CN1948901A - 大型构件装配及焊接变形自动实时监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型构件装配及焊接变形自动实时监测的方法，其特征在于，在整个测量系统中使用坐标系的方式来表示轴线及母面所确定的测量基准，其方法为：确立整个变形监测基准坐标系统，在构件1及构件2外壁上设置监测点，并在安装和监测前测量出所有测点在各自测量基准坐标系下的坐标，进行构件1和构件2安装测量，和焊接变形监测，本发明的优点是能在现场，无须设置固定的测站、无须特别的工装即能自动实时指导任何形状的大型构件装配和在焊接时进行变形，测量速度快，一个周期仅需3分钟，大大提高工作效率。

Description

大型构件装配及焊接变形自动实时监测的方法

技术领域

本发明涉及一种大型构件装配及焊接变形自动实时监测的方法，可应用于焊接变形的自动监测和构件安装阶段指导构件安装至设计的位置及姿态，属于测量

技术领域。

背景技术

大型构件在精度较高的装配过程中，一般采用光学对中的测量方法来满足安装精度要求，光学对中需要制作中心工装、通过建立中心轴线分段安装来满足精度要求，而制作和安装中心工装势必增加成本，且此方法只能满足直线的构件拼装，对于有角度及几何形状复杂的构件拼装定位显得无能为力。

在焊接过程中，由于预热、焊接等工艺流程会导致大型构件各部件产生变形，引起部件之间的位置及姿态关系产生变化。为保证产品最终满足设计要求，必须在焊接制造过程中实施变形监测，依据变形数据及时调控变形量。

传统的焊接变形监测方法一般采用千分表与基准比对或位移传感器等设备，在实际测量中还存在一定的不足：

1.一般需要人工测量变形量，自动化程度低，实时性差；

2.监测变形的范围很小，如果对大构件实施大变形量监测时，则会显得量程不够；

3.焊接时由于预热、焊接层间温度高达300℃以上，无法在高温下测量；

4.只能进行一维、二维或三维位移监测，而不能对变形体的姿态进行监测。

发明内容

本发明的目的是发明一种能在现场，无须设置固定的测站、无须特别的工装即能自动实时指导任何形状的大型构件装配和在焊接时进行变形的大型构件装配及焊接变形自动实时监测的方法。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种大型构件装配及焊接变形自动实时监测的方法，其特征在于，在整个测量系统中使用坐标系的方式来表示空间的点、线、面所确定的测量基准，其方法为：

一.确立整个变形监测基准坐标系统

步骤1.在构件1上建立相应的筒体测量基准

在构件1上，其轴线为斜接管圆柱的中心轴线Z，ad、bc所确定的直线称为母线，在构件1内、外壁上设定基准洋眼，测量时以基准洋眼确定母线，abcd所确定的面称为母面，且母面经过轴线，监测基准坐标系原点o为斜接管端口圆的圆心；轴线方向为z轴，指向焊缝方向为正向；x轴指向ad母线，且xoz坐标平面与母面重合；右手法则确定y轴，三轴的指向代表其空间姿态；

步骤2.用步骤1的方法在构件2上建立相应的筒体测量基准；

步骤3.通过外购的MetroIn软件结合智能型全站仪与计算机进行联机和初始化测站，智能型全站仪按确立的测量基准坐标系统测量：

步骤4.在构件1外壁上通过球型棱镜，设置至少5点测量点位P1-PN，其中前三个点P1-P3在圆柱的一个横断面上，第一点P1放置在d点，经软件拟合圆柱和轴线，并确定以d点为x正方向，建立xyz斜接管测量基准坐标系；

步骤5.在构件2外壁上通过球型棱镜，设置至少5点测量点位PN+1-PM，其中前三个点PN+1-PN+3在圆柱的一个横断面上，第一点放置在D点，经软件拟合圆柱和轴线，并确定以D点为X正方向，建立XYZ筒体测量基准坐标系；

二.在构件1及构件2外壁上设置监测点，并在安装和监测前测量出所有测点在各自测量基准坐标系下的坐标

步骤6.在构件1外壁一侧上随意焊接至少5根接长定位杆，只要在智能型全站仪测量范围内，避免测量棱镜受高温烘烤而产生形变，装上L棱镜并用螺帽旋紧，一共有Pt1-PtN个，作为监测点，；

