СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ РАЗМЕРОВ ДЛЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING PRODUCTION DIMENSIONS FOR CONNECTION ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу и к системе для определения производственных размеров для соединительного элемента в соответствии с ограничительными частями приложенных пунктов формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Методы сборки с предварительным изготовлением сборочных блоков широко используются при строительстве судов. При сборке с предварительным изготовлением судно собирается из предварительно изготовленных сборочных блоков, т. е. корабельных блоков, которые построены отдельно. Каждый корабельный блок обычно содержит одну или более секций, которые образованы из обрезанных "в размер" стальных листов, которые обеспечены профилями, упорными стойками и боковыми стенками. Эти корабельные блоки оснащены большей частью электрооборудования и большей частью трубопроводов и путепроводов для отопления, подвода воды и вентиляции до того, как корабельные блоки будут соединены вместе. Остальная часть сборочно-установочных работ выполняется после соединения между собой корабельных блоков.
С использованием предварительного изготовления строительство судна осуществляется быстрее по сравнению с другими известными способами построения судов. Кроме того, поскольку, как правило, корабельные блоки построены на внутризаводских стапелях при управляемых внешних условиях, то и качество строительства выше.
Несмотря на вышеупомянутые преимущества, известные методы строительства судов, основанные на предварительном изготовлении сборочных блоков, имеют существенный недостаток, который относится к соединительным элементам, таким как трубопроводы и различные каналы, которые соединены между двумя конструктивными элементами в области соединения двух соединенных между собой корабельных блоков. В известных методах строительства судов производственные размеры этих соединительных элементов измеряются на месте внутри корабельных блоков после того, как блоки судна соединены вместе. В результате этого соединительные элементы не могут быть изготовлены заранее, так чтобы они были готовы к установке сразу же после того, как корабельные блоки будут соединены вместе. Это задерживает строительство судна, поскольку другие этапы строительства должны быть отложены. В зависимости от количества и сложности соединительных элементов, которые будут установлены в соединительных областях корабельных блоков, задержка обычно составляет от нескольких часов до нескольких дней или даже до нескольких недель.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Главная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы уменьшить или даже устранить представленные выше проблемы предшествующего уровня техники.
Задачей настоящего изобретения является обеспечить способ и систему для определения производственных размеров для соединительного элемента, который должен быть установлен между двумя конструктивными элементами в соединительной области двух взаимно соединенных конструктивных блоков. Кроме того, задачей изобретения является также обеспечить способ и систему, позволяющие быстро и безопасно определять производственные размеры для соединительного элемента, который должен быть установлен между двумя конструктивными элементами в соединительной области двух взаимно соединенных конструктивных блоков.
Еще одной задачей настоящего изобретения является - обеспечить способ и систему, позволяющие сократить время строительства корабля или другой морской конструкции, которая строится из предварительно изготовленных собираемых блоков.
Для того чтобы решить вышеупомянутые задачи способ и система по настоящему изобретению отличаются тем, что представлено в отличительных частях приложенных независимых пунктов формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением обычный способ определения производственных размеров для соединительного элемента, который должен быть включен между первым конструктивным элементом в первом конструктивном блоке и вторым конструктивным элементом во втором конструктивном блоке, который подсоединен к первому конструктивному блоку, включает в себя:
- сканирование первого и второго конструктивных блоков посредством по меньшей мере одного лазерного сканера, для того чтобы получить облака точек концов конструктивных блоков, которые предназначены для соединения между собой, и
- сравнение облаков точек с трехмерными цифровыми моделями первого и второго конструктивных блоков для получения производственных размеров для соединительного элемента.
В способе по настоящему изобретению этап сканирования первого и второго конструктивных блоков по меньшей мере одним лазерным сканером выполняется до того, как эти конструктивные блоки будут соединены вместе. Предпочтительно также, чтобы этап сравнения облаков точек с трехмерными цифровыми моделями первого и второго конструктивных блоков тоже был осуществлен до того, как конструктивные блоки будут соединены вместе. Таким образом, изготовление соединительного элемента может быть начато на ранней стадии, с тем, чтобы соединительный элемент был готов к установке сразу же после того, как корабельные блоки будут соединены вместе.
