計算機輔助設計在直角支管裝配中的應用

陳 馳，劉健康

(揚州大洋造船有限公司，江蘇 揚州 225000)

計算機輔助設計在直角支管裝配中的應用

陳 馳，劉健康

(揚州大洋造船有限公司，江蘇 揚州 225000)

在分析直角支管的相貫線數學展開方式的基礎上，利用AutoCAD軟件平臺中的VLISP語言開發直角支管裝配展開程序，實現在程序中輸入管子基本參數后可自動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過程。該方法提高了精度，節省了人工工時，最終節約了企業的成本。

計算機輔助設計；直角支管；相貫線；管子加工

0 引言

在船舶海水冷卻系統、淡水冷卻系統、艙底壓載水系統等管系的綜放布置過程中，經常會有直角支管的出現，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行切割后再裝配焊接。手工切割相貫線時，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確，對接后不能完全吻合，要經過反復多次修割才能基本吻合，效率低下。本文介紹的計算機輔助設計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，實現輸入基本參數后自動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到裝配的要求，無需現場反復修割。

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個交點(a1,a2,a3,a4)，從這4個交點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，在4條輔助線上取點描劃出支管相貫線(俗稱馬鞍線)，最低點為0，最高點為支管直徑的一半。在管子外壁將4點用弧線描繪連接起來。

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

(3)支管切割后檢查。切割結束后，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。根據圖紙要求，在輔助線上以主管一側端面為基準找出支管安裝位置的中心點，以中心點為基準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個端點，以這2個端點為基準將支管放置到主管上，沿支管切割好的相貫線邊緣劃線，分別從支管內外將支管的相貫線描畫到主管外圓上。在內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。根據描繪出的相貫線切割主管。切割時需沿著線條內側進行切割，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在支管下方其壁厚1/2處，可從支管頂端分別從內外垂直向下看，均不應可見。最后將主管的相貫線的切割部位進行打磨。

(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，確認達到要求后，進行點焊。一般情況下，點焊為均勻分布的4點，較大的管子可以增加點焊至6～8點甚至更多，以防止支管脫落以及后續焊接的變形。

(7)點焊結束后，將焊點進行打磨，然后根據圖紙復核管子長度并進行法蘭的裝配，進入到后續其他工序的作業。

從以上介紹的操作方法可知，手工描繪相貫線的形狀準確度難以保證。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較小的可以接受的范圍內，支管與主管的相貫線需要反復多次檢查修割才能達到較為理想的精度，因此制作效率不是很高。從實際制作情況來看，有支管的管子的總裝配時間(含法蘭、變徑等附件)，是沒有支管的管子的總裝配時間的4倍以上。

2 計算機輔助設計簡介

近年來，計算機輔助設計在各行各業取得了迅猛的發展，特別是在繪圖方式上顛覆和替代了手工畫圖，比如螺母、螺栓等簡易的標準件，可以在AutoCAD軟件中用編制程序方式自動完成，這樣不僅可以減少設計時間還降低了圖紙的差錯率。對于上述相貫線的形狀，也可以通過計算機輔助設計來完成。其方法如下：

(1)建立一個符合相貫線特征的數學方程式(這個過程主要目的是要找到一個合適的變量，用這個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，通過解數學方程式得到每份的XY坐標值。在實際操作過程中，一般把管子相貫線平均等分20～30份就可以符合生產精度的需求。

(3)把XY坐標值按規律連接就能得到相貫線的展開圖。

3 直角支管的數學方程式的推導過程

圖2為直角支管坐標。根據高等數學知識，主管和支管圓柱的數學表達式[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。

圓管的表面可以簡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過的角度為α，支管相貫線的坐標方程分別見式(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的角度,rad,而且0≤α≤2π。

將上式轉換到相貫線的坐標系，并令α=0時開始展開，則支管相貫線的展開坐標分別見式(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、縱向坐標值。

通過上述過程也可以用主管直徑、主管長度為基本參數，將主管相貫線進行展開。

4 在AutoCAD軟件中的編程過程

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

(defunc：zkgz()(設置自定義函數zkgz)……(setqi0(定義字符i等于0)n360)(定義字符n等于360)(while(<=in)(當i小于等于n時執行以下的循環函數過程)(setqzk(?api)；(設置zk=a?π)bjc(/zk360)；(設置bjc=zk/360)j2(?(/pi180)i)；(設置j2=i?π/180)……(cond((<=i360)(當循環條件i小于等于360時)(setqp2(listx1y1)))(設置點p2的坐標為x1和y1)(setqp3p2)(設置p3的坐標等于p2)(command＂pline＂p2p3＂＂)(調用Pline命令通過p2和p3畫多義線)(setqi(+i1)))(設置循環條件i自動累計一次))(設置結束自定義函數)

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個直角管子相交的簡化圖。

(2)在command欄下輸入：zoom回車，all回車。

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

在上面的代碼中增加如下函數語句來調用幻燈片：

:image { ；調用幻燈片

key = "image1";設置幻燈片的關鍵字為"image1"

color=-18; 定義背景顏色為-18(當前對話框線顏色)。

width=80;設置幻燈片寬度為80

height=20; 設置幻燈片高度為20

}

(start_image"imagel")；加載幻燈片"imagel"

(slide_image 200 10 (dimx_tile"image1") (dimy_tile"image1") "c:/sld/image1")；表示在當前正在使用的圖像中加載1個單獨存在的(或者自帶幻燈庫中任意一個)幻燈片，坐標(200,10)表示的是幻燈片在屏幕上的插入坐標點的位置，(dimx_tile"image1") (dimy_tile"image1")對應于該幻燈顯示后的對角點坐標

(end_image)；結束加載幻燈片

5 實際運用示意

在AutoCAD軟件平臺上的command命令欄輸入“zkgz”，會彈出圖4的對話框和幻燈片，按順序輸入主管和支管的直徑和長度參數，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 結語

運用計算機輔助設計開發的直角支管裝配展開程序，在輸入管子相關的參數以后能夠正確自動展開相貫線，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確的相貫線曲線。這個展開過程速度快、精度高，與手工描繪切割相比，明顯縮短了施工的時間。

[1] 張文利. 幾種典型相貫線的數學分析[J].鎮江高專學報, 2003，16(4): 55-57.

[2] 連彩元.參數化設計在CAD位圖中的應用[J].機電技術，2010(4): 27-29.

U671.91+3

A

2017-05-05

陳馳(1978—)，男，工程師，從事現場生產管理。