一種用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法，包括：對(duì)待劃線船體分段外板和固定設(shè)備執(zhí)行數(shù)字化靜態(tài)掃描測(cè)量；為船舶制造車間建立三軸空間定位坐標(biāo)系，并獲得劃線機(jī)器人的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)信息；利用虛擬裝配技術(shù)獲得船體分段外板的設(shè)計(jì)模型，并將該設(shè)計(jì)模型與實(shí)體數(shù)字化模型執(zhí)行對(duì)齊處理；結(jié)合對(duì)齊處理后形成的映射關(guān)系，獲得劃線機(jī)器人與待劃線目標(biāo)在設(shè)計(jì)模型中的相互位置，相應(yīng)生成運(yùn)動(dòng)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)劃線機(jī)器人執(zhí)行實(shí)際劃線操作。通過(guò)本發(fā)明，能夠順利實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程對(duì)實(shí)際建造過(guò)程之間的指導(dǎo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)建造裝配信息向虛擬裝配的反饋，并具備劃線精度和自動(dòng)化程度高、快速高效、便于操控和適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船舶建造【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法。
【背景技術(shù)】
[0002]船體分段是由不同規(guī)格的型材和板材焊接而成，劃線的操作就是精確確定它們之間相互位置關(guān)系的過(guò)程。分段制造及裝配工藝具備工作區(qū)域廣、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置復(fù)雜、定位精度要求高、裝配工作量大等特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的船體裝配過(guò)程中，往往采用大量裝配型架、安裝樣板等輔助工作來(lái)定位和支撐船體部件，并通過(guò)人工操作進(jìn)行對(duì)接裝配，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于操作，對(duì)工作人員的技能要求較低，但是這種工作模式存在著裝配精度低、調(diào)整復(fù)雜、質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及工作時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。
[0003]船舶虛擬裝配是將虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)與船舶制造相結(jié)合的技術(shù)。虛擬裝配利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，模擬一個(gè)與實(shí)際裝配生產(chǎn)環(huán)境一致的虛擬裝配環(huán)境，裝配人員通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝配和拆卸，用戶的操作被計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)，并根據(jù)推理以確定產(chǎn)品的裝配和拆卸順序及路徑。采用數(shù)字化虛擬裝配進(jìn)行輔助裝配工作，可以解決目前船體分段裝配中因人工操作而造成的裝配精度低、裝配質(zhì)量不穩(wěn)定和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。
[0004]目前國(guó)內(nèi)的部分造船企業(yè)已經(jīng)研究并采用了數(shù)字化虛擬裝配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體造型、裝配檢測(cè)、干涉分析等功能。然而，由于缺少在建造現(xiàn)場(chǎng)對(duì)中間產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和定位的手段，無(wú)法將虛擬裝配系統(tǒng)產(chǎn)生的安裝與定位信息有效地應(yīng)用于實(shí)際建造施工過(guò)程中，使得虛擬裝配在船體總段裝配中的應(yīng)用效果受到了極大的制約，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:第一，船舶建造現(xiàn)場(chǎng)的安裝定位工作與虛擬裝配數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間缺乏相互映射的機(jī)制，既無(wú)法將虛擬裝配系統(tǒng)中的關(guān)鍵定位點(diǎn)的位置映射到建造車間內(nèi)用以指導(dǎo)生產(chǎn)，也無(wú)法將建造車間內(nèi)的裝配位置信息反饋到虛擬裝配系統(tǒng)中進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與公差分析；第二，車間裝配作業(yè)主要依靠制作樣板人工定位仍然采用傳統(tǒng)的依靠樣板等輔助工裝進(jìn)行安裝坐標(biāo)定位的方式，其定位不精確，而且定位時(shí)間長(zhǎng)、步驟繁瑣，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)響應(yīng)速度慢；第三，在船舶的裝配作業(yè)中存在著大量的需要定位的關(guān)鍵點(diǎn)，使用樣板進(jìn)行定位時(shí)需要針對(duì)不同的關(guān)鍵點(diǎn)制作不同的樣板，因而柔性低，并造成很大的資源浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法，其中通過(guò)在虛擬裝配與實(shí)船建造過(guò)程中建立信息映射和信息反饋，并基于該信息機(jī)制采用劃線機(jī)器人來(lái)執(zhí)行操作，相應(yīng)能夠順利實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程和實(shí)際建造過(guò)程之間的指導(dǎo)和反饋，在顯著提高制造效率的同時(shí)保證船舶建造定位劃線精度，并具備自動(dòng)化和智能程度高、便于操控和適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:[0007](a)對(duì)處于船舶制造車間內(nèi)的待劃線船體分段外板以及固定設(shè)備執(zhí)行數(shù)字化靜態(tài)掃描測(cè)量，由此生成船體分段外板的實(shí)體數(shù)字化模型，同時(shí)測(cè)得所述固定設(shè)備的位置信息；