В способе согласно изобретению концы конструктивных блоков, которые должны быть соединены между собой, сканируются для получения облаков точек концов конструктивных блоков. Конструктивные элементы, между которыми должен быть установлен соединительный элемент, видны по концам конструктивных блоков. Таким образом, облака точек содержат данные о конструктивных элементах. Такие данные могут содержать, например, концы конструктивных элементов, к которым будет присоединен соединительный элемент. Концы конструктивных блоков обычно сканируют по одному концу за один раз, но можно также использовать столько лазерных сканеров, сколько необходимо, чтобы концы конструктивного блока можно было сканировать одновременно.
Каждое облако точек представляет собой конец конструктивного блока как набор точечных данных в трехмерной системе координат. Эти точечные данные определяются координатами X, Y и Z. Облака точек создаются с использованием одного или более лазерных сканеров, которые измеряют большое количество точек на поверхности конца конструктивного блока. Когда используется только один лазерный сканер, сканирование конца конструктивного блока обычно должно осуществляться в несколько этапов. На каждом этапе лазерный сканер помещают в новом месте, так чтобы можно было отсканировать все части конца конструктивного блока. Затем результаты сканирования объединяют для получения облака точек конца конструктивного блока. Когда конец конструктивного блока сканируют с использованием множества лазерных сканеров, количество лазерных сканеров, предпочтительно, выбирают таким образом, чтобы конец конструктивного блока можно было отсканировать в одном этапе. Лазерные сканеры размещаются на соответствующих расстояниях один от другого, чтобы можно было отсканировать всю площадь конца конструктивного блока.
В способе по настоящему изобретению, для того чтобы получить производственные размеры для соединительного элемента облака точек сравнивают с трехмерными цифровыми моделями конструктивных блоков. Производственные размеры включают в себя данные, которые необходимы для того, чтобы изготовить соединительный элемент с правильными размерами между первым конструктивным элементом в первом конструктивном блоке и вторым конструктивным элементом во втором конструктивном блоке. Производственные размеры могут включать в себя, например, длину, ширину и высоту соединительного элемента или координаты концов соединительного элемента, каковые концы должны быть подсоединены к конструктивным элементам.
Трехмерная цифровая модель конструктивного блока представляет собой модель компьютерного автоматизированного проектирования (САПР), которая используется при построении конструктивного блока. Облака точек концов первого и второго конструктивных блоков выставляют в соответствующих трехмерных цифровых моделях и сравнивают для получения разностей. Эти разности используют для получения производственных размеров для соединительного элемента. Эти разности могут выводиться на дисплей в виде цветовых карт, которые дают визуальное представление об отклонении между изготовленным конструктивным блоком и его цифровой моделью.
В то время как облака точек можно визуализировать и анализировать непосредственным образом, сами облака точек в трехмерных приложениях, как правило, напрямую использоваться не могут, и поэтому их обычно преобразуют в полигональные ячеистые модели или в треугольные ячеистые модели, в NURBS-модели поверхности или в модели САПР посредством процесса, обычно называемого поверхностной реконструкцией. Существует много способов преобразования облака точек в трехмерную поверхность. В некоторых подходах, подобным триангуляции Делоне, альфа-формам и "шаровым шарнирным соединениям", над существующими вершинами облака точек строится сеть треугольников, в то время как в других подходах осуществляется преобразование облака точек в поле объемного расстояния и реконструкция определенной таким образом неявной поверхности посредством алгоритма "маршевых кубов".
