計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在直角支管裝配中的應(yīng)用

陳 馳，劉健康

(揚(yáng)州大洋造船有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在直角支管裝配中的應(yīng)用

陳 馳，劉健康

(揚(yáng)州大洋造船有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

在分析直角支管的相貫線數(shù)學(xué)展開方式的基礎(chǔ)上，利用AutoCAD軟件平臺(tái)中的VLISP語言開發(fā)直角支管裝配展開程序，實(shí)現(xiàn)在程序中輸入管子基本參數(shù)后可自動(dòng)繪制相貫線并將其展開的功能，將展開圖打印后就能用于生產(chǎn)過程。該方法提高了精度，節(jié)省了人工工時(shí)，最終節(jié)約了企業(yè)的成本。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；直角支管；相貫線；管子加工

0 引言

在船舶海水冷卻系統(tǒng)、淡水冷卻系統(tǒng)、艙底壓載水系統(tǒng)等管系的綜放布置過程中，經(jīng)常會(huì)有直角支管的出現(xiàn)，通常這些支管與主管呈90°相交。一艘5萬t的散貨船大約有2 000根直角支管需要與主管按相貫線進(jìn)行切割后再裝配焊接。手工切割相貫線時(shí)，由于手工描繪相貫線的精確度不高，按此切割后的相貫線形狀不準(zhǔn)確，對(duì)接后不能完全吻合，要經(jīng)過反復(fù)多次修割才能基本吻合，效率低下。本文介紹的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相貫線形狀的方法是在AutoCAD軟件中利用VLISP語言編寫直角裝配展開程序，實(shí)現(xiàn)輸入基本參數(shù)后自動(dòng)繪制管子相貫線展開圖的功能，把展開圖打印后繞在管子表面描繪相貫線。這樣描繪出來的相貫線精確度高，基本上一次切割后就能達(dá)到裝配的要求，無需現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)修割。

1 手工方法裝配直角支管的過程

(1)支管劃線。手工方法畫支管相貫線示意圖如圖1所示。根據(jù)圖紙尺寸要求選取管材，要求管子的端面垂直于管子中心線。在管子端面取垂直相交的2根直徑線與管子外圓相交形成4個(gè)交點(diǎn)(a1,a2,a3,a4)，從這4個(gè)交點(diǎn)沿管子軸向方向在管子外壁分別劃4條輔助線，即(a1a1′,a2a2′,a3a3′,a4a4′)，以管子端面為基準(zhǔn)，在4條輔助線上取點(diǎn)描劃出支管相貫線(俗稱馬鞍線)，最低點(diǎn)為0，最高點(diǎn)為支管直徑的一半。在管子外壁將4點(diǎn)用弧線描繪連接起來。

(2)支管切割。按照描繪的弧線進(jìn)行切割。切割時(shí)從管端面開始沿弧線切割。切割好一側(cè)，將管子旋轉(zhuǎn)180°后再切割另一側(cè)。

(3)支管切割后檢查。切割結(jié)束后，將支管放置在主管上，檢查垂直度和間隙。

(4)主管劃線。將主管放到V型鐵上，并用水平尺檢驗(yàn)管子是否水平放置。通過角尺在主管外壁取出平行于主管中心線的1根輔助線。根據(jù)圖紙要求，在輔助線上以主管一側(cè)端面為基準(zhǔn)找出支管安裝位置的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)為基準(zhǔn)在輔助線上以支管半徑為距離取出支管安裝位置在輔助線上的2個(gè)端點(diǎn)，以這2個(gè)端點(diǎn)為基準(zhǔn)將支管放置到主管上，沿支管切割好的相貫線邊緣劃線，分別從支管內(nèi)外將支管的相貫線描畫到主管外圓上。在內(nèi)外劃出的曲線的中間描繪出均勻的同形狀的曲線，即為主管的相貫線。

(5)主管切割與檢查。根據(jù)描繪出的相貫線切割主管。切割時(shí)需沿著線條內(nèi)側(cè)進(jìn)行切割，以留下修割余量。切割好后將支管架到主管上，檢查四周配合是否均勻。主管相貫線切割面應(yīng)在支管下方其壁厚1/2處，可從支管頂端分別從內(nèi)外垂直向下看，均不應(yīng)可見。最后將主管的相貫線的切割部位進(jìn)行打磨。

