盧俊生（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 三門峽 472000）

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鋼岔管三維建模展開(kāi)并生成放樣坐標(biāo)參數(shù)表的操作方法

盧俊生
（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 三門峽 472000）

摘要：基于Autodesk inventor軟件，提出了水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的鋼岔管三維建模展開(kāi)并生成放樣坐標(biāo)參數(shù)表的一種操作方法。通過(guò)文件格式的轉(zhuǎn)化可以與數(shù)控切割機(jī)的程序?qū)?，?shí)現(xiàn)對(duì)鋼板的自動(dòng)下料。

關(guān)鍵詞：鋼岔管；三維建模；展開(kāi)圖；放樣坐標(biāo)

1項(xiàng)目背景

鋼岔管用于水電站的壓力管道系統(tǒng)，采用聯(lián)合供水或分組供水時(shí)，將主管路水流以一定的流量比例分配輸送到各個(gè)支管中，支管連接單臺(tái)水輪機(jī)組，實(shí)現(xiàn)一條主管線帶動(dòng)多臺(tái)機(jī)組發(fā)電。大都采用鋼板卷制焊接成形的制造方法。其特點(diǎn)是：分節(jié)較多、截面變化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作需要的展開(kāi)圖數(shù)量較多且繁瑣。屬于板金類滾彎成形零件，通過(guò)下料、卷制、組拼、焊接成整體形狀的金屬結(jié)構(gòu)件。其工藝流程如下：

1）展開(kāi)放樣：根據(jù)設(shè)計(jì)提供的岔管體型圖或裝配圖，逐節(jié)放樣、繪制出每個(gè)單節(jié)的平面展開(kāi)圖及放樣坐標(biāo)參數(shù)表；

2）板材下料：將展開(kāi)圖及二維坐標(biāo)參數(shù)表數(shù)據(jù)，進(jìn)行編碼輸入數(shù)控切割機(jī)控制程序切割下料；采用人工下料時(shí)先將單節(jié)展開(kāi)圖制作成薄鐵皮大樣，再在鋼板上畫(huà)出實(shí)樣后切割下料。切割出節(jié)間焊接坡口等；

3）卷制弧形：采用卷板機(jī)將下好的板料，卷制成對(duì)應(yīng)的單節(jié)（或分塊瓦片）形狀與尺寸；

4）單節(jié)及整體預(yù)組裝：如果是分塊瓦片先組拼、點(diǎn)焊、調(diào)整成單節(jié)管子、再依次組拼成整體形狀、調(diào)整、焊接、檢查、驗(yàn)收；

5）分解防腐運(yùn)輸：廠內(nèi)預(yù)組裝驗(yàn)收合格后，較大的管件需要分解與支護(hù)加工，解體成便于運(yùn)輸?shù)墓?jié)段或瓦片，防腐處理后，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)再次組裝焊接成型。

由此可以看出：制作過(guò)程的關(guān)鍵在于單節(jié)展開(kāi)圖的準(zhǔn)確、單節(jié)管子或瓦片卷制弧度的正確，以及單節(jié)、整體組裝時(shí)合理有效地調(diào)整與焊接過(guò)程控制。本課題討論的內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計(jì)提供的岔管體型圖，如何準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、快捷地獲取展開(kāi)圖的方法。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)采用的有：作圖法、數(shù)學(xué)公式計(jì)算法、編制軟件程序法、制圖軟件程序改造嫁接法、3D軟件自動(dòng)展開(kāi)法。使用軟件的種類繁雜，尚未提出一種自動(dòng)生成放樣坐標(biāo)參數(shù)表的辦法。

