟合模型，对船体分段构件进行拟合；

(5)根据所述的数学拟合模型确定船体曲面分段和活络头的接触点位坐标(X_t,Y_t,Z_t)；

(6)根据活络头的倾斜角度θ及厚度H确定胎架支柱最上端支撑点位坐标(X_l,Y_l,Z_l)；

(7)根据胎架本体的高度确定胎架的上升高度H^*。

进一步的，步骤(1)中船体分段构件的体质量获取过程为：

(11)基于产品BOM表，识别船体分段构件的种类、数量；

(12)运用包围盒算法构建各构件的最小包围盒；

(13)运用遍历算法遍历所有构件得到的最小包围盒，根据各构件最小包围盒的基本尺寸计算构件的体质量。

进一步的，所述包围盒算法的具体过程为：选择AABB包围盒，确定迭代精度ε；分析船体分段构件的形状，求出初始旋转方向，旋转给定坐标系，使X轴与初始旋转方向重合；将船体分段构件投影到XOY平面，提取构件在投影面的外轮廓；将外轮廓线绕X轴旋转，每旋转一次计算其轴向包围矩阵的面积，取面积最小的轴向包围矩阵作为构件投影外轮廓的最小包围矩阵，并记录此时的旋转矩阵A；调整投影面积上的坐标轴，使其中一个轴向平行于最小包围矩阵的一条边；将YOZ设置为投影平面，重复上述过程；当3个主平面都进行过投影操作后，计算构件的AABB体积，然后进入下一轮迭代，直到两轮迭代的AABB体积之差小于迭代精度ε；输出所有旋转矩阵，即可求出船体分段构件的最小包围盒的各个参数；运用遍历算法，依次对各个构件进行上述操作，则可求出各个构件的最小包围盒；通过计算最小包围盒的体积，获得原船体分段构件的体积。

进一步的，所述的船体分段构件类型为型材、板材和管材其中的一种。

为了兼顾建造精度和计算量的大小，步骤(2)中∈＝9，胎架的底盘轨道为3个，每个轨道包含3个区域。

为了进一步建立算法执行速度快，并且数值稳定的模型，步骤(4)中运用非均匀B样条曲线的方法建立船体分段构件的数学拟合模型。

本发明所述的计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述的程序在被计算机处理器执行时实现上述任一项所述的方法。

有益效果：本发明能够与智能胎架结合进行使用，为胎架的布置提供了便捷的方法，可以使得胎架的布置更加智能化和精确化，也为船体分段建造提供更加便捷的途径。本发明具有以下优点和有益效果：

(1)由于运用了具有物料编码功能的BOM表，在判断船舶曲面分段上以及投影平面上构件的种类时，可以快速识别，避免了繁琐的流程；

(2)运用遍历算法，在识别构件过程中可以避免遗漏构件的种类以及数量，在判断各构件分布的区域时，避免遗漏区域；

(3)包围盒具有紧密性的特点，将复杂的几何对象用体积稍大且特性简单的几何体进行表示，在后续计过程中减少复杂的计算，提高工作效率；

(4)基于单个胎架支撑质量以及质心等约束条件的胎架智能布置方法，各个胎架的间距不是固定的，根据船体曲面分段的受力情况确定胎架的点位布置以及胎架丝杠的上升高度，便于现场管理，提高胎架的利用率；

(5)本发明消除了胎架智能布置的主观性与随意性，通过计算机模拟技术可以正确实现映射，提高建造效率。

附图说明

图1是本方法的整体流程图；

图2是获取各构件最小包围盒及三维模型映射平面的流程图；

图3是获得区域中各构件质量的流程图；

图4是船体分段转化为面质量的模型图；

图5是胎架连接结构图。

具体实施方式

本发明通过将三维模型映射平面，确定平面上质量分布情况，基于平面上构件的质量分布情况和船体分段的斜率等相关约束条件，确定所需胎架的数量，根据船体分段质心的位置以及船体分段数学拟合模型确定各个胎架的点位布置与丝杠上升高度，具体的过程如图1所示。

第一步，根据编码规则，对各个构件逐个进行编码，根据BOM表中的物料编码，判断出船体曲面分段上的构件种类f，以及各类构件的数量k。

第二步，运用包围盒算法构建各构件的最小包围盒。其方法如图2所示，首先确定迭代精度ε，选用和传统迭代算法相同的迭代精度ε＝0.01mm³，迭代精度直接影响算法的效率，迭代精度越高，迭代次数越多，计算时间越长。然后分析构件的形状，求出初始旋转方向。确定零件初始旋转方向的方法为，首先遍历零件所有的面，并计算出所有面的面积；计算每个平面的法向并以这个平面的面积作为法向的权值，同时也计算每个平面的轴向面积，作为轴向的权值；合并相同的方向向量，合并是权值直接求和，从而得到一个方向集合F＝{f₁,f₂,f₃,…,f_τ}和这个方向集合所对应的权值集合W＝{w₁.w₂,w₃,…,w_τ}；找出最大权值

