用于船舶合拢管法兰定位的便捷定位系统的制作方法

本实用新型涉及用于船舶合拢管法兰定位的便捷定位系统，属于合拢管领域。

背景技术：

船舶合拢管是指在船舶管路制造最后阶段，管道系统中的管道和管道或管道和设备连接的最后一根管子。现代船舶制造通常采用分段设计，即使在设计之初经过精确的理论计算，但是由于在实际制造过程中从材料的加工到施工都会或多或少的产生误差，这些细小的误差经过不断地累计，在安装最后的合拢管时，被放大的误差会使得预定的合拢管与实际相差较大，导致无法安装。

解决该问题的通常有两种做法，第一种是在待连接的两个法兰上装配两个法兰，再用角铁将两个法兰焊接起来，确定好两个法兰的相对位置后，将焊好的角铁和法兰整体取下，拿回工厂加工。由于没有图纸，工人只能凭经验下料生产，加工具有很大的随意性，装配成功率低。一旦装配失败，需要重新修改和装配，费时费力。

第二种是现场实测焊接法。先制作出粗略的设计草图，然后在现场进行切割焊接。但是这种方法仅仅适合需要合拢的两个管子法兰相对空间较简单的情况。

这两种方法目前都还存在以下缺点：

(1)精度差，不合格率约在5％左右。

(2)作业时间长，人力物力浪费较大，工作效率低。

(3)船内焊接和切割作业危险性大。

(4)对技工的操作技能要求较高。

在合拢管的制造中，最重要的是要保证合拢管精度，但是用上面两种方法，经常会出现无法安装的情况。

目前，日韩等国家针对上述问题开发了合拢管再现系统，他们同样采用了单拉线式三传感器式装置(一个长度传感器、两个角度传感器)，其主要原理是在规定的球面坐标上，一个长度和两个角度可以唯一确定一个点，从而确定法兰的空间位置。但是韩日的这种方法在测量时要反复确定拉绳的状态，要保证拉绳的准直，需要人工反复调整，十分不便。

技术实现要素：

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种用于船舶合拢管法兰定位的便捷定位系统，改进了拉绳准直的问题，同时该装置现场操作简单，测量准确，方便携带，可以快速的实现合拢管两法兰的定位。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的一种用于船舶合拢管法兰定位的便捷定位系统，包含第一夹紧装置和第二夹紧装置，所述第一夹紧装置和第二夹紧装置分别夹紧在两根待合拢的管道上，第一夹紧装置和第二夹紧装置均包含底座，底座下方通过丝杠连接有一对卡爪，通过卡爪将底座连接在管道上，在底座上安装有测量装置，所述测量装置包含测量台，测量台上设有主机架和正交倾角传感器，在主机架上安装有安装台和绳长检测装置，在安装台上安装有旋转支架，旋转支架上安装有水平角度传感器和安装块，安装块上安装有与旋转支架垂直的垂直轴，垂直轴上安装有垂直角度传感器和机械伸出臂，在机械伸出臂的顶端设有定位杆，主机架的顶部设有俯仰角度传感器，所述正交倾角传感器、水平角度传感器、垂直角度传感器、俯仰角度传感器和绳长检测装置均与工业PDA连接。

作为优选，所述底座上设有定位孔，在测量台下方延伸有对接头，对接头的下端为半圆球面。

作为优选，所述绳长检测装置包含磁动力拉力绞盘和绳长检测单元，拉绳缠绕在磁动力拉力绞盘上，绳长检测单元上的传感器安装在磁动力拉力绞盘上，根据磁动力拉力绞盘转动圈数实时计算出拉绳长度。

作为优选，所述拉绳穿过滚压滑轮组，所述滚压滑轮组包括滚轮支架，滚轮支架上安装有多个大滑轮和小滑轮，小滑轮位于大滑轮的上方，拉绳从大滑轮与小滑轮之间穿过。

作为优选，所述滚轮支架的中部安装有中间滑轮，拉绳从小滑轮和大滑轮之间穿过后，穿入到中间滑轮，然后再通过从小滑轮和大滑轮之间穿过进入到机械伸出臂中。

作为优选，所述磁动力拉力绞盘包含一对支撑板，所述支撑板内通过轴承安装有卷筒，卷筒通过轴承套在空心轴上，空心轴通过电机带动转动，在空心轴上安装有内转子，在卷筒内安装有外转子，内转子转动带动外转子转动，在卷筒外缠绕有拉绳。

本专利的具体原理如下：

已知与需求参数：

1已知参数：两个随机管道分别为第一管道和第二管道，已知参数为9个，第一管道上的测量装置为第一测量装置，第二管道上的测量装置为第二测量装置，第一测量装置的α_r，β_r，γ_r，θ_r和第二测量装置的α_b，β_b，γ_b，θ_b。第一测量装置和第二测量装置之间的距离：L_AB。

