管道彎制ＣＡＤ／ＣＡＭ系統的設計與實現

摘要：對管道彎制涉及的問題進行了分析，描述了管道彎制CAD/CAM系統整體框架，提出系統模塊劃分方案；給出了由管道XYZ坐標到YBC坐標的轉換算法，結合管道回彈和延伸特性，建立了回彈延伸補償算法，對彎管數據進行了修正補償，并生成精確下料尺寸；根據工藝條件和碰撞因素，分別從可彎制性初步分析和仿真分析兩個層次對管道的可彎制性進行了分析；利用Visual C++編程工具和OpenGL圖形庫對系統進行了實現。目前系統已成功投入運行。

關鍵詞：管道彎制；計算機輔助設計/計算機輔助制造；回彈延伸補償；可彎制性；仿真分析

中圖分類號：TP319文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0204－03

0引言

目前的數控彎管機以矢量理論[1]為基礎，以數控代碼驅動機床進行YBC[1]運動，在機床模具上自動彎制管道。但在管道的設計圖紙中，因涉及到復雜的計算問題，通常只給出管形的XYZ坐標值。因此需建立由XYZ坐標到YBC坐標的轉換算法，并計算出管道下料長度。由于彎制過程中管道存在回彈和延伸等問題，如不對理論下料長度和理論YBC數據值進行修正，則彎制后管道存在較大誤差。同時，管道的下料尺寸誤差較大，且大多數企業沒有進行下料的優化組合，從而使材料的利用率較低。另一方面，管道三維檢測儀與數控彎管機之間通常沒有中間系統的連接，不能自動地處理檢測數據并自動修正彎管控制數據，不能充分利用設備的先進性，發揮設備潛能。

在管道零件的設計階段，隨著管道品種及空間復雜性的增加，設計的管道在彎制時是否存在與設備的干涉現象、是否符合設備規格參數的限制以及本身性能參數的允許等可彎性問題，單憑設計、工藝和操作人員的經驗難以判斷；只有實際彎管出現碰撞時才能得知其不具可彎性，然后返回到設計部門進行修改設計。如此循環下去，既造成了很多不必要的浪費，又延長了產品的開發周期。

針對這些問題，進行了管道彎制CAD/CAM系統項目的研究，以解決以下主要問題：XYZ坐標到YBC坐標的轉換；管道的可彎制性分析；彎制過程回彈延伸問題的補償和修正；下料的最優化組合計算；CAD/CAM的應用集成。從而最大限度地整合設計、制造及網絡資源，提高設備應用的自動化程度，降低工藝操作難度，保證彎管的質量，提高生產率，降低成本。

1系統模塊劃分和整體框架

根據管道彎制的實際過程和對當前流行的處理方法的比較和分析，將整個系統分為以下幾個模塊：①管道原始設計數據采集模塊，該模塊主要完成由管形坐標ＸＹＺ到加工坐標ＹＢＣ的轉換；②管道可彎制性分析模塊（包括初步判斷和仿真碰撞干涉檢驗）；③回彈補償模塊，該模塊主要完成回彈延伸參數的計算、ＹＢＣ數據補償及管道下料長度計算；④彎管機格式文件生成模塊，該模塊生成彎管機能夠識別的格式文件；⑤下料及優化組合模塊，該模塊完成下料管道最優化組合計算、下料報表及優化組合報表的生成；⑥數據傳輸模塊，該模塊通過RS－232串行端口向ＡDDISON彎管機和SOCO彎管機傳輸，可用于彎管的格式文件。該系統的關鍵是建立由管形坐標ＸＹＺ到加工坐標ＹＢＣ的轉換算法和回彈延伸補償算法，并結合CAD等相關技術實現對管道的可彎性分析。因此本文僅針對這些關鍵問題進行論述。

整個系統的構成包括服務器、局域網客戶機、ADDISON彎管機控制微機、SOCO彎管機控制微機和測量儀控制微機。其中服務器和局域網客戶機采用基于Client/Server的模式，通過Intranet連接；服務器與ADDISON彎管機控制微機、SOCO彎管機控制微機和測量儀控制微機之間采用基于RS－232通信標準的串口連接。系統整體框架如圖1所示。

2系統實現關鍵算法

2．1管形坐標ＸＹＺ到加工坐標ＹＢＣ的轉換

一般情況下，管道是由若干個直線段和彎曲段組成的（圖2）。在空間坐標系中，如果將管道的直線段用其中心軸線表示，相鄰直線段中心線的延長線產生交點，這些交點與首末端點一起便構成管道的管形坐標[1]。相鄰管形坐標點連線的距離和方向就表示了矢量的大小和方向，依次以前一個矢量為基準，分別計算出下一個矢量相對于前一個矢量的大小和方向，再利用空間解析幾何的知識即可得到轉換后的YBC坐標。

2．2管道回彈補償計算

通常由理論YBC直接彎制出來的管道的成形角及管道尺寸與設計值之間存在較大誤差。這是由于管道彎曲加工是彈塑性彎曲[2]，在彎曲時存在一個回彈和延伸變形的過程，彎曲回彈后，必然會使成形角變小、管件軸線變長。為保證管道彎制精度需考慮回彈和延伸因素對管道彎制造成的影響。