(6)裝配。將主管放到V型鐵上，相貫線開口正面朝上，并用水平尺檢驗(yàn)管子是否水平，然后將支管架到主管上，檢查垂直度和間隙，確認(rèn)達(dá)到要求后，進(jìn)行點(diǎn)焊。一般情況下，點(diǎn)焊為均勻分布的4點(diǎn)，較大的管子可以增加點(diǎn)焊至6～8點(diǎn)甚至更多，以防止支管脫落以及后續(xù)焊接的變形。

(7)點(diǎn)焊結(jié)束后，將焊點(diǎn)進(jìn)行打磨，然后根據(jù)圖紙復(fù)核管子長(zhǎng)度并進(jìn)行法蘭的裝配，進(jìn)入到后續(xù)其他工序的作業(yè)。

從以上介紹的操作方法可知，手工描繪相貫線的形狀準(zhǔn)確度難以保證。支管與主管的相貫線不能完全吻合，間隙和垂直度也會(huì)受到吻合度的影響，存在一些偏差。為了盡可能地將偏差控制到一個(gè)較小的可以接受的范圍內(nèi)，支管與主管的相貫線需要反復(fù)多次檢查修割才能達(dá)到較為理想的精度，因此制作效率不是很高。從實(shí)際制作情況來看，有支管的管子的總裝配時(shí)間(含法蘭、變徑等附件)，是沒有支管的管子的總裝配時(shí)間的4倍以上。

2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

近年來，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在各行各業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，特別是在繪圖方式上顛覆和替代了手工畫圖，比如螺母、螺栓等簡(jiǎn)易的標(biāo)準(zhǔn)件，可以在AutoCAD軟件中用編制程序方式自動(dòng)完成，這樣不僅可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間還降低了圖紙的差錯(cuò)率。對(duì)于上述相貫線的形狀，也可以通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來完成。其方法如下：

(1)建立一個(gè)符合相貫線特征的數(shù)學(xué)方程式(這個(gè)過程主要目的是要找到一個(gè)合適的變量，用這個(gè)變量來表示相貫線的曲線特征)。

(2)將相貫線平均等分若干份，通過解數(shù)學(xué)方程式得到每份的XY坐標(biāo)值。在實(shí)際操作過程中，一般把管子相貫線平均等分20～30份就可以符合生產(chǎn)精度的需求。

(3)把XY坐標(biāo)值按規(guī)律連接就能得到相貫線的展開圖。

3 直角支管的數(shù)學(xué)方程式的推導(dǎo)過程

圖2為直角支管坐標(biāo)。根據(jù)高等數(shù)學(xué)知識(shí)，主管和支管圓柱的數(shù)學(xué)表達(dá)式[1]分別見式(1)、式(2)。

X2+Y2=R2

(1)

Y2+Z2=r2

(2)

式(1)、式(2)中：R為主管直徑，mm；r為支管直徑，mm；X，Y，Z分別為橫向、縱向和垂向的坐標(biāo)。

圓管的表面可以簡(jiǎn)化成一根直線繞另一根直線(與第一根平行)形成的軌跡，那么第一根直線叫母線，第二根直線叫軸線。假定支管的母線繞其軸線轉(zhuǎn)過的角度為α，支管相貫線的坐標(biāo)方程分別見式(3)～式(5)。

X=rcosα

(3)

Y=rsinα

(4)

(5)

式(3)～式(5)中：α為支管的母線繞其平行線旋轉(zhuǎn)的角度,rad,而且0≤α≤2π。

將上式轉(zhuǎn)換到相貫線的坐標(biāo)系，并令α=0時(shí)開始展開，則支管相貫線的展開坐標(biāo)分別見式(6)、式(7)。直角支管展開示意圖如圖3所示。

Xn=rα

(6)

(7)