则

为最大权值所对应的方向，那么

则为求得的初始旋转方向。旋转给定坐标系，使X轴与初始旋转方向重合，再将模型投影到XOY平面，提取构件在投影面的外轮廓。将外轮廓线绕X轴旋转，每旋转一次计算其轴向包围矩阵的面积，取面积最小的轴向包围矩阵作为构件投影外轮廓的最小包围矩阵，并记录此时的旋转矩阵A。调整投影面积上的坐标轴，使其中一个轴向平行于最小包围矩阵的一条边。接着将YOZ设置为投影平面，重复上述过程。当3个主平面都进行过投影操作后，计算构件的AABB体积，然后进入下一轮迭代，直到两轮迭代的AABB体积之差小于精度。输出所有旋转矩阵，即可求出构件最小包围盒的各个参数。运用遍历算法，依次对各个构件进行上述操作，则可求出各个构件的最小包围盒。上述所述运用包围盒算法构建各构件的最小包围盒的体积与原构件的体积几乎接近，构件的结构比较复杂，通过计算最小包围盒的体积，获得原构件的体积。

第三步，如图3所示，运用遍历算法，依次遍历各个包围盒，船体曲面分段的构件类型主要为型材、板材和管材，船体主要材料为低碳素钢和低合金高强度钢，其密度分别为ρ₁＝7.85g/cm³和ρ₂＝7.82g/cm³，型材和板材的基本尺寸长a，宽b，厚度为c,管材的半径为d,长度为e,则通过遍历算法获得基本尺寸后，可获得型材、板材的体积分别为

管材的体积为

则由密度和体积的乘积可得各构件的质量。(其中B、C、D分别为型材、板材和管材的数量)

第四步，将各构件最小包围盒的坐标沿z轴转换至投影平面上。设单个构件总面积为W，其体质量为M，则其面质量为M，可求得任意面积Λ的面质量为MΛ/W。船体曲面分段转化为面质量的模型如图4所示。

第五步，投影平面划分为九个区域，底盘轨道为三个。因为胎架自身具有一定的体积，如若轨道过多，相邻轨道的间距减小，相邻轨道上的胎架在移动过程中可能会对彼此产生阻碍，通过相关计算，三个轨道最为合适。三行三列的九个区域，每一行上的三个区域对应一个轨道，船体曲面受力不均匀，如果划分区域过少，会造成建造过程中精度下降，划分区域过多，会导致计算量过大，胎架的利用率降低。各构件的最小包围盒的坐标依次沿z轴转换到投影平面上，将投影平面均分为三行三列共九个区域，记为A_∈(∈＝1…9),根据BOM表，判断出各个构件分布的区域、构件在分布区域内的面积P以及各区域内构件的数量E,，依次求出各个区域内构件的总质量为：

第六步，确定单个胎架的支撑质量M^*，由船体分段的面质量之和可得知的所需胎架数目：

第七步，确定船体分段的质心。若九个区域的面质量相等，则船体分段投影平面的中心即为质心，若九个区域的面质量不相等，设质心坐标为(X_c,Y_c)，

其中，x_j,y_j分别为各区域的质心的横纵坐标。

第八步，确定胎架点位布置坐标

根据质心的位置(X_c,Y_c)以及胎架的数量Q，以质心为原点，以(360/Q)°将投影平面分为Q份，每一部分的质心位置即为胎架点位的位置。

第九步，运用非均匀B样条曲线对船体分段外板进行拟合。因为它能够为解析曲线曲面的表达提供了一种统一的数学方法，算法执行速度快，并且数值稳定，它在通常的几何变换(平移，旋转，平行和透视)下是不变的。首先运用全站仪对曲面外板进行扫描，获取分段外板的离散点，根据离散点反算三次曲面控制点，然后通过计算机程序正算控制点计算拟合方程，控制点起到决定曲面形状的作用，但不一定在曲面上，曲面被控制点形成的多边形所包围，其数学模型为

取次数k＝3，即三次NURBS曲面；u,v为形式化参数；m,n为在u和v方向上的控制点的个数；V_i,j(i＝0,1,…,m；j＝0,1,…,n)为控制网格顶点，N_i,k(u),N_j,k(v)为非有理B样条基函数。

由于胎架位置平面坐标为

在求取坐标S(u,v)时，无法直接带入坐标点

需进行坐标的参数化转换。运用节点插入法进行坐标变换

其中

为位于原始节点区间[u_i+k-1,u_i+k)的一个参数化值，u_i+k表示原始离散点的值，x_i,y_j分别表示第i，j个离散点的x,y坐标,p_x前为前一个临近的离散点在x方向上的坐标，p_y前为前一个临近离散点在y方向上的坐标。则

