CN114413807A - 一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法。本方法包含构型参数化、数字化建模、创建位姿传递函数、转动角信息传感、变量获取、程序验算，最终得到整机设备的实际尺寸。本发明通过参数化、数字化建模和理论推演，创新性地将高大复杂的结构测量转化为地面上简单的直线测距，克服了过往无法实施操作、安全隐患大的难题，填补了船用大型的流体装卸设备尺寸测量方案的空白；把复杂的构型进行参数化，清晰明确了测量对象，提高了最终数据的精确性和可用度；通过角度传感器和人工直线测距，巧妙地转化了测试对象，将庞大复杂的尺寸测量简化成角度传感和直线测量，较大程度地节约了人员工作量和可操作性。

Description

一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法

技术领域

本发明属于船用大型装卸设备领域，具体涉及尺寸测量及检验领域，特别是一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法。

背景技术

由于船用流体装卸设备的外形庞大，设备上的管道构型复杂，矗立据地高度差在几十米范围，人员测量安全风险性高、难度极大，几乎无法完成精准的尺寸测量。目前盲目地依赖原始图纸的设计尺寸，进行指导作业，忽略了生产加工、装配等环节带来的尺寸变化，对设备的运动范围、位置操控带来误判，存在较大的安全隐患。

目前，针对船用的大型的流体装卸设备的尺寸测验方法是：在设备总装过程前，对放倒在地面上的杆件，通过测量工具对其进行逐一丈量，工作量较大，且无法统计整机装配后的尺寸变化。另外，针对尺寸大的管道、异型钢架等物件的粗略丈量，这种原始的人工测量方式明显存在精度低、误差大的问题，人员的测量水平对结果的影响很大。对已经矗立露天的实物整机，目前没有可操作性的测量方案。

总之，针对大型船用流体装卸设备的实物尺寸精准掌握方法，存在明显空白，原始的人工丈量方法，无论从单个杆件测量，还是从整机测量，安全性、可操作性、精准度等方面都无法满足的要求，需要一套系统的测量验证方法，掌握设备实物的尺寸数据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有大型船用流体装卸设备的尺寸无法人工测验的难题，提供一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，具备简易操作、零风险、精度高的特点，能完整地获取设备整机实物的尺寸。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，对流体装卸设备整机进行构型参数化；

步骤2，对机械构型进行分析，进行数字化建模；

步骤3，创建位姿传递函数；

步骤4，对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备的尺寸参数。

进一步地，步骤1所述对流体装卸设备整机进行构型参数化，即对机械结构本身进行轮廓化，具体包括：

对各个支撑结构的杆长进行参数化，表示为a或d，对结构关节的转动角度进行参数化，表示为θ，得到构型参数；a、d即为最终要检测的尺寸数据结果。

进一步地，步骤2所述对机械构型进行分析，进行数字化建模，具体包括：

以每个可活动的机械关节轴心为坐标系原点，建立若干个DH坐标系，建立的若干个DH坐标系，用

表示由坐标系{i-1}到坐标系{i}之间的变换关系；i表示第i坐标系；

从坐标系{i-1}到坐标系{i}，坐标系{i-1}的x方向上，两个坐标系原点的偏移量都用a表示；从坐标系{i-1}到坐标系{i}，坐标系{i}的z方向上，两个坐标系原点的偏移量都用d表示，则对各个支撑结构的杆长进行参数化，表示为a_1～i或d_1～i，对结构关节的转动角度进行参数化，表示为θ_1～i，步骤1的尺寸和角度参数即为DH参数，换言之，矩阵T由参数{a_1～i,d_1～i,θ_1～i}组成；a_i或d_i、θ_i分别表示坐标系{i}中的杆长参数和转动角度参数。

进一步地，所述建立基坐标系，具体为：

定义流体装卸设备的地表基座中心点为初始坐标系O点，以O点出发，设备的正前方、左方、上方三个维度定义为{x，y，z}三个坐标轴的正向，每个轴方向上距离坐标O点的距离即为该轴方向的坐标，当前的设备末端接口的坐标即为{x，y，z}，表示其距离基座O点的真实距离为x、y、z，单位为mm，该距离数据可实际测量。