其中，α_r——正交倾角传感器测得的第一测量装置和水平面的角度。

Β_r——正交倾角传感器测得的第一测量装置和垂直面的角度。

γ_r—第一测量装置上水平角度传感器测得的机械伸出臂的水平转动角。

θ_r——第一测量装置上俯仰角度传感器测得的机械伸出臂的俯仰转动角。

α_b—正交倾角传感器测得的第二测量装置和水平面的角度。

Β_b—正交倾角传感器测得的第二测量装置和垂直面的角度。

γ_b—第二测量装置上水平角度传感器测得的机械伸出臂的水平转动角。

θ_b—第二测量装置上俯仰角度传感器测得的机械伸出臂的俯仰转动角。

L_AB：第一测量装置和第二测量装置的相对距离。L_AB是由绳长测量装置直接测出来的。当拉绳被张紧后，启动装置，绳长测量装置就能直接测出伸出的拉绳。

两管道的位置模型如图1所示，相对距离可用P_rP_bx，P_rP_by，P_rP_bz确定，相对角度由ξx₂，ξy₂，ξz₂确定，相对距离P_rP_bx，P_rP_by，P_rP_bz解出后，通过三角关系可以求解向量P_rP_b的空间角度Ψx₂，Ψy₂，Ψz₂，其中，相对角度ξx₂，ξy₂，ξz₂是假定第一管道为参考坐标原点的角度值。

以第一测量装置为参考坐标系，由位姿变换法计算向量AB过程如下：

首先建立坐标轴，定义管道在大地坐标系垂直平面的转动为管道俯仰运动Wx，测量装置绕管道轴线的转动为测量装置摇摆运动Wy，假定第一管道位于水平面，第一管道无俯仰，第一测量装置无摆动为理想情况，分别以水平方向内垂直管道轴线为x轴，沿管道轴线方向为y轴，z轴垂直向上由右手定则建立理想参考坐标系r。如图2所示，y1沿管道轴线方向，指向向外，z1轴为OA₁方向，指向向上；x₁轴垂直于y1z1面，建立坐标轴1；Fr平面与z1轴垂直，z2、z3与z1同轴，y2为y1在Fr上的投影，y3轴为向量AB在Fr上的投影，由此可建立坐标系2和坐标系3。

已知第一测量装置和水平面的夹角α_r，与垂直面夹角β_r，由位姿变换得：

坐标系1和坐标系r的变换矩阵为：

坐标1到坐标2的变换为平移，变换矩阵为：

坐标2到坐标3的变换为绕z轴旋转，变换矩阵为：

式中：为坐标系1相对于坐标系r的位姿；为坐标系2相对于坐标系1的位姿；为坐标系3相对于坐标系2的位姿，则

设³D＝(0,0,1)^T为坐标系3中Z3方向的单位向量，¹E＝(0,1,0)^T为坐标系1中y方向上的单位向量，³P＝(0,1,0)^T为坐标系3中y方向上的单位向量。则³D，¹E，³P在坐标系r中表示为³D_r，¹E_r，³P_r，

定义向量AB的单位向量在坐标系3中表示为：l(η)＝cos(η)·³P+sin(η)·³D，式8，单位向量l(η)在坐标系r中z轴上的投影l_z(η)＝cos(η)·P_Z+sin(η)·D_Z；其中，l_z(η)为单位向量l(η)在坐标系r中z轴上的投影；

η为向量AB和Fr平面的夹角；

P_z为向量P坐标系r中z轴上的分量；

D_z为向量P坐标系r中z轴上的分量；

D_z＝cos(α_r)cos(β_r)；

已知向量AB的长度L_AB，则

其中，AB_Z是向量AB在坐标系r中z轴上的投影值；Δh是第一测量装置和第二测量装置的高度差，联立以上等式，可得η值，根据η值和以上等式可得向量AB在在坐标系r中的表示：

联立方程式8和式10，求解得同时求得向量AB在坐标系r中的表示：

求解坐标系r到b的过渡角度:重复式1-式12，可得在坐标系b中的与为同一向量，根据坐标转换公式有：即

其中，ΔA_Z为过渡角度；K^T过渡矩阵的转置；

AB_x，AB_bx，向量AB分别在坐标系r和b中x轴上的投影。

AB_y，AB_by，向量AB分别在坐标系r和b中y轴上的投影。

AB_bz，向量AB分别在坐标系b中轴上的投影。

则可求得坐标系r到b的过渡角度ΔA和过渡矩阵K。

求解法兰中心的向量：根据向量叠加原理：第一测量装置、第二测量装置和两个法兰端面的距离分别设为br、b_b，则可获得两法兰的相对位置如图3所示，

其中，最终根据以上结果可求得位姿参数。

两管道法兰中心向量在r坐标系中，x，y，z轴的投影值分P_rP_bx别为水平距离、垂直距离P_rP_by和高度P_rP_bz。然后可得第二管道相对第一管道坐标系的相对角度：同理，第二管道轴线在参考坐标系中与x轴的夹角ζ_x2＝90°-ΔA；第二管道轴线在参考坐标系中与y.轴的夹角ζ_y2＝ΔA；第二管道轴线在参考坐标系中与z轴的夹角ζ_z2＝β_b-β_a。