步骤7.用智能型全站仪以拟合的圆柱为当前坐标系，分别测量构件1外壁上Pt1-PtN个L棱镜基准坐标，并将监测点基准坐标数据导出保存；

步骤8.在构件2外壁上随意焊接至少5根接长定位杆，只要在智能型全站仪测量范围内，避免测量棱镜受高温烘烤而产生形变，装上L棱镜并用螺帽旋紧，一共有PtN+1-PtM个，作为监测点，安装的L棱镜要考虑与构件1组装时在工件的一侧；

步骤9.用智能型全站仪以拟合的圆柱为当前坐标系，分别测量构件2外壁上的至少5个L棱镜基准坐标，并将监测点基准坐标数据导出保存；

步骤10.在构件2和构件1组装时，将智能型全站仪置于被测件的一侧，通过计算机启动WDAMS软件联机并初始化智能型全站仪，依据安装和焊接过程中不同的监测要求进行参数设置：

工件参数设置

(1)输入名称：

(2)依据被测件焊接、安装的技术要求输入：

(3)输入监测点：

(4)输入每两个监测周期之间的时间间隔，

(5)依据仪器检定资料，输入仪器加乘常数；

(6)输入监测现场的气象条件，用于对测量数据的实时改正；

(7)输入监测棱镜被遮挡后重新搜索的次数及搜索时间间隔；

(8)输入步骤7和步骤9导出并保存的监测点基准坐标；

三.构件1和构件2安装测量

步骤11.测点概略位置测量

对所有构件1的Pt1-Pt5、构件2的PtN+1-PtM的监测点，按步骤7、步骤9测量时的顺序一致，进行概略位置测量，以便在后续的自动监测中快速准确地自动搜索到监测点棱镜；

步骤12.点击WDAMS软件测量按钮，开始进行实时监测，智能型全站仪将逐点进行自动跟踪测量，一个周期测量完毕后，软件会自动显示解算的构件1和构件2各项变形参数；

参数内容：

表示监测点在各自监测基准坐标系下沿X、Y、Z轴方向的变形量，分别用dX、dY、dZ表示；监测点的总体点位变形量用dP表示；

表示轴线沿X、Y、Z轴方向的旋转变化量，分别用Rotx、Roty、Rotz表示；ty为二筒体中心的偏移量；

步骤13.根据解算的数据，调整构件1和构件2的相对位置，每调整一次全站仪跟踪测量一个周期，直至安装正确为止；

四.构件1和构件2焊接变形监测

步骤14.将智能型全站仪置于焊接构件的一侧，联机并初始化智能型全站仪；

步骤15.监测点概略位置测量

对所有构件1的Pt1-Pt5和构件2的PtN+1-PtM的监测点进行概略位置测量，按步骤7、步骤9测量时的顺序一致，以便在后续的自动监测中快速准确地自动搜索到监测点棱镜；

步骤16.点击WDAMS软件测量按钮，开始进行实时自动监测，智能型全站仪将逐点进行跟踪测量，一个周期测量完毕后，软件会自动显示解算的构件各项变形参数，根据解算的数据，调整焊接位置，智能型全站仪跟踪测量直至焊接结束。

本发明实现了对大型构件装配及焊接中的位移及变形量自动进行实时监测，并能同时进行三维的位置变形及姿态变形测量，解决了大型构件焊接前进行精确拼装与定位及焊后无法进行监测的技术难题，能将构件位移及变形量实时输出，将出现的问题及时解决；同时克服了由于生产场地狭小、没有固定的测站等不利因素的影响，测站可以任意设置和搬动，不需要设置监测控制网；降低了车间震动对监测精度的影响。

本发明的优点是能在现场，无须设置固定的测站、无须特别的工装即能自动实时指导任何形状的大型构件装配和在焊接时进行变形，测量速度快，一个周期仅需3分钟，大大提高工作效率。

附图说明

图1为气体返向室结构示意图；

图2为大型构件装配及焊接变形自动实时监测流程图；

图3为气体返向室监测基准坐标系统示意图；

图4为斜接管测量基准坐标系示意图；

图5为主筒体测量基准坐标系示意图；

图6为斜接管装L棱镜示意图；

图7为用智能型全站仪分别测量斜接管外壁的上L棱镜基准坐标示意图；

图8为筒体和斜接管组装水平状态示意图；

图9为筒体和斜接管组装焊接状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

煤代油工程煤气化装置关键设备压力容器——气体返向室

如图1所示，为气体返向室结构示意图，气体返向室由斜筒体1与主筒体2组成，总重约184吨，斜筒体1直径为φ2440mm，高度3718mm，主筒体2直径为φ3820mm，高度9700mm，筒壁最大处厚度285mm，要求焊接后主筒体2与斜筒体1轴线间角度45°偏差值为±0.1°且两线须共面；轴线焦点到各端面偏差值为±1mm，要确保安装和焊接后各项参数均满足技术要求，保证下道工序的顺利进行。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种高精度、实用且方便的实时检测控制手段和系统，设备包括：

