鋼岔管三維建模展開并生成放樣坐標參數表的操作方法

盧俊生（中國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并生成放樣坐標參數表的操作方法

盧俊生
（中國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電系統的鋼岔管三維建模展開并生成放樣坐標參數表的一種操作方法。通過文件格式的轉化可以與數控切割機的程序對接，實現對鋼板的自動下料。

關鍵詞：鋼岔管；三維建模；展開圖；放樣坐標

1項目背景

鋼岔管用于水電站的壓力管道系統，采用聯合供水或分組供水時，將主管路水流以一定的流量比例分配輸送到各個支管中，支管連接單臺水輪機組，實現一條主管線帶動多臺機組發電。大都采用鋼板卷制焊接成形的制造方法。其特點是：分節較多、截面變化、結構復雜，制作需要的展開圖數量較多且繁瑣。屬于板金類滾彎成形零件，通過下料、卷制、組拼、焊接成整體形狀的金屬結構件。其工藝流程如下：

1）展開放樣：根據設計提供的岔管體型圖或裝配圖，逐節放樣、繪制出每個單節的平面展開圖及放樣坐標參數表；

2）板材下料：將展開圖及二維坐標參數表數據，進行編碼輸入數控切割機控制程序切割下料；采用人工下料時先將單節展開圖制作成薄鐵皮大樣，再在鋼板上畫出實樣后切割下料。切割出節間焊接坡口等；

3）卷制弧形：采用卷板機將下好的板料，卷制成對應的單節（或分塊瓦片）形狀與尺寸；

4）單節及整體預組裝：如果是分塊瓦片先組拼、點焊、調整成單節管子、再依次組拼成整體形狀、調整、焊接、檢查、驗收；

5）分解防腐運輸：廠內預組裝驗收合格后，較大的管件需要分解與支護加工，解體成便于運輸的節段或瓦片，防腐處理后，運輸到現場再次組裝焊接成型。

由此可以看出：制作過程的關鍵在于單節展開圖的準確、單節管子或瓦片卷制弧度的正確，以及單節、整體組裝時合理有效地調整與焊接過程控制。本課題討論的內容：根據設計提供的岔管體型圖，如何準確、簡便、快捷地獲取展開圖的方法。國內現有技術采用的有：作圖法、數學公式計算法、編制軟件程序法、制圖軟件程序改造嫁接法、3D軟件自動展開法。使用軟件的種類繁雜，尚未提出一種自動生成放樣坐標參數表的辦法。

2總體思路

Autodesk inventor（歐斯克因溫特）軟件是美國AutoDesk公司開發的一款機械設計制圖專業軟件，可以創建三維模型和二維工程圖。基于全數字驅動和定位約束功能產生的三維線形或曲面，通過賦予不同的材質轉化為實體模型、使模型具有實物屬性和力學性能，可以進行模擬加工與裝配、運動仿真、受力狀態分析等。是一款功能強大的三維設計高端軟件。

在板金環境下，可以對沖壓、折彎成型的板金零件進行板金放樣，自動展開成平面狀態。轉化成二維工程圖進行尺寸標注及技術要求說明等。因其是一款綜合的多用途軟件，在展開狀態下，并沒有設定生成放樣坐標參數表的具體操作方法。另外，軟件生成三維模型的設定方法有拉伸、旋轉、放樣、掃掠、螺旋掃掠等。對于鋼岔管，依靠截交面位置定位的板金組件，無法直接獲取上下截面的形狀和尺寸，也沒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，還需要解決2個問題：

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

（2）提取放樣坐標參數表：在工程圖展開環境下，如何自動提取放樣坐標參數表并列表表達。

3截交線法操作方法

以常見的一種月牙肋鋼岔管為例（如圖1），簡單介紹利用Autodesk inventor軟件，截交線法繪制岔管單節展開圖的具體操作步驟。因為是對稱件展開圖只作1/2。

圖1湖南涔天河水庫擴建工程岔管1

3.1建立二維草圖

新建一個項目，并且分建各個單節的文件夾。打開Autodesk inventor軟件，新建文件Sheet Metal.ipt如下，進入鈑金模式制圖狀態，將圖1的設計圖輸入生成二維草圖（見圖2）。完成草圖后保存為基礎草圖：岔管1設計圖。直接關閉文件。

圖2岔管1基礎草圖

3.2創建岔管1單節1斜切前的三維曲面

1）再次新建一個Sheet Metal.ipt文件，進入二維草圖狀態直接點擊完成，轉為零件狀態，衍生岔管1設計圖進來作為基礎圖使用。

2）根據基礎圖畫出節1的斜切前上、下面投影直線，完成節1草圖。

3）進入三維狀態，在上、下面直線中點分別繪制2條輔助三維直線，點擊建立二維平面，通過2條直線建立一個工作平面。可以得到節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、中點。繪制圓弧或整圓，點擊約束工具與投影點建立聯系，如果是整圓需要剪切成半圓。完成后保存端面二維圖。