进一步地，步骤3所述创建位姿传递函数，具体包括：

通过多个矩阵T变换，根据机械结构杆长参数和建立的坐标系关系，计算出表示流体装卸设备的末端接口相对于基坐标系位置距离的矩阵：

其中，

为末端姿态旋转矩阵，描述了机械末端的姿态，

表示机械末端相对于基坐标系的位置；

其中，

由参数{a_1～i,d_1～i,θ_1～i}表示；

进而，得到末端位置坐标{x，y，z}与参数{a_1～i,d_1～i,θ_1～i}的数学模型函数；

进一步地，通过矩阵变换，得到尺寸参数{a_1～i,d_1～i}由{x，y，z，θ_1～i}表达的位姿传递函数。

进一步地，步骤4所述对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备的尺寸参数，具体包括：

步骤4-1，转动角信息传感，具体为：

将角度传感器安装在各个关节角位置，通过结构转动带动角度传感器转动，通过传动比计算后，感知流体装卸设备各个活动关节的精确转动角度θ_1～i；

步骤4-2，通过变换流体装卸设备的姿态，实际测量获取多组位姿传递函数中的{x，y，z，θ_1～i}实际值；测量次数根据尺寸参数的数量{a_1～i,d_1～i}决定，以足以构成多元方程组

步骤4-3，利用步骤4-2获得的多组数据对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备尺寸参数{a_1～i,d_1～i}。

一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验系统，所述系统包括：

参数化模块，用于对流体装卸设备整机进行构型参数化；

建模模块，用于对机械构型进行分析，进行数字化建模；

函数构建模块，用于创建位姿传递函数；

求解模块，用于对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备的尺寸参数。

每个模块具体的限定参考适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过参数化、数字化建模和理论推演，创新性地将高大复杂的结构测量转化为地面上简单的直线测距，克服了过往无法实施操作、安全隐患大的难题，填补了船用大型的流体装卸设备尺寸测量方案的空白；2)把复杂的构型进行参数化，清晰明确了测量对象，提高了最终数据的精确性和可用度；3)通过角度传感器和人工直线测距，巧妙地转化了测试对象，将庞大复杂的尺寸测量简化成角度传感和直线测量，较大程度地节约了人员工作量和可操作性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法流程图。

图2为一个实施例中用于船用大型流体装卸设备构型参数化示意图，其中图(a)为侧视图，图(b)为主视图。

图3为一个实施例中用于船用大型流体装卸设备建立坐标系示意图，其中图(a)对应图2(a)，图(b)对应图2(b)。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，结合图2，将流体装卸设备整机进行所述的构型参数化，即对机械结构本身进行轮廓化，把各个支撑结构尺寸进行参数化(a_1～4，d_1～7，a₁为已知立柱半径)，对结构关节的转动角度进行参数化(θ_1～4)，得到构型参数；

步骤2，结合图3，所述的数字化建模，对机械构型进行分析，以每个可活动的机械关节轴心为坐标系原点，建立8个坐标系，如图2中(O,1,2,3,4,5,6,7)坐标系，坐标轴的朝向在图2中示意，每个坐标系的Z轴均垂直于关节转动轴。用

表示由坐标系{i-1}到坐标系{i}之间的变换关系，步骤1的尺寸和角度参数即为DH参数，参数表如下：

其中，i表示坐标系编号。

进一步地，

变换矩阵可以由参数表内的参数进行数学表达，如下式，其他矩阵同样可以通过参数表进行数学表达。

建立空间坐标系，定义流体装卸设备的地表基座中心点，为初始坐标系O点，以O点出发，设备的正前方、左方、上方三个维度定义为{x，y，z}三个坐标轴的正向，每个轴方向上距离坐标O点的距离即为该轴方向的坐标；

进一步地，当前的设备末端接口的坐标即为{x，y，z}，表示其距离基座O点的真实距离为x(mm)，y(mm)，z(mm)，且该距离数据是人为可量的，如图2所示，设备末端接口的空间坐标即为(x，y，z)，单位为mm。

步骤3，所述的创建位姿传递函数，通过多个矩阵T变换，根据机械结构杆长参数和建立的坐标系关系，计算出表示流体装卸设备的末端接口相对于基坐标系位置距离的矩阵；

其中，

为末端姿态旋转矩阵，描述了机械末端的姿态，

表示机械末端相对于基坐标系的位置；

进而，得到末端位置坐标{x，y，z}与参数{a_1～4，d_1～7，θ_1～4}的数学模型函数；

进一步地，通过数学手段的矩阵变换，得到尺寸参数{a_1～4，d_1～7}由{x，y，z，θ_1～4}表达的位姿传递函数，其中x(mm)，y(mm)，z(mm)是人工轻易可以测量的。

步骤4，所述对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备的尺寸参数，具体包括：

转动角信息传感，将角度传感器安装在各个关节角位置，通过结构转动带动角度传感器转动，通过传动比计算后，感知流体装卸设备各个活动关节的精确转动角度θ_1～4；

变量获取，即通过实际测量获取位姿传递函数中的{x，y，z，θ_1～4}实际值，测量装卸设备末端相对地面基座中心的三个维度的距离x(mm)、y(mm)、z(mm)，简单的直线测量方法本发明内不多赘述，变换结构的多个姿态进行多组测量末端距离基坐标O点的距离，得到对应的多组x(mm)、y(mm)、z(mm)和角度θ的数值，本实例中测量次数超过11组，足以构成多元方程组；

