一种测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及船舶和海工装备合拢管的技术领域，具体地说是一种用于船舶和海工装备建造总段合拢时的现场校管的测量装置及其测量方法。

背景技术：

船舶和海工装备建造精度控制技术不断提高，但是分段/总段合拢时由于管系零件存在制造和安装过程的累计误差，存在大量管系常无法对接，经常会遇到必须在现场进行放样制作的管子，然后制造合拢管进行连接。现阶段国内船厂分为以下几种方式：

传统现场校核方法：对待合拢管进行打样和法兰匹配，并用角铁将匹配法兰电焊定位，以此作为合拢管加工的尺寸模型件。然后将模型件搬运到管线加工平台上，测量模型件上两个匹配法兰的相对位置，再由工人凭借自己的经验进行直管加工、弯管加工和法兰装配，并在装配过程中不断的根据实际情况对直管和弯管进行切割或者更换，在各连接处配合合适又开始正式的焊接。

三轴机械臂测量装置：将机械臂固定在待测法兰附近，然后分别用机械臂测量需连接的两个法兰，确定两个法兰的空间坐标，通过其自带软件计算拟合生成合拢管形状并输出施工图纸，该测量装置存在造价高、体积大、搬运不便的缺点。

单点悬挂转动式拉线测量装置：将该测量装置悬挂于基准法兰螺栓孔上，应用测量方位角、仰角、距离，确定待测法兰的空间坐标的原理，通过拉线传感器、角度传感器等记录数据，然后通过其自带软件计算拟合生成合拢管形状并输出施工图纸，由于设有角度传感器，不可避免地存在角度测量时的误差，因此测量精度受到限制。

两点固定式三条拉线测量装置：将该测量装置固定在基准法兰上方，拉线测量一直平面外一点到平面内三个点距离，可以求解该点空间坐标，通过拉线传感器记录数据，然后通过其自带软件计算拟合生成合拢管形状并输出施工图纸。两点固定式拉线摇臂式测量装置：两点固定式单拉线摇臂式装置测量与两点固定式三条拉线装置测量基本原理一致，只是三条拉线简化成一条拉线加摇臂的形式。上述两种测量装置均存在造价高、体积大，无法适应小口径法兰的缺点。

综上所述，现有技术中的测量装置普遍存在成本过高、体积偏大、结构复杂的缺点，降低成本、小型化、轻量化、简化结构就成了测量装置的发展方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改进的测量装置及其测量方法，它可克服现有技术中测量精度低、成本高，结构复杂的一些不足。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种测量装置，其特征在于：所述的测量装置由挂线槽、单点悬挂式基座、与基座相接的拉线位移传感器及数据存储器连接而成，基座上设有挂线结构组；

进一步的，基座的一端设有固定机构，所述的固定机构由基座螺栓和与基座螺栓相配合的定位销钉配合而成；

更进一步的，所述的挂线结构组由3个挂线结构构成，3个挂线结构连成一个三角形，该三角形的外心处设有拉线传感器拉线头，所述的拉线传感器拉线头与拉线位移传感器相连。

一种测量装置的测量方法，其特征在于：所述的测量方法包括如下步骤：a、通过基座螺栓将拉线测量装置初步固定在基准法兰的一个螺栓上，挂线槽安装到前述螺栓的对点螺栓上；

b、从拉线传感器拉线头中拉出拉线头，将拉线头挂在基准法兰的挂线槽内，在法兰正视图视角下手动转动基座，使得拉线与校中基准线重合并拧紧定位销钉，完成对中校核和基座固定，并将拉线传感器拉线头所在位置为设置为O点，三个分别设置于拉线传感器拉线头周围的挂线结构分别为A、B、C点；

