CN103383251A - 一种空间任意角度管道来回弯下料方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种空间任意角度管道来回弯下料方法。其流程是：1)建立空间坐标系；2)测量管道直径Φ、弯头I(1)旋转半径R1、弯头II(2)旋转半径R2；3)测量管道I(1)和管道II(2)的方向向量及管口中心点坐标；4)引入角度变量t1＝0 t2＝0；5)令弯头I(1)旋转角度θ1＝t1，弯头II(2)旋转角度θ2＝t2；6)对θ1和θ2进行修改计算；7)计算ε＝|θ1-t1|；8)判断ε的大小是否达到计算精度要求；如是，则计算完毕，得到θ1、θ2及L；若否，则令t1＝θ1 t2＝θ2后转2)。该空间任意角度管道来回弯下料计算和下料准确，降低管道技能和经验要求，提高下料精度和提高施工质量。

Description

一种空间任意角度管道来回弯下料方法

技术领域

本发明是一种空间任意角度管道来回弯下料方法，涉及金属管的加工和管道系统技术领域。

背景技术

目前管道行业所用的管道空间任意角度来回弯下料方法，仍然是通过拉放辅助线，凭借管工技术经验，或目测的方式进行下料，还没合理的计算公式和方法进行精确计算，对管工技能和经验要求很高，下料结果误差较大。

发明内容

本发明的目的是发明一种实现空间任意角度管道来回弯下料的准确计算和下料、降低管道技能和经验要求、提高下料精度和提高施工质量的空间任意角度管道来回弯下料方法。

本发明的目的是这样实现的，它包括以下内容和步骤：建立空间坐标系，测量管道直径和弯头旋转半径，测量管道走向及管口中心点坐标，下料计算和弯头安装计算。

其流程是：

1)建立空间坐标系；

2)测量管道直径Φ、弯头I 1旋转半径R1、弯头II 2旋转半径R2；

3)测量管道I 1和管道II 2的方向向量及管口中心点坐标；

4)引入角度变量t1＝0 t2＝0；

5)令弯头I 1旋转角度θ1＝t1，弯头II 2旋转角度θ2＝t2；

6)对θ1和θ2进行修改计算；

7)计算ε＝|θ1-t1|；

8)判断ε的大小是否达到计算精度要求；如是，则计算完毕，得到θ₁、θ₂及L；若否，则令t₁＝θ₁ t₂＝θ₂后转2)。

所述管道管径测量，也可以通过管道设计制作资料得到管径的大小；

所述管道方向向量及管口中心点坐标的测量及计算，它是指通过测量和计算得到管道的走向和管口中心点的坐标，其方法分为直接测量和间接测量计算如下：

(1)在空间内建立合适的坐标系；

(2)直接测量

直接测量是指管道上测量两个关键点坐标的测量，确定管道的走向，其中一个关键点为管口中心点，其方法如下：

a)在管道上测量图3中管道I 1A点的空间坐标；

b)在管道上测量图3中管道I 1B点的空间坐标，B点为管道I 1管口中心点；

c)通过向量计算得到管道I 1的走向向量AB；

d)在管道上测量图4中管道II 2C点的空间坐标，C点为管道I 1管口中心点；

e)在管道上测量图4中管道II 2D点的空间坐标；

f)通过向量计算得到管道II 2的走向向量DC；

(3)间接测量计算

间接测量计算，是指通过直接测量所取的关键点，都是不确定的点，为了减小误差，通过以下方法进行管道的走向和管口中心点的坐标的测量和计算：

a)在管道I 1上取点M和点N，确保过MN的直线与管道I 1中心线平行，管道I 1中心线方向向量就是向量MN，如图5所示；

b)测量管道I 1环口上一个点G的坐标，通过坐标系也方向向量MN计算管道管口中心点B的坐标，如图6所示；

其中点G和点N可以是同一个点；

c)在在管道II 2上取点P和点Q，确保过P0的直线与管道II 2中心线平行，管道II 2中心线方向向量就是向量PQ，如图7所示；

d)测量管道II 2环口上一个点K的坐标，通过坐标系也方向向量PQ计算管道管口中心点C的坐标，如图6所示；

其中点Q和点K可以是同一个点。

所述弯头旋转半径的测量，如图9所示，它是指测量弯头旋转中心到弯头中心线的距离，需要测量弯头I 1的旋转半径R1和弯头II 2的旋转半径R2；

所述下料计算，它是指利用管道I 1和管道II 2的走向、管道I 1管口环口上的E点的空间坐标、管道II 2管口环口上的F点的空间坐标、弯头I 1的旋转半径R1和弯头II 2的旋转半径R2，来计算弯头I 1的旋转角度θ1、弯头II 2的旋转角度θ2和中间直管段的长度L，其方法如下：