所述的程序验算，已知末端的位置和关节角度，即{x，y，z，θ_1～4}，相当于已知位姿传递函数数学表达式的所有参数，进行结果求解(在Matlab中经常使用最小二乘法思想来求解线性方程组)，获得流体装卸设备尺寸参数{a_1～4，d_1～7}。

本实例中，原始的设计图纸参数为：

整机设备经过本发明方法测验后，参数为：

其中，负号表示与坐标系正方向反向，单位为m。可以看出误差是相对比较小的。

综上，本发明通过参数化、数字化建模和理论推演，创新性地将高大复杂的结构测量转化为地面上简单的直线测距，克服了过往无法实施操作、安全隐患大的难题，填补了船用大型的流体装卸设备尺寸测量方案的空白，较大程度地节约了人员工作量和可操作性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，对流体装卸设备整机进行构型参数化；

步骤2，对机械构型进行分析，进行数字化建模；

步骤3，创建位姿传递函数；

步骤4，对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备的尺寸参数。

2.根据权利要求1所述的适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，其特征在于，步骤1所述对流体装卸设备整机进行构型参数化，即对机械结构本身进行轮廓化，具体包括：

对各个支撑结构的杆长进行参数化，表示为a或d，对结构关节的转动角度进行参数化，表示为θ，得到构型参数；a、d即为最终要检测的尺寸数据结果。

3.根据权利要求2所述的适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，其特征在于，步骤2所述对机械构型进行分析，进行数字化建模，具体包括：

以每个可活动的机械关节轴心为坐标系原点，建立若干个DH坐标系，建立的若干个DH坐标系，用

表示由坐标系{i-1}到坐标系{i}之间的变换关系；

从坐标系{i-1}到坐标系{i}，坐标系{i-1}的x方向上，两个坐标系原点的偏移量都用a表示；从坐标系{i-1}到坐标系{i}，坐标系{i}的z方向上，两个坐标系原点的偏移量都用d表示，则对各个支撑结构的杆长进行参数化，表示为a_1～i或d_1～i，对结构关节的转动角度进行参数化，表示为θ_1～i，矩阵T由参数{a_1～i,d_1～i,θ_1～i}组成；a_i或d_i、θ_i分别表示坐标系{i}中的杆长参数和转动角度参数。

4.根据权利要求3所述的适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，其特征在于，所述建立DH坐标系中建立基坐标系，具体为：

定义流体装卸设备的地表基座中心点为初始坐标系O点，以O点出发，设备的正前方、左方、上方三个维度定义为{x，y，z}三个坐标轴的正向，每个轴方向上距离坐标O点的距离即为该轴方向的坐标，当前的设备末端接口的坐标即为{x，y，z}，表示其距离基座O点的真实距离为x、y、z，单位为mm，该距离数据可实际测量。

5.根据权利要求4所述的适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，其特征在于，步骤3所述创建位姿传递函数，具体包括：

通过多个矩阵T变换，根据机械结构杆长参数和建立的坐标系关系，计算出表示流体装卸设备的末端接口相对于基坐标系位置距离的矩阵：

其中，

为末端姿态旋转矩阵，描述了机械末端的姿态，

表示机械末端相对于基坐标系的位置；

其中，

由参数{a_1～i,d_1～i,θ_1～i}表示；

进而，得到末端位置坐标{x，y，z}与参数{a_1～i,d_1～i,θ_1～i}的数学模型函数；

进一步地，通过矩阵变换，得到尺寸参数{a_1～i,d_1～i}由{x，y，z，θ_1～i}表达的位姿传递函数。

6.根据权利要求5所述的适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验方法，其特征在于，步骤4所述对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备的尺寸参数，具体包括：

步骤4-1，转动角信息传感，具体为：

将角度传感器安装在各个关节角位置，通过结构转动带动角度传感器转动，通过传动比计算后，感知流体装卸设备各个活动关节的精确转动角度θ_1～i；

步骤4-2，通过变换流体装卸设备的姿态，实际测量获取多组位姿传递函数中的{x，y，z，θ_1～i}实际值；

步骤4-3，利用步骤4-2获得的多组数据对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备尺寸参数{a_1～i,d_1～i}。

7.一种适用于船用大型流体装卸设备的尺寸测验系统，其特征在于，所述系统包括：

参数化模块，用于对流体装卸设备整机进行构型参数化；

建模模块，用于对机械构型进行分析，进行数字化建模；

函数构建模块，用于创建位姿传递函数；

求解模块，用于对位姿传递函数进行求解，获得流体装卸设备的尺寸参数。

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