現場合わせ管の設計支援システムの開発

九州大学 工学府 海洋システム工学専攻
進藤 翔平
安田 達也
九州大学大学院工学研究院海洋システム工学部門
木村 元

発表の流れ
研究の背景と目的
設計システムの提案
 システムの概要と構成
 フランジ間の位置関係の算出
 配管経路の計算法
 干渉判定と干渉回避経路の自動生成
干渉判定 干渉回避経路 自動 成

本研究のまとめと今後の課題
本研究のまとめと今後の課題
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発表の流れ
研究の背景と目的
設計システムの提案
 システムの概要と構成
 フランジ間の位置関係の算出
 配管経路の計算法
 干渉判定と干渉回避経路の自動生成
干渉判定 干渉回避経路 自動 成

本研究のまとめと今後の課題
本研究のまとめと今後の課題
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背景現場合わせ管とは？
現場合わせ管とは ブロック建造時に生じる誤差
ブロック建造時に生じる誤差のために、設計段階
では、ブロック同士の接合箇所のパイプは、誤差を吸収するような配慮を行う。
を吸収するような配慮を行う
 建造の最終段階において、現物の寸法に合わせ現物の寸法に合わせてパイプを接続する作業が生じる。てパイプを接続

現場合わせ管の艤装
 一般商船では数百本、艦艇では１万本以上とかなり大量に大量に存在存在する。
 位置計測や配管設計には熟練した技術熟練した技術が必要。

海上技術研究所：「AR技術を用いた配管施工支援システムについて」

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背景
従来の計測システム
金型法

フランジをボルトで固定し 金型管で固定し、金型管を製作

金型管を取り外し、陸揚げして管工場に持ち込む

金型管にフランジを取り付け 金型管を取りり付け、金型管を取り外す。その間を計測して製作図を作成

株式会社プラスワンテクノ：「パイプフォーム」ホームページより4

背景従来の計測システム
金型法

工数が多い図面を作成し、加工寸法を算出する。
（切断寸法、曲げ角度，etc）

図面寸法で管を組み立てる

金型にフランジを取り付け、管を差し込んで溶接して完成。

株式会社プラスワンテクノ：「パイプフォーム」ホームページより

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背景 既存の計測・設計システム

準備時間

計測時間

３分程度

１～２分程度株式会社ＩＨＩエスキ
株式会社ＩＨＩエスキューブ：「レーザー式現合管設計システム
ブ 「レ ザ 式現合管設計システム Smart Lock On」

問題点
設計空間内にパイプ等の障害物がある時は、うまく計測できな設計空間内にパイプ等の障害物がある時はうまく計測できなかったり、それを避けた経路がとれているかの判定が曖昧
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目的
3Dスキャナ

目的のパイプと周囲の点群
的 パ プと点群
データの取得点群データを用いた配管経路の設計シス
テムの構築

フランジ間の位置関係の計算
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目的
3Dスキャナ

現場合わせ管の位置
目的のパイプと周囲の点群
的 パ プと点群
計測・設計の簡略化データの取得
工期の短縮

点群データを用いた配管経路の設計シス
テムの構築

フランジ間の位置関係の計算
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発表の流れ
研究の背景と目的
設計システムの提案
 システムの概要と構成
 フランジ間の位置関係の算出
 配管経路の計算法
 干渉判定と干渉回避経路の自動生成
干渉判定 干渉回避経路 自動 成本研究のまとめと今後の課題
本研究のまとめと今後の課題
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システムの概要
 点群データからフランジ間の位置関係を計算
 いくつかの変数を変えることで現場合わせ管を設計することができる 障害物を回避した経路の設計を行うことができる

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システムの構成
 Ｊａｖａを用いて開発
 ３Ｄ描画には、ＪＯＧＬ（描（ Java bindings for OpenGL ）を利用）を利Khronos グ ル ー プ が 策 定 し て い る グ ラ
フィックスハードウェアのAPI。2Ｄ・3Ｄの両方が扱える。
方が扱える
Windows, Mac, Linuxなど様々なＯＳで使える。
最近では携帯端末等でOpenGLの派生
最近では携帯端末等でOGLの派生の「OpenGL ES」が用いられている。

http://www.windows8downloads.com/win8-opengl-demo-xaoisyyk/screenshot.html

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発表の流れ
研究の背景と目的
設計システムの提案
 システムの概要と構成
 フランジ間の位置関係の算出
 配管経路の計算法
 干渉判定と干渉回避経路の自動生成
干渉判定 干渉回避経路 自動 成