1)弯头连接处的几何关系，如图10所示，两条管道与弯头连接时理想状态下的几何关系；

$\left|{\mathrm{BB}}^{\′}\right|=R\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}$

2)建立计算坐标系，如图9所示，在空间内建立XYZ坐标系，并注明管道I 1中心线AB，管道II 2中心线DC，通过两个弯头和一条中间直管段连接B点和C点；

3)建立计算模型，具体是指建立修正计算模型，通过初步计算得到的弯头旋转角度值对计算结果进行修正，修正的方式为获取新的B′点和C′点的坐标，再通过向量几何关系，重新修正弯头旋转角度值，知道获得精确的计算结果，如图12所示；

图中AB为管道I 1的中心线，BE为弯头I 1的中心线，EF为中间直管段的中心线，FC为弯头II 2的中心线，CD为管道II 2的中心线，弯头I 1旋转角度为∠BO₁E，弯头II 2旋转角度为∠CO₂F，中间直管段长度为EF，中间直管段方向向量为B′C′，几何关系如下

θ₁＝∠BO₁E

θ₂＝∠CO₂F

$\left|{\mathrm{BB}}^{\′}\right|=R_1\tan \frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}$

$\left|{\mathrm{CC}}^{\′}\right|=R_2\tan \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}$

$B^{\′}=B+\frac{\left|{\mathrm{BB}}^{\′}\right|\·\mathrm{AB}}{\left|\mathrm{AB}\right|}$

$C^{\′}=C+\frac{\left|{\mathrm{CC}}^{\′}\right|\·\mathrm{DC}}{\left|\mathrm{DC}\right|}$

B′C′＝C′-B′

C′B′＝-B′C′

B′B＝B-B′

${\mathrm{\θ}}_1=a\cos \left(\frac{B^{\′}B\·B^{\′}{C}^{\′}}{\left|B^{\′}B\right|\·\left|B^{\′}{C}^{\′}\right|}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=a\cos \left(\frac{C^{\′}C\·C^{\′}{B}^{\′}}{\left|C^{\′}C\right|\·\left|C^{\′}{B}^{\′}\right|}\right)$

$L=\left|\mathrm{EF}\right|=\left|B^{\′}{C}^{\′}\right|-2\·\left|{\mathrm{BB}}^{\′}\right|$

