一種相貫線繪制裝置的結構設計

龐振威，李 聰，龐貞藝，蔣 瑜

（廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007）

0 引言

在橋梁、建筑、化工、航空航天、船舶等諸多領域都涉及管道間的相交連接。管與管相交連接形成的輪廓線稱之為相貫線。為保證連接順利和符合要求，在管道施工連接前，需要按照設計的連接方式在管道上畫出相貫線并按相貫線切割。但實際中，管與管的相交連接涉及正交、斜交，兩相交管直徑不等、相交管為錐形管等多種情況，給管道相貫線繪制和切割帶來了較大困難。

目前管道繪制主要有自動繪制和人工繪制兩種形式。自動繪制采用自動化設備，運用數值模擬等方式計算出管道相交的相貫線，然后控制繪制或切割裝置將管道按照相貫線軌跡繪制或切割出相貫線，整個過程由計算機模擬相貫線形狀[1]。人工繪制主要有仿形法[2]、投影法繪制[3-4]、投影展開法[5]等三種方式。仿形法采用能伸縮的材料或結構制作成中空的與實際直徑大小相同的兩條管道模型，然后按照實際的對接方式將模型管道連接起來得到準確的相貫線，然后將管道模型作為模板放置于管道上，用繪圖筆描繪出相貫線[2]。此方法對正交連接精度較高，但斜交時不容易準確調整相交角度，且模型管道在使用時可能因受力發生變形，影響精度。投影繪制法根據機械制圖投影原理，沿著管道方向的視圖投影能反映管道的外部形狀，即圓形管道的投影是一個圓，則借助簡易繪圖裝置，將一條相交管道的軸線作為旋轉中心，以管道半徑為繪圖半徑，使可升降的繪圖筆繞軸線旋轉繪制出相貫線[3-4]。該方法能較為精確的繪制相貫線，但在管徑不同時固定繪圖裝置比較困難，不適用非鐵磁材料管的相貫線繪制，無法繪制管與管斜交、偏心斜交、圓柱管與錐形管相交等復雜情況的相貫線。投影展開法根據機械制圖投影原理，在繪圖紙上繪制出兩相交管道的相貫線展開圖，然后將繪圖紙放置張貼于管道上的合適位置，此時繪圖紙上的相貫線為管道相交的實際相貫線[5]。此方法需要有一定的繪圖基礎，適用于各種復雜情況的相貫線繪制，繪制好后可重復使用，但工作量較大，需要時間長，管道直徑越大繪制難度越高。自動繪制往往不直接繪制出相貫線，而是通過計算機計算模擬出相貫線形狀，然后通過切割裝置直接按照相貫線軌跡將管道切開，便于后續管道連接，工作效率高，所切相貫線精度高，適用于大批量管道切割，但不適用于野外、小批量相貫線劃線切割。且相貫線自動繪制切割裝置價格較高，體積質量大，不便于攜帶，導致野外施工或小批量生產時并不適用。針對此，本文設計一款操作簡單、便于攜帶、使用范圍廣的相貫線繪制裝置。

1 相貫線繪制裝置的結構設計

針對現有相貫線繪圖裝置的特點，在原有結構的基礎上對其進行優化改進，使其具有使用簡單便捷、繪制精度高等特點，其結構如圖1所示，具體設計如下。

圖1 相貫線繪制裝置結構圖

（1）夾緊定位組件。夾緊定位組件由磁性底座、定位夾緊板1、定位夾緊板2、夾緊螺栓等組成，磁性底座上有滑動軌道、刻度尺以及固定螺絲。通過磁性底座、定位夾緊板1、定位夾緊板2三者共同的作用，形成三線支撐，通過調節夾緊螺栓，可將管道穩固夾緊。由于定位夾緊板1和定位夾緊板2旋轉位置通過齒輪嚙合，張開夾緊時保證不同定位夾緊板之間的相對轉動角度相等，夾緊后即能自動定位定心，無需額外調節。兩定位夾緊板夾緊位置形狀采用交叉錯開形式，當管道尺寸較小時，兩定位夾緊板不會相互干涉，可以適用于更大范圍管道直徑尺寸的管道夾緊和相貫線繪制，保證夾緊操作簡單可靠。如管道是鐵磁性材料，則無需調整夾緊螺栓，通過磁性吸力即可實現夾緊定位。該結構保證了其適用于鐵磁材料和非鐵磁材料管道的定位和夾緊。