本研究のまとめと今後の課題
本研究のまとめと今後の課題
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点群からのフランジの中心位置と向きの算出

レーザースキャナーなどから取得した点群データ
レ
ザ スキャナ などから取得した点群デ タからフランジ付きのパイプの検出

本研究では、パイプ部分を円筒、フランジ部分を本研究ではパイプ部分を円筒 フランジ部分を平面とみなし、平面と円筒を別々に検出することで容易に対象を判別する

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

複数検出される円筒と平面の中でも、円筒の中心線と直交する平面と円筒をフランジ付きのパイプとする

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

複数検出される円筒と平面の中でも、円筒の中心線と直交する平面と円筒をフランジ付きのパイプとする

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

フランジの中心位置と向きはパイプ部分を円筒、フランジ部分を平面として点群から検出

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

点群の中からランダムに点を抽出

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

近傍点を加えて初期クラスタとする

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

近傍点を加えて初期クラスタとする

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

暫定的に円筒の中心線を引き、中心線と各点群の距離と半径の誤差が一定値以下の場合円筒とみなす

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

円筒でないと判定された場合、暫定的な平面との誤差を計算し、その誤差が一定値以下なら平面とみなす

平面でもないと判定された場合はも定
初期クラスタを生成しなおす

点群からのフランジの中心位置と向きの算出
・クラスタの拡大
まだクラスタに所属していない点と中心線の距離を求め、その距離と半径の誤差が一定値以下ならば円筒クラスタに追加

点群からのフランジの中心位置と向きの算出
・クラスタの拡大
まだクまだクラスタに所属していない点とタ 所属
な 点と中心線の距離を求め、その距離と半径の誤差が 定値以下ならば円筒クラスタの誤差が一定値以下ならば円筒クラスタに追加
一通り点を見終わったら円筒の中心線を通り点を見終わ たら円筒の中心線を更新

点群からのフランジの中心位置と向きの算出
・クラスタの拡大
まだクまだクラスタに所属していない点とタ 所属な 点と中心線の距離を求め、その距離と半径の誤差が 定値以下ならば円筒クラスタの誤差が一定値以下ならば円筒クラスタに追加
一通り点を見終わったら円筒の中心線を通り点を見終わ たら円筒の中心線を更新追加する点がなくなったら新しい円筒あるいは平面を探す
平面でも同様にしてクラスタリングする点群からのフランジの中心位置と向きの算出
フランジ部分の平面と円筒の中心線の交点を求めるフランジの位置とする

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

フランジ部分の平面と円筒の中心線の交点を求めるフランジの位置とする
向きは交点から中心線に沿った位置の点群の数が少ない方に設定する

点群からのフランジの中心位置と向きの算出

フランジ部分の平面と円筒の中心線の交点を求めるフランジの位置とする
向きは交点から中心線に沿った位置の点群の数が少ない方に設定する

発表の流れ
研究の背景と目的
設計システムの提案
 システムの概要と構成
 フランジ間の位置関係の算出
 配管経路の計算法
 干渉判定と干渉回避経路の自動生成
干渉判定 干渉回避経路 自動 成

本研究のまとめと今後の課題
本研究のまとめと今後の課題
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配管経路の計算法
 フランジ間の位置関係に合わせて、一直線直線曲がり１個曲がり２個のいずれかで設計可能。

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配管経路の計算法
一直線の場合

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配管経路の計算法
曲がり１個の場合

R（曲げ半径） ＝ k（定数） × D（呼径）k :1~5の範囲で0.5刻みの値を指定できる。
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配管経路の計算法
曲がり２個の場合
BDcC
ACbAaとなるように点Ｃ点Ｃと点Ｄ点Ｄの座標を決定する。

DBa,, b,, c の値は任意に変更可能
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発表の流れ
研究の背景と目的
設計システムの提案
 システムの概要と構成
 フランジ間の位置関係の算出
 配管経路の計算法
 干渉判定と干渉回避経路の自動生成
干渉判定 干渉回避経路 自動 成

本研究のまとめと今後の課題
本研究のまとめと今後の課題
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干渉判定と干渉回避経路の自動生成 ２つのフランジ間に障害物（パイプ等）が通っている場合