式(6)、式(7)中：Xn,Yn分別為展開線的橫向、縱向坐標(biāo)值。

通過上述過程也可以用主管直徑、主管長(zhǎng)度為基本參數(shù)，將主管相貫線進(jìn)行展開。

4 在AutoCAD軟件中的編程過程

打開AutoCAD軟件，依次點(diǎn)擊“工具→ Autolisp→Visual lisp編輯器”，編寫如下的代碼[2]：

(defunc：zkgz()(設(shè)置自定義函數(shù)zkgz)……(setqi0(定義字符i等于0)n360)(定義字符n等于360)(while(<=in)(當(dāng)i小于等于n時(shí)執(zhí)行以下的循環(huán)函數(shù)過程)(setqzk(?api)；(設(shè)置zk=a?π)bjc(/zk360)；(設(shè)置bjc=zk/360)j2(?(/pi180)i)；(設(shè)置j2=i?π/180)……(cond((<=i360)(當(dāng)循環(huán)條件i小于等于360時(shí))(setqp2(listx1y1)))(設(shè)置點(diǎn)p2的坐標(biāo)為x1和y1)(setqp3p2)(設(shè)置p3的坐標(biāo)等于p2)(command＂pline＂p2p3＂＂)(調(diào)用Pline命令通過p2和p3畫多義線)(setqi(+i1)))(設(shè)置循環(huán)條件i自動(dòng)累計(jì)一次))(設(shè)置結(jié)束自定義函數(shù))

為了方便使用者操作，增加程序的可視性，在程序中還增加了對(duì)話框的幻燈片語句。幻燈片不能編輯。在本程序中增加幻燈片的目的是加深操作者對(duì)直角支管相交的理解和印象，其制作過程如下：

(1)打開Autocad軟件，在屏幕上繪制1個(gè)直角管子相交的簡(jiǎn)化圖。

(2)在command欄下輸入：zoom回車，all回車。

繼續(xù)在command欄下輸入：mslide回車，就能把直角支管相交的簡(jiǎn)化圖保存為幻燈片的格式。

在上面的代碼中增加如下函數(shù)語句來調(diào)用幻燈片：

:image { ；調(diào)用幻燈片

key = "image1";設(shè)置幻燈片的關(guān)鍵字為"image1"

color=-18; 定義背景顏色為-18(當(dāng)前對(duì)話框線顏色)。

width=80;設(shè)置幻燈片寬度為80

height=20; 設(shè)置幻燈片高度為20

}

(start_image"imagel")；加載幻燈片"imagel"

(slide_image 200 10 (dimx_tile"image1") (dimy_tile"image1") "c:/sld/image1")；表示在當(dāng)前正在使用的圖像中加載1個(gè)單獨(dú)存在的(或者自帶幻燈庫(kù)中任意一個(gè))幻燈片，坐標(biāo)(200,10)表示的是幻燈片在屏幕上的插入坐標(biāo)點(diǎn)的位置，(dimx_tile"image1") (dimy_tile"image1")對(duì)應(yīng)于該幻燈顯示后的對(duì)角點(diǎn)坐標(biāo)

(end_image)；結(jié)束加載幻燈片

5 實(shí)際運(yùn)用示意

在AutoCAD軟件平臺(tái)上的command命令欄輸入“zkgz”，會(huì)彈出圖4的對(duì)話框和幻燈片，按順序輸入主管和支管的直徑和長(zhǎng)度參數(shù)，確定插入展開圖形的位置，就可以繪制出相貫線的展開圖形。直角相交支管程序示意圖如圖4所示，直角相交支管和主管展開示意圖如圖5所示。

6 結(jié)語

運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開發(fā)的直角支管裝配展開程序，在輸入管子相關(guān)的參數(shù)以后能夠正確自動(dòng)展開相貫線，并在屏幕合適的位置顯示展開圖形。把展開圖打印后貼在鋼管表面劃線就可以直接得到準(zhǔn)確的相貫線曲線。這個(gè)展開過程速度快、精度高，與手工描繪切割相比，明顯縮短了施工的時(shí)間。

[1] 張文利. 幾種典型相貫線的數(shù)學(xué)分析[J].鎮(zhèn)江高專學(xué)報(bào), 2003，16(4): 55-57.

[2] 連彩元.參數(shù)化設(shè)計(jì)在CAD位圖中的應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù)，2010(4): 27-29.

U671.91+3

A

2017-05-05

陳馳(1978—)，男，工程師，從事現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理。