c、将拉线头复位，将挂线槽固定于待测法兰的一个螺栓点P上，

重新从拉线传感器拉线头中拉出拉线头，穿过A点的挂线结构，挂在待测法兰的挂线槽中，完成一次拉线长度0A+PA的记录；

d、同理逆时针顺序完成第二次和第三次拉线长度，完成0B+PB和0C+PC的记录；

e、将三次记录的数据导出后进行计算，算出基准法兰与待测法兰之间的空间相对位置，计算出待合拢管所有可能的布置方案，并根据弯角最优、形线最短等原则选取最优管路形状。

使用时，本发明分为内悬挂式和外悬挂式，分别用于大口径和小口径法兰的测量。内悬挂式：将基座悬挂于基准法兰的螺栓孔（拉线头置于法兰圆内部），拉线并将拉线头挂入基准法兰端面对点螺孔的挂线槽上，手动调整底座，使拉线与校中基准线重合，拧紧定四个位销钉，完成对中校核。测量被测法兰的一个点，需通过三次拉线和挂线，每次拉线通用一个基座上的挂线孔，拉线头挂入被测法兰挂线槽，即可测得距离数值，可以快速测量待合拢管法兰的空间相对位置，

将测得的距离数值转换成数字信号，通过无线数据传输的拉线位移传感器的输出，云端计算机配套软件接收数据，应用电脑或手机配套软件远程控制实现云端接管自动拟合和出图，也可以通过数据传输线将拉线位移传感器测得的数据导出，然后导入计算机进行接管拟合。PDA数据存储器作为测量终端设备，也可以运行复杂较数学计算，实现三维模型以及配套的加工示意图。

因此，本发明与现有技术相比，存在如下优点：

1：本发明测量装置设备简单，体积小，整体质量小于4KG。

2：本发明测量装置测量精度高，达到1mm/m。

3：本发明测量装置可以将测量数据无线传输至云端计算机，通过手机或电脑的远程控制和操作，实现云端计算机数据传输、接管自动拟合和出图，具有现场采集数据，办公室同步获取数据信息的功能。

4：本发明测量装置生产成本低、制造工艺简单，便于推广使用。

5：可以适应小口径法兰，最小可用于通径15mm标准管，法兰螺栓孔距55mm。

附图说明

图1为本发明待测法兰的结构示意图。

图2为本发明制管连接后的结构示意图。

图3为本发明测量装置的结构示意图。

图4为本发明测量装置的又一结构示意图。

图5-图7为本发明测量装置的测量基本原理示意图。

图8-图12为本发明测量装置的内悬挂式测量步骤示意图。

图13-图17为本发明测量装置的外悬挂式测量步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

各附图中的标号表示如下：1基座、2挂线结构、3定位销钉、4基座螺栓、5锥形螺母、6校中基准线、7拉线位移传感器、8拉线传感器的拉线头、9挂线槽、10 数据存储器、11数据传输线、12法兰、13待测法兰P点、14待测法兰圆心O’’、15基准法兰圆心O’。

本发明所述的一种测量装置，其与现有技术的区别在于：所述的测量装置由挂线槽、单点悬挂式基座、与基座相接的拉线位移传感器及数据存储器连接而成，基座上设有挂线结构组；基座的一端设有固定机构，所述的固定机构由基座螺栓和与基座螺栓相配合的定位销钉配合而成；所述的挂线结构组由3个挂线结构构成，3个挂线结构连成一个三角形，该三角形的外心处设有拉线传感器拉线头，所述的拉线传感器拉线头与拉线位移传感器相连。

进一步的，所述的基座呈T字型，由横向基座和纵向基座连接而成，横向基座上设有横向校中基准线，纵向基座上设有与横向校中基准线垂直的纵向校中基准线；3个挂线结构呈T字型排列，其中两个挂线结构设置于横向校中基准线上，一个挂线结构设置于纵向校中基准线上，拉线传感器拉线头设置于纵向校中基准线与横向校中基准线的交叉点。