 本システムでは、3Dスキャナで計測された点群データを基にフランジの位置関係を得るので、その間の障害物の点群データ障害物の点群データも存在する。
 点群データを用いて障害物回避経路障害物回避経路を設計可能。
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干渉判定

曲線部

直線部
障害物

点Ｑが球内部にあれば干渉あり
点 が球内部 あれば 渉あり
障害物

点Ｑが円柱内部にあれば干渉あり
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干渉判定
点群の削減範囲外の点群の削除

計算量を減らすフランジ周りの点群の削除

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干渉回避経路の自動生成 障害物との距離 干渉しないぎりぎりの経路では干渉しないぎりぎりの経路では、パイプの変形やパイプの変形や振動などでぶつかってしまう可能性がある。
 障害物との距離には余裕を持たせる必要がある。

 つかみ代
 パイプを曲げる際、パイプの両端を掴んで、円形の金型に沿って曲げるという方法がとられる。
 パイプを掴めるだけの長さ（Ｎ、Ｚ）が必要

HYPREX社製「ＹＰＢ 704Ｆパイプベンダ 」
HYPREX社製「ＹＰＢ-704Ｆパイプベンダー」

特許：「パイプ曲げ加工条件算出システム、パイプ曲げ加工条件算出プログラム、およびパイプベンダ」

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干渉回避経路の自動生成
探索方法

R ＝ a × D（呼径）M, N： つかみ代～ｘ, 10mmずつ（ｘは任意で変更可。初期値：ＡＢ/2 ）a： 1~5の値, 0.5刻み

Ｍ、Ｎ、aの値の組み合わせを、つかみ代や障害物との距離の制約を満たしつつ、最短経路となるように、の制約を満たし、最短経路となるように、全数探索により求める。
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干渉回避経路の自動生成シミュレーション～干渉判定メソッド～

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干渉回避経路の自動生成シミュレーション～干渉回避経路の自動生成～42

干渉回避経路の自動生成シミュレーション～スライダーで調整～

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発表の流れ
研究の背景と目的
設計システムの提案
 システムの概要と構成
 フランジ間の位置関係の算出
 配管経路の計算法
 干渉判定と干渉回避経路の自動生成
干渉判定 干渉回避経路 自動 成

本研究のまとめと今後の課題
本研究のまとめと今後の課題
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まとめ
現場合わせ管の設計システムの構築
 点群データからフランジ間の位置関係を計算
 フランジ間の配管経路の設計
 パイプベンダーの能力、障害物との干渉を考慮
 経路の自動生成

今後の課題
フランジ穴の検出
９０度（４５度）エルボのパイプのみで設計
９０度（４５度） ルボの イプのみで設計
施工場所によってはパイプを任意の角度に曲げることができず、90度しか曲げられないこともある

実データでシミュレーション
実デ タでシミ レ ション
Kinectやその他３Ｄスキャナの点群データを用いる
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付録

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パイプベンダー
配管施工方法
エルボ溶接配管
エルボ曲げ配管

中小企業庁関東経済産業局：「プラント配管用ベンド管の減肉しない曲げ加工技術の開発」より

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曲がり点
方向ベクトルの交点が赤枠空間内にないときは、曲がり２個

48

パイプつかみ代

東北パイプターン工業株式会社HPより

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干渉判定
• 直線部

H

A

H

r

RHd
Q

t<0
干渉なし
渉なQ

Q

0≦t≦1
d=HQ
r < d のとき、干渉なしのとき 干渉なし
r > d のとき、干渉あり

1<t
干渉なし
渉な

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干渉判定
• 曲がり部rdQr < d のとき、干渉なし
r > d のとき、干渉ありのとき 干渉あり
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衝突判定メソッドの修正• フランジ周りの点群の削除
誤差

T

A

S

計測位置
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衝突判定メソッドの修正
• 直線部

H

A

Hr

R

HdQ

t<0
衝突な衝突なし

Q

Q

0≦t≦1
d=HQr < d のとき、衝突なしのとき 衝突なし
r > d のとき、衝突あり

1<t
衝突な衝突なし

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ＤＸＦ

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回転角（ねじれ角度）の計算法

Ｂ

緑平面へ射影

B’D

φA’
A
M

A

C

点Ｍを通り直線ＣＤに垂直な平面

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ｓｔｌファイルの生成

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