2總體思路

Autodesk inventor（歐斯克因溫特）軟件是美國(guó)AutoDesk公司開(kāi)發(fā)的一款機(jī)械設(shè)計(jì)制圖專業(yè)軟件，可以創(chuàng)建三維模型和二維工程圖。基于全數(shù)字驅(qū)動(dòng)和定位約束功能產(chǎn)生的三維線形或曲面，通過(guò)賦予不同的材質(zhì)轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型、使模型具有實(shí)物屬性和力學(xué)性能，可以進(jìn)行模擬加工與裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、受力狀態(tài)分析等。是一款功能強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)高端軟件。

在板金環(huán)境下，可以對(duì)沖壓、折彎成型的板金零件進(jìn)行板金放樣，自動(dòng)展開(kāi)成平面狀態(tài)。轉(zhuǎn)化成二維工程圖進(jìn)行尺寸標(biāo)注及技術(shù)要求說(shuō)明等。因其是一款綜合的多用途軟件，在展開(kāi)狀態(tài)下，并沒(méi)有設(shè)定生成放樣坐標(biāo)參數(shù)表的具體操作方法。另外，軟件生成三維模型的設(shè)定方法有拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃掠、螺旋掃掠等。對(duì)于鋼岔管，依靠截交面位置定位的板金組件，無(wú)法直接獲取上下截面的形狀和尺寸，也沒(méi)有給出具體的放樣方法。

因此，采用Autodesk inventor（歐斯克因溫特）軟件建模展開(kāi)，還需要解決2個(gè)問(wèn)題：

（1）截交線法：就是在無(wú)法直接得到截交面形狀和尺寸的情況下，采用的繪制展開(kāi)圖的一種方法，命名為截交線法。適合于通過(guò)斜切與斜接的斷面交叉形成的復(fù)雜管件：如岔管、彎管、蝦米腰、三通等，無(wú)論截面形狀是方形或是橢圓，在沒(méi)有給出上下面形狀和尺寸的情況下，如何獲取展開(kāi)圖的方法。

（2）提取放樣坐標(biāo)參數(shù)表：在工程圖展開(kāi)環(huán)境下，如何自動(dòng)提取放樣坐標(biāo)參數(shù)表并列表表達(dá)。

3截交線法操作方法

以常見(jiàn)的一種月牙肋鋼岔管為例（如圖1），簡(jiǎn)單介紹利用Autodesk inventor軟件，截交線法繪制岔管單節(jié)展開(kāi)圖的具體操作步驟。因?yàn)槭菍?duì)稱件展開(kāi)圖只作1/2。

圖1湖南涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程岔管1

3.1建立二維草圖

新建一個(gè)項(xiàng)目，并且分建各個(gè)單節(jié)的文件夾。打開(kāi)Autodesk inventor軟件，新建文件Sheet Metal.ipt如下，進(jìn)入鈑金模式制圖狀態(tài)，將圖1的設(shè)計(jì)圖輸入生成二維草圖（見(jiàn)圖2）。完成草圖后保存為基礎(chǔ)草圖：岔管1設(shè)計(jì)圖。直接關(guān)閉文件。

圖2岔管1基礎(chǔ)草圖

3.2創(chuàng)建岔管1單節(jié)1斜切前的三維曲面

1）再次新建一個(gè)Sheet Metal.ipt文件，進(jìn)入二維草圖狀態(tài)直接點(diǎn)擊完成，轉(zhuǎn)為零件狀態(tài)，衍生岔管1設(shè)計(jì)圖進(jìn)來(lái)作為基礎(chǔ)圖使用。

2）根據(jù)基礎(chǔ)圖畫(huà)出節(jié)1的斜切前上、下面投影直線，完成節(jié)1草圖。

3）進(jìn)入三維狀態(tài)，在上、下面直線中點(diǎn)分別繪制2條輔助三維直線，點(diǎn)擊建立二維平面，通過(guò)2條直線建立一個(gè)工作平面?？梢缘玫焦?jié)1錐管斜切前上、下平面位置。

