基于虛擬裝配的大型機(jī)電設(shè)備模塊化安裝路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

陳　巍

（中交一航局安裝工程有限公司，天津300457）

基于虛擬裝配的大型機(jī)電設(shè)備模塊化安裝路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

陳巍

（中交一航局安裝工程有限公司，天津300457）

針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)機(jī)電設(shè)備工程安裝過(guò)程中存在的問(wèn)題，分析了大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備中的各組成部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配特征，實(shí)現(xiàn)設(shè)備模塊化封裝和組合件的信息建模；采用“大地坐標(biāo)尺寸法”實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝的基準(zhǔn)定位，保證設(shè)備的裝配精度和吊裝安全；設(shè)計(jì)了基于模塊化的大型設(shè)備虛擬裝配路徑，從而可以制定合理、高效的施工計(jì)劃，達(dá)到提高設(shè)備安裝的效率、質(zhì)量以及安全性的目的。

大型機(jī)電設(shè)備安裝；模塊化；虛擬裝配；路徑規(guī)劃

隨著建筑工程的實(shí)際需求和科技水平的不斷提高，機(jī)電設(shè)備的安裝工程規(guī)模正在逐步向大型化和巨型化的方向發(fā)展。由于這些設(shè)備的體積龐大、組成部件數(shù)量眾多，導(dǎo)致其安裝成本和效率較低。為能提高施工效率，保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行，采用先進(jìn)的裝配方法和科學(xué)施工手段已經(jīng)成為大型機(jī)電設(shè)備安裝的發(fā)展趨勢(shì)［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大型機(jī)電設(shè)備的施工方法研究主要集中在如何采用新的安裝設(shè)備和新的裝配工藝，提高施工的質(zhì)量和效率方面。例如文獻(xiàn)［2］采用了放樣定位和分期建網(wǎng)的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝的精密定位；文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于自動(dòng)控制的大型吊裝系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)超重、超大尺寸的電力設(shè)備吊裝。但由于物流條件局限，大部分大型設(shè)備的部件都是散裝運(yùn)輸，安裝前必須進(jìn)行部件組裝和成撬，僅僅改善安裝的設(shè)備和工藝并不能有效解決多部件組裝、起吊、就位的順序和精度問(wèn)題。鑒于目前存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的一些研究者，嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在設(shè)備的安裝過(guò)程中，通過(guò)對(duì)實(shí)際施工情況的模擬和預(yù)安裝分析，確定設(shè)備部件組裝和安裝的最優(yōu)方案。例如美國(guó)州立大學(xué)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的虛擬裝配仿真模型，實(shí)現(xiàn)了從CAD軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)建立層次化的裝配數(shù)字化模型［4］；國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校也相繼開發(fā)了針對(duì)典型復(fù)雜機(jī)電設(shè)備的虛擬裝配系統(tǒng)［5］。由于上述研究主要面向結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中小型機(jī)電設(shè)備，在進(jìn)行大型機(jī)電設(shè)備的虛擬裝配時(shí)，仍需要進(jìn)行設(shè)備的安裝特性分析和路徑規(guī)劃，因此，本文在分析大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了設(shè)備模塊化封裝和信息建模方法，并在此基礎(chǔ)上建立基于模塊化的大型設(shè)備虛擬裝配路徑，從而實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備安裝的效率、質(zhì)量以及安全性的目的。

1　大型機(jī)電設(shè)備的安裝特點(diǎn)和存在的問(wèn)題

大型機(jī)電設(shè)備一般采用復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)部件組合而成，存在立體多部件的組合連接，對(duì)尺寸測(cè)控和安裝定位要求較高，安裝過(guò)程復(fù)雜，時(shí)序性要求嚴(yán)格。其安裝過(guò)程一般具有以下特點(diǎn)：