[0008](b)為整個(gè)船舶制造車間建立X-Y-Z三軸空間定位坐標(biāo)系，并將所述固定設(shè)備的位置信息作為定位基準(zhǔn)，相應(yīng)獲得該制造車間內(nèi)作為移動(dòng)設(shè)備的劃線機(jī)器人的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)信息；
[0009](C)利用虛擬裝配技術(shù)獲得該船體分段外板的設(shè)計(jì)模型，將步驟(a)所獲得的實(shí)體數(shù)字化模型與該設(shè)計(jì)模型執(zhí)行對(duì)齊處理，由此確立兩者之間幾何信息的相互映射關(guān)系；
[0010](d)根據(jù)虛擬裝配系統(tǒng)所提供的定位指令，結(jié)合上述映射關(guān)系得到劃線機(jī)器人與待劃線目標(biāo)在所述設(shè)計(jì)模型中的相互位置，并為劃線機(jī)器人生成用于執(zhí)行劃線操作的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；根據(jù)所生成的運(yùn)動(dòng)信號(hào)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)劃線機(jī)器人至目標(biāo)處執(zhí)行實(shí)際劃線操作，由此實(shí)現(xiàn)船體分段外板的自動(dòng)劃線及定位過(guò)程。
[0011 ] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(a)中，優(yōu)選利用激光雷達(dá)方式來(lái)執(zhí)行所述數(shù)字化靜態(tài)掃描測(cè)量過(guò)程。
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(b)中，在所述固定設(shè)備上布置應(yīng)答器并在移動(dòng)設(shè)備上布置測(cè)距器，以此方式根據(jù)移動(dòng)設(shè)備相對(duì)于固定設(shè)備的距離信息，從而計(jì)算得到移動(dòng)單元的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。
[0013]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(C)中，優(yōu)選利用基于最小二乘法的最佳化擬合或者基于關(guān)鍵位置對(duì)齊的擬合方式來(lái)執(zhí)行所述對(duì)齊操作。
[0014]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(d)中，優(yōu)選利用遺傳算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)為劃線機(jī)器人生成用于執(zhí)行劃線操作的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
[0015]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0016]1、通過(guò)在虛擬裝配與實(shí)船建造過(guò)程中建立信息映射關(guān)系，一方面能夠順利實(shí)現(xiàn)虛擬裝配系統(tǒng)對(duì)實(shí)際建造過(guò)程的指導(dǎo)，另一方面還可將建造車間內(nèi)的裝配位置信息實(shí)時(shí)反饋到虛擬裝配系統(tǒng)中進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與公差分析，以此方式方便快捷地得出船舶裝配的超差情況，提高船舶建造過(guò)程的裝配效率；
[0017]2、通過(guò)采用劃線機(jī)器人和虛擬裝配系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行劃線操作，與現(xiàn)有技術(shù)中的樣板輔助工裝方式相比，可以大幅度提高船舶建造過(guò)程的精確定位，自動(dòng)化和智能程度高，并可獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益；
[0018]3、按照本發(fā)明的自動(dòng)劃線方法通用性強(qiáng)，可針對(duì)不同類型的船舶及不同的船體分段均可使用，其柔性高、效率高，有利于縮短劃線時(shí)間和裝配周期、減少資源浪費(fèi)，因而尤其適用于現(xiàn)代化船舶工業(yè)的裝配用途。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是按照本發(fā)明的用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021]圖1是按照本發(fā)明的用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法的工藝流程圖。如圖1中所示，該劃線方法主要包括以下的工藝步驟:
[0022]首先，對(duì)處于船舶制造車間內(nèi)的待劃線船體分段外板以及固定設(shè)備執(zhí)行數(shù)字化靜態(tài)掃描測(cè)量，由此生成船體分段外板的實(shí)體數(shù)字化模型，同時(shí)測(cè)得所述固定設(shè)備的位置信肩
[0023]按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，優(yōu)選采用激光雷達(dá)方式來(lái)執(zhí)行所述數(shù)字化靜態(tài)掃描測(cè)量過(guò)程。激光雷達(dá)可以對(duì)船舶分段外板的外表面等大型工件提供快速、高精度的精確三維測(cè)量，并直接對(duì)其表面進(jìn)行高速掃描，從而測(cè)量得到在車間坐標(biāo)系下被測(cè)對(duì)象表面的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到處于船舶制造車間內(nèi)的船體分段外板的實(shí)體數(shù)字化模型。除此之外，它還可以對(duì)船舶制造車間內(nèi)的一些固定設(shè)備(固定點(diǎn))進(jìn)行三維測(cè)量得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用該功能可以測(cè)量得到船舶制造車間內(nèi)部固定設(shè)備的位置信息，并在后續(xù)步驟中作為定位基準(zhǔn)以便使用。例如，可以選用METRIS激光雷達(dá)，其擁有頻率雷達(dá)測(cè)距技術(shù)和紅外線高精度瞄準(zhǔn)鏡，并通過(guò)得到角度和距離信息來(lái)計(jì)算被測(cè)曲面的正確三維位置，在5米遠(yuǎn)的距離單點(diǎn)不確定度小于0.05毫米，分辨率不低于0.01。
