CN100595020C - 一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法，它包括以下步骤：建立设计的多杆汇交瓣式空间网壳结构的轴线模型并将其全部节点和杆件的坐标参数、尺寸参数输入计算机；将每个节点分解为多个构造单元并计算其尺寸数据及加工参数；根据所述的计算的尺寸数据及加工参数结果，重构出所述的每个节点的三维实体模型，最终输出各节点的构造单元的尺寸数据及其加工参数并将所述的参数输入5自由度数控装备，控制制得每一构造单元模具；将拼装的完整的节点铸造模具作为模具采用消失模铸造工艺，浇铸钢水铸成节点毛坯；机械加工节点毛坯制得成品。采用本发明所制作产品具有整体力学性能好、工艺流程简单、制作成本低，可保证所需精度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种5自由度数控装备在建筑行业的应用，特别是涉及一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法。
背景技术
空间网壳结构是一种将空间杆系通过与多个节点连接构成的建筑结构，是大型场馆屋顶和各类需要空间曲面造型装饰建筑物的主要实现形式。为了适应空间角度的任意变化，以往的空间网壳结构节点通常采用钢管相贯焊接或球形节点机械连接方式，且杆件通常采用圆钢(管)，以便结构设计和现场安装。然而，钢管相贯节点不但制造安装困难，且因焊缝过于集中导致较大焊接应力，因而影响结构的承载能力；而球形节点虽制作简单，但因体积大往往影响建筑物空间曲面造型的美观。近年来，为了满足现代空间网壳结构力学、美学和功能等方面的要求，出现了一类多杆汇交瓣式网壳节点。这类节点具有外形可随建筑物整体曲面变化而变化，易于与各类异型截面(如三角形、矩形、梯形)杆件连接等优点，因而可构成各种新颖美观的空间曲面建筑造型，成为目前大类高装饰性空间网壳结构建筑物的重要发展趋势。目前，国外对多杆汇交瓣式网壳节点的制作技术一般采用钢板数控下料-拼焊-加工方法，即先将钢板经切割、边口加工和压力成型制作成不同单元，然后用胎具将它们拼装成型后进行焊接，最后再用5轴联动加工中心完成与杆系结合面/孔面的机械加工，国内目前也多采用这种方法。然而，由于空间网壳结构通常包含多达上千个几何形状各异的节点，因此数控下料-拼焊加工方法需要人量压力成型模具和拼焊胎具，制作成本极高而效率很低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在保证加工精度的基础上，降低该类节点的制作成本，提高制作效率的种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法。
本发明的一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法，它包括以下步骤：
(1)建立设计的多杆汇交瓣式空间网壳结构的轴线模型并将其全部节点和杆件的坐标参数、尺寸参数输入计算机；
(2)将所述的每个节点分解为多个构造单元；
(3)计算每个构造单元的尺寸数据及加工参数；
(4)根据所述的计算的尺寸数据及加工参数结果，重构出所述的每个节点的三维实体模型，将所述的设计的每个节点的模型与所述的重构模型进行图形复核及数据复核，校验节点分解后所计算的数据是否能够正确的重构出设计的每个节点的模型，最终输出各节点的构造单元的尺寸数据及其加工参数；
(5)准备发泡材料；
(6)将所述的各节点的构造单元的尺寸数据及其加工参数输入5自由度数控装备，控制切割或铣削所述的发泡材料成型制得每一构造单元模具；
(7)将所述的多个构造单元模具拼装成完整的节点铸造模具；
(8)将所述的完整的节点铸造模具作为模具采用消失模铸造工艺，浇铸钢水铸成节点毛坯；
(9)所述的5自由度数控装备读取所述的步骤(1)中的节点坐标参数、尺寸参数并生成数控加工代码，机械加工所述的节点毛坯制得成品。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
1现有方法“数控下料-拼焊-加工”需要针对每一种节点制备模具，如无快速、低成本制模技术与装备可资利用，则这种方法存在效率低，成本高等问题。而本发明提出的“分模-制模组模-铸造-加工”数字化制作新方法，以低成本的发泡材料作为节点消失模材料，基于CAD/CAPP/CAM和5自由度数控装备，所制作产品具有整体力学性能好、工艺流程简单、制作成本低，可保证所需精度等优点；