（1）設(shè)備重量重、體積大，現(xiàn)場(chǎng)的安裝前一般需要預(yù)組裝或成撬；

（2）現(xiàn)場(chǎng)安裝的形式多樣、吊裝復(fù)雜，需要在高空完成設(shè)備對(duì)接、構(gòu)件拼裝；

（3）各部件的對(duì)接、構(gòu)件點(diǎn)均處在三維空間，測(cè)量難度較大。

目前，大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備的安裝一般采用“預(yù)裝整體調(diào)整法”和“定位找正調(diào)整法”的技術(shù)路線。其中“定位找正調(diào)整法”是嚴(yán)格按照設(shè)備的基準(zhǔn)線、中心線等指標(biāo)，將各部件按照組裝順序先在場(chǎng)地組裝好，再進(jìn)行對(duì)接、拼裝、調(diào)整和固定。這種方法工序布置緊湊、場(chǎng)地狹窄、各部件的調(diào)整困難，同時(shí)由于設(shè)備調(diào)整好后需要鉆銷釘孔或焊接固定，無(wú)法進(jìn)行平行作業(yè)，工期較長(zhǎng)，操作不便捷。“預(yù)裝整體調(diào)整法”是在安裝前，先進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)主體的預(yù)安裝，確定各部件的對(duì)接和拼裝位置，然后吊出主體，再根據(jù)工藝要求按順序?qū)雍推囱b各部件。在預(yù)安裝階段，可同時(shí)進(jìn)行不同部件的調(diào)整和組裝，并通過(guò)軸線調(diào)整進(jìn)行整體調(diào)整。該方法雖然具有較高的精度。但由于要進(jìn)行預(yù)安裝，增加了安裝的復(fù)雜性，影響直線工期，而且，預(yù)安裝時(shí)需要交叉作業(yè)，需要較大的場(chǎng)地面積和空間體積，人員相對(duì)集中，各工種作業(yè)易產(chǎn)生干擾。因此，需要對(duì)以上兩種方法進(jìn)行改進(jìn)和完善。

2　大型機(jī)電設(shè)備的模塊劃分和基準(zhǔn)定位

2.1模塊劃分和構(gòu)建組合件信息模型

由于大型機(jī)電設(shè)備的很多部件在物流運(yùn)輸時(shí)是散裝或按照物流特點(diǎn)進(jìn)行分類包裝的，因此在安裝前需要根據(jù)設(shè)備裝配特點(diǎn)進(jìn)行模塊化封裝，以方便后續(xù)起吊、就位、固定和成撬。模塊（組合件）裝配信息模型是對(duì)部件的裝配特性描述，包括含零部件的幾何模型、對(duì)接方式和約束條件等。用于快速裝配的模塊（組合件）模型如圖1所示。

圖1　裝配模塊（組合件信息）封裝模型

模塊（組合件）模型建立后，可根據(jù)設(shè)備裝配的通用物料清單生成裝配主體上的裝配特征，然后根據(jù)裝配模塊的定位點(diǎn)、對(duì)接和拼裝與相對(duì)應(yīng)的裝配模塊進(jìn)行特征匹配，最后固定信息和裝配約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)組合件的快速裝配。

2.2基于大地坐標(biāo)尺寸法的裝配基準(zhǔn)定位

基于鋼結(jié)構(gòu)的大型機(jī)電設(shè)備的連接與安裝尺寸精度將嚴(yán)重影響設(shè)備的裝配精度。在傳統(tǒng)的放樣模式的施工測(cè)量當(dāng)中，由于設(shè)備的組成部件較多，安裝時(shí)需要不斷地在測(cè)量模式和放樣模式之間進(jìn)行切換，直到滿足安裝要求。如此反復(fù)的切換，不僅增加了施工時(shí)間也加大了施工強(qiáng)度。因此為了便于設(shè)備安裝時(shí)的測(cè)量定位，本文建議采用基于大地坐標(biāo)尺寸法的定位方法，通過(guò)對(duì)設(shè)備施工坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量模式和放樣模式的切換。大地坐標(biāo)和施工坐標(biāo)與之間的轉(zhuǎn)換時(shí)，可以以施工坐標(biāo)系下的基準(zhǔn)點(diǎn)為原點(diǎn)，推算各個(gè)設(shè)備部件的坐標(biāo)點(diǎn)。例如轉(zhuǎn)換點(diǎn)為P（xp，yp），大地坐標(biāo)為：xp、yp，施工坐標(biāo)系原點(diǎn)為o：大地坐標(biāo)：xo、yo施工坐標(biāo)系X軸之大地方位角α，則大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式為：

