導(dǎo)管架腳印圖出圖方法優(yōu)化研究

宋 春，郭雪琦，喬向國(guó)，李文勝，劉 通，高海峰

中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266555

1 概述

在導(dǎo)管架加工設(shè)計(jì)工作中，腳印圖是指撐桿馬鞍口外邊緣在弦桿表面所成輪廓的展開(kāi)圖，用于桿件安裝施工中的精確定位，是結(jié)構(gòu)管單件圖繪制的難點(diǎn)部分。結(jié)構(gòu)管單件圖中腳印圖具體示例見(jiàn)圖1。在導(dǎo)管架安裝施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)安裝圖和結(jié)構(gòu)管單件圖配套使用[1]。前者僅含桿件中心線位置信息，難以直接指導(dǎo)施工，所以需要將后者的腳印輪廓放樣到弦桿表面，以實(shí)現(xiàn)撐桿在弦桿上的精確定位。

圖1 結(jié)構(gòu)管單件圖中的腳印圖

TEKLA軟件雖有展開(kāi)圖出圖功能[2-3]，但由于撐桿不對(duì)弦桿進(jìn)行實(shí)體切割，展開(kāi)圖不含腳印輪廓，所以無(wú)法利用軟件直接出圖。

按照傳統(tǒng)的腳印圖繪制方法，每次作圖前都要在TEKLA模型中進(jìn)行多次視圖方向切換和空間尺寸測(cè)量操作，以完成腳印圖中上、下、左、右4個(gè)定位點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)算工作。但導(dǎo)管架中的桿件多為空間方向，視圖切換操作更為繁瑣復(fù)雜，測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)的捕捉更加困難易錯(cuò)。

以陸豐12-3WHP項(xiàng)目為例，導(dǎo)管架整體尺寸達(dá)到85 m×85 m×253 m（寬×長(zhǎng)×高），節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜多樣。如果不算井口基盤(pán)結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目總桿件數(shù)量超過(guò)500根，需要繪制的腳印輪廓多達(dá)1 000多個(gè)。傳統(tǒng)繪圖方法的效率和質(zhì)量已難以滿足項(xiàng)目工期和安裝精度要求。陸豐12-3WHP導(dǎo)管架的TEKLA模型見(jiàn)圖2。

圖2 陸豐12-3 WHP導(dǎo)管架模型

2 傳統(tǒng)出圖方法的步驟

首先在模型中進(jìn)行多次視圖創(chuàng)建和尺寸測(cè)量工作，然后根據(jù)測(cè)量值計(jì)算繪圖尺寸，最后在CAD中進(jìn)行圖形繪制。具體步驟如下。

2.1 模型測(cè)量

在TEKLA模型中進(jìn)行如下操作：

（1）選擇與弦桿和撐桿同時(shí)平行的視圖，將工作平面設(shè)置為平行于視圖平面。

（2）選取弦桿軸線上兩端點(diǎn)，使用“兩點(diǎn)創(chuàng)建視圖”功能創(chuàng)建新視圖（記作視圖a），將工作平面設(shè)置為平行于視圖平面。

（3）在視圖a中，使用“增加輔助線”功能創(chuàng)建參考線。

（4）僅顯示當(dāng)前測(cè)量對(duì)象，隱藏其他實(shí)體。

（5）測(cè)量4個(gè)定位點(diǎn)與參考線之間的水平距離。

（6）在原視圖中沿直徑方向選取弦桿上兩點(diǎn)，使用“兩點(diǎn)創(chuàng)建視圖”功能創(chuàng)建垂直于弦桿軸線的新視圖（記作視圖b），將工作平面設(shè)置為平行于視圖平面。

（7）在視圖b中，測(cè)量弦桿圓心和弦桿焊縫的連線與撐桿軸線之間的夾度。

（8）在視圖b中，以弦桿軸心為圓心，分別測(cè)量撐桿和弦桿外壁兩個(gè)交點(diǎn)與弦桿焊縫之間的夾角。

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)測(cè)量值，結(jié)合參考線和0°線在CAD中確定的基準(zhǔn)點(diǎn)位置，分別計(jì)算左、右、上和下4個(gè)定位點(diǎn)在CAD中的坐標(biāo)值。

