電纜槽設(shè)計(jì)精測(cè)儀及3D 建模系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

阮嬋娟，何 瑞

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司長(zhǎng)興分公司，上海 201913）

1 概述

電氣布線是岸橋電氣系統(tǒng)的主體，決定了岸橋可能存在的運(yùn)行方式，影響著電氣系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。作為電氣布線的重中之重，電纜槽的設(shè)計(jì)不但決定了電氣布線的合理性、安全性、舒適性，還直接關(guān)系著電氣設(shè)備的選擇、數(shù)量、連接方式及配電裝置的布置。

隨著岸橋電氣設(shè)備發(fā)展、機(jī)械布局優(yōu)化以及先進(jìn)設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用，目前大部分電纜槽的設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，精度和效率得到了明顯提升，但仍有諸多部位受空間小、干涉多、精度高等因素影響形成不規(guī)則空間，需使用傳統(tǒng)的尺具測(cè)量和平面設(shè)計(jì)出圖，程序繁瑣、效率和精度低下。

本文基于岸橋電纜槽設(shè)計(jì)需求和標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)了一套精測(cè)儀與3D 建模系統(tǒng)結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，能有效提高岸橋不規(guī)則空間電纜槽的設(shè)計(jì)精度和效率，降低生產(chǎn)成本。

2 難點(diǎn)分析

根據(jù)各個(gè)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求，岸橋電纜槽的設(shè)計(jì)不但要考慮預(yù)留安全空間、檢修空間，避讓構(gòu)部件、緊固件、電氣件，還需要考慮入槽電氣件的剛性聯(lián)接、電纜屬性、電纜彎曲半徑等要求，以確保最終電纜槽成品在三維空間上的合理布局和精確連接。

隨著岸橋自動(dòng)化程度提高，電氣設(shè)備相應(yīng)增加，有限空間內(nèi)電氣線路數(shù)量增加，進(jìn)一步壓縮了電纜槽的設(shè)計(jì)空間，并對(duì)設(shè)計(jì)精度提出更高要求。如何在可用空間縮小和不規(guī)則狀況下設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的電纜槽已成為目前急需迫切解決的問(wèn)題。

3 常規(guī)設(shè)計(jì)方式

針對(duì)不規(guī)則空間，為保證設(shè)計(jì)的合理性，目前常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是，設(shè)計(jì)人員攜帶尺具現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，然后憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)使用CAD 完成二維制圖，存在以下問(wèn)題：

3.1 測(cè)量設(shè)計(jì)階段

（1）用線錘、卷尺、直角尺及角度尺等配合測(cè)量，無(wú)法保證垂度、水平度及孔洞中心距，需多人配合頻繁測(cè)量，修正設(shè)計(jì)誤差。

（2）作業(yè)環(huán)境主要為超高空有限空間為主，人員作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高，攜帶鋼尺、卷尺、角度尺、水平儀等數(shù)十件零散測(cè)量工具，易導(dǎo)致高空墜物。

（3）CAD 二維制圖，過(guò)程重復(fù)和繁瑣，并且設(shè)計(jì)僅為電纜槽本身，最終設(shè)計(jì)對(duì)三維空間其他構(gòu)件顯示不全，無(wú)法綜合考慮，而且電纜槽為不規(guī)則設(shè)計(jì)，三視圖無(wú)法全面顯示設(shè)計(jì)，供應(yīng)商讀圖困難。

（4）設(shè)計(jì)方案易受設(shè)計(jì)人員主觀偏好和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、熟練度影響，結(jié)果差異大，導(dǎo)致制作、安裝成本上升。

3.2 制作安裝階段

（1）受低精度的測(cè)量設(shè)計(jì)方式影響，電纜槽成品制作完成后，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)與構(gòu)部件、緊固件、電氣件干涉問(wèn)題頻發(fā)，需對(duì)電纜槽反復(fù)修改，產(chǎn)生額外成本。

（2）單型多件的時(shí)候無(wú)法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化制作，只得先試制試用再批量制作，導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，影響岸橋交付。

4 精測(cè)儀及3D 建模系統(tǒng)研發(fā)