4)引入角度变量t1＝0，t2＝0；

5)令θ1＝t1，θ2＝t2，即∠B01E＝t1，∠C02F＝t2，利用步骤3)中的计算公式计算θ1和θ2的大小；

6)计算ε＝|θ1-t1|，定义精度Δ，如果ε＞Δ，继续进行迭代，重复步骤5)；

7)弯头I 1旋转角度为θ1，如图13所示。弯头II 2旋转角度为θ2，如图14所示；中间直管段长度为EF，中间直管段方向向量为|EF|，如图15所示；

所述弯头安装计算的流程(见图2)是：

1)通过流程图1计算得到的点B、B′和点E的坐标；

2)为弯头I 1指定安装方向a；

3)旋转XYZ坐标系得到X′Y′Z′坐标系，其中轴X′与AB重合，轴Y′与a重合并且方向相反；

4)计算点E在X′Y′Z′坐标系中的坐标，并将E投影到Y′Z′平面内得到点E；

5)计算BE′与轴Y′的夹角θ3；

6)按照安装方向安装弯头I 1，在弯头I 1上指定点I，在管道I 1上指定点J，和点I点J重合，计算弧长JH

$\mathrm{JH}=\frac{\mathrm{\Φ}\·{\mathrm{\θ}}_3}{2}$

7)在管道I 1管口上找到弧长为JH的点H，将弯头I 1上的点I旋转到与点H重合。

具体为：

1)令Y轴的负方向为弯头I 1的安装方向，该方向向量记为a即弯头I 1端安装在管道I 1管口上，弯头I 1另一端口在XY平面内，并且方向指向Y轴负方向；

2)建立新的坐标系XYZ′，令X′与AB重合，Y′负方向与a一致，坐标系X Y Z′原点θ′与点B重合，将点E在平面Y Z′中的投影记为点E′，如图16所示；

3)计算点E在坐标系X′Y′Z′中的坐标，从而得到E′在坐标系X′Y′Z′中的坐标；

4)在坐标系X Y Z′中，计算B E′与轴Y′的夹角θ3，θ3就是弯头I 1相对管道I 1管口旋转的角度，在弯头I 1安装时，可以采用相对旋转弧长的方式进行安装，旋转弧长记为JH；

5)用与上面步骤1)、2)、3)和4)同样的方法为弯头II 2指定安装方向，并计算相对旋转弧长。

6)弯头I 1安装

将弯头I 1安装指定的安装方向，放在管道I 1管口上，并指定弯头I 1与管道I 1管口相交处的一点，如图17所示，管道I 1管道上的点记为J，弯头I 1上的点记为I，在管道I 1管口上找到距离点J为弧长JH的点H，将弯头I 1上的点I与点H重合，即完成弯头I 1的安装，如图18和图19所示；

7)用于上个步骤(5)同样的方法完成弯头II 2的安装。

最后，安装完毕的任意角度管道如图20所示。

本发明的空间任意角度管道来回弯下料方法，适用于空间任意角度两根管道通过两个弯头和一根直管段进行连接的来回弯下料，适用于各种管径和不同角度的管道来回弯下料。

本发明具有广泛的应用性、准确性和可靠性的特点。

附图说明

图1空间任意角度管道来回弯下料方法流程图

图2弯头安装计算流程图

图3～20下料过程中的示意图

其中1-管道I        2-管道I

    3-弯头I        4-弯头II

    5-中间直管段

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1.本例的流程是：

1)建立空间坐标系；

2)测量管道直径Φ、弯头I 1旋转半径R1、弯头II 2旋转半径R2；

3)测量管道I 1和管道II 2的方向向量及管口中心点坐标；

4)引入角度变量t1＝0 t2＝0；

5)令弯头I 1旋转角度θ1＝t1，弯头II 2旋转角度θ2＝t2；

6)对θ1和θ2进行修改计算；

7)计算ε＝|θ1-t1|；

8)判断ε的大小是否达到计算精度要求；如是，则计算完毕，得到θ1、θ2及L；若否，则令t1＝θ1 t2＝θ2后转2)。

本例是空间内有两条任意角度的管道，建立以地面为XZ平面、垂直向上为Y轴的坐标系，通过测量得到M坐标为(-200，100，0)，N坐标为(0，100，0)，G坐标为(0，100，0)，K坐标为(200，-200，0)，P坐标为(200，-200，0)，Q坐标为(200，-600，500)，管径为Φ＝60mm，弯头I 1旋转半径R1＝100mm，弯头II 2旋转半径R2＝100mm，指定铅垂方向(0，-1，0)为管道I 1安装方向，指定正上方(0，1，0)为管道II 2安装方向，下料计算结果为：

弯头I 1旋转角度θ1＝62.15°；

弯头II 2旋转角度θ1＝65.77°；

中间直管段长L＝174.20mm；

弯头I 1相对安装方向旋转角度为11.01°；

相对旋转弧长为5.76；

弯头II 2相对安装方向旋转角度为149.18°；

相对旋转弧长为78.11，下料结果如图20所示：

经试验，本方法准确性和可靠性高，适用于各种管径和不同角度的管道来回弯下料。

Claims (7)

1.一种空间任意角度管道来回弯下料方法，其特征是它包括以下内容和步骤：建立空间坐标系，测量管道直径和弯头旋转半径，测量管道走向及管口中心点坐标，下料计算和弯头安装计算；