2.3 圖形繪制

首先繪制4個(gè)定位點(diǎn)，然后以相鄰兩點(diǎn)為長(zhǎng)、短半軸端點(diǎn)，分別繪制4個(gè)橢圓弧，作為腳印圖的近似圖形。

3 傳統(tǒng)出圖方法的缺點(diǎn)

（1）測(cè)量過(guò)程復(fù)雜。至少需在模型中進(jìn)行2次視圖創(chuàng)建和7次尺寸測(cè)量，傾斜方向桿件的測(cè)量過(guò)程更加繁瑣。

（2）測(cè)量精度不足。部分切點(diǎn)在測(cè)量中難以精確捕捉，導(dǎo)致上下定位點(diǎn)的水平坐標(biāo)精度不足，只能用于輪廓繪制，而不能用作精確定位點(diǎn)。

（3）整體擬合度低。除定位點(diǎn)之外的輪廓都用橢圓弧代替，導(dǎo)致某些情況下腳印圖走樣嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)只能根據(jù)左、右定位點(diǎn)進(jìn)行組對(duì)施工，不利于精度控制和錯(cuò)誤檢查。擬合腳印示例相對(duì)于實(shí)際腳印的輪廓偏差見(jiàn)圖3中的弦桿展開(kāi)圖。

圖3 兩桿相交的三視圖、斜視圖和弦桿展開(kāi)圖

（4）錯(cuò)誤率高。視圖創(chuàng)建方向不準(zhǔn)確，誤操作導(dǎo)致視圖方向輕微旋轉(zhuǎn)，空間點(diǎn)捕捉錯(cuò)誤，尺寸方向測(cè)量錯(cuò)誤，這些都有可能導(dǎo)致腳印變形、反向或偏移，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

4 出圖方法的第一次優(yōu)化

4.1 優(yōu)化思路

首先分析輸入輸出條件，確定繪圖所需最簡(jiǎn)參數(shù)，減少測(cè)量次數(shù)，簡(jiǎn)化測(cè)量步驟；然后通過(guò)分析計(jì)算，確定輸入?yún)?shù)與繪圖數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系；最后利用AutoLISP語(yǔ)言編制繪圖程序，實(shí)現(xiàn)圖形繪制的自動(dòng)化。

弦桿與撐桿相交的一般情況見(jiàn)圖3，其中包括各關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵參數(shù)在三視圖、斜視圖和弦桿展開(kāi)圖共5個(gè)視角下的對(duì)應(yīng)位置。結(jié)合圖3進(jìn)行具體的優(yōu)化分析計(jì)算。

4.2 輸入輸出條件分析

輸入條件：

（1）腳印圖的形狀可由以下參數(shù)唯一確定：弦桿半徑R、撐桿半徑r、兩桿交角a和兩桿中心線距離E。

（2）腳印圖的定位可由以下參數(shù)唯一確定：基準(zhǔn)點(diǎn)（參考線與0°線的交點(diǎn)） 在CAD圖紙中的坐標(biāo)值（x0，y0），腳印圖點(diǎn)L（左定位點(diǎn)） 相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值（x10，y10）。

上述8個(gè)參數(shù)中，a、E、x10、y10這4個(gè)參數(shù)需在模型中測(cè)量。

輸出結(jié)果：腳印圖上任意點(diǎn)P在CAD圖紙中的坐標(biāo)位置，記作（xp，yp）。

4.3 幾何分析計(jì)算

計(jì)算腳印圖軌跡的本質(zhì)是求解兩桿柱面交點(diǎn)在弦桿柱面展開(kāi)圖中的坐標(biāo)，其求解方法包括純幾何計(jì)算、柱面標(biāo)準(zhǔn)方程聯(lián)立計(jì)算和柱面向量參數(shù)方程聯(lián)立計(jì)算。經(jīng)比較，最后一種方法計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖3中，點(diǎn)L和P分別為腳印上的左定位點(diǎn)和任意點(diǎn)，θr是點(diǎn)P在撐桿橫截面上對(duì)應(yīng)的方位角，各參數(shù)規(guī)定為正方向。以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸沿弦桿軸線向量方向，X軸沿?fù)螚U軸線向量在弦桿截面上投影的反方向，建立空間坐標(biāo)系。