（2）連接支撐組件。連接支撐組件由可移動立柱、橫向連接板、定位柱安裝塊、定位柱等組成。可移動立柱在磁性底座上的滑動軌道內滑動并緊固，通過刻度尺可以知道定位柱相對于管道中心平面移動的距離，當刻度值為“0”時，定位柱中心線穿過管道圓柱中心線。對于偏心兩管相交，可通過調整可移動立柱，使其刻度值與兩管中心線垂直距離相等即可。定位柱安裝塊可以繞橫向連接板的弧形刻度尺中心旋轉，適應不同角度的兩管斜交形成的相貫線。通過定位柱安裝塊可以調節定位柱的上下距離和傾斜角度。由連接支撐組件形成穩固的橋式支撐，使整個繪圖裝置在繪圖時變形小，繪圖精度高。

（3）旋轉繪圖組件。旋轉繪圖組件由回轉尺、直徑調整塊、繪圖筆安裝座、繪圖筆等組成。回轉尺可以繞定位柱自由旋轉和上下移動，也可通過調整緊固螺絲固定在定位柱某一高度自由轉動。回轉尺上有刻度，刻度值顯示繪圖筆與定位柱中心線的距離。繪圖筆安裝于繪圖筆安裝座上，可繞直徑調整塊轉動一定角度，通過角度刻度可以調整繪圖筆的傾斜角度。繪圖筆可沿座孔上下滑動，也可通過調整螺絲緊固。

2 相貫線繪制裝置的操作方法

（1）裝置緊固。如圖1所示，相貫線繪制前，擰松夾緊螺栓，將夾緊定位組件放置在需要繪制相貫線的管道上的合適位置，然后擰緊夾緊螺栓，使定位夾緊板1和2夾緊管道，保證磁性底座穩固不發生松動。此時磁性底座中心剖切面與管道垂直軸向中心剖切面重合。

（2）定位支撐。根據兩管相交情況調整可移動立柱的水平位置。如果兩管道中心線不相交即偏心相交，則調整可移動立柱的水平位置至刻度值為兩管中心軸線間的垂直距離即可；如兩管中心軸線相交，不存在偏移，則將可移動立柱調整到“0”刻度位置。然后根據兩管相交的角度調整好定位柱安裝塊的角度，調整定位柱的位置使其錐尖與管道接觸良好，形成穩定的橋形支撐，避免一端懸空使整個裝置出現偏斜。

（3）旋轉繪圖。通過直徑調整塊調整繪圖筆與定位柱中心線的距離，使其與相交管道的半徑相等，通過旋轉回轉尺并沿定位柱上下移動，可以通過繪圖筆在管道上繪制出兩管相交的相貫線。如相交管道為錐形，則需調整繪圖筆的安裝座角度與錐形管錐角相適應，旋轉半徑則需繪圖筆筆尖和定位柱等高時借助直尺測量繪圖筆筆尖到定位柱錐尖的距離來確定，因繪圖筆傾斜而不能使用回轉尺上的刻度作為回轉半徑，此時需要固定回轉尺的高度，使其僅能旋轉，不能上下移動，通過繪圖筆的上下移動完成錐形相交管的相貫線繪制。

3 實驗

基于以上設計，使用北京太爾時代UP BOX 3D打印機制作了該裝置的簡易樣機，材料采用ABS塑料，因其結構強度較低，對該裝置的夾緊定位組件進行了簡化，完成后的樣機如圖2所示。

圖2 簡易樣機

利用簡易樣機對不同直徑塑料管進行了相貫線繪制實驗，圖3所示為按照繪制的相貫線進行切割得到兩管對接的部分實物。由圖可知，通過該相貫線繪制裝置實現了不同直徑類型管—管相接的相貫線較為精確的繪制，達到預期目的。但由于采用ABS塑料制作，各部件剛度較低，旋轉件還不夠靈活，導致繪制過程出現的部分誤差較大，如采用金屬制作后可有效提高繪制精度。

圖3 不同直徑管道相貫線繪制結果

4 結束語

本文通過參考現有相貫線繪圖裝置的結構，設計了一款新的相貫線繪制裝置。該裝置可以應用于多種材料制成的剛性管道相交的相貫線繪制，適用管道直徑范圍廣，定位夾緊簡單便捷，可以繪制管與管之間對心正交和斜交、偏心正交和斜交，以及圓柱管與錐形管的正交與斜交形成的相貫線，擴大了相貫線繪制的適用范圍。同時該相貫線繪圖裝置結構簡單，制造成本低，相貫線繪制精度較高，便于攜帶和操作，非常適用于野外施工作業。