基于AutoCAD的蛇形弯管三维建模及展开技术研究

作者：四川机电职业技术学院 苟在彦

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 蛇形弯管是一种较复杂的工程管道，其放样及加工制作难度较大，特别是三节以上的蛇形弯难度更大。目前一般的做法有：1.利用手工放样，进行两次以上的换面，以求取蛇形弯管各节的真实夹角、错心差及实形等，然后制作展开样板；2.利用计算方法或编制展开程序获得展开图；3.利用现有的展开软件进行参数化展开。其中方法1由于多次换面难度较大、作图烦琐，不适合大尺寸结构件；方法2的理论水平要求较高，不适合一般设计人员；方法3则需专用软件，而专用软件并不普及。基于上述原因，笔者开发了一种可以有效解决这类问题的技术，它包含两方面内容：三维建模和展开放样。此方法在攀钢氧气厂的管道维修及制作过程中发挥了重要作用。 攀钢氧气厂现具有国产6000m3/h制氧机组3套，国产10000m3/h和16000m3/h制氧机组各1套，日立6000m3/h和日立10000m3/h制氧机组各1套。现阶段实际全厂氧气生产规模为54000m3/h，承担着为攀钢及周边地区供应氧气的重任。厂区内管道种类众多，尤以蛇形弯管为甚，管道加工制作及维修的任务较为繁重 一、主要设计思想 在制氧机组维护和管道安装施工中，常常涉及到蛇形弯管。制作蛇形弯管的样板是非常烦琐的事情，尤其是多节蛇形弯管，传统计算方法和放样结果精度不高，经常会出现放样结果不符合实际要求的情况，导致制作时费时、费力、费料。由于AutoCAD绘图软件拥有强大的计算、测量和绘图功能，目前被广泛应用于工程绘图中。本文在AutoCAD中建立管道的三维模型，利用标注、查询等功能获取管道展开所需要的素线实长，进行管道展开图绘制的方法，可以大大降低复杂管道（蛇形弯管）样板制作的难度。 二、三维建模 所需蛇形弯管如图1所示，建立三维实体并做展开图。 1.关键点（中心点）的精确定位 根据平面视图及尺寸关系画出中心点A、B、C、D和E，其中确定C、D两点时需重新确定三维坐标系（即Z轴矢量向上，原点为E点）。以E点为圆心，500为半径画圆，过E点做垂直构造线，与此圆相交于D，再以D为圆心，260为半径画圆，与此构造线相交于C。至此，5个关键点及其中心线的空间定位完毕。关键点的定位如图2所示。 2.求做相贯面（线） 以B点为原点，中心线AB及BD为X、Y坐标轴建立坐标系；分别以A、B、D为圆心，150为半径画三个圆，并分别做它们两两之间的外公切线，其交点为F、G，线段FG即为所求的相贯面（线）。同理可在CD与BD相交的面上做出其相贯面（线）MN。FG、MN就是接下来做剖切截断面的基础。相贯面如图3所示。 3.做三维实体图 以中心线AB为Z轴矢量做圆柱体的步骤如下：首先建立以AB为Z轴矢量的三维坐标系，以A点为圆柱体底面圆圆心，150为半径，AB（稍长）为高做圆柱体。同理，可分别以中心线BD、CD为Z轴矢量做圆柱体。制作后效果如图4所示。 4.做剖切截断面 做管Ⅰ和管Ⅱ剖切截断面的步骤如下：对管Ⅰ和管Ⅱ求交集，并对其进行分解，分解到仅剩下简单的线为止，此时会看到过F、G两点的相贯曲面，此曲面即为管Ⅰ和管Ⅱ真正的剖切截断面，在此曲面上任取非F、G两点的任意一点P，以备下一步剖切之用，同理可做出管Ⅱ和管Ⅲ的剖切截断面MNS。做好的剖切截断面如图5所示。 5.做蛇形弯管实体图 以步骤3的方法做出如图4所示的实体图，然后分别以断面FGP及MNS剖切管Ⅰ、管Ⅱ和管Ⅲ，并对留下的三部分做合并运算，得到蛇形弯管实体图，如图6所示。 三、做展开图 1.做表面素线 将实体图展开的方法很多，如可通过标注、查询等方法获得素线实长求做展开图，以及通过复制边或复制面命令做展开图等。但较简便的方法是通过“分解”命令将实体循环执行“选中→分解”，直到只剩下简单的线条为止。然后将底面圆六等分（等分数越多展开图越精确）并做出蛇形弯管的表面素线。蛇形弯管的表面素线如图7所示。 2.做展开图 通过“复制”命令复制其表面素线，并将它们拼凑成一长方形，然后以150为半径画出底面半圆，并将其三等分，做出其对应的表面素线，如图8（左）所示。然后以300×3.14=942为长度画出底面圆周的展开线段，在其上以942÷6=157依次取六个点，并延长方形高度方向向上做7条竖直线从而形成一长方形，接着以各节素线对应高度取点，并用“样条曲线”功能依次光滑连接各点，最终形成如图8（右）所示的展开图。 四、结论 基于AutoCAD的三维建模及展开技术，从一定程度上解决了以蛇形弯管为代表的复杂结构件的展开问题，其解决之道有以下几点需要总结： 1.建立适宜的空间坐标系，并按尺寸要求对各关键点进行精确定位。 2.确定各节弯管的剖切截断面位置（即三点确定平面原则）。 3.展开图的做图方法需要根据实际情况灵活应用。 另外，尽管像Solidworks、Pro/E等三维软件也可解决类似的问题，但在实际使用中笔者感到其方法并不太适合此类结构件，所以AutoCAD的三维建模及其展开技术还是有相当的使用价值。 原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/10/2006)