2现有节点制作工具多采5轴联动加工中心，然而5轴联动加工中心价格昂贵，且其精度远高于节点所需精度，因此造成不必要的浪费，加之同一空间网壳建筑上节点形态各异，数量众多，更换工件/夹具所需的准备时间远大于加工时间，因此难于发挥设备的应有效益。而本发明采用5自由度数控装备制成节点铸模，最后通过消失模铸造获取铸钢节点毛坯，解决了5轴联动数控加工中心成本高、难以发挥其精度优势，且工件装夹时间长等问题。
附图说明
图1是本发明的一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法的流程图；
图2是一个建筑实例的轴线模型；
图3是将所述的图2中的一个节点分解为8个构造单元和连接各单元的圆柱体的模型；
图4是图3中的一个构造单元的加工模型，其中1为左相邻构造单元的右侧面，2为圆柱面，3为右相邻构造单元的左侧面，4为右加工面，5为端面，6为左加工面；
图5是作为制作节点的构造单元模具使用的标准的发泡材料；
图6是采用本发明方法制作的一个多杆汇交瓣式网壳节点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
如图1所示是本发明所提供的一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法的流程图，1.分析节点模型：建立设计的多杆汇交瓣式空间网壳结构的轴线模型并将其全部节点和杆件的坐标参数、尺寸参数输入计算机；将所述的每个节点分解为多个构造单元；计算每个构造单元的尺寸数据及加工参数；根据所述的计算的尺寸数据及加工参数结果，重构出所述的每个节点的三维实体模型，将所述的设计的每个节点的模型与所述的重构模型进行图形复核及数据复核，校验节点分解后所计算的数据是否能够正确的重构出设计的每个节点的模型，最终输出各节点的构造单元的数据及其加工参数；2.节点构造单元铸模制作：准备发泡材料；将所述的各节点的构造单元的数据及其加工参数输入5自由度数控装备，控制切割或铣削所述的发泡材料成型制得每一构造单元模具；3.节点铸模拼装：将所述的多个构造单元模具拼装成完整的节点铸造模具；4.节点铸造：将所述的完整的节点铸造模具作为模具采用消失模铸造工艺，浇铸钢水铸成节点毛坯；5.节点机械加工：所述的5自由度数控装备读取所述的步骤(1)中的节点坐标参数、尺寸参数并生成数控加工代码，机械加工所述的节点毛坯制得成品。
下面举一具体实施例结合附图，来说明本发明的具体技术方案。
第一步导入建筑设计院提供的轴线模型(如图2)、节点坐标文件、截面尺寸文件等；然后分解节点，因为每个节点包含多个构造单元，而每个构造单元的位姿各不相同，为了提高制作效率并降低成本，所以进一步分解节点，以每相邻两个构造单元的相邻侧面的角平分面为分解面，将每个节点拆分为节点的多个构造单元和连接各单元的圆柱体，图3所示该节点包含8个构造单元；接下来计算它们的加工参数，圆柱体的加工参数为固定值，根据设计院所给的该节点尺寸确定圆柱体的半径为30mm，构造单元的加工参数由4部分组成，包括左加工面6，右加工面4，端面5和圆柱面2，其中构造单元的左、右加工面的加工参数由与其左右相邻的构造单元的相对关系决定，图4所示是其中一个的构造单元的加工参数，其中该构造单元的左侧面与相邻的左边的构造单元的右侧面1相交，求出相交两面的角平分面位置，再求角平分面与构造单元左侧面的交面，以此作为构造单元的左加工面6，同理可求所述的构造单元的右侧面与右相邻构造单元的左侧面3之间的右加工面4；构造单元端面5是与杆件相连的结合面，端面的4个顶点之间的距离与设计院提供的杆件截面尺寸相同；构造单元圆柱面的半径与拆分的圆柱体半径相同，保证了构造单元能与圆柱体贴合在一起；求出这8个构造单元的加工参数后，输入到在AutoCAD软件里，进行图形复核及数据复核，重构出该节点的三维实体模型，与设计院提供的相关数据进行校验后结果正确，最终输出节点的8个构造单元的加工参数。
第二步，制作节点构造单元的铸模，采用低成本的发泡材料作为节点消失模材料，该种发泡材料进厂前都制作成统一的标准模块(如图5)，并出具标准模块质量检验报告单，然后用5自由度数控装备，读入第一步给出的加工参数，对标准模块进行切割或铣削，成品为8个构造单元的铸模。