結(jié)合圖3，以輸入?yún)?shù)R、r、a、E為已知量，θr為自變量，求解點(diǎn)P在弦桿展開(kāi)圖中的坐標(biāo) （xp，yp）。

4.4 程序編制

由于需要在CAD中創(chuàng)建圖形，所以選擇CAD的內(nèi)置語(yǔ)言AutoLISP進(jìn)行編程。

根據(jù)繪圖功能需求，分析幾何實(shí)體樣條曲線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[5]，編制五個(gè)子函數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、數(shù)值計(jì)算、定位點(diǎn)繪制、腳印圖繪制、定位點(diǎn)和腳印圖的分割移動(dòng)功能，然后使用主程序依次調(diào)用。

程序編制過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題、原因分析及解決辦法如下：

4.4.1 定位尺寸不準(zhǔn)確

原因：使用繪圖命令對(duì)圖形進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整到捕捉點(diǎn)位置。

解決：程序中修改控制環(huán)境變量osmode的取值，繪圖前自動(dòng)取消對(duì)象捕捉，繪圖后自動(dòng)復(fù)原。

4.4.2 剪切命令有時(shí)失效

原因：操作對(duì)象處于視圖窗口之外時(shí)，剪切命令不被執(zhí)行。

解決：對(duì)圖元的處理有兩種方式，第一種是使用command函數(shù)調(diào)用各種繪圖命令，第二種是使用entmake和entmod函數(shù)直接對(duì)圖元數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建和修改。前者簡(jiǎn)便易用，后者強(qiáng)大高效。所以解決辦法是改用第二種圖元處理方式。

4.4.3 腳印圖形有時(shí)不顯示

原因：計(jì)算機(jī)符點(diǎn)運(yùn)算誤差導(dǎo)致負(fù)數(shù)開(kāi)方運(yùn)算，進(jìn)而引起程序執(zhí)行中斷。

解決：開(kāi)方之前進(jìn)行判斷，被開(kāi)方數(shù)為負(fù)時(shí)修正為0。

4.5 進(jìn)步與不足

進(jìn)步：

（1） 出圖效率提升。對(duì)傳統(tǒng)出圖方法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化之后，測(cè)量值由7個(gè)縮減至4個(gè)，測(cè)量步驟減少一半，繪圖過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，出圖效率顯著提高。

（2） 腳印擬合度提升。采用計(jì)算值描點(diǎn)繪制樣條曲線，代替4段橢圓弧近似模擬的繪圖方法，實(shí)現(xiàn)了腳印整體輪廓的完全擬合，方便施工現(xiàn)場(chǎng)的精度控制。

不足：

（1）仍未免除模型測(cè)量步驟。模型手工測(cè)量過(guò)程的存在是提高出圖效率和準(zhǔn)確率的最大制約因素。應(yīng)用優(yōu)化方法出圖時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量錯(cuò)誤和誤差雖有減少但仍然存在，其中測(cè)量值符號(hào)判斷錯(cuò)誤成為主因。

（2）未實(shí)現(xiàn)批量化出圖。每次出圖僅完成一個(gè)腳印圖的自動(dòng)繪制，未實(shí)現(xiàn)多個(gè)腳印圖的批量繪制，這是出圖效率的又一制約因素。

5 出圖方法的第二次優(yōu)化

5.1 優(yōu)化思路

針對(duì)第一次優(yōu)化后的不足，研究TEKLA模型導(dǎo)出文件，編寫(xiě)相應(yīng)程序?qū)ζ溥M(jìn)行數(shù)據(jù)提取、計(jì)算分析和符號(hào)判斷，以取代手工測(cè)量過(guò)程；每個(gè)導(dǎo)出文件應(yīng)包含多個(gè)桿件信息，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量處理和圖形的批量繪制。