在MC-P5通讯控制器上通过电缆线、拖线板分别连接智能型全站仪、计算机，设备均为外购，智能型全站仪型号为LeicaTDA5005。

图2为大型构件装配及焊接变形自动实时监测流程图；

其测量方法为：

一.确立整个变形监测基准坐标系统，如图2所示

步骤1.在斜接管1上建立相应的筒体测量基准

如图3所示，在斜接管1上，其轴线为斜接管圆柱的中心轴线z，ad、bc所确定的直线称为母线，在斜接管1内、外壁上设定基准洋眼，测量时以基准洋眼确定母线，abcd所确定的面称为母面，且母面经过轴线，监测基准坐标系原点o为斜接管端口圆的圆心；轴线方向为z轴，指向焊缝方向为正向；x轴指向ad母线，且xoz坐标平面与母面重合；右手法则确定y轴，三轴的指向代表其空间姿态；

步骤2.用步骤1的方法在筒体2上建立相应的筒体测量基准；

步骤3.通过外购的MetroIn软件进行智能型全站仪与计算机联机和初始化测站，智能型全站仪按确立的测量基准坐标系统测量：

步骤4.如图4所示，在斜接管1外壁上通过球型棱镜3设置8点测量点位P1-P8，其中前三个点P1-P3在圆柱的一个横断面上，第一点P1放置在d点，经软件拟合圆柱和轴线，并确定以d点为x正方向，建立xyz斜接管测量基准坐标系；

步骤5.如图5所示，在筒体2外壁上通过球型棱镜3设置8点测量点位P9-P16，其中前三个点P9-P11在圆柱的一个横断面上，第一点放置在D点，经软件拟合圆柱和轴线，并确定以D点为X正方向，建立XYZ筒体测量基准坐标系；

二.在斜接管1及筒体2外壁上设置监测点，并在安装和监测前测量出所有测点在各自测量基准坐标系下的坐标

由于上述建立的测量基准不能在安装和监测时采用全站仪直接测量，需在斜接管及筒体外壁上设置足够数量的监测点，并在安装和监测前测量出所有测点在各自测量基准坐标系下的坐标。

步骤6.如图6所示，在斜接管1外壁上焊接5根接长定位杆5，避免测量棱镜受高温烘烤而产生形变，然后装上5个L棱镜7并用螺帽6旋紧；

步骤7.如图7所示，用智能型全站仪8，以拟合的斜接管圆柱为当前坐标系，分别测量斜接管1外壁的上5个L棱镜7基准坐标Pt1-Pt5，并将监测点基准坐标数据导出保存；

步骤8.如图8所示，在筒体2外壁上焊接7根接长定位杆5，避免测量棱镜受高温烘烤而产生形变，然后装上L棱镜7并用螺帽6旋紧，一共7个Pt6-Pt12，安装的L棱镜7要考虑与斜接管1组装时在工件的一侧；

步骤9.用智能型全站仪8，以拟合的主筒体圆柱为当前坐标系，分别测量筒体2外壁上的至少5个L棱镜7基准坐标，并将监测点基准坐标数据导出保存；

步骤10.在筒体2和斜接管1组装时，将智能型全站仪8置于被测件的一侧，启动WDAMS软件，联机并初始化智能型全站仪8，依据安装和焊接过程中不同的监测要求进行参数设置：

工件参数设置

(1)输入名称：斜接管1、筒体2；

(2)依据被测件焊接、安装的技术要求输入：45°；

(3)输入监测点：斜接管1、5个Pt1-Pt5，筒体2、7个Pt6-Pt12；

(4)输入每两个监测周期之间的时间间隔，安装：手动控制；变形监测：15分钟；

(5)依据仪器检定资料，输入仪器加乘常数；

(6)输入监测现场的气象条件，用于对测量数据的实时改正；

(7)输入监测棱镜被遮挡后重新搜索的次数及搜索时间间隔：5s；

(8)输入步骤7和步骤9导出并保存的监测点基准坐标；

工件名，点号，X坐标，Y坐标，Z坐标，焊接流程段，日期时间。斜接管，Pt1，617.759，-1164.767，102.489，安装前，从工件基准坐标系，2005 04 2511:25:03