3　大型機(jī)電設(shè)備虛擬裝配的路徑規(guī)劃方法

由于基于鋼結(jié)構(gòu)的大型機(jī)電設(shè)備的組成部件形狀各異、種類繁多，并且裝配工具單一、作業(yè)空間有限狹窄，傳統(tǒng)的裝配方法將難以保證裝配的精度和效率。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐步成熟，通過(guò)在虛擬空間中構(gòu)建虛擬樣機(jī)，使施工人員可以身臨其境地對(duì)施工作業(yè)的合理性和裝配的可行性和難易度等因素進(jìn)行可感知的驗(yàn)證，可以有效提高大型設(shè)備的裝配效率。虛擬裝配的研究主要包括裝配建模、裝配順序規(guī)劃、裝配檢驗(yàn)和裝配仿真技術(shù)等。其中虛擬路徑規(guī)劃是虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以利用模塊化的部件信息進(jìn)行路徑分析和求解，并生成一條合理的裝配路徑，從而可達(dá)到優(yōu)化裝配的效果。本文給出的裝配路徑規(guī)劃的流程如圖2所示，基于該路徑方法的某大型風(fēng)機(jī)裝配過(guò)程如圖3所示。

圖2　虛擬裝配路徑規(guī)劃流程圖

圖3　虛擬裝配過(guò)程圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)在進(jìn)行大型鋼結(jié)構(gòu)機(jī)電設(shè)備安裝過(guò)程中，存在的裝配效率和精度低的問(wèn)題，首先分析了大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備中的各組成部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配特征，實(shí)現(xiàn)設(shè)備模塊化封裝和組合件的信息建模；其次，采用大地坐標(biāo)尺寸法實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝的基準(zhǔn)定位，保證設(shè)備的裝配精度和吊裝安全；最后，設(shè)計(jì)了基于模塊化的大型設(shè)備虛擬裝配的路徑規(guī)劃流程，實(shí)現(xiàn)合理、高效的施工計(jì)劃制定，從而達(dá)到提高了大型設(shè)備安裝的效率、質(zhì)量以及安全性的目的。

［1］谷士強(qiáng).機(jī)械設(shè)備安裝技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.武漢鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，17（1）：71-76.

［2］潘國(guó)榮，大型設(shè)備安裝測(cè)量的精密定位［J］.測(cè)繪通報(bào)，1993，9（4）：15-17.

［3］繆謙.大型設(shè)備吊裝裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2001，13（5）：31-34.

［4］夏平均，姚英學(xué).虛擬裝配的研究綜述與分析（Ⅱ）［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，15（6）：942-947.

［5］周亮，周來(lái)水，衛(wèi)煒.基于裝配特征的組合件快速裝配技術(shù)研究［J］.宇航材料工藝，2010，21（4）：33-36.

［6］楊成貴.施工坐標(biāo)（A，B）與大地測(cè)量坐標(biāo)（X，Y）之間的幾種換算方法［J］.天然氣與石油，1998，16（1）：43-48.

The Path Planning Design ofModular Installation for Large ElectromechanicalEquipment Based on VirtualTechnology

CHENWei
（CCCC Installation Engineering Co.Ltd.，Tianjin 300457，China）

For the problem of large steel structure engineering in the installation process，the article first analyzes the structural characteristics and assembly features of various components in large steel structure equipment. According to above characteristics，module partition is done.Secondly，the method of geodetic coordinates is used to realize the origin reference location of equipment installation to ensure assembly accuracy of the equipment and the safety of the hoisting.Finally，the virtual assembly path is designed based on modular large equipment to realize reasonable and efficient construction plan.It improves the efficiency，quality and safety of large equipment installation.

installation of large engineering equipment；modularity；virtual assembly；path planning

TP391.9

A

1672-545X（2016）06-0105-03

2016-03-02

陳巍（1967-），男，湖南株洲人，本科，工程師，研究方向：主要從事港口設(shè)備安裝工程和現(xiàn)場(chǎng)施工。