5）打開模型菜單，點擊放樣按鈕。得到曲面放樣菜單，點擊上、下面半圓線，生成圓錐曲面（見圖3）。

圖3岔管1節1圓錐曲面

3.3三維曲面修剪及轉化成實體模型

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

圖4岔管1節1斜切后曲面

2）點擊“加厚/偏移”按鈕，根據設計圖直徑及板厚設定加厚厚度方向，就得到了岔管1節1實體模型（見圖5）。

圖5岔管1節1實體模型

3）轉回鈑金環境，設定展開參數，點擊“轉至展開模式”按鈕，即可得到岔管1節1展開狀態（見圖6），完成保存。

圖6岔管1節1展開

3.4使用條件與范圍

截交線法使用條件及操作要點歸納如下：

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

2）以截交面的位置線做垂直與中心線的平面投影到曲面，在曲面上產生切割的截交面曲線。再通過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，轉化到板金環境，點擊展開命令，斜切后的管節即展開為平面狀態。

4）通過在工程圖中編輯和標注尺寸，最終得到了岔管對應管節的展開圖。

需要注意的內容：展開的曲面直徑、板材厚度、曲面加厚方向，對生成的實體模型以及展開圖存在直接的影響，3個參數中任何一個改變都會產生不同的結果。需要根據放樣直徑、焊縫位置和坡口的切割方向共同確定。

4提取放樣坐標參數表

工程圖環境——標注菜單——孔參數表，可以自動標志模型中所有孔的位置、直徑、深度，表格還可以編輯修改等。基于此項命令：在狀態模型展開的輪廓線上，以一定的間距和數量有意識的制作出工藝孔，即可對放樣后的輪廓線形狀進行跟蹤，在孔參數表中顯示坐標。再對孔參數表進行編輯、刪除孔參數、只保留中心點坐標XY值，就得到了放樣坐標參數表。具體操作步驟如下：

1）以岔管1節1為例。在展開模式下新建二維草圖，投影輪廓線，將下直邊端點轉化為中心點，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，設置按曲線長度等分，將工藝孔沿輪廓線總長等分成合適的N段。同樣辦法在另一條輪廓線上等分N點完成輪廓線布孔操作。

2）新建工程圖，把展開模式調入工程圖中，旋轉至合適位置放置。標注孔參數表，點擊展開圖形、設定基礎坐標原點、即可自動生成所有工藝孔參數表。對參數表進行編輯、刪除孔的描述只保留XY坐標值，就得到展開圖輪廓線的放樣坐標參數表（見圖7）。

圖7岔管1節1展開圖放養坐標參數表

需要說明的是，將工程圖零存副本為DWG格式文件，即可實現數控切割機的自動下料。目前國內很多數控切割機控制程序是直接和CAD程序兼容的，可以實現切割下料的自動化。還有一種辦法得到放樣坐標參數表：將展開模式1：1比例調入工程圖中，在CAD軟件里進行尺寸標注列表等。此處不再贅述。

5展開圖可靠性驗證

創建岔管1每個單節實體模型后，保存至“折疊模式”進行整體裝配試驗。新建一個裝配圖，調入每個單節實體模型，對正原坐標后得到岔管組拼狀態（見圖8）。檢查對接縫是否發生干涉，可以驗證單節展開圖的正確性。由于存在板厚的影響，根據設計焊縫的要求，合理地確定展開直徑和板料加厚方向，必要時還可以進行機械加工切割破口等，最終完成一個完整的岔管實體模型。

圖8岔管組拼檢查

6實施效果

在黃河龍口水利樞紐工程建設時期，本單位首次制作三梁鋼岔管等，采用了作圖法、數學公式計算法、CAD三維線框直接測量線長再畫展開圖的方法。對各種方法進行了嘗試和研究，多次放樣試驗，相互比對不同方法得到的展開圖參數，及同比例展開圖形狀校驗，制作縮小比例實物模型檢驗，最終驗證了采用Autodesk inventor軟件三維建模展開并生成放樣坐標方法的可靠性。2014年承接湖南涔天河水庫擴建工程，又增添了月牙肋鋼岔管放樣的內容，目前已完成瓦片卷制正在組拼制作中。據本單位統計：采用技術后，節省了重復畫展開圖及放樣工序，實現了數控切割機下料過程的自動化。單以人工放樣時間成本計，節約2×5個工時/單節，降低人工成本3%。

中圖分類號：TV732.4

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）06-0044-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.016

收稿日期：2016-03-18

作者簡介：盧俊生（1964-），男，工程師，從事水工金屬結構制造及水電站機電安裝工作。