В соответствии с вариантом осуществления изобретения этап сканирования первого и второго конструктивных блоков по меньшей мере одним лазерным сканером включает в себя для каждого конструктивного блока сканирование конца конструктивного блока по меньшей мере одним лазерным сканером при его различных положениях и (или) направлениях, сбор данных сканирования от по меньшей мере одного лазерного сканера, и обработку данных сканирования, чтобы создать облако точек конца конструктивного блока. Количество позиций сканирования зависит, например, от размера концевой части конструктивного блока, который сканируется, а также от характеристик используемого лазерного сканера или сканеров. Направление сканирования может изменяться, например, в зависимости от того, сканируется ли центральная область или краевая область конца конструктивного блока.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения расстояние между соседними положениями сканирования составляет менее чем 10 метров. Расстояние между соседними положениями сканирования, предпочтительно, составляет менее чем 8 метров, а более предпочтительно, менее чем 6 метров. Преимущество меньшего расстояния между соседними положениями сканирования заключается в большей точности сканирования. Однако, поскольку меньшее расстояние между соседними положениями сканирования обычно увеличивает количество операций сканирования, а, значит, и общее время сканирования, то расстояние между соседними положениями сканирования, предпочтительно, составляет не менее 2 метров.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения этап сравнения облаков точек с трехмерными цифровыми моделями первого и второго конструктивных блоков включает в себя вычисление положений конструктивных элементов в облаках точек по отношению к конструктивным элементам в трехмерных цифровых моделях, и вычисление производственных размеров для соединительного элемента, используя упомянутые положения и данные в трехмерных цифровых моделях. Вычислением положения конструктивных элементов в облаках точек по отношению к конструктивным элементам в трехмерных цифровых моделях получают отклонения конструктивных элементов от их проектных положений. Используя эту информацию и данные в трехмерных цифровых моделях, могут быть рассчитаны производственные размеры для соединительного элемента. Предпочтительно, вычисляют положения концов конструктивных элементов в облаках точек по отношению к концам конструктивных элементов в трехмерных цифровых моделях. Под концами конструктивных элементов имеются в виду концы, между которыми должен вставляться соединительный элемент. Предпочтительно, чтобы при этом первый конец соединительного элемента был соединен с концом первого конструктивного элемента, а второй конец соединительного элемента был соединен с концом второго конструктивного элемента.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ включает в себя совмещения каждого облака точек с соответствующей трехмерной цифровой моделью, используя в качестве опорной точки структуру, отличную от конструктивного элемента. Структурой, которая используется в качестве опорной точки в процессе совмещения, предпочтительно, является структура, близкая к конструктивному элементу. Такая структура может представлять собой, например, пол или стенку в конструктивном блоке.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ включает в себя создание изометрического чертежа соединительного элемента. Изометрический чертеж является формой трехмерной проекции, в которой все главные плоскости элемента изображены параллельно соответствующим установленным координатным осям и в своих истинных размерах. Этот изометрический чертеж способствует визуализации и пониманию того, как будет выглядеть соединительный элемент, и таким образом делает изготовление соединительного элемента более легким.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения соединительный элемент и конструктивные элементы представляют собой одно из следующего: трубопровода, воздуховода, кабелепровода или рамы для внутренней конструкции. Обычно соединительный элемент и конструктивные элементы являются элементами одного и того же типа. Например, соединительный элемент может быть трубой, которая подсоединена к концам трубопроводов в конструктивных элементах. Соединительный элемент и конструктивные элементы, предпочтительно, выполнены, главным образом, из металла, такого как сталь.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения конструктивные блоки представляют собой одно из следующего: корабельный блок и (или) конструктивный блок, находящийся на воде. Конструктивные блоки, предпочтительно, выполнены, главным образом, из металла, такого как сталь.
Настоящее изобретение также относится к системе для определения производственных размеров для соединительного элемента, который должен быть включен между первым конструктивным элементом в первом конструктивном блоке и вторым конструктивным элементом во втором конструктивном блоке, который подсоединен к первому конструктивному блоку. Типичная система в соответствии с настоящим изобретением содержит:
- по меньшей мере один лазерный сканер для сканирования первого и второго конструктивных блоков, чтобы получить данные сканирования концов конструктивных блоков, которые должны быть соединены между собой, и
- средство обработки данных для создания, используя данные сканирования, облаков точек концов конструктивных блоков и сравнения этих облаков точек с трехмерными цифровыми моделями первого и второго конструктивных блоков для получения производственных размеров для соединительного элемента.
Средство обработки данных, предпочтительно, является компьютером, который содержит память и по меньшей мере один процессор и компьютерный программный код в памяти.
Компьютерный программный код написан с возможностью - будучи исполненным на по меньшей мере одном процессоре, - активизации системы на генерацию облаков точек концов конструктивных блоков и сравнения этих облаков точек с трехмерными цифровыми моделями конструктивных блоков для получения производственных размеров для соединительной трубы. Компьютер может быть подсоединен к дисплею и к по меньшей мере одному устройству ввода. Используя дисплей и устройство (устройства) ввода, пользователь может выборочно работать с данными, которые управляются компьютером, и видеть их. Устройство ввода может быть клавиатурой, "мышью", шариковой ручкой, ручкой и стилусом, или же системой распознавания голоса. Устройство ввода может быть также связанным с дисплеем сенсорным экраном.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения лазерный сканер является фазовым лазерным сканером. Лазерный сканер может быть, например, лазерным сканером класса 3R.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения лазерный сканер является лазерным сканером с серой шкалой яркости.