5.2 輸入輸出條件分析

輸出結(jié)果：本次優(yōu)化是在初次優(yōu)化的基礎(chǔ)上向前延伸，所以除了（x0，y0） 只能從CAD圖紙中獲取外，其余輸入條件應(yīng)作為本次優(yōu)化的輸出結(jié)果，包括R、r、a、E和（x10，y10）。

輸入條件：要提取模型數(shù)據(jù)作為輸入條件，就要選擇合適的模型導(dǎo)出文件。TEKLA軟件可導(dǎo)出的文件格式繁多，包括NC、DGN、CAD、SDNF、STEP等。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其中NC文件是標(biāo)準(zhǔn)XML格式，文件結(jié)構(gòu)規(guī)則，便于數(shù)據(jù)提取，有效信息全面，包含弦桿和撐桿編號(hào)、直徑及起止點(diǎn)三維坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，所以適合選用。

源自NC文件的輸入條件定義如下：弦桿軸線起點(diǎn)坐標(biāo)Pms，終點(diǎn)坐標(biāo)Pme，直徑D；撐桿軸線起點(diǎn)坐標(biāo)Pbs，終點(diǎn)坐標(biāo)Pbe，直徑d。

源自模型查詢的輸入條件定義如下：基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)Pds，從基準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)在展開(kāi)方向上選取一點(diǎn)，坐標(biāo)Pde。

后面均以坐標(biāo)符號(hào)代指各點(diǎn)本身。

5.3 坐標(biāo)和向量分析計(jì)算

5.3.1 符號(hào)定義

在輸入輸出條件符號(hào)定義的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充定義以下符號(hào)：

5.3.2 輸入?yún)?shù)修正

5.3.2.1 弦桿軸線起點(diǎn)Pms和終點(diǎn)Pme坐標(biāo)

5.3.2.2 撐桿軸線起點(diǎn)Pbs和終點(diǎn)Pbe坐標(biāo)

5.3.2.3 展開(kāi)方向點(diǎn)Pde坐標(biāo)

5.3.3 輸出結(jié)果計(jì)算

5.3.3.1 弦桿半徑R和撐桿半徑r

5.3.3.2 弦桿與撐桿軸線距離E

5.3.3.3 兩桿軸線交角a

5.3.3.4 左定位點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)（x10，y10）

首先對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)以簡(jiǎn)化運(yùn)算，然后聯(lián)立方程求解弦桿柱面與撐桿軸線之間的交點(diǎn)參數(shù)，最后計(jì)算其在展開(kāi)圖中的相對(duì)坐標(biāo)。

（1）坐標(biāo)系變換。

將原模型坐標(biāo)系記作O，此時(shí)各點(diǎn)名稱和位置見(jiàn)圖4；平移后的坐標(biāo)系以Pms為原點(diǎn)，記作O′，此時(shí)各點(diǎn)名稱和位置見(jiàn)圖5。

圖4 坐標(biāo)系O下的各點(diǎn)

圖5 坐標(biāo)系O′下的各點(diǎn)

圖6 坐標(biāo)系O″下的各點(diǎn)

5.4 程序編制

5.4.1 語(yǔ)言選擇

第二次改進(jìn)本可以對(duì)之前編制的AutoLISP程序進(jìn)行修改，但此程序已在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用并形成路徑依賴，修改代價(jià)較大。再考慮到需要對(duì)XML格式文件進(jìn)行操作，所以選擇批處理作為編程語(yǔ)言。批處理的文件處理功能強(qiáng)大，語(yǔ)句格式簡(jiǎn)捷，不需要編譯，所以開(kāi)發(fā)周期短，修改調(diào)試方便，但它無(wú)法進(jìn)行符點(diǎn)運(yùn)算，所以計(jì)算部分需要其他語(yǔ)言完成。MATLAB雖是向量和矩陣運(yùn)算語(yǔ)言的首選，但它需要安裝運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行支持，所以最終選擇WINDOWS環(huán)境中可以直接調(diào)用的VBS程序完成計(jì)算部分的工作。