胎架与船体分段构件的连接如图5所示，胎架由活络头2、拉压传感器5、传动结构6和连接它们的丝杠8组成，胎架安装在轨道7上，通过活络头2支撑船体分段外板1，接触点为接触点位3，丝杠8对活络头2的支撑点为支撑点位4。

第十步，确定活络头与分段外板的接触点位坐标(X_t,Y_t,Z_t)。设活络头的最低倾斜角为θ，活络头的厚度为L,则

反算控制点的船体分段外与活络头的接触点位的数学模型：

第十一步，确定胎架支撑点位坐标(X_l,Y_l,Z_l)

第十二步，确定胎架丝杠上升高度H^*。设胎架本体上各个结构的高度尺寸为H_总，活络头在活络头厚度H关于法向量

在空间坐标系中Z轴的投影为H_z，则丝杠上升高度H^*＝S-H_总-H_z，S为第九步中S(u,v)的值。

本发明的实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序。当所述计算机程序由处理器执行时，可以实现前述控制的方法。例如，该计算机存储介质为计算机可读存储介质。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (7)

1.一种面向船舶分段建造的胎架智能布置方法，其特在在于包括以下步骤：

(1)通过船体分段构件的BOM表和包围盒算法获取船体分段构件的体质量；

(2)以与船体分段构件曲面最低点相切的平面作为投影平面,投影平面法向量的方向为z轴；将各构件最小包围盒的坐标沿z轴转换至投影平面所在坐标系上；根据投影平面上各构件投影的面积，求得各构件单位面积的面质量；根据投影平面的面积将投影平面均分为∈个区域A_∈，获得各个区域内各构件面质量之和；

(3)确定单个胎架的支撑质量M^*；根据船体分段构件的面质量之和确定船体分段的的胎架总数量Q；求出船体曲面分段投影平面的质心C的位置(X_c,Y_c)；确定胎架的点位布置坐标

为正整数，

(4)建立船体分段构件的关于胎架点位坐标和高度的数学拟合模型，对船体分段构件进行拟合；

(5)根据所述的数学拟合模型确定船体曲面分段和活络头的接触点位坐标(X_t,Y_t,Z_t)；

(6)根据活络头的倾斜角度θ及厚度H确定胎架支柱最上端支撑点位坐标(X_l,Y_l,Z_l)；

(7)根据胎架本体的高度确定胎架的上升高度H^*。

2.根据权利要求1所述的面向船舶分段建造的胎架智能布置方法，其特征在于步骤(1)中船体分段构件的体质量获取过程为：

(11)基于产品BOM表，识别船体分段构件的种类、数量；

(12)运用包围盒算法构建各构件的最小包围盒；

(13)运用遍历算法遍历所有构件得到的最小包围盒，根据各构件最小包围盒的基本尺寸计算构件的体质量。

3.根据权利要求2所述的面向船舶分段建造的胎架智能布置方法，其特征在于所述包围盒算法的具体过程为：选择AABB包围盒，确定迭代精度ε；分析船体分段构件的形状，求出初始旋转方向，旋转给定坐标系，使X轴与初始旋转方向重合；将船体分段构件投影到XOY平面，提取构件在投影面的外轮廓；将外轮廓线绕X轴旋转，每旋转一次计算其轴向包围矩阵的面积，取面积最小的轴向包围矩阵作为构件投影外轮廓的最小包围矩阵，并记录此时的旋转矩阵A；调整投影面积上的坐标轴，使其中一个轴向平行于最小包围矩阵的一条边；将YOZ设置为投影平面，重复上述过程；当3个主平面都进行过投影操作后，计算构件的AABB体积，然后进入下一轮迭代，直到两轮迭代的AABB体积之差小于迭代精度ε；输出所有旋转矩阵，即可求出船体分段构件的最小包围盒的各个参数；运用遍历算法，依次对各个构件进行上述操作，则可求出各个构件的最小包围盒；通过计算最小包围盒的体积，获得原船体分段构件的体积。

4.根据权利要求1所述的面向船舶分段建造的胎架智能布置方法，其特征在于：所述的船体分段构件类型为型材、板材和管材其中的一种。

5.根据权利要求1所述的面向船舶分段建造的胎架智能布置方法，其特征在于：步骤(2)中∈＝9，胎架的底盘轨道为3个，每个轨道包含3个区域。

6.根据权利要求1所述的面向船舶分段建造的胎架智能布置方法，其特征在于：步骤(4)中运用非均匀B样条曲线的方法建立船体分段构件的数学拟合模型。

7.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述的程序在被计算机处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述的方法。

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