4）在上、下平面新建二維草圖，投影出上、下面直線的端點(diǎn)、中點(diǎn)。繪制圓弧或整圓，點(diǎn)擊約束工具與投影點(diǎn)建立聯(lián)系，如果是整圓需要剪切成半圓。完成后保存端面二維圖。

5）打開(kāi)模型菜單，點(diǎn)擊放樣按鈕。得到曲面放樣菜單，點(diǎn)擊上、下面半圓線，生成圓錐曲面（見(jiàn)圖3）。

圖3岔管1節(jié)1圓錐曲面

3.3三維曲面修剪及轉(zhuǎn)化成實(shí)體模型

1）打開(kāi)新建三維草圖菜單，將節(jié)1在基礎(chǔ)草圖上的斜切線與曲面相交。得到斜切面位置曲線，點(diǎn)擊分割工具修剪、刪除多余曲面，生成斜切后的圓錐曲面（見(jiàn)圖4）。

圖4岔管1節(jié)1斜切后曲面

2）點(diǎn)擊“加厚/偏移”按鈕，根據(jù)設(shè)計(jì)圖直徑及板厚設(shè)定加厚厚度方向，就得到了岔管1節(jié)1實(shí)體模型（見(jiàn)圖5）。

圖5岔管1節(jié)1實(shí)體模型

3）轉(zhuǎn)回鈑金環(huán)境，設(shè)定展開(kāi)參數(shù)，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)至展開(kāi)模式”按鈕，即可得到岔管1節(jié)1展開(kāi)狀態(tài)（見(jiàn)圖6），完成保存。

圖6岔管1節(jié)1展開(kāi)

3.4使用條件與范圍

截交線法使用條件及操作要點(diǎn)歸納如下：

1）在無(wú)法得到上下斷面尺寸和形狀的條件下，通過(guò)已知條件（共切圓，斜切圓錐的邊線、中心線），先模擬出一個(gè)未被切割前的曲面。

2）以截交面的位置線做垂直與中心線的平面投影到曲面，在曲面上產(chǎn)生切割的截交面曲線。再通過(guò)切割修剪命令刪除多余曲面，從而得到斜切后的曲面。

3）將曲面加厚生成管段，轉(zhuǎn)化到板金環(huán)境，點(diǎn)擊展開(kāi)命令，斜切后的管節(jié)即展開(kāi)為平面狀態(tài)。

4）通過(guò)在工程圖中編輯和標(biāo)注尺寸，最終得到了岔管對(duì)應(yīng)管節(jié)的展開(kāi)圖。

需要注意的內(nèi)容：展開(kāi)的曲面直徑、板材厚度、曲面加厚方向，對(duì)生成的實(shí)體模型以及展開(kāi)圖存在直接的影響，3個(gè)參數(shù)中任何一個(gè)改變都會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。需要根據(jù)放樣直徑、焊縫位置和坡口的切割方向共同確定。

4提取放樣坐標(biāo)參數(shù)表

工程圖環(huán)境——標(biāo)注菜單——孔參數(shù)表，可以自動(dòng)標(biāo)志模型中所有孔的位置、直徑、深度，表格還可以編輯修改等?；诖隧?xiàng)命令：在狀態(tài)模型展開(kāi)的輪廓線上，以一定的間距和數(shù)量有意識(shí)的制作出工藝孔，即可對(duì)放樣后的輪廓線形狀進(jìn)行跟蹤，在孔參數(shù)表中顯示坐標(biāo)。再對(duì)孔參數(shù)表進(jìn)行編輯、刪除孔參數(shù)、只保留中心點(diǎn)坐標(biāo)XY值，就得到了放樣坐標(biāo)參數(shù)表。具體操作步驟如下：

1）以岔管1節(jié)1為例。在展開(kāi)模式下新建二維草圖，投影輪廓線，將下直邊端點(diǎn)轉(zhuǎn)化為中心點(diǎn)，完成草圖、鉆工藝孔（直徑0.02 mm深度0.5 mm平底孔）。選擇矩形陣列命令，設(shè)置按曲線長(zhǎng)度等分，將工藝孔沿輪廓線總長(zhǎng)等分成合適的N段。同樣辦法在另一條輪廓線上等分N點(diǎn)完成輪廓線布孔操作。