Настоящее изобретение может найти применение во многих технических областях, таких как судостроение и строительство морских сооружений, где различные соединительные элементы, такие как трубопроводы и воздуховоды, устанавливают внутри блоков кораблей и морских сооружений после их соединения. Настоящее изобретение может быть применено также в строительной промышленности для строительства многоэтажных зданий, имеющих стальную конструкцию.
Преимущество изобретения заключается в том, что оно сокращает время создания конструкции, которая построена из предварительно изготовленных сборочных блоков. В соответствии с изобретением производственные размеры для соединительного элемента, который должен быть установлен между двумя конструктивными элементами в двух взаимно соединенных конструктивных блоках, определяются до того, как эти конструктивные будут соединены вместе, тем самым соединительный элемент может быть изготовлен заранее, так чтобы он был готов к установке сразу же после того, как конструктивные блоки будут соединены вместе.
Другим преимуществом изобретения является то, что он позволяет безопасно и быстро определять производственные размеры для соединительного элемента, который должен быть установлен между двумя конструктивными элементами в двух взаимно соединенных конструктивных блоках.
Еще одним преимуществом изобретения состоит в том, что он позволяет точно определять производственные размеры для соединительного элемента, который должен быть установлен между двумя конструктивными элементами в двух взаимно соединенных конструктивных блоках.
Представленные в этом тексте иллюстративные варианты осуществления изобретения, не следует интерпретировать как ограничивающие применимость приложенных пунктов формулы изобретения. Глагол "содержать" используется в данном тексте как открытое ограничение, которое не исключает наличия также и не перечисленных признаков. Признаки изобретения, перечисленные в зависимых пунктах формулы изобретения, могут взаимно свободно комбинироваться, если явно не указано иное.
Иллюстративные варианты осуществления, представленные в этом тексте и их преимуществах, относятся посредством применимых частей к способу, а также к системе в соответствии с изобретением, хотя это не всегда упоминается отдельно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует блок-схему способа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения для определения производственных размеров для соединительного элемента,
Фиг. 2 иллюстрирует использование системы в соответствии с вариантом осуществления изобретения для определения производственных размеров для соединительной трубы, и
Фиг. 3 иллюстрирует пример соединительной трубы, которая установлена внутри двух взаимно соединенных между собой корабельных блоков.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для одних и тех же или похожих компонентов в разных вариантах осуществления используются одни и те же ссылочные позиции.
Фиг. 1 показывает блок-схему способа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения для определения производственных размеров для соединительного элемента, который должен быть соединен между первым конструктивным элементом в первом конструктивном блоке и вторым конструктивным элементом во втором конструктивном блоке.
На этапе 110 первый и второй конструктивные блоки сканируют посредством по меньшей мере одного лазерного сканера, для того чтобы получить облака точек концов конструктивных блоков, которых предстоит соединить между собой. Конструктивные элементы, между которыми должен быть установлен соединительный элемент, являются видимыми с концов конструктивных блоков. Этап 110 содержит подэтапы 111, 112 и 113, которые выполняют до того, как конструктивные блоки будут соединены вместе.
На подэтапе 111 концы конструктивных блоков сканируют посредством по меньшей мере, одного лазерного сканера из разных положений и (или) под разными направлениями. Количество позиций сканирования зависит от размера конструктивного блока, который сканируется, а также от характеристик используемого лазерного сканера или сканеров. Направление сканирования может изменяться в зависимости от того, сканируется ли центральная область или краевая область конца конструктивного блока.
На подэтапе 112 собирают данные сканирования по меньшей мере от одного лазерного сканера. На подэтапе 113 эти данные сканирования обрабатывают для создания облаков точек концов конструктивного блока. Каждое облако точек представляет собой конец конструктивного блока в виде набора точек данных в трехмерной системе координат. Облака точек содержат данные о конструктивных элементах, например данные о концах конструктивных элементов, к которым должен быть подсоединен соединительный элемент.
На этапе 120 облака точек сравнивают с трехмерными цифровыми моделями первого и второго конструктивных блоков, для того чтобы получить производственные размеры для соединительного элемента. Трехмерная цифровая модель конструктивного блока представляет собой модель компьютерного автоматизированного проектирования (САПР), которая используется при построении конструктивного блока. Производственные размеры включают в себя обязательные данные, которые необходимы для того, чтобы изготовить соединительные элементы правильного размера между конструктивными элементами. Этап 120 содержит подэтапы 121, 122 и 123.