4.1 研發(fā)方案

該系統(tǒng)由兩部分組成，即負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)備精測(cè)儀、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)錄入和出圖的軟件3D 建模軟件，目的是通過(guò)高精度測(cè)量設(shè)備應(yīng)用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)出圖，杜絕設(shè)計(jì)過(guò)程人工干預(yù)，解決二維圖紙易導(dǎo)致的識(shí)圖偏差，提高設(shè)計(jì)精度和效率。

實(shí)際應(yīng)用中精測(cè)儀將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用軟件傳送至測(cè)量人員的手持平板上，由測(cè)量人員帶回導(dǎo)入電腦端3D 建模軟件自動(dòng)完成三維制圖。

4.2 精測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案

負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的精測(cè)儀由全回轉(zhuǎn)支架和測(cè)量?jī)x器組成，整體采用電動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足復(fù)雜工況作業(yè)，人員放置好設(shè)備后，處于安全位置即可通過(guò)遙控完成測(cè)量作業(yè)。

4.2.1 全回轉(zhuǎn)支架（見(jiàn)圖1）

圖1 全回轉(zhuǎn)支架

（1）底座：使用通電磁吸方式，占用空間小、重量輕、豎立穩(wěn)固，便于隨機(jī)位置作業(yè)，不需加裝固定裝置和破壞地面結(jié)構(gòu)。

（2）升降桿身：內(nèi)置 10-1200mm 行程 250N 電動(dòng)推桿，滿足在不同高度范圍的尺寸測(cè)量需求。

（3）回轉(zhuǎn)底盤(pán)：底盤(pán)設(shè)置1 組200W 法蘭伺服電機(jī)+減速器，以保證圓形底盤(pán)可做360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滿足平面全角度測(cè)量需求。

（4）儀器夾具：儀器固定頭設(shè)置法蘭伺服電機(jī)+減速器，可做135°俯仰運(yùn)動(dòng)，滿足不同俯仰角度測(cè)量需求。同時(shí)為應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同儀器同步使用需求，研發(fā)了兩型夾具（見(jiàn)圖2、見(jiàn)圖3），以適應(yīng)更多工況。

圖2 凹形夾具

圖3 球形夾具

4.2.2 測(cè)量?jī)x器

測(cè)量?jī)x器根據(jù)實(shí)際需要選用激光角度測(cè)距儀、數(shù)顯水平儀，加上底盤(pán)回轉(zhuǎn)、夾具俯仰功能即可完成所有尺寸測(cè)量。

4.3 3D 建模軟件的開(kāi)發(fā)

4.3.1 類(lèi)型庫(kù)建立

根據(jù)岸橋常用電纜槽類(lèi)型設(shè)計(jì)電纜槽基礎(chǔ)三維模型，建立電纜槽三維模型庫(kù)。

4.3.2 軟件的工作原理

數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦上端軟件后，從模型庫(kù)中選型自動(dòng)生成三維圖紙，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加直觀方便精確。3D 建模軟件的工作原理如下（見(jiàn)圖4）：

圖4 3D 建模軟件模擬圖

以O(shè) 為支架激光出發(fā)點(diǎn)

第一輔助點(diǎn)J1，第二輔助點(diǎn)J2，|AC|的平行線點(diǎn)，|AJ1|⊥|EJ1|，|AJ2|⊥|FG|。

A 第一垂足點(diǎn)K1，第二垂足點(diǎn)K2 為隱形點(diǎn)，自動(dòng)計(jì)算時(shí)使用。

假定坐標(biāo)點(diǎn) A（0，0，0）

實(shí)際同點(diǎn)需測(cè)距離|OA|=a，|OB|=b，|OC|=c，|OJ1|=d，|OE|=e，|OJ2|=f ，|K1K2|=s，|OF|=g，|OG|=h，|OH|=i

實(shí)際同點(diǎn)需測(cè)角度∠AOB=α°，∠AOC=β°，∠AOJ1=γ°，∠COJ1=δ°，∠EOJ1=ε°，∠AOJ2=ζ°，∠FOJ2=η°，∠FOG=θ°，∠FOH=λ°，

距離與角度為配套數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)得。

自動(dòng)計(jì)算得出

最終得出三維空間點(diǎn)