2）新建工程圖，把展開(kāi)模式調(diào)入工程圖中，旋轉(zhuǎn)至合適位置放置。標(biāo)注孔參數(shù)表，點(diǎn)擊展開(kāi)圖形、設(shè)定基礎(chǔ)坐標(biāo)原點(diǎn)、即可自動(dòng)生成所有工藝孔參數(shù)表。對(duì)參數(shù)表進(jìn)行編輯、刪除孔的描述只保留XY坐標(biāo)值，就得到展開(kāi)圖輪廓線的放樣坐標(biāo)參數(shù)表（見(jiàn)圖7）。

圖7岔管1節(jié)1展開(kāi)圖放養(yǎng)坐標(biāo)參數(shù)表

需要說(shuō)明的是，將工程圖零存副本為DWG格式文件，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)控切割機(jī)的自動(dòng)下料。目前國(guó)內(nèi)很多數(shù)控切割機(jī)控制程序是直接和CAD程序兼容的，可以實(shí)現(xiàn)切割下料的自動(dòng)化。還有一種辦法得到放樣坐標(biāo)參數(shù)表：將展開(kāi)模式1：1比例調(diào)入工程圖中，在CAD軟件里進(jìn)行尺寸標(biāo)注列表等。此處不再贅述。

5展開(kāi)圖可靠性驗(yàn)證

創(chuàng)建岔管1每個(gè)單節(jié)實(shí)體模型后，保存至“折疊模式”進(jìn)行整體裝配試驗(yàn)。新建一個(gè)裝配圖，調(diào)入每個(gè)單節(jié)實(shí)體模型，對(duì)正原坐標(biāo)后得到岔管組拼狀態(tài)（見(jiàn)圖8）。檢查對(duì)接縫是否發(fā)生干涉，可以驗(yàn)證單節(jié)展開(kāi)圖的正確性。由于存在板厚的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)焊縫的要求，合理地確定展開(kāi)直徑和板料加厚方向，必要時(shí)還可以進(jìn)行機(jī)械加工切割破口等，最終完成一個(gè)完整的岔管實(shí)體模型。

圖8岔管組拼檢查

6實(shí)施效果

在黃河龍口水利樞紐工程建設(shè)時(shí)期，本單位首次制作三梁鋼岔管等，采用了作圖法、數(shù)學(xué)公式計(jì)算法、CAD三維線框直接測(cè)量線長(zhǎng)再畫(huà)展開(kāi)圖的方法。對(duì)各種方法進(jìn)行了嘗試和研究，多次放樣試驗(yàn)，相互比對(duì)不同方法得到的展開(kāi)圖參數(shù)，及同比例展開(kāi)圖形狀校驗(yàn)，制作縮小比例實(shí)物模型檢驗(yàn)，最終驗(yàn)證了采用Autodesk inventor軟件三維建模展開(kāi)并生成放樣坐標(biāo)方法的可靠性。2014年承接湖南涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程，又增添了月牙肋鋼岔管放樣的內(nèi)容，目前已完成瓦片卷制正在組拼制作中。據(jù)本單位統(tǒng)計(jì)：采用技術(shù)后，節(jié)省了重復(fù)畫(huà)展開(kāi)圖及放樣工序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控切割機(jī)下料過(guò)程的自動(dòng)化。單以人工放樣時(shí)間成本計(jì)，節(jié)約2×5個(gè)工時(shí)/單節(jié)，降低人工成本3%。

中圖分類號(hào)：TV732.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）06-0044-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.016

收稿日期：2016-03-18

作者簡(jiǎn)介：盧俊生（1964-），男，工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)制造及水電站機(jī)電安裝工作。