计算机辅助设计在直角支管装配中的应用

陈 驰，刘健康

(扬州大洋造船有限公司，江苏 扬州 225000)

计算机辅助设计在直角支管装配中的应用

陈 驰，刘健康

(扬州大洋造船有限公司，江苏 扬州 225000)

在分析直角支管的相贯线数学展开方式的基础上，利用AutoCAD软件平台中的VLISP语言开发直角支管装配展开程序，实现在程序中输入管子基本参数后可自动绘制相贯线并将其展开的功能，将展开图打印后就能用于生产过程。该方法提高了精度，节省了人工工时，最终节约了企业的成本。

计算机辅助设计；直角支管；相贯线；管子加工

0 引言

在船舶海水冷却系统、淡水冷却系统、舱底压载水系统等管系的综放布置过程中，经常会有直角支管的出现，通常这些支管与主管呈90°相交。一艘5万t的散货船大约有2 000根直角支管需要与主管按相贯线进行切割后再装配焊接。手工切割相贯线时，由于手工描绘相贯线的精确度不高，按此切割后的相贯线形状不准确，对接后不能完全吻合，要经过反复多次修割才能基本吻合，效率低下。本文介绍的计算机辅助设计相贯线形状的方法是在AutoCAD软件中利用VLISP语言编写直角装配展开程序，实现输入基本参数后自动绘制管子相贯线展开图的功能，把展开图打印后绕在管子表面描绘相贯线。这样描绘出来的相贯线精确度高，基本上一次切割后就能达到装配的要求，无需现场反复修割。

1 手工方法装配直角支管的过程

(1)支管划线。手工方法画支管相贯线示意图如图1所示。根据图纸尺寸要求选取管材，要求管子的端面垂直于管子中心线。在管子端面取垂直相交的2根直径线与管子外圆相交形成4个交点(a1,a2,a3,a4)，从这4个交点沿管子轴向方向在管子外壁分别划4条辅助线，即(a1a1′,a2a2′,a3a3′,a4a4′)，以管子端面为基准，在4条辅助线上取点描划出支管相贯线(俗称马鞍线)，最低点为0，最高点为支管直径的一半。在管子外壁将4点用弧线描绘连接起来。

(2)支管切割。按照描绘的弧线进行切割。切割时从管端面开始沿弧线切割。切割好一侧，将管子旋转180°后再切割另一侧。

(3)支管切割后检查。切割结束后，将支管放置在主管上，检查垂直度和间隙。

(4)主管划线。将主管放到V型铁上，并用水平尺检验管子是否水平放置。通过角尺在主管外壁取出平行于主管中心线的1根辅助线。根据图纸要求，在辅助线上以主管一侧端面为基准找出支管安装位置的中心点，以中心点为基准在辅助线上以支管半径为距离取出支管安装位置在辅助线上的2个端点，以这2个端点为基准将支管放置到主管上，沿支管切割好的相贯线边缘划线，分别从支管内外将支管的相贯线描画到主管外圆上。在内外划出的曲线的中间描绘出均匀的同形状的曲线，即为主管的相贯线。

(5)主管切割与检查。根据描绘出的相贯线切割主管。切割时需沿着线条内侧进行切割，以留下修割余量。切割好后将支管架到主管上，检查四周配合是否均匀。主管相贯线切割面应在支管下方其壁厚1/2处，可从支管顶端分别从内外垂直向下看，均不应可见。最后将主管的相贯线的切割部位进行打磨。

(6)装配。将主管放到V型铁上，相贯线开口正面朝上，并用水平尺检验管子是否水平，然后将支管架到主管上，检查垂直度和间隙，确认达到要求后，进行点焊。一般情况下，点焊为均匀分布的4点，较大的管子可以增加点焊至6～8点甚至更多，以防止支管脱落以及后续焊接的变形。

(7)点焊结束后，将焊点进行打磨，然后根据图纸复核管子长度并进行法兰的装配，进入到后续其他工序的作业。

从以上介绍的操作方法可知，手工描绘相贯线的形状准确度难以保证。支管与主管的相贯线不能完全吻合，间隙和垂直度也会受到吻合度的影响，存在一些偏差。为了尽可能地将偏差控制到一个较小的可以接受的范围内，支管与主管的相贯线需要反复多次检查修割才能达到较为理想的精度，因此制作效率不是很高。从实际制作情况来看，有支管的管子的总装配时间(含法兰、变径等附件)，是没有支管的管子的总装配时间的4倍以上。

2 计算机辅助设计简介

近年来，计算机辅助设计在各行各业取得了迅猛的发展，特别是在绘图方式上颠覆和替代了手工画图，比如螺母、螺栓等简易的标准件，可以在AutoCAD软件中用编制程序方式自动完成，这样不仅可以减少设计时间还降低了图纸的差错率。对于上述相贯线的形状，也可以通过计算机辅助设计来完成。其方法如下：

