钢岔管三维建模展开并生成放样坐标参数表的操作方法

卢俊生（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 三门峡 472000）



钢岔管三维建模展开并生成放样坐标参数表的操作方法

卢俊生
（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 三门峡 472000）

摘要：基于Autodesk inventor软件，提出了水电站引水发电系统的钢岔管三维建模展开并生成放样坐标参数表的一种操作方法。通过文件格式的转化可以与数控切割机的程序对接，实现对钢板的自动下料。

关键词：钢岔管；三维建模；展开图；放样坐标

1项目背景

钢岔管用于水电站的压力管道系统，采用联合供水或分组供水时，将主管路水流以一定的流量比例分配输送到各个支管中，支管连接单台水轮机组，实现一条主管线带动多台机组发电。大都采用钢板卷制焊接成形的制造方法。其特点是：分节较多、截面变化、结构复杂，制作需要的展开图数量较多且繁琐。属于板金类滚弯成形零件，通过下料、卷制、组拼、焊接成整体形状的金属结构件。其工艺流程如下：

1）展开放样：根据设计提供的岔管体型图或装配图，逐节放样、绘制出每个单节的平面展开图及放样坐标参数表；

2）板材下料：将展开图及二维坐标参数表数据，进行编码输入数控切割机控制程序切割下料；采用人工下料时先将单节展开图制作成薄铁皮大样，再在钢板上画出实样后切割下料。切割出节间焊接坡口等；

3）卷制弧形：采用卷板机将下好的板料，卷制成对应的单节（或分块瓦片）形状与尺寸；

4）单节及整体预组装：如果是分块瓦片先组拼、点焊、调整成单节管子、再依次组拼成整体形状、调整、焊接、检查、验收；

5）分解防腐运输：厂内预组装验收合格后，较大的管件需要分解与支护加工，解体成便于运输的节段或瓦片，防腐处理后，运输到现场再次组装焊接成型。

由此可以看出：制作过程的关键在于单节展开图的准确、单节管子或瓦片卷制弧度的正确，以及单节、整体组装时合理有效地调整与焊接过程控制。本课题讨论的内容：根据设计提供的岔管体型图，如何准确、简便、快捷地获取展开图的方法。国内现有技术采用的有：作图法、数学公式计算法、编制软件程序法、制图软件程序改造嫁接法、3D软件自动展开法。使用软件的种类繁杂，尚未提出一种自动生成放样坐标参数表的办法。

2总体思路

Autodesk inventor（欧斯克因温特）软件是美国AutoDesk公司开发的一款机械设计制图专业软件，可以创建三维模型和二维工程图。基于全数字驱动和定位约束功能产生的三维线形或曲面，通过赋予不同的材质转化为实体模型、使模型具有实物属性和力学性能，可以进行模拟加工与装配、运动仿真、受力状态分析等。是一款功能强大的三维设计高端软件。

在板金环境下，可以对冲压、折弯成型的板金零件进行板金放样，自动展开成平面状态。转化成二维工程图进行尺寸标注及技术要求说明等。因其是一款综合的多用途软件，在展开状态下，并没有设定生成放样坐标参数表的具体操作方法。另外，软件生成三维模型的设定方法有拉伸、旋转、放样、扫掠、螺旋扫掠等。对于钢岔管，依靠截交面位置定位的板金组件，无法直接获取上下截面的形状和尺寸，也没有给出具体的放样方法。

因此，采用Autodesk inventor（欧斯克因温特）软件建模展开，还需要解决2个问题：

（1）截交线法：就是在无法直接得到截交面形状和尺寸的情况下，采用的绘制展开图的一种方法，命名为截交线法。适合于通过斜切与斜接的断面交叉形成的复杂管件：如岔管、弯管、虾米腰、三通等，无论截面形状是方形或是椭圆，在没有给出上下面形状和尺寸的情况下，如何获取展开图的方法。

（2）提取放样坐标参数表：在工程图展开环境下，如何自动提取放样坐标参数表并列表表达。

3截交线法操作方法

以常见的一种月牙肋钢岔管为例（如图1），简单介绍利用Autodesk inventor软件，截交线法绘制岔管单节展开图的具体操作步骤。因为是对称件展开图只作1/2。

图1湖南涔天河水库扩建工程岔管1

3.1建立二维草图

新建一个项目，并且分建各个单节的文件夹。打开Autodesk inventor软件，新建文件Sheet Metal.ipt如下，进入钣金模式制图状态，将图1的设计图输入生成二维草图（见图2）。完成草图后保存为基础草图：岔管1设计图。直接关闭文件。

