[发明专利]一种城市管道施工现场组对控制的方法

摘要

本发明属于管道工程领域，涉及一种城市管道施工现场组对控制的方法。为解决施工现场缺乏快速准确的管道组对控制方法的问题，该方法采用空间点测量设备进行现场测量，获得真实现场测量数据。通过WIFI无线通信将数据传输到PC端，并对测量数据快速计算，得出准确的弯头角度及位姿、过渡管尺寸及管口形状。再将过渡管管口外圆绘制成二维展开图并打印出来，为指导过渡管切割提供现场指导。本发明简化了测量过程，提高了管道组对的工作效率，因而具有很高的实用价值和良好的市场应用前景。

主权项

1.一种城市管道施工现场组对控制的方法，其特征在于，步骤如下：(1)利用空间坐标测量设备获取现有管道管壁和管口上测量点的三维坐标；测量点在管壁和管口上均为均匀分布；(2)依据空间圆柱面到中心轴线距离约束关系，构建圆柱参数模型；(3)基于现有管道管壁上的测量点坐标，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型进行拟合，迭代优化得到特征参数，包括圆柱轴线方向向量、端面与轴线交点坐标以及圆柱半径，将特征参数带入圆柱轴线方程，计算出弯头角度；通过建立圆柱轴线空间投影面，计算现有管道轴线空间相交和空间异面两种情况的弯头空间摆放位姿；(4)基于现有管道管口的测量点坐标，采用雅可比迭代算法和空间平面方程进行拟合，迭代优化得到现有管道管口的平面方程参数；利用弯头中心、角度以及长度确定弯头管口的平面方程参数；建立过渡管坐标系，将现有管道管口和弯头管口的平面方程进行统一坐标系转换，计算过渡管的尺寸及管口形状；(5)过渡管管口上与现有管道管口上测量点相对应的点作为参考点，选取一个参考点作为过渡管切割的入刀点，将步骤(4)中得到的过渡管的管口外圆形状展开成二维图形并打印，再将其缠绕在过渡管上用以标记过渡管的切割轨迹，作为过渡管现场切割的指导方法；将切割完的过渡管安装在现有管道弯头之间，完成管道组对控制；所述的步骤(2)中，根据圆柱面到中心轴线的距离与半径的误差关系，构建圆柱参数模型如下：(A²+B²+C²)[(x_i‑x₀)²+(y_i‑y₀)²+(z_i‑z₀)²]‑[A(x_i‑x₀)+B(y_i‑y₀)+C(z_i‑z₀)]²；＝(A²+B²+C²)R²其中，(x_i,y_i,z_i)分别表示测量点的x，y，z坐标，(x₀,y₀,z₀)分别是圆柱中心轴线上一点的x，y，z坐标，A，B，C为圆柱中心轴线的方向向量，R是圆柱半径；所述的步骤(3)中，采用牛顿迭代法将非线性的圆柱参数模型线性化，构造雅可比矩阵，将现有管道管壁上的测量点坐标带入雅可比矩阵，采用雅可比迭代算法和圆柱参数模型拟合测量点坐标，在确定参数的迭代初值时，在现有管道管口外圆圆周上测量点坐标(x_i,y_i,z_i)，圆柱中心轴线上一点初值取x₀＝average(x_i)，y₀＝average(y_i)，z₀＝average(z_i)；测得现有管道管壁上沿平行于管道轴线方向的两个点坐标，构造两个点的向量作为方向向量初值(a₀,b₀,c₀)，半径R根据实际情况选取；经迭代优化得到特征参数；将迭代优化得到的特征参数带入圆柱轴线的直线方程，若两个现有管道轴线空间相交，直接计算出弯头角度及位姿；若两个现有管道轴线空间异面，将两条管道轴线投影到空间一平面，该平面作为弯头放置的理想平面，过程如下：将圆柱轴线的直线方程转化为对称式，得到圆柱轴线L₁的方向向量n₁＝(a₁,b₁,c₁)，圆柱轴线L₂的方向向量n₂＝(a₂,b₂,c₂)，再通过向量积得到两个方向向量的公垂向量n＝(a_x,b_x,c_x)；设圆柱轴线L₁与公垂线所在平面为S₁，圆柱轴线L₂与公垂线所在平面S₂；平面S₁与圆柱轴线L₂交点为a，平面S₂与圆柱轴线L₁交点为b；a与b连线中点即为投影点o，过公垂向量和投影点的平面即为放置弯管的理想平面；所述的步骤(4)中，确定过渡管尺寸和管口形状的方法如下：建立过渡管坐标系，将现有管道管口圆心与弯头管口圆心的连线定义成z轴，根据正交关系确定x、y轴，将现有管道管口和弯头管口的平面方程进行统一坐标系转换，在转换后的坐标系下，由下列公式确定两平面方程对应的z坐标：将过渡管两端管口分别划分等数量多个等距分隔点，依据过渡管直径大小确定分隔点数目；过渡管两端管口上沿平行于轴线的对应分隔点在过渡管坐标系下的z坐标分别取绝对值，绝对值之和即为过渡管两端管口分隔点处对应的过渡管长度尺寸，确定所有分隔点处过渡管的长度尺寸即确定了过渡管的尺寸，管口形状进而确定。