电缆槽设计精测仪及3D 建模系统的研发及应用

阮婵娟，何 瑞

（上海振华重工（集团）股份有限公司长兴分公司，上海 201913）

1 概述

电气布线是岸桥电气系统的主体，决定了岸桥可能存在的运行方式，影响着电气系统运行的可靠性和灵活性。作为电气布线的重中之重，电缆槽的设计不但决定了电气布线的合理性、安全性、舒适性，还直接关系着电气设备的选择、数量、连接方式及配电装置的布置。

随着岸桥电气设备发展、机械布局优化以及先进设计工具的应用，目前大部分电缆槽的设计已实现标准化，精度和效率得到了明显提升，但仍有诸多部位受空间小、干涉多、精度高等因素影响形成不规则空间，需使用传统的尺具测量和平面设计出图，程序繁琐、效率和精度低下。

本文基于岸桥电缆槽设计需求和标准研发了一套精测仪与3D 建模系统结合的设计方法，能有效提高岸桥不规则空间电缆槽的设计精度和效率，降低生产成本。

2 难点分析

根据各个国家的标准要求，岸桥电缆槽的设计不但要考虑预留安全空间、检修空间，避让构部件、紧固件、电气件，还需要考虑入槽电气件的刚性联接、电缆属性、电缆弯曲半径等要求，以确保最终电缆槽成品在三维空间上的合理布局和精确连接。

随着岸桥自动化程度提高，电气设备相应增加，有限空间内电气线路数量增加，进一步压缩了电缆槽的设计空间，并对设计精度提出更高要求。如何在可用空间缩小和不规则状况下设计符合标准要求的电缆槽已成为目前急需迫切解决的问题。

3 常规设计方式

针对不规则空间，为保证设计的合理性，目前常规的设计方法是，设计人员携带尺具现场测量并记录数据，然后凭借个人经验使用CAD 完成二维制图，存在以下问题：

3.1 测量设计阶段

（1）用线锤、卷尺、直角尺及角度尺等配合测量，无法保证垂度、水平度及孔洞中心距，需多人配合频繁测量，修正设计误差。

（2）作业环境主要为超高空有限空间为主，人员作业危险系数高，携带钢尺、卷尺、角度尺、水平仪等数十件零散测量工具，易导致高空坠物。

（3）CAD 二维制图，过程重复和繁琐，并且设计仅为电缆槽本身，最终设计对三维空间其他构件显示不全，无法综合考虑，而且电缆槽为不规则设计，三视图无法全面显示设计，供应商读图困难。

（4）设计方案易受设计人员主观偏好和个人经验、熟练度影响，结果差异大，导致制作、安装成本上升。

3.2 制作安装阶段

（1）受低精度的测量设计方式影响，电缆槽成品制作完成后，在现场安装时与构部件、紧固件、电气件干涉问题频发，需对电缆槽反复修改，产生额外成本。

（2）单型多件的时候无法实现标准化、批量化制作，只得先试制试用再批量制作，导致生产周期延长，影响岸桥交付。

4 精测仪及3D 建模系统研发

4.1 研发方案

该系统由两部分组成，即负责数据采集的硬件设备精测仪、负责数据录入和出图的软件3D 建模软件，目的是通过高精度测量设备应用实现自动测量、自动出图，杜绝设计过程人工干预，解决二维图纸易导致的识图偏差，提高设计精度和效率。

实际应用中精测仪将采集到的数据通过专用软件传送至测量人员的手持平板上，由测量人员带回导入电脑端3D 建模软件自动完成三维制图。

4.2 精测仪的设计方案

负责数据采集的精测仪由全回转支架和测量仪器组成，整体采用电动结构设计，以满足复杂工况作业，人员放置好设备后，处于安全位置即可通过遥控完成测量作业。

4.2.1 全回转支架（见图1）

图1 全回转支架

（1）底座：使用通电磁吸方式，占用空间小、重量轻、竖立稳固，便于随机位置作业，不需加装固定装置和破坏地面结构。

（2）升降杆身：内置 10-1200mm 行程 250N 电动推杆，满足在不同高度范围的尺寸测量需求。

（3）回转底盘：底盘设置1 组200W 法兰伺服电机+减速器，以保证圆形底盘可做360°回转运动，满足平面全角度测量需求。

（4）仪器夹具：仪器固定头设置法兰伺服电机+减速器，可做135°俯仰运动，满足不同俯仰角度测量需求。同时为应对现场不同仪器同步使用需求，研发了两型夹具（见图2、见图3），以适应更多工况。