所述的挂线结构设有一挂线孔，挂线孔的一侧设有一开口槽，所述的开口槽一端与挂线孔相连，另一端与挂线结构的外侧壁相连。所述的挂线孔呈圆形、三角形、椭圆形或者方形。

更进一步的，基座螺栓设置于基座的一侧，该基座螺栓与第一锥形螺母相配合，基座的另一侧设有四个定位销钉。所述的挂线槽一侧设有一挂线螺栓，该挂线螺栓与第二锥形螺母相配合。

一种测量装置的测量方法，其与现有技术的区别在于：所述的测量方法包括如下步骤：a、通过基座螺栓将拉线测量装置初步固定在基准法兰的一个螺栓上，挂线槽安装到前述螺栓的对点螺栓上；

b、从拉线传感器拉线头中拉出拉线头，将拉线头挂在基准法兰的挂线槽内，在法兰正视图视角下手动转动基座，使得拉线与校中基准线重合并拧紧定位销钉，完成对中校核和基座固定，并将拉线传感器拉线头所在位置为设置为O点，三个分别设置于拉线传感器拉线头周围的挂线结构分别为A、B、C点；

c、将拉线头复位，将挂线槽固定于待测法兰的一个螺栓点P上，

重新从拉线传感器拉线头中拉出拉线头，穿过A点的挂线结构，挂在待测法兰的挂线槽中，完成一次拉线长度0A+PA的记录；

d、同理逆时针顺序完成第二次和第三次拉线长度，完成0B+PB和0C+PC的记录；

e、将三次记录的数据导出后进行计算，算出基准法兰与待测法兰之间的空间相对位置，计算出待合拢管所有可能的布置方案，并根据弯角最优、形线最短等原则选取最优管路形状。

b步骤中，拉线传感器拉线头设置有两种方式，分别为内悬挂式和外悬挂式；内悬挂式，将拉线传感器拉线头初步定位于基准法兰的法兰圆内部，拉线传感器拉线头与基准法兰上挂线槽之间的距离小于法兰圆的直径；外悬挂式，将将拉线传感器拉线头初步定位于基准法兰的法兰圆外部，拉线传感器拉线头与基准法兰上挂线槽之间的距离大于法兰圆的直径。

本发明所述的一种测量装置，其特点如下：第一，通过基座螺栓和四个定位销钉，能够实现单点悬挂固定，固定后基座不会绕悬挂点产生转角位移；第二，设计了校中基准线和拉线对中的校准方法，能够实现装向法兰圆心定位；第三，一条线拉线穿过挂线结构并挂在挂线槽上实现测量；第四，应用三个挂线结构，取代了某些测量装置上摇臂；第五，与其他单点悬挂测量装置相比，不需要角度传感器进行数据采集和记录；第六，增加了数据无线传输装置和配套软件，通过手机或电脑的远程控制和操作，实现云端计算机数据传输、接管拟合以及出图。

在实施中，基座1为测量装置机架结构；挂线结构2用于测量挂线；定位销钉3用于固定基座；基座螺栓4和锥形螺母5用于连接基准法兰；校中基准线6用于本测量装置对准基准法兰圆心（也称对中）；无线数据传输的拉线位移传感器7和拉线传感器拉线头8用于拉线测量长度和数据传输；挂线槽9用于固定拉线传感器拉线头8。

进一步地，每个挂线结构2由椭圆形挂线孔和侧面开槽结构组成，或者由三角形挂线孔和侧面开槽结构组成。

进一步地，无线数据传输的拉线位移传感器7中包括数据无线传输模块和电池，可以通过WiFi将数据直接传输到云端计算机，云端计算机有相关配套软件，可以实现手机或电脑的远程控制。