5.4.2 程序結(jié)構(gòu)

編制批處理文件“生成參數(shù).bat”作為主程序，首先讀取NC文件內(nèi)容，然后通過(guò)調(diào)用JREPL正則工具對(duì)文件進(jìn)行規(guī)范化處理，再然后編寫(xiě)XPath語(yǔ)句調(diào)用XML工具進(jìn)行信息檢索并提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，再然后調(diào)用VBS程序“參數(shù)計(jì)算.vbs”進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果生成到新的文件中。

其中，VBS程序的計(jì)算過(guò)程與5.3節(jié)中的方法和順序一致。但由于VBS沒(méi)有向量和矩陣運(yùn)算功能，所以專門(mén)編制了嵌套數(shù)組與二維數(shù)組轉(zhuǎn)換，向量求模、點(diǎn)積、叉積、混合積，行列式求值，矩陣相乘、轉(zhuǎn)置、求逆，空間距離計(jì)算等多個(gè)子函數(shù)供調(diào)用。

6 二次優(yōu)化后的出圖步驟

進(jìn)行二次優(yōu)化后，腳印圖的最終出圖步驟如下：

（1） 分別選中弦桿和與其相貫的多個(gè)撐桿后，導(dǎo)出各自的NC文件，并將其放入程序指定位置。導(dǎo)出操作具體方法見(jiàn)圖7。

圖7 導(dǎo)出NC文件

（2） 在弦桿上創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)和方向點(diǎn)，并獲取其坐標(biāo)值。查看坐標(biāo)值屬性的具體方法見(jiàn)圖8。

圖8 獲取基準(zhǔn)點(diǎn)和方向點(diǎn)坐標(biāo)值

（3） 在CAD中使用ID命令獲取基準(zhǔn)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

（4） 雙擊運(yùn)行“生成參數(shù).bat”程序，自動(dòng)生成文件“output.txt”。文件內(nèi)容見(jiàn)圖9。

圖9 output.txt文件內(nèi)容

（5） 將“output.txt”中內(nèi)容全部復(fù)制并粘貼到CAD的命令行中，即可生成一個(gè)弦桿的全部腳印輪廓。程序執(zhí)行后生成的腳印圖見(jiàn)圖10。

圖10 批量生成的腳印圖

7 出圖效率提升分析

通過(guò)對(duì)出圖方法的兩次優(yōu)化，簡(jiǎn)化了出圖步驟，降低了操作難度，實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)提取、計(jì)算和腳印繪制的自動(dòng)化和批量化。以陸豐12-3WHP項(xiàng)目為例，需要繪制的腳印圖多達(dá)1 000多個(gè)，相比于傳統(tǒng)方法，優(yōu)化后的出圖效率提升33倍左右，具體對(duì)比分析見(jiàn)表1。如果算上節(jié)省的檢查時(shí)間和降低的錯(cuò)誤率，其對(duì)項(xiàng)目加工設(shè)計(jì)工作的提升作用更大。

表1 陸豐12-3WHP項(xiàng)目腳印圖出圖效率對(duì)比分析

8 結(jié)束語(yǔ)

隨著各種新的建模和出圖軟件的不斷出現(xiàn)和更新，出圖方法也在不斷發(fā)生變化。但軟件功能的通用性與現(xiàn)場(chǎng)施工圖紙個(gè)性化需求之間的矛盾一直存在，不可能用軟件包辦一切。只有熟悉軟件功能，明確出圖需求，掌握相應(yīng)開(kāi)發(fā)原理和手段，才能充分發(fā)揮軟件優(yōu)勢(shì)，走完“最后一公里”，針對(duì)當(dāng)前的軟件資源配置和項(xiàng)目特點(diǎn)形成一整套優(yōu)質(zhì)高效的加工設(shè)計(jì)流程。