图2岔管1基础草图

3.2创建岔管1单节1斜切前的三维曲面

1）再次新建一个Sheet Metal.ipt文件，进入二维草图状态直接点击完成，转为零件状态，衍生岔管1设计图进来作为基础图使用。

2）根据基础图画出节1的斜切前上、下面投影直线，完成节1草图。

3）进入三维状态，在上、下面直线中点分别绘制2条辅助三维直线，点击建立二维平面，通过2条直线建立一个工作平面。可以得到节1锥管斜切前上、下平面位置。

4）在上、下平面新建二维草图，投影出上、下面直线的端点、中点。绘制圆弧或整圆，点击约束工具与投影点建立联系，如果是整圆需要剪切成半圆。完成后保存端面二维图。

5）打开模型菜单，点击放样按钮。得到曲面放样菜单，点击上、下面半圆线，生成圆锥曲面（见图3）。

图3岔管1节1圆锥曲面

3.3三维曲面修剪及转化成实体模型

1）打开新建三维草图菜单，将节1在基础草图上的斜切线与曲面相交。得到斜切面位置曲线，点击分割工具修剪、删除多余曲面，生成斜切后的圆锥曲面（见图4）。

图4岔管1节1斜切后曲面

2）点击“加厚/偏移”按钮，根据设计图直径及板厚设定加厚厚度方向，就得到了岔管1节1实体模型（见图5）。

图5岔管1节1实体模型

3）转回钣金环境，设定展开参数，点击“转至展开模式”按钮，即可得到岔管1节1展开状态（见图6），完成保存。

图6岔管1节1展开

3.4使用条件与范围

截交线法使用条件及操作要点归纳如下：

1）在无法得到上下断面尺寸和形状的条件下，通过已知条件（共切圆，斜切圆锥的边线、中心线），先模拟出一个未被切割前的曲面。

2）以截交面的位置线做垂直与中心线的平面投影到曲面，在曲面上产生切割的截交面曲线。再通过切割修剪命令删除多余曲面，从而得到斜切后的曲面。

3）将曲面加厚生成管段，转化到板金环境，点击展开命令，斜切后的管节即展开为平面状态。

4）通过在工程图中编辑和标注尺寸，最终得到了岔管对应管节的展开图。

需要注意的内容：展开的曲面直径、板材厚度、曲面加厚方向，对生成的实体模型以及展开图存在直接的影响，3个参数中任何一个改变都会产生不同的结果。需要根据放样直径、焊缝位置和坡口的切割方向共同确定。

4提取放样坐标参数表

工程图环境——标注菜单——孔参数表，可以自动标志模型中所有孔的位置、直径、深度，表格还可以编辑修改等。基于此项命令：在状态模型展开的轮廓线上，以一定的间距和数量有意识的制作出工艺孔，即可对放样后的轮廓线形状进行跟踪，在孔参数表中显示坐标。再对孔参数表进行编辑、删除孔参数、只保留中心点坐标XY值，就得到了放样坐标参数表。具体操作步骤如下：

1）以岔管1节1为例。在展开模式下新建二维草图，投影轮廓线，将下直边端点转化为中心点，完成草图、钻工艺孔（直径0.02 mm深度0.5 mm平底孔）。选择矩形阵列命令，设置按曲线长度等分，将工艺孔沿轮廓线总长等分成合适的N段。同样办法在另一条轮廓线上等分N点完成轮廓线布孔操作。

2）新建工程图，把展开模式调入工程图中，旋转至合适位置放置。标注孔参数表，点击展开图形、设定基础坐标原点、即可自动生成所有工艺孔参数表。对参数表进行编辑、删除孔的描述只保留XY坐标值，就得到展开图轮廓线的放样坐标参数表（见图7）。

图7岔管1节1展开图放养坐标参数表

需要说明的是，将工程图零存副本为DWG格式文件，即可实现数控切割机的自动下料。目前国内很多数控切割机控制程序是直接和CAD程序兼容的，可以实现切割下料的自动化。还有一种办法得到放样坐标参数表：将展开模式1：1比例调入工程图中，在CAD软件里进行尺寸标注列表等。此处不再赘述。

5展开图可靠性验证

创建岔管1每个单节实体模型后，保存至“折叠模式”进行整体装配试验。新建一个装配图，调入每个单节实体模型，对正原坐标后得到岔管组拼状态（见图8）。检查对接缝是否发生干涉，可以验证单节展开图的正确性。由于存在板厚的影响，根据设计焊缝的要求，合理地确定展开直径和板料加厚方向，必要时还可以进行机械加工切割破口等，最终完成一个完整的岔管实体模型。

图8岔管组拼检查

6实施效果

在黄河龙口水利枢纽工程建设时期，本单位首次制作三梁钢岔管等，采用了作图法、数学公式计算法、CAD三维线框直接测量线长再画展开图的方法。对各种方法进行了尝试和研究，多次放样试验，相互比对不同方法得到的展开图参数，及同比例展开图形状校验，制作缩小比例实物模型检验，最终验证了采用Autodesk inventor软件三维建模展开并生成放样坐标方法的可靠性。2014年承接湖南涔天河水库扩建工程，又增添了月牙肋钢岔管放样的内容，目前已完成瓦片卷制正在组拼制作中。据本单位统计：采用技术后，节省了重复画展开图及放样工序，实现了数控切割机下料过程的自动化。单以人工放样时间成本计，节约2×5个工时/单节，降低人工成本3%。

中图分类号：TV732.4

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）06-0044-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.016

收稿日期：2016-03-18

作者简介：卢俊生（1964-），男，工程师，从事水工金属结构制造及水电站机电安装工作。