本發(fā)明涉及的是一種船舶三維裝配領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于柔性胎架的船舶曲面分段定位方法。

背景技術(shù)：

造船通常采用分段式建造的方法，船舶曲面分段是船舶殼體的主要組成部分，其重量大，體積龐大，輪廓彎曲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配定位困難。柔性胎架可以對(duì)曲面分段進(jìn)行定位，要求在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)數(shù)控胎架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但柔性胎架的調(diào)節(jié)精度有限，對(duì)曲面分段的姿態(tài)沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化，也無(wú)法保證曲板構(gòu)件穩(wěn)定性達(dá)到最高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有對(duì)曲面分段的定位姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，或沒(méi)有對(duì)多胎架組合使用的情況進(jìn)行計(jì)算等局限，導(dǎo)致無(wú)法保證曲板構(gòu)件穩(wěn)定性達(dá)到最高以及使用的模型為理想設(shè)計(jì)，與實(shí)際產(chǎn)品存在差異，因此在進(jìn)行胎架支柱高度計(jì)算時(shí)容易定位誤差等等缺陷，提出一種基于柔性胎架的船舶曲面分段定位方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明根據(jù)船舶殼體的網(wǎng)格模型中曲面分段的各個(gè)姿態(tài)的重心高度，得到重心高度最小時(shí)的姿態(tài)作為定位姿態(tài)，從而計(jì)算得到柔性胎架的優(yōu)化使用數(shù)量，并進(jìn)一步根據(jù)柔性胎架的支撐桿與曲面分段碰撞模型確定各個(gè)支撐桿的上升行程，實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化以提高定位精度。

所述的網(wǎng)格模型，為曲面分段的STL格式三角網(wǎng)格模型。

所述的重心高度是指：曲面分段質(zhì)心的z方向分量與曲面分段最低點(diǎn)的z方向分量之差。

所述的定位姿態(tài)，通過(guò)以下方式得到：

1)在三角網(wǎng)格模型中，計(jì)算每個(gè)三角面片三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)得到坐標(biāo)矩陣T＝{P₁,P₂,P₃}，并計(jì)算該三角面片的法向量

2)建立世界坐標(biāo)系oxyz，得到曲面分段的位姿矩陣M_q；

3)構(gòu)造曲面分段旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)位姿矩陣M_qij＝M_ix×M_jy×M_q，其中：M_ix為曲面分段繞x軸旋轉(zhuǎn)i度的旋轉(zhuǎn)矩陣，M_jy為曲面分段繞y軸旋轉(zhuǎn)j度的旋轉(zhuǎn)矩陣，i和j都為[-90,90]中的整數(shù)；

4)計(jì)算各個(gè)旋轉(zhuǎn)位姿矩陣M_qij下的曲面分段的質(zhì)心z方向分量m_zqij以及曲面分段最低點(diǎn)z方向分量P_{z min ij}，得到旋轉(zhuǎn)位姿矩陣M_qij對(duì)應(yīng)的重心高度H_ij＝m_zqij-P_{z min ij}；

5)重心高度最小值所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)位姿矩陣作為定位姿態(tài)M_{q min}。

所述的優(yōu)化使用數(shù)量，通過(guò)以下方式得到：

①曲面分段的質(zhì)心z方向分量其中：l為曲面分段中的各個(gè)三角面片編號(hào)，m_lTz為三角面片與其xoy平面投影組成的五面體的質(zhì)心z方向分量，σ_lT為三角面片的法向因子且

②在定位姿態(tài)下，遍歷曲面分段中所有三角面片頂點(diǎn)，得到x、y方向最大和最小坐標(biāo)值x_min、x_max、y_min、y_max；

③計(jì)算柔性胎架數(shù)量Num＝Num_x×Num_y，其中：W_T為柔性胎架的寬度。

所述的上升行程，通過(guò)以下方式得到：首先生成各個(gè)支撐桿與曲面分段的碰撞模型，并以固定步長(zhǎng)將支撐桿的最大上升距離離散化，再判斷支撐桿當(dāng)前位置與曲面分段是否發(fā)生碰撞，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)則此時(shí)上升距離為支撐桿上升行程，當(dāng)不發(fā)生碰撞時(shí)則判斷支撐桿的上升行程是否為最大行程，如是則支撐桿無(wú)需移動(dòng)，否則支撐桿上升一個(gè)步長(zhǎng)并重復(fù)判斷是否發(fā)生碰撞，最終得到確定的上升行程。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明根據(jù)重心最低原則計(jì)算并得到曲面分段定位時(shí)的最穩(wěn)定姿態(tài)；根據(jù)曲面分段的形狀與定位姿態(tài)自動(dòng)計(jì)算柔性胎架的數(shù)量；將實(shí)際胎架支撐柱的三維模型用于碰撞檢測(cè)計(jì)算中，具有較高的定位精度。

附圖說(shuō)明

圖1為柔性胎架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明流程示意圖；

圖3為重心高度計(jì)算流程示意圖；

圖4為五面體位置示意圖；

圖5為上升行程計(jì)算流程示意圖；

圖中：1支撐桿、2底座。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例所用的每個(gè)柔性胎架具有9個(gè)支撐桿1，支撐桿1設(shè)置于底座2，底座2為方形，邊長(zhǎng)為3000mm。

如圖2所示，本實(shí)施例中的船舶曲面分段定位方法包括以下步驟：

1)建立曲面分段的三角網(wǎng)格模型。使用常用的軟件打開(kāi)曲面分段的模型文件，然后導(dǎo)出ASCII碼格式的STL模型即為三角網(wǎng)格模型，精度設(shè)置為0.1mm。