數控彎管機的動作可分為送料（送料小車主動進給）、旋轉、彎曲（送料小車被動進給）。當數控彎管機完成彎曲動作時，送料小車已被帶離原來位置，此時便以當前位置為基準，按照下一個Y值繼續進給。因此由延伸造成的管道加長全部累積到末端直線段上，只對下料長度和末端長度有影響。

總的延伸長度EL為

3管道可彎制性分析

該系統是針對ADDISON彎管機、SOCO彎管機進行開發和擴展的。其中ADDISON彎管機只有直送送進方式，而SOCO彎管機具有直送和夾送兩種送進方式；另外后者在采用夾送時根據送料—退彎—傾轉的不同組合具有多種動作順序。不同的送進方式和動作順序對管道的可彎制性和彎管格式文件的生成具有很大的影響。

在進行管道彎制的過程中，還常常受到其他很多條件的限制，主要是彎管機設備和模具的限制，從而使得某些管道不能彎制。根據對各種無法彎制的管道數據分析統計得知，管道不能彎制的情況一般有以下幾種：①首端直線段太短，造成夾模無法夾持管道或導致管道端口嚴重變形；②中間直線段太短，夾模無法穩定夾持；③末端直線段太短，導致模具自身發生碰撞；④在彎制過程中管道與地面發生碰撞；⑤在彎制過程中管道與模具發生碰撞；⑥在彎制過程中管道與彎管機設備發生碰撞；⑦在彎制過程中管道自身發生碰撞。其中①～③三種情況是由模具幾何尺寸的限制造成的，根據模具幾何尺寸即可將之檢測出來；④～⑦四種情況是由管道的幾何形狀、管道彎制時所選用的彎制方式及彎制順序等因素共同導致的，無法直接進行判斷，只有通過仿真分析才能準確地對管道的可彎制性進行判斷。因此將管道可彎制性分析劃分為兩個過程，即管道可彎制性初步分析和管道可彎制性仿真分析。

3．1管道可彎制性初步分析

該子模塊根據模具幾何尺寸完成①～③三種情況的可彎性判斷。其中對于①和③兩種情況可以通過工藝加長，使管道具有可彎性，彎制完成后再根據加長量進行切割；對于情況②，程序將記錄相應的數據以輔助設計人員進行管道數據的修改，在修改前管道不具可彎性。

決定管道能否通過初步性判斷的因素主要是四個限長：

（1）首段限長——用來衡量管道首段是否滿足彎制要求的決策因素；由管道規格決定。

（2）中間限長——用來衡量管道中間段是否滿足彎制要求的決策因素，由夾模尺寸決定。

（3）尾段限長1——用來衡量管道最后一個起彎點到尾端的距離是否滿足彎制要求的決策因素；由輪模或輪模底座尺寸決定。

（4）尾段限長2——用來衡量管道倒數第二個起彎點到尾端的距離是否滿足彎制要求的決策因素；由導模尺寸決定。該參數僅用于具有兩個以上彎的管道。

利用四個限長，按圖3的方式，即可完成某一管道的初步性判斷。同時，為便于對管道進行正反兩個彎制方向的仿真分析，及最終確定最優的彎制方向，對任一管道均進行正反兩個彎制方向的初步性判斷。

3．2管道可彎制性仿真分析

該過程通過OpenGL圖形庫對彎管機床體和模具各部分進行準確建模[5]，并對管道彎制過程進行碰撞檢測[6]，以判斷管道是否存在④～⑦等四種碰撞情況。可彎制性仿真分析的最終目的是為了檢測管道在彎制過程中有無碰撞發生。能否正確進行碰撞檢測主要取決于碰撞檢測的實時性和精確性。

（1）管道的動態建模

管道在彎制仿真運動過程中空間位置和形狀都要發生改變，因此是動態模型。由于管道模型比較復雜，難以利用簡單的數據描述其形狀尺寸，可將管道分解成多個簡單管道的組合，然后再通過平移和旋轉空間變換[7]將多個簡單管道組合成為原來的復雜管道。這里所說的簡單管道是由兩個圓柱體和一個彎曲角度小于180°的圓環體組成的。

（2）彎制仿真過程中的碰撞檢測

由于機床、模具及管道模型的復雜性，給仿真過程中的碰撞檢測的實時性和精確性帶來困難。為了簡化管道彎制仿真過程中的碰撞檢測，結合管道彎制的實際情況，在碰撞檢測時只檢測管道與機床、模具、地面及其自身的碰撞情況，而對于機床各部分與模具之間的相互碰撞不進行檢測。該部分的碰撞可由模具及小車的運動限位避免。兩個實體之間的碰撞檢測流程和碰撞檢測實例分別如圖4、5所示。

4結束語

該系統的開發，改變了彎管機與測量儀之前孤立的狀態，通過TCP/IP協議和RS－232通信接口將它們融合在一起，大大延伸了原有系統的功能。系統可對彎管機、送進方式和彎制順序的八種不同組合進行可彎制性分析，判斷出管道是否可以彎制，并找出一種最合適的彎制方式，從而避免出現不必要的返工。結合測量儀的測量結果，可以對管道的彎制數據進行準確的修正，極大提高了管道彎制的質量。該系統已經通過項目驗收，目前已投入使用，取得了良好的效果。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”