其流程是：

1)建立空间坐标系；

2)测量管道直径Φ、弯头I(1)旋转半径R1、弯头II(2)旋转半径R2；

3)测量管道I(1)和管道II(2)的方向向量及管口中心点坐标；

4)引入角度变量t1＝0 t2＝0；

5)令弯头I(1)旋转角度θ1＝t1，弯头II(2)旋转角度θ2＝t2；

6)对θ1和θ2进行修改计算；

7)计算ε＝|θ1-t1|；

8)判断ε的大小是否达到计算精度要求；如是，则计算完毕，得到θ1、θ2及L；若否，则令t1＝θ1 t2＝θ2后转2)。

2.根据权利要求1所述的一种空间任意角度管道来回弯下料方法，其特征是所述管道方向向量及管口中心点坐标的测量及计算，是指通过测量和计算得到管道的走向和管口中心点的坐标，其方法为直接测量计算如下：

在空间内建立合适的坐标系；直接测量是指管道上测量两个关键点坐标的测量，确定管道的走向，其中一个关键点为管口中心点，其方法如下：

a)在管道上测量管道I(1)A点的空间坐标；

b)在管道上测量管道I(1)B点的空间坐标，B点为管道I(1)管口中心点；

c)通过向量计算得到管道I(1)的走向向量AB；

d)在管道上测量管道II(2)C点的空间坐标，C点为管道I(1)管口中心点；

e)在管道上测量管道II(2)D点的空间坐标；

f)通过向量计算得到管道II(2)的走向向量DC。

3.根据权利要求1所述的一种空间任意角度管道来回弯下料方法，其特征是所述管道方向向量及管口中心点坐标的测量及计算，是指通过测量和计算得到管道的走向和管口中心点的坐标，其方法为间接测量计算如下：

在空间内建立合适的坐标系；间接测量计算是指通过直接测量所取的关键点，都是不确定的点；通过以下方法进行管道的走向和管口中心点的坐标的测量和计算：

a)在管道I(1)上取点M和点N，确保过MN的直线与管道I(1)中心线平行，管道I(1)中心线方向向量就是向量MN；

b)测量管道I(1)环口上一个点G的坐标，通过坐标系也方向向量MN计算管道管口中心点B的坐标；

其中点G和点N可以是同一个点；

c)在在管道II(2)上取点P和点Q，确保过P0的直线与管道II(2)中心线平行，管道II(2)中心线方向向量就是向量PQ；

d)测量管道II(2)环口上一个点K的坐标，通过坐标系也方向向量PQ计算管道管口中心点C的坐标；

其中点Q和点K可以是同一个点。

4.根据权利要求1所述的一种空间任意角度管道来回弯下料方法，其特征是所述弯头旋转半径的测量是指测量弯头旋转中心到弯头中心线的距离，需要测量弯头I(1)的旋转半径R1和弯头II(2)的旋转半径R2。

5.根据权利要求1所述的一种空间任意角度管道来回弯下料方法，其特征是所述下料计算，它是指利用管道I(1)和管道II(2)的走向、管道I(1)管口环口上的E点的空间坐标、管道II(2)管口环口上的F点的空间坐标、弯头I(1)的旋转半径R1和弯头II(2)的旋转半径R2，来计算弯头I(1)的旋转角度θ1、弯头II(2)的旋转角度θ2和中间直管段的长度L，其方法如下：

1)弯头连接处的几何关系，两条管道与弯头连接时理想状态下的几何关系；

$\left|{\mathrm{BB}}^{\′}\right|=R\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}$

2)建立计算坐标系，在空间内建立XYZ坐标系，并注明管道I(1)中心线AB，管道II(2)中心线DC，通过两个弯头和一条中间直管段连接B点和C点；

3)建立计算模型，具体是指建立修正计算模型，通过初步计算得到的弯头旋转角度值对计算结果进行修正，修正的方式为获取新的B′点和C′点的坐标，再通过向量几何关系，重新修正弯头旋转角度值，知道获得精确的计算结果；

其中AB为管道I(1)的中心线，BE为弯头I(1)的中心线，EF为中间直管段的中心线，FC为弯头II(2)的中心线，CD为管道II(2)的中心线，弯头I(1)旋转角度为∠B01E，弯头II(2)旋转角度为∠C02F，中间直管段长度为EF，中间直管段方向向量为B′C′，几何关系如下：