第三步，节点铸模拼装，将第二步中得到的8个构造单元按照顺序拼装成整体铸模，并用三坐标机检验拼装质量，测量每个构造单元端面的对角线长度和相邻两个构造单元之间的夹角，测量结果存入数据库并与设计数据对比以检验是否合格，长度误差准确度为0.1mm，角度误差准确度0.5度，经检验制作的该节点模具满足条件，出具成品模质量检验单，对节点成品模编号记录。
第四步，采用消失模铸造技术用钢水浇铸节点，并检测铸造质量，出具化学成分检验单。
第五步，节点机械加工，用数控机床对节点毛坯机械加工，对成品作三坐标检测，出具外形尺寸合格检验报告，可以出厂(如图6所示)。
所述的5自由度数控装备可以采用5自由度混联机器人(专利申请号：200710057178.X，公开号：CN101049692)。
本发明的优点是：本发明提供了一套多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点“分模-制模-组模-铸造-加工”的数字化制作方法。利用5自由度数控装备独立制作节点的每个构造单元模型，然后拼接成完整的节点模型，再利用消失模铸造技术浇铸成节点毛坯并机械加工。对比该类节点制作现有的钢板“数控下料-拼焊-加工”方法，即先将钢板经切割、边口加工和压力成型制作成不同单元，然后用胎具将它们拼装成型后进行焊接，最后再用5轴联动加工中心完成与杆系结合面/孔面的机械加工，由于空间网壳结构通常包含多达上千个几何形状各异的节点，该类方法需要大量压力成型模具和拼焊胎具，制作成本极高但效率很低。本发明提供的制作方法结合5自由度数控装备，制作产品具有整体力学性能好、工艺流程简单、制作成本低效率高、可保证所需精度等优点，另外，该发明对引领新型节点制作机器人技术在建筑行业的应用，以及满足建筑行业对大型空间网壳结构壳形多杆汇交瓣式节点数字化制作的需求，具有重要意义。
Claims (3)
1.一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)建立设计的多杆汇交瓣式空间网壳结构的轴线模型并将其全部节点和杆件的坐标参数、尺寸参数输入计算机；
(2)将所述的每个节点分解为多个构造单元；
(3)计算每个构造单元的尺寸数据及加工参数；
(4)根据所述的计算的尺寸数据及加工参数结果，重构出所述的每个节点的三维实体模型，将所述的设计的每个节点的模型与所述的重构模型进行图形复核及数据复核，校验节点分解后所计算的数据是否能够正确的重构出设计的每个节点的模型，最终输出各节点的构造单元的尺寸数据及其加工参数；
(5)准备发泡材料；
(6)将所述的各节点的构造单元的尺寸数据及其加工参数输入5自由度数控装备，控制切割或铣削所述的发泡材料成型制得每一构造单元模具；
(7)将所述的多个构造单元模具拼装成完整的节点铸造模具；
(8)将所述的完整的节点铸造模具作为模具采用消失模铸造工艺，浇铸钢水铸成节点毛坯；
(9)所述的5自由度数控装备读取所述的步骤(1)中的节点坐标参数、尺寸参数并生成数控加工代码，机械加工所述的节点毛坯制得成品。
2.根据权利要求1所述的一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的分解节点包括将每个节点拆分为节点的多个构造单元和连接各单元的圆柱体。
3.根据权利要求2所述的一种多杆汇交瓣式空间网壳铸钢节点制作方法，其特征在于：所述的节点的构造单元的加工参数由包括左、右加工面、端面和圆柱面的4部分组成，所述的左、右加工面的加工参数为以每一构造单元的左侧面与相邻的左边的构造单元的右侧面相交，求出相交两面的角平分面位置，再求该角平分面与构造单元左侧面的交面，以此作为构造单元的左加工面；以每一构造单元的右侧面与相邻的右边的构造单元的左侧面相交，求出相交两面的角平分面位置，再求该角平分面与构造单元右侧面的交面，以此作为构造单元的右加工面，所述的圆柱体的加工参数为由所述的步骤(1)中的节点尺寸决定的固定值，所述的端面是与杆件相连的结合面，所述的端面的4个顶点之间的距离与所述的步骤(1)中的杆件截面尺寸相同，所述的构造单元圆柱面的半径与拆分的圆柱体半径相同，保证了构造单元能与圆柱体贴合在一起。
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