2)如圖3所示，在世界坐標(biāo)系oxyz中，計(jì)算曲面分段各個(gè)姿態(tài)的重心高度H，以重心高度最小的姿態(tài)作為定位姿態(tài)。

2.1)在三角網(wǎng)格模型中，計(jì)算每個(gè)三角面片三個(gè)頂點(diǎn)P₁、P₂、P₃的坐標(biāo)得到坐標(biāo)矩陣T＝{P₁,P₂,P₃}，并計(jì)算三角面片的法向量P₁＝[x₁,y₁,z₁]^T，P₂＝[x₂,y₂,z₂]^T，P₃＝[x₃,y₃,z₃]^T。

2.2)建立世界坐標(biāo)系oxyz，得到曲面分段的位姿矩陣M_q。在曲面分段的定位空間中建立一個(gè)世界坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為o，x、y、z軸方向分別為正東、正北以及垂直地面向上方向。計(jì)算曲面分段在裝配工作時(shí)的初始的位姿矩陣M_q，M_q為一4×4矩陣以表示曲面分段在世界坐標(biāo)系下的姿態(tài)。

2.3)構(gòu)造曲面分段旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)位姿矩陣M_qij＝M_ix×M_jy×M_q，其中：M_ix為繞x軸旋轉(zhuǎn)i度的旋轉(zhuǎn)矩陣，M_jy為繞y軸旋轉(zhuǎn)j度的旋轉(zhuǎn)矩陣，i和j都為-90到90整數(shù)，i和j組合得到32761組M_qij。

如圖4所示，所述的三角面片的各個(gè)頂點(diǎn)也同時(shí)轉(zhuǎn)化為在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)即P_w＝P×M_qij，將三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)向xoy平面作垂線，得到一個(gè)五面體P_1wP_2wP_3wP_1w′P_2w′P_3w′。

2.4)計(jì)算各個(gè)旋轉(zhuǎn)位姿矩陣M_qij下的曲面分段的質(zhì)心z方向分量m_zqij以及曲面分段最低點(diǎn)z方向分量P_{z min ij}，得到旋轉(zhuǎn)位姿矩陣M_qij對(duì)應(yīng)的重心高度H_ij＝m_zqij-P_{z min ij}。計(jì)算每一個(gè)三角面片構(gòu)成的五面體P_1wP_2wP_3wP_1w′P_2w′P_3w′的質(zhì)心的z方向分量。

所述的曲面分段的質(zhì)心z方向分量其中：l為曲面分段中的各個(gè)三角面片編號(hào)，m_zlT為三角面片與其xoy平面投影組成的五面體P_1wP_2wP_3wP_1w′P_2w′P_3w′的質(zhì)心z方向分量，σ_lT為三角面片的法向因子且而后得到旋轉(zhuǎn)位姿矩陣M_qij對(duì)應(yīng)的重心高度H_ij＝m_zqij-P_{z min ij}。此時(shí)，得到32761個(gè)重心高度H_ij。

2.5)重心高度最小值所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)位姿矩陣作為定位姿態(tài)M_{q min}。在32761個(gè)重心高度H中選取最小值，其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)位姿矩陣即為定位姿態(tài)M_{q min}。

3)根據(jù)曲面分段的三角網(wǎng)格模型和定位姿態(tài)計(jì)算柔性胎架的使用數(shù)量。

3.1)在定位姿態(tài)下，遍歷曲面分段中所有三角面片頂點(diǎn)，得到x、y方向最大和最小坐標(biāo)值x_min、x_max、y_min、y_max；

3.2)計(jì)算柔性胎架數(shù)量Num＝Num_x×Num_y，其中：W_T為柔性胎架的寬度。代入具體數(shù)值，因此Num_x＝13，此時(shí)Num_y＝19。所以，需要247個(gè)柔性胎架。

4)如圖5所示，建立柔性胎架的支撐桿與曲面分段碰撞模型以進(jìn)而確定各個(gè)支撐桿的上升行程。

4.1)生成各個(gè)支撐桿與曲面分段的碰撞模型，使用CDMake文件生成碰撞模型，其中碰撞精度為0.1mm。

4.2)以固定步長(zhǎng)將支撐桿的最大上升距離離散化。支撐桿的最大上升距離S_max為500mm，固定步長(zhǎng)取0.1mm，支撐桿在各個(gè)上升距離的位姿表示為M_Z。

4.3)支撐桿當(dāng)前位置與曲面分段碰撞則此時(shí)上升距離為支撐桿上升行程，否則進(jìn)行下一步驟；

4.4)支撐桿的上升行程為最大行程則支撐桿無(wú)需移動(dòng)，否則支撐桿上升一個(gè)步長(zhǎng)并回到步驟4.3)，即從新計(jì)算新的上升距離下的M_Z并計(jì)算是否碰撞。

對(duì)所有支撐桿通過(guò)步驟4)獲得其上升行程，并生成數(shù)控文件，即可用于柔性胎架的控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明根據(jù)重心最低原則計(jì)算并得到曲面分段定位時(shí)的最穩(wěn)定姿態(tài)；根據(jù)曲面分段的形狀與定位姿態(tài)自動(dòng)計(jì)算柔性胎架的數(shù)量；將實(shí)際胎架支撐柱的三維模型用于碰撞檢測(cè)計(jì)算中，具有較高的定位精度。