进一步地，PDA数据存储器10和数据传输线11用于连接拉线位移传感器7读取并存储数据，也可以给无线数据传输的拉线位移传感器7供电和充电。

图5-图7所示为测量原理示意图，以求解待测法兰P点为例，已知平面上三点A、B、C，坐标分别为A（r，0，0）、B（0，r，0）、C（-r，0，0），平面外一点P，P点到A点的距离PA=a，P点到B点的距离PB=b，P点到C点的距离PC=c，求解P（x，y，z）坐标值。通过三次拉线挂线可以测得三个拉线长度，第一次拉线长度=0A+PA，第二拉线长度=0B+PB，第三次拉线长度=0C+PC。其中，在制作基座时使0A=0B=0C=r，因此可以求出P点的空间坐标，具体算法如下：

由两点距离公式可得到如下三个等式：

由（3）-（1），得

由（1）-（2），得

由（1）+（2）+（3），得

将（4）和（5）代入（6），求得

（7）化简得

同理也可以求出待测法兰平面上的Q点和M点。

求出待测法兰上P、Q、M三点空间坐标，可以计算出待测法兰圆心相对O点的坐标值和法相向量，经过坐标平移公式，可以求解待测法兰圆心O’’相对基准法兰圆心O’的坐标值和法相向量，人工设定上的拐点位置（即O’Z1的距离）、指定加工夹角、倒角等数据，通过向量运算，可以求解出接管拟合路径。

由（9）-（12）式，经过矢量运算即可确定Z2、T2点坐标，即

图7中，设O’Z’轴上一点Z1到Z2点距离，Z1到O’’Z’’轴上任意一点T1点距离，直线与直线的夹角为，直线与直线的夹角为。在和应用余弦定理，在三角形Z1Z2T2和三角形T1T2Z2应用勾股定理，得：

由（13）两式相加，得：

所以，只要给定Z1点坐标、L、夹角，可以求得T1点坐标，从而求得连接轨迹线（折线O’Z1T1O’’），最后设定倒角半径，计算出倒角。已知两条直线开倒角算法很多，本文应向量计算求解出圆心和切点坐标，不在此赘述。

由于实际加工不可能做到T形结构完全相等，存在误差A点可能会沿着x轴偏离到A’点，偏差为，通过以下算法可以对装置进行修正。通过A’点挂线测量，可以测定折线的长度L2，可以求得和的长度。

在中，由余弦定理得

在中，由余弦定理得

将（17）代入（18），得

拉线测量OP，得到OP的长度，将（15）、（16）和OP的长度代入（19），可以求得修正后AP的长度，同理也可以修正BP、CP。

图8-图12为本发明装置的内悬挂式测量步骤示意图，通过基座螺栓4将拉线测量装置初步固定在基准法兰上，挂线槽9安装到对点螺栓上；拉线传感器的拉线头8拉出，挂在基准法兰对角挂线槽9上，在法兰正视图视角下手动转动调整基座，使得拉线与校中基准线6重合并拧紧定位基座销钉3，完成对中校核和基座固定。将拉线传感器的拉线头8拉出，穿过第一个挂线结构2，挂在待测法兰挂线槽中，完成一次拉线长度的记录，同理逆时针顺序完成第二次和第三次拉线长度的记录。

进一步地，通过无线数据传输的拉线位移传感器7，将三次记录的数据通过WiFi传输到云端计算机上，应用编制的相关配套程序，采用手机或电脑远程控制云端计算机，完成接管拟合计算，自动生成管路形线图纸，图纸信息包括管子属性，法兰接头属性、自动尺寸标注、装配数据、加工明细、弯管机弯管数据等，并自动输出三维模型和加工小票。

进一步地，手机云端计算机远程控制配套程序包括iOS版和安卓版控制程序。

进一步地，如果不想通过无线数据传输，也可以应用PDA存储器10经数据传输线11与无线数据传输的拉线位移传感器7连接，将数据导出，再导入电脑应用配套程序进行拟合和出图。

图13-图17为本发明装置的外悬挂式测量步骤示意图，与内悬挂式相比，仅悬挂方式有所不同，操作步骤与内悬挂式相同。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。