На подэтапе 121 облака точек выставляют в соответствующей трехмерной цифровой модели с использованием в качестве опорной точки структуру, отличную от конструктивного элемента. Структура, которая при совмещении облаков точек используется в качестве точки отсчета, представляет собой структуру, близкую к конструктивному элементу.
На подэтапе 122 вычисляют положения конструктивных элементов в облаках точек по отношению к конструктивным элементам в трехмерных цифровых моделях, а на подэтапе 123 на основании использования упомянутых положений и данных в трехмерных цифровых моделях вычисляют производственные размеры соединительного элемента. Вычислением положения конструктивных элементов в облаках точек относительно конструктивных элементов в трехмерных цифровых моделях получают отклонения конструктивных элементов от их конструкций. А используя эту информацию и данные в трехмерных цифровых моделях, можно рассчитать производственные размеры соединительного элемента.
На этапе 130 создается изометрический чертеж соединительного элемента. Изометрический чертеж представляет собой форму трехмерной проекции, в которой все главные плоскости изображены параллельно соответствующим установленным координатным осям и в истинных размерах.
Фиг. 2 иллюстрирует использование системы в соответствии с вариантом осуществления изобретения для определения производственных размеров для соединительной трубы, которая должна быть соединена между первым трубопроводом 201 в первом корабельном блоке 202 и вторым трубопроводом 203 во втором корабельном блоке 204.
Система содержит лазерный сканер 205 для сканирования концов 206 и 207 корабельных блоков 202 и 204, которые необходимо соединить между собой. Корабельные блоки 202 и 204 сканируют по одному блоку за один раз в несколько этапов. На каждом этапе лазерный сканер 205 помещают иное положение относительно корабельных блоков 202 или 204, так чтобы можно было отсканировать все части конца 206 или 207 корабельных блоков. Концы 208 и 209 трубопроводов 201 и 203, между которыми необходимо установить соединительную трубу, видны с концов 206 и 207 корабельных блоков.
Данные сканирования передают на компьютер 210, который содержит память и по меньшей мере один процессор, а также компьютерной программный код в памяти. Компьютерный программный код написан с возможностью - будучи исполненным на по меньшей мере одном процессоре, - активизации системы на генерацию облаков точек концов 206 и 207 корабельных блоков, используя полученные данные сканирования, и сравнения эти облаков точек с трехмерными цифровыми моделями корабельных блоков 202 и 204 с целью получения производственных размеров для соединительной трубы. При сравнении облаков точек с трехмерными цифровыми моделями корабельных блоков 202 и 204 каждое облако точек выставляют в соответствующей трехмерной цифровой модели с использованием в качестве опорной точки стенки 211 или 212, близкой к концу 208 или 209 трубопроводов 201 или 203, вычисляют положения концов 208 и 209 трубопроводов в облаках точек по отношению к концам 208 и 209 трубопроводов в трехмерных цифровых моделях, и, используя упомянутые положения и данные в трехмерных цифровых моделях, вычисляют производственные размеры для соединительной трубы. Кроме того, компьютерный программный код написан с возможностью - будучи исполненным на по меньшей мере одном процессоре, - активизации системы на создание изометрического чертежа соединительной трубы. Этот изометрический чертеж способствует визуализации и пониманию того, как будет выглядеть соединительная труба, и таким образом облегчает изготовление соединительной трубы.
Компьютер 210 подключен к дисплею 213 и к двум устройствам ввода - к клавиатуре 214 и к "мыши" 215. Используя дисплей 213 и устройства 214 и 215 ввода, пользователь может выборочно работать с данными, которые управляются компьютером 210 и обрабатываются им, а также просматривать их.
Фигура 3 показывает поперечное сечение двух взаимно связанных между собой корабельных блоков 202 и 204, внутри которых установлена приведенная в качестве примера соединительная труба 301. Один конец 302 соединительной трубы 301 подсоединен к концу 208 первого трубопровода 201 в первом корабельном блоке 202, а другой конец 303 соединительной трубы 301 подсоединен к концу 209 второго трубопровода 203 во втором корабельном блоке 204. Производственные размеры соединительной трубы 301 будут определены посредством системы в соответствии с изобретением, прежде чем корабельные блоки 202 и 204 будут соединены вместе.
На фигурах описаны только предпочтительные примерные варианты осуществления изобретения. Специалисту в данной области будет ясно, что изобретение не ограничено только представленными выше примерами, но может изменяться в пределах приложенных ниже пунктов формулы изобретения. Некоторые возможные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения, и они не должны рассматриваться как ограничивающие объем защиты настоящего изобретения как такового.