斜接管，Pt2，1143.853，-645.764，1285.279，安装前，从工件基准坐标系，2005 04 25 11:25:03

斜接管，Pt3，1218.997，-492.818，2588.457，安装前，从工件基准坐标系，2005 04 25 11:25:03

斜接管，Pt4，-297.267，-1283.574，1668.501，安装前，从工件基准坐标系，2005 04 25 11:25:03

斜接管，Pt5，-969.338，-889.212，84.623，安装前，从工件基准坐标系，200504 25 11:25:03

筒体，Pt1，-2066.378，-316.929，1747.962，安装前，主工件基准坐标系，200504 25 11:25:03

筒体，Pt2，-2079.099，61.68，4135.737，安装前，主工件基准坐标系，200504 25 11:25:03

筒体，Pt3，-2073.035，-176.785，5535.843，安装前，主工件基准坐标系，2005 04 25 11:25:03

筒体，Pt4，-235.386，-1940.101，7600.787，安装前，主工件基准坐标系，2005 04 25 11:25:03

筒体，Pt5，-11.664，-2100.967，3520.384，安装前，主工件基准坐标系，200504 25 11:25:03

筒体，Pt6，1583.192，-1367.326，5757.029，安装前，主工件基准坐标系，2005 04 25 11:25:03

筒体，Pt7，538.772，-2029.551，554.885，安装前，主工件基准坐标系，200504 25 11:25:03

所输入的工件参数将保存在当前工作文件中，在未进行新的设置前，这些参数将一直有效。

三.斜接管1和筒体2安装测量

步骤11.监测点概略位置测量

对所有斜接管1的Pt1-Pt5、筒体2的Pt6-Pt12的监测点，共计12个进行概略位置测量，按步骤7、步骤9测量时的顺序一致，以便在后续的自动监测中快速准确地自动搜索到监测点棱镜；

步骤12.点击WDAMS软件测量按钮，开始进行实时监测，智能型全站仪8将逐点自动进行跟踪测量，一个周期测量完毕后，软件会自动显示解算的斜接管1和筒体2各项变形参数；

参数内容：

表示监测点在各自监测基准坐标系下沿X、Y、Z轴方向的变形量，分别用dX、dY、dZ表示；监测点的总体点位变形量用dP表示；

表示轴线沿X、Y、Z轴方向的旋转变化量，分别用Rotx、Roty、Rotz表示；ty为二筒体中心的偏移量；

步骤13.根据解算的数据，调整斜接管1和筒体2的相对位置，每调整一次全站仪跟踪测量一个周期，直至安装正确为止；

四.斜接管1和筒体2焊接变形监测

步骤14.如图9所示，将智能型全站仪8置于焊接构件的一侧，联机并初始化智能型全站仪8。

步骤15.监测点概略位置测量

对所有斜接管1的Pt1-Pt5筒体2的Pt6-Pt12的监测点共计12个进行概略位置测量，以便在后续的自动监测中快速准确地自动搜索到监测点棱镜7；

步骤16.点击WDAMS软件测量按钮，开始进行实时自动监测，智能型全站仪8将逐点进行跟踪测量，一个周期15分钟测量完毕后，软件会自动显示解

算的构件各项变形参数，

参数包括：

1、主筒体及斜接管坐标系X、Y、Z三个方向的平移变化量；

2、主筒体及斜接管坐标系沿X、Y、Z轴方向的旋转变化量；

3、主筒体及斜接管中心轴线的夹角。

在整个焊接变形监测过程中，主筒体2与斜筒体1轴线间角度偏差值一旦＞45°±0.1°时，对焊接工艺进行适当修正，改变焊接方位，通过焊接位置的不同来调整变形带来的偏移。智能型全站仪8跟踪测量直至焊接结束。

Claims (1)

1.一种大型构件装配及焊接变形自动实时监测的方法，其特征在于，在整个测量系统中使用坐标系的方式来表示轴线及母面所确定的测量基准，其方法为：

一.确立整个变形监测基准坐标系统

步骤1.在构件(1)上建立相应的筒体测量基准

在构件(1)上，其轴线为斜接管圆柱的中心轴线z，ad、bc所确定的直线称为母线，在构件(1)内、外壁上设定基准洋眼，测量时以基准洋眼确定母线，abcd所确定的面称为母面，且母面经过轴线，监测基准坐标系原点o为斜接管端口圆的圆心；轴线方向为z轴，指向焊缝方向为正向；x轴指向ad母线，且xoz坐标平面与母面重合；右手法则确定y轴，三轴的指向代表其空间姿态；