[0024]接著，為整個(gè)船舶制造車間建立X-Y-Z三軸空間定位坐標(biāo)系，并將所述固定設(shè)備的位置信息作為定位基準(zhǔn)，相應(yīng)獲得該制造車間內(nèi)作為移動(dòng)設(shè)備的劃線機(jī)器人的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)信息。
[0025]按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，其具體過(guò)程可描述如下:由于將船舶制造車間內(nèi)一些位置保持相對(duì)不變的固定單元選擇作為基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣通過(guò)在這些基準(zhǔn)點(diǎn)處布置應(yīng)答器并在各個(gè)移動(dòng)單元(譬如，劃線機(jī)器人)上布置測(cè)距器，以此方式當(dāng)移動(dòng)單元發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)距器可以向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射無(wú)線電信號(hào)或光信號(hào)，應(yīng)當(dāng)器在收到信號(hào)后向測(cè)距器反饋信號(hào)，由此可以結(jié)合其相對(duì)于各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離信息，利用空間定位算法得到各個(gè)移動(dòng)單元的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維坐標(biāo)。
[0026]假設(shè)各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息分部為(xl，yl, zl)、(x2, y2, z2)和(x3，y3, z3),而某個(gè)移動(dòng)單元上布置的測(cè)距器所感應(yīng)的與三個(gè)應(yīng)答器之間的距離分部為dl、d2和d3，則該移動(dòng)單元在χ-gamma-ζ三軸空間定位坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)信息(X，Y, Z)可依照以下公式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種用于船體分段外板的自動(dòng)劃線方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: (a)對(duì)處于船舶制造車間內(nèi)的待劃線船體分段外板以及固定設(shè)備執(zhí)行數(shù)字化靜態(tài)掃描測(cè)量，由此生成船體分段外板的實(shí)體數(shù)字化模型，同時(shí)測(cè)得所述固定設(shè)備的位置信息； (b)為整個(gè)船舶制造車間建立X-Y-Z三軸空間定位坐標(biāo)系，并將所述固定設(shè)備的位置信息作為定位基準(zhǔn)，相應(yīng)獲得該制造車間內(nèi)作為移動(dòng)設(shè)備的劃線機(jī)器人的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)信息； (C)利用虛擬裝配技術(shù)獲得該船體分段外板的設(shè)計(jì)模型，將步驟(a)所獲得的實(shí)體數(shù)字化模型與該設(shè)計(jì)模型執(zhí)行對(duì)齊處理，由此確立兩者之間幾何信息的相互映射關(guān)系； Cd)根據(jù)虛擬裝配系統(tǒng)所提供的定位指令，結(jié)合上述映射關(guān)系得到劃線機(jī)器人與待劃線目標(biāo)在所述設(shè)計(jì)模型中的相互位置，并為劃線機(jī)器人生成用于執(zhí)行劃線操作的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；根據(jù)所生成的運(yùn)動(dòng)信號(hào)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)劃線機(jī)器人至目標(biāo)處執(zhí)行實(shí)際劃線操作，由此實(shí)現(xiàn)船體分段外板的自動(dòng)劃線及定位過(guò)程。
2.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)劃線方法，其特征在于，在步驟(a)中，優(yōu)選利用激光雷達(dá)方式來(lái)執(zhí)行所述數(shù)字化靜態(tài)掃描測(cè)量過(guò)程。
3.如權(quán)利要求1或2所述的自動(dòng)劃線方法，其特征在于，在步驟(b)中，在所述固定設(shè)備上布置應(yīng)答器并在移動(dòng)設(shè)備上布置測(cè)距器，以此方式根據(jù)移動(dòng)設(shè)備相對(duì)于固定設(shè)備的距離信息，從而計(jì)算得到移動(dòng)單元的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的自動(dòng)劃線方法，其特征在于，在步驟(c)中，優(yōu)選利用基于最小二乘法的最佳化擬合或者基于關(guān)鍵位置對(duì)齊的擬合方式來(lái)執(zhí)行所述對(duì)齊操作。
5.如權(quán)利要求4所述的自動(dòng)劃線方法，其特征在于，在步驟(d)中，優(yōu)選利用遺傳算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)為劃線機(jī)器人生成用于執(zhí)行劃線操作的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】B63B9/00GK103434609SQ201310313612
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】趙耀, 袁華, 胡昌成, 嚴(yán)俊 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)