(1)建立一个符合相贯线特征的数学方程式(这个过程主要目的是要找到一个合适的变量，用这个变量来表示相贯线的曲线特征)。

(2)将相贯线平均等分若干份，通过解数学方程式得到每份的XY坐标值。在实际操作过程中，一般把管子相贯线平均等分20～30份就可以符合生产精度的需求。

(3)把XY坐标值按规律连接就能得到相贯线的展开图。

3 直角支管的数学方程式的推导过程

图2为直角支管坐标。根据高等数学知识，主管和支管圆柱的数学表达式[1]分别见式(1)、式(2)。

X2+Y2=R2

(1)

Y2+Z2=r2

(2)

式(1)、式(2)中：R为主管直径，mm；r为支管直径，mm；X，Y，Z分别为横向、纵向和垂向的坐标。

圆管的表面可以简化成一根直线绕另一根直线(与第一根平行)形成的轨迹，那么第一根直线叫母线，第二根直线叫轴线。假定支管的母线绕其轴线转过的角度为α，支管相贯线的坐标方程分别见式(3)～式(5)。

X=rcosα

(3)

Y=rsinα

(4)

(5)

式(3)～式(5)中：α为支管的母线绕其平行线旋转的角度,rad,而且0≤α≤2π。

将上式转换到相贯线的坐标系，并令α=0时开始展开，则支管相贯线的展开坐标分别见式(6)、式(7)。直角支管展开示意图如图3所示。

Xn=rα

(6)

(7)

式(6)、式(7)中：Xn,Yn分别为展开线的横向、纵向坐标值。

通过上述过程也可以用主管直径、主管长度为基本参数，将主管相贯线进行展开。

4 在AutoCAD软件中的编程过程

打开AutoCAD软件，依次点击“工具→ Autolisp→Visual lisp编辑器”，编写如下的代码[2]：

(defunc：zkgz()(设置自定义函数zkgz)……(setqi0(定义字符i等于0)n360)(定义字符n等于360)(while(<=in)(当i小于等于n时执行以下的循环函数过程)(setqzk(∗api)；(设置zk=a∗π)bjc(/zk360)；(设置bjc=zk/360)j2(∗(/pi180)i)；(设置j2=i∗π/180)……(cond((<=i360)(当循环条件i小于等于360时)(setqp2(listx1y1)))(设置点p2的坐标为x1和y1)(setqp3p2)(设置p3的坐标等于p2)(command＂pline＂p2p3＂＂)(调用Pline命令通过p2和p3画多义线)(setqi(+i1)))(设置循环条件i自动累计一次))(设置结束自定义函数)

为了方便使用者操作，增加程序的可视性，在程序中还增加了对话框的幻灯片语句。幻灯片不能编辑。在本程序中增加幻灯片的目的是加深操作者对直角支管相交的理解和印象，其制作过程如下：

(1)打开Autocad软件，在屏幕上绘制1个直角管子相交的简化图。

(2)在command栏下输入：zoom回车，all回车。

继续在command栏下输入：mslide回车，就能把直角支管相交的简化图保存为幻灯片的格式。

在上面的代码中增加如下函数语句来调用幻灯片：

:image { ；调用幻灯片

key = "image1";设置幻灯片的关键字为"image1"

color=-18; 定义背景颜色为-18(当前对话框线颜色)。

width=80;设置幻灯片宽度为80

height=20; 设置幻灯片高度为20

}

(start_image"imagel")；加载幻灯片"imagel"

(slide_image 200 10 (dimx_tile"image1") (dimy_tile"image1") "c:/sld/image1")；表示在当前正在使用的图像中加载1个单独存在的(或者自带幻灯库中任意一个)幻灯片，坐标(200,10)表示的是幻灯片在屏幕上的插入坐标点的位置，(dimx_tile"image1") (dimy_tile"image1")对应于该幻灯显示后的对角点坐标

(end_image)；结束加载幻灯片

5 实际运用示意

在AutoCAD软件平台上的command命令栏输入“zkgz”，会弹出图4的对话框和幻灯片，按顺序输入主管和支管的直径和长度参数，确定插入展开图形的位置，就可以绘制出相贯线的展开图形。直角相交支管程序示意图如图4所示，直角相交支管和主管展开示意图如图5所示。

6 结语

运用计算机辅助设计开发的直角支管装配展开程序，在输入管子相关的参数以后能够正确自动展开相贯线，并在屏幕合适的位置显示展开图形。把展开图打印后贴在钢管表面划线就可以直接得到准确的相贯线曲线。这个展开过程速度快、精度高，与手工描绘切割相比，明显缩短了施工的时间。

[1] 张文利. 几种典型相贯线的数学分析[J].镇江高专学报, 2003，16(4): 55-57.

[2] 连彩元.参数化设计在CAD位图中的应用[J].机电技术，2010(4): 27-29.

U671.91+3

A

2017-05-05

陈驰(1978—)，男，工程师，从事现场生产管理。