步骤2.用步骤1的方法在构件(2)上建立相应的筒体测量基准；

步骤3.通过外购的MetroIn软件进行智能型全站仪与计算机联机和初始化测站，智能型全站仪按确立的测量基准坐标系统测量：

步骤4.在构件(1)外壁上通过球型棱镜(3)设置至少5点测量点位P1-PN，其中前三个点P1-P3在圆柱的一个横断面上，第一点P1放置在d点，经软件拟合圆柱和轴线，并确定以d点为x正方向，建立xyz斜接管测量基准坐标系；

步骤5.在构件(2)外壁上通过球型棱镜(3)设置至少5点测量点位PN+1-PM，其中前三个点PN+1-PN+3在圆柱的一个横断面上，第一点放置在D点，经软件拟合圆柱和轴线，并确定以D点为X正方向，建立XYZ筒体测量基准坐标系；

二.在构件(1)及构件(2)外壁上设置监测点，并在安装和监测前测量出所有测点在各自测量基准坐标系下的坐标

步骤6.在构件(1)外壁上通过焊接体(4)随意焊接至少5根接长定位杆(5)，只要使智能型全站仪(8)看得到，装上L棱镜(7)并用螺帽(6)旋紧，一共有Pt1-PtN个；

步骤7.用智能型全站仪(8)分别测量构件(1)外壁的上Pt1-PtN个L棱镜(7)基准坐标，并将监测点基准坐标数据导出保存；

步骤8.在构件(2)外壁上通过焊接体(4)焊接至少5根接长定位杆(5)，避免测量棱镜受高温烘烤而产生形变，装上L棱镜(7)并用螺帽(6)旋紧，一共有PtN+1-PtM，个安装的L棱镜(7)要考虑与构件(1)组装时在工件的一侧；

步骤9.用智能型全站仪(8)分别测量构件(2)外壁上的至少5个L棱镜(7)基准坐标，并将监测点基准坐标数据导出保存；

步骤10.在构件(2)和构件(1)组装时，将智能型全站仪(8)置于被测件的一侧，启动WDAMS软件，联机并初始化智能型全站仪(8)，依据安装和焊接过程中不同的监测要求进行参数设置：

工件参数设置

(1)输入名称：

(2)依据被测件焊接、安装的技术要求输入：

(3)输入监测点：

(4)输入每两个监测周期之间的时间间隔，

(5)依据仪器检定资料，输入仪器加乘常数；

(6)输入监测现场的气象条件，用于对测量数据的实时改正；

(7)输入监测棱镜(7)被遮挡后重新搜索的次数及搜索时间间隔；

(8)输入步骤7和步骤9导出并保存的监测点基准坐标；

三.构件(1)和构件(2)安装测量

步骤11.监测点概略位置测量

对所有构件(1)的Pt1-Pt5、构件(2)的PtN+1-PtM的监测点进行概略位置测量，以便在后续的自动监测中快速准确地自动搜索到监测点棱镜；

步骤12.点击WDAMS软件测量按钮，开始进行实时监测，智能型全站仪(8)将逐点自动进行跟踪测量，一个周期测量完毕后，软件会自动显示解算的构件(1)和构件(2)各项变形参数；

参数内容：

表示监测点在各自监测基准坐标系下沿X、Y、Z轴方向的变形量，分别用dX、dY、dZ表示；监测点的总体点位变形量用dP表示；

表示轴线沿X、Y、Z轴方向的旋转变化量，分别用Rotx、Roty、Rotz表示；ty为二筒体中心的偏移量；

步骤13.根据解算的数据，调整构件(1)和构件(2)的相对位置，每调整一次全站仪跟踪测量一个周期，直至安装正确为止；

四.构件(1)和构件(2)焊接变形监测

步骤14.将智能型全站仪(8)置于焊接构件的一侧，联机并初始化智能型全站仪(8)；

步骤15.监测点概略位置测量

对所有构件(1)的Pt1-Pt5构件(2)的PtN+1-PtM的监测点进行概略位置测量，以便在后续的自动监测中快速准确地自动搜索到监测点棱镜(5)；

步骤16.点击WDAMS软件测量按钮，开始进行实时自动监测，智能型全站仪(6)将逐点进行跟踪测量，一个周期测量完毕后，软件会自动显示解算的构件各项变形参数，根据解算的数据，调整焊接位置，智能型全站仪(6)跟踪测量直至焊接结束。

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