有益效果：本实用新型的用于船舶合拢管法兰定位的便捷定位系统，改进了拉绳准直的问题，同时该装置现场操作简单，测量准确，方便携带，可以快速的实现合拢管两法兰的定位。

附图说明

图1为两根待合拢管道的位置示意图。

图2为以两根待合拢管道建立的坐标图。

图3为向量示意图。

图4为测量装置的结构示意图。

图5为测量装置中除去机械伸出臂的结构示意图。

图6为夹紧装置的结构示意图。

图7为磁动力拉绳绞盘的结构示意图。

图8为图7的剖视示意图。

图9为滚压滑轮组结构示意图。

具体实施方式

如图1至图9所示，本实用新型的一种用于船舶合拢管法兰定位的便捷定位系统，包含第一夹紧装置和第二夹紧装置，所述第一夹紧装置和第二夹紧装置分别夹紧在两根待合拢的管道上，第一夹紧装置和第二夹紧装置均包含底座16，底座16下方通过丝杠18连接有一对卡爪20，通过卡爪20将底座16连接在管道上，在底座16上安装有测量装置，所述测量装置包含测量台，测量台上设有主机架4和正交倾角传感器11，在主机架4上安装有安装台和绳长检测装置1，在安装台上安装有旋转支架10，旋转支架10上安装有水平角度传感器7和安装块，安装块上安装有与旋转支架10垂直的垂直轴12，垂直轴12上安装有垂直角度传感器和机械伸出臂2，在机械伸出臂2的顶端设有定位杆3，主机架4的顶部设有俯仰角度传感器8，所述正交倾角传感器11、水平角度传感器7、垂直角度传感器、俯仰角度传感器8和绳长检测装置1均与工业PDA连接。机械伸出臂2的水平角和俯仰角可利用水平角、俯仰角度传感器8测得，具体原理如下：水平转动轴和水平角度传感器7联动，垂直轴12和垂直角度传感器联动，都安装在水平转动轴上，可以同时联动。其中水平转动轴与水平角度传感器7连接，随着水平转动轴的转动，水平传感器实时记录角度。俯仰角度传感器8安装在上底板上，通过弹簧15与垂直轴12连接，随垂直轴12转动，弹簧15在弹性范围内伸长，俯仰角传感器通过记录弹簧被拉伸的长度计算出俯仰角度，从而实时记录角度。

在本实施例中，所述底座16上设有定位孔17，在测量台下方延伸有对接头9，对接头9的下端为半圆球面，对接头9插入到定位孔17中。所述绳长检测装置1包含磁动力拉力绞盘，拉绳6缠绕在磁动力拉力绞盘上，在磁动力拉力绞盘上安装有角度传感器，传感器根据滑轮转动的次数来计算拉绳6拉出的长度。拉绳6穿过滚压滑轮组，所述滚压滑轮组包括滚轮支架22，滚轮支架22上安装有多个大滑轮24和小滑轮23，小滑轮位于大滑轮24的上方，拉绳6从大滑轮24与小滑轮23之间穿过。所述滚轮支架22的中部安装有中间滑轮26，拉绳6从小滑轮23和大滑轮24之间穿过后，穿入到中间滑轮26，然后再通过从小滑轮23和大滑轮24之间穿过进入到机械伸出臂2中。

在本实施例中，所述磁动力拉力绞盘包含一对支撑板27，所述支撑板27内通过轴承安装有卷筒29，卷筒29通过轴承套在空心轴28上，空心轴28通过电机带动转动，在空心轴28上安装有内转子31，在卷筒29内安装有外转子30，内转子31转动带动外转子30转动，在卷筒29外缠绕有拉绳6。

本实用新型对法兰的定位原理如下：通过对拉绳6长的长度分析，支点距高度差求解，可得到拉绳6的向量长AB，同时正交倾角传感器11获得水平角和俯仰角，根据这些参数，结合机器人位姿理论，过渡矩阵理论，向量运算法则和过渡矩阵位姿运算法对两管道相对位姿进行求解。

一种上述用于船舶合拢管法兰定位的便捷定位系统的定位方法，包括以下步骤：

第一，将第一夹紧装置和第二夹紧装置分别固定在两个待测管道上，底座16和待测管道平行；

第二，将测量装置安装在第一夹紧装置和第二夹紧装置上；

第三，调整两个测量装置之间拉绳6的张力，以拉绳6准直为标准，同时转动机械伸出臂2，将测量装置的定位杆3定位到两管道的前端；

第五，通过脐带数据线将工业PDA与测量装置连接起来；

第六，启动工业PDA，实时记录测量的数据；

第七，测量结束后将工业PDA和电脑连接，把数据导入电脑中，数据处理软件会将测量数据处理成合拢管加工图纸，该图纸可以PDF格式打印出。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。