图2 凹形夹具

图3 球形夹具

4.2.2 测量仪器

测量仪器根据实际需要选用激光角度测距仪、数显水平仪，加上底盘回转、夹具俯仰功能即可完成所有尺寸测量。

4.3 3D 建模软件的开发

4.3.1 类型库建立

根据岸桥常用电缆槽类型设计电缆槽基础三维模型，建立电缆槽三维模型库。

4.3.2 软件的工作原理

数据导入电脑上端软件后，从模型库中选型自动生成三维图纸，使得产品设计更加直观方便精确。3D 建模软件的工作原理如下（见图4）：

图4 3D 建模软件模拟图

以O 为支架激光出发点

第一辅助点J1，第二辅助点J2，|AC|的平行线点，|AJ1|⊥|EJ1|，|AJ2|⊥|FG|。

A 第一垂足点K1，第二垂足点K2 为隐形点，自动计算时使用。

假定坐标点 A（0，0，0）

实际同点需测距离|OA|=a，|OB|=b，|OC|=c，|OJ1|=d，|OE|=e，|OJ2|=f ，|K1K2|=s，|OF|=g，|OG|=h，|OH|=i

实际同点需测角度∠AOB=α°，∠AOC=β°，∠AOJ1=γ°，∠COJ1=δ°，∠EOJ1=ε°，∠AOJ2=ζ°，∠FOJ2=η°，∠FOG=θ°，∠FOH=λ°，

距离与角度为配套数据，同时测得。

自动计算得出

最终得出三维空间点

点 A（0，0，0）

点 B（|AB|，0，0）

点 C（0，-|AC|，0）

点 D（|AB|，-|AC|，0）

点 E（|J1E|，-|AK1|，|K1J1|）

点 F（-|FJ2|，-（|AK1|+s），|K2J2|）

点 G（（|FG|-|FJ2|），-（|AK1|+s），|K2J2|）

点 H（-|FJ2|，-（|AK1|+s），（|K2J2|+|FH|））

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

以上点位就可以在三维中模拟定位出三大机构马达安装位置，点 A、B、C、D 为法兰位，点 E 为干涉避让位，点 F、G、H、I 为电缆槽出线位。

5 精测仪及3D 建模系统的应用优势

精测仪及3D 建模系统研发完成后在岸桥产品上进行了实际应用，与常规设计方式相比优势明显，主要体现在以下几方面：

5.1 设计标准化

3D 软件模拟现场机构工况，并且现场测量取样点统一，便于及时发现方案缺陷，并提高设计准确率，统一了设计标准，减少了岸桥电缆槽类型数量，避免了个人经验、偏好等因素对设计结果的影响。为标准化、批量生产打下了基础。

5.2 设计精度

通过仪器测量和软件自动计算完成三维制图，杜绝了设计人员手工测量、二维制图易导致的尺寸误差和图纸信息不明确问题，设计精度可由选购的激光测距仪决定，现采用的 BOSCH5000C 仪器可达±1.5mm/±0.2°。

5.3 设计效率

杜绝了多人携带大量工具频繁测量，缩减了机械的CAD 二维制图步骤，人员劳动强度下降二分之一，设计周期下降三分之二。

5.4 作业安全

现场测量人员单人携带仪器，放置在测量位置后退回安全位置即可使用遥控器完成尺寸测量作业，杜绝了人员在危险部位携带大量尺具频繁移动测量带来的安全风险。

5.5 生产成本

设计精度的提高杜绝了电缆槽成品制作完成和安装后导致的频繁修改返工行为，将“定制-试装-批量制作-安装”模式转变为“批量制作-批量安装”模式，避免了生产进度滞后导致的额外成本。

6 精测仪及3D 建模系统的推广前景

精测仪及3D 建模系统基于岸桥电缆槽数字化、标准化设计目标建立的，在后续的实际应用也实现了这个预定的目标，截至目前，使用该方式设计的电缆槽尚未出现技术修改问题，证明了该系统具备较强实用性，更重要的造价与国外同类仪器相比成本仅为其十分之一。它不仅仅只适用于岸桥产品电缆槽的设计，同时也可广泛的应用于类似海洋船舶、钻井平台、钢构桥梁等行业有限空间尺寸的测量和部件设计，尤其是对不规则狭小空间的尺寸测量效果突出，企业在应用中只需自身需要建立相应的类型库即可直接使用，能明显提高设计精度、设计效率，缩短设计周期。

统筹的看，该系统中也具有继续开发的空间，如设计通用夹具使其使用更多不同仪器需求，加装无线传输放置，开发专用软件，让测量数据直接回传至电脑端，解决需手持平板中转数据问题。