θ₁＝∠BO₁E

θ₂＝∠CO₂F

$\left|{\mathrm{BB}}^{\′}\right|=R_1\tan \frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}$

$\left|{\mathrm{CC}}^{\′}\right|=R_2\tan \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}$

$B^{\′}=B+\frac{\left|{\mathrm{BB}}^{\′}\right|\·\mathrm{AB}}{\left|\mathrm{AB}\right|}$

$C^{\′}=C+\frac{\left|{\mathrm{CC}}^{\′}\right|\·\mathrm{DC}}{\left|\mathrm{DC}\right|}$

B′C′＝C′-B′

C′B′＝-B′C′

B′B＝B-B′

${\mathrm{\θ}}_1=a\cos \left(\frac{B^{\′}B\·B^{\′}{C}^{\′}}{\left|B^{\′}B\right|\·\left|B^{\′}{C}^{\′}\right|}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=a\cos \left(\frac{C^{\′}C\·C^{\′}{B}^{\′}}{\left|C^{\′}C\right|\·\left|C^{\′}{B}^{\′}\right|}\right)$

L＝|EF|＝|B′C′|-2·|BB′|

4)引入角度变量t1＝0，t2＝0；

5)令θ1＝t1，θ2＝t2，即∠B01E＝t1，∠C02F＝t2，利用步骤3)中的计算公式计算θ1和θ2的大小；

6)计算ε＝|θ1-t1|，定义精度Δ，如果ε＞Δ，继续进行迭代，重复步骤5)；

7)弯头I(1)旋转角度为θ1，弯头II(2)旋转角度为θ2，中间直管段长度为EF，中间直管段方向向量为|EF|。

6.根据权利要求1所述的一种空间任意角度管道来回弯下料方法，其特征是所述弯头安装计算的流程是：

1)计算得到点B、B′和点E的坐标；

2)为弯头I(1)指定安装方向a；

3)旋转XYZ坐标系得到X′Y′Z′坐标系，其中轴X′与AB重合，轴Y′与a重合并且方向相反；

4)计算点E在X′Y′Z′坐标系中的坐标，并将E投影到Y′Z′平面内得到点E；

5)计算BE′与轴Y′的夹角θ3；

6)按照安装方向安装弯头I(1)，在弯头I(1)上指定点I，在管道I(1)上指定点J，和点I点J重合，计算弧长JH

$\mathrm{JH}=\frac{\mathrm{\Φ}\·{\mathrm{\θ}}_3}{2}$

7)在管道I(1)管口上找到弧长为JH的点H，将弯头I(1)上的点I旋转到与点H重合。

7.根据权利要求6所述的一种空间任意角度管道来回弯下料方法，其特征是具体为：

1)令Y轴的负方向为弯头I(1)的安装方向，该方向向量记为a即弯头I(1)端安装在管道I(1)管口上，弯头I(1)另一端口在XY平面内，并且方向指向Y轴负方向；

2)建立新的坐标系X′Y′Z′，令X′与AB重合，Y′负方向与a一致，坐标系X′Y′Z′原点0与点B重合，将点E在平面Y′Z′中的投影记为点E′；

3)计算点E在坐标系X′Y′Z′中的坐标，从而得到E在坐标系X′Y′Z′中的坐标；

4)在坐标系X′Y′Z′中，计算B E与轴Y′的夹角θ3，θ3就是弯头I(1)相对管道I(1)管口旋转的角度，在弯头I(1)安装时，可以采用相对旋转弧长的方式进行安装，旋转弧长记为JH；

5)用与上面步骤1)、2)、3)和4)同样的方法为弯头II(2)指定安装方向，并计算相对旋转弧长；

6)弯头I(1)安装，将弯头I(1)安装指定的安装方向，放在管道I(1)管口上，并指定弯头I(1)与管道I(1)管口相交处的一点，管道I(1)管道上的点记为J，弯头I(1)上的点记为I，在管道I(1)管口上找到距离点J为弧长JH的点H，将弯头I(1)上的点I与点H重合，即完成弯头I(1)的安装；

7)用于上个步骤5)同样的方法完成弯头II(2)的安装。

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