點(diǎn) A（0，0，0）

點(diǎn) B（|AB|，0，0）

點(diǎn) C（0，-|AC|，0）

點(diǎn) D（|AB|，-|AC|，0）

點(diǎn) E（|J1E|，-|AK1|，|K1J1|）

點(diǎn) F（-|FJ2|，-（|AK1|+s），|K2J2|）

點(diǎn) G（（|FG|-|FJ2|），-（|AK1|+s），|K2J2|）

點(diǎn) H（-|FJ2|，-（|AK1|+s），（|K2J2|+|FH|））

點(diǎn)I（（|FG|-|FJ2|），-（|AK1|+s），（|K2J2|+|FH|））

以上點(diǎn)位就可以在三維中模擬定位出三大機(jī)構(gòu)馬達(dá)安裝位置，點(diǎn) A、B、C、D 為法蘭位，點(diǎn) E 為干涉避讓位，點(diǎn) F、G、H、I 為電纜槽出線位。

5 精測(cè)儀及3D 建模系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

精測(cè)儀及3D 建模系統(tǒng)研發(fā)完成后在岸橋產(chǎn)品上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，與常規(guī)設(shè)計(jì)方式相比優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

5.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

3D 軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)構(gòu)工況，并且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量取樣點(diǎn)統(tǒng)一，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)方案缺陷，并提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率，統(tǒng)一了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，減少了岸橋電纜槽類(lèi)型數(shù)量，避免了個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、偏好等因素對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。為標(biāo)準(zhǔn)化、批量生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。

5.2 設(shè)計(jì)精度

通過(guò)儀器測(cè)量和軟件自動(dòng)計(jì)算完成三維制圖，杜絕了設(shè)計(jì)人員手工測(cè)量、二維制圖易導(dǎo)致的尺寸誤差和圖紙信息不明確問(wèn)題，設(shè)計(jì)精度可由選購(gòu)的激光測(cè)距儀決定，現(xiàn)采用的 BOSCH5000C 儀器可達(dá)±1.5mm/±0.2°。

5.3 設(shè)計(jì)效率

杜絕了多人攜帶大量工具頻繁測(cè)量，縮減了機(jī)械的CAD 二維制圖步驟，人員勞動(dòng)強(qiáng)度下降二分之一，設(shè)計(jì)周期下降三分之二。

5.4 作業(yè)安全

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員單人攜帶儀器，放置在測(cè)量位置后退回安全位置即可使用遙控器完成尺寸測(cè)量作業(yè)，杜絕了人員在危險(xiǎn)部位攜帶大量尺具頻繁移動(dòng)測(cè)量帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5.5 生產(chǎn)成本

設(shè)計(jì)精度的提高杜絕了電纜槽成品制作完成和安裝后導(dǎo)致的頻繁修改返工行為，將“定制-試裝-批量制作-安裝”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭恐谱?批量安裝”模式，避免了生產(chǎn)進(jìn)度滯后導(dǎo)致的額外成本。

6 精測(cè)儀及3D 建模系統(tǒng)的推廣前景

精測(cè)儀及3D 建模系統(tǒng)基于岸橋電纜槽數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)目標(biāo)建立的，在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了這個(gè)預(yù)定的目標(biāo)，截至目前，使用該方式設(shè)計(jì)的電纜槽尚未出現(xiàn)技術(shù)修改問(wèn)題，證明了該系統(tǒng)具備較強(qiáng)實(shí)用性，更重要的造價(jià)與國(guó)外同類(lèi)儀器相比成本僅為其十分之一。它不僅僅只適用于岸橋產(chǎn)品電纜槽的設(shè)計(jì)，同時(shí)也可廣泛的應(yīng)用于類(lèi)似海洋船舶、鉆井平臺(tái)、鋼構(gòu)橋梁等行業(yè)有限空間尺寸的測(cè)量和部件設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)不規(guī)則狹小空間的尺寸測(cè)量效果突出，企業(yè)在應(yīng)用中只需自身需要建立相應(yīng)的類(lèi)型庫(kù)即可直接使用，能明顯提高設(shè)計(jì)精度、設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。

統(tǒng)籌的看，該系統(tǒng)中也具有繼續(xù)開(kāi)發(fā)的空間，如設(shè)計(jì)通用夾具使其使用更多不同儀器需求，加裝無(wú)線傳輸放置，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用軟件，讓測(cè)量數(shù)據(jù)直接回傳至電腦端，解決需手持平板中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)問(wèn)題。