CN106503352A - 立体表面相贯线剖面交点展开法 - Google Patents

立体表面相贯线剖面交点展开法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及立体表面相贯线展开放样制作方法。其步骤包括：分别创建三维实体模型与三维线框模型；通过剖分形成贯穿立体表面相贯线的实体，剖分平面的轮廓线的两个交点是立体表面相贯线上的点，再通过相交平面的几何特性确定相交平面中的相贯线上点的空间几何位置；通过多次剖分逐渐累积剖分面中的相贯线上的点，“点动成线”形成完整的立体表面相贯线。将三维线框模型中线段在二维平面内依次画出立体侧面展开图，导入数控机床切割，或画出大样手工切割作业；将切割后的钢板卷制后组对焊接。本发明可以实现代替现有四种展开放样方法，通过剖分定位，提供一套简单明确、加工精确、安全可靠、易学易会的立体表面相贯线展开放样制作新理论体系。

Description

立体表面相贯线剖面交点展开法
技术领域
本发明涉及立体表面相贯线展开放样制作方法。具体是一种运用使用“AutoCAD二/三维制图”（其他二/三维软件亦可）、“剖面切割”、“空间向量与立体几何”、“定积分”、“数控切割”（可选）、进行立体表面相贯线展开放样制作方法。
背景技术
目前立体表面相贯线展开放样采用如下方法进行放样和加工：
①在传统展开放样中，受放样人员经验和知识储备的限制，立体表面相贯线展开放样方法往往采用：实物切割修正法、三维实体相关线模型法、经验法、钣金手册实例/软件等四种方法。根据两个相交的实物的尺寸的相对位置，不断根据要求进行切割修正被插入和待插入实物的孔的尺寸，直至待插入实物可完全插入，再将待插入实物进行切割以满足需要。对于非规则行立体表面，不但对现场放样制作人员的经验要求很高，而且容易将被插入实物的孔的尺寸切割过大，造成焊接组焊破口尺寸过大，不符合规范，严重影响质量；
②实物切割修正法：在使用AutoCAD等软件前，根据图纸的平面几何尺寸，制作被插入实物和待插入实物，然后不断交替切割修正以致被插入实物和待插入实物的最终相贯线不断逼近，最终达到要求。加工质量与制作人员水平相关，制作效率低下；
③三维实体相贯线模型法：在使用AutoCAD等软件后，根据图纸的几何尺寸，制作被插入实物和待插入实物的三维实体模型，使用三维“差集”命令，制作出三维实体相贯线的模型，再根据三维实体模型中的相贯线测量出相近尺寸进行初步定位放样，再依照实物稍微修正，最终达到要求，制作效率较高；
④经验辅助法，与实物切割修正法相似，也是不断交替切割修正，最终逼近相贯线，只是根据经验，先进行预先切割处理，能加速切割修正逼近的效率，存在一定危险；
⑤钣金手册实例/软件，其基本原理就是按照放射线展开进行展开，与使用经验辅助相比简单，基本可以实现很接近最终实体相关线，与使用三维实体相贯线的模型相比，存在很大的不准确性，也需要依照实物二次修正，且容易造成焊接组焊破口过大；
此四种方法，除三维实体相贯线模型法外，对于立体表面相贯线的形状较规则、空间跨度较小时可谨慎使用（空间尺寸过大，依照实物进行切割修正组装，吊装难度及费用要求较高，且可能因制作人员自身素质造成失败）。三维实体相贯线模型法可以解决以上问题，但是对于工期要求紧，特别是空间尺寸过大需分体制作及现场组焊的制作的实物工件不适用；
此四种方法对于立体表面相贯线的形状不规则时（表面含不规则曲面）则不能进行展开。按照近似替换法展开的形状与实际形状必然存在较大的空间误差，而且随立体几何尺寸及几何形状的复杂度越大，形成的空间位置误差就越越大。
发明内容
在发明旨在重新设计立体表面相贯线展开放样制作的理论方法，通过现有的技术手段总结上述四种传统放样方法及剖分定位的创新性思维，最终形成高度优化准确有效的立体表面相贯线展开放样的理论方法，从而提供一套简单明确、加工精确、安全可靠、易学易会的立体表面相贯线展开放样制作新理论体系，解决了一直困扰钣金展开放样中的一个悬而未决的技术难题。
本发明所解决所述问题采用的技术方案是：
立体表面相贯线剖面交点展开法，其特征在于剖分形成立体表面相贯线的实体，剖分的实体形成含有相贯线上点的两个相交的平面，再通过相交平面的几何特性确定相交平面中的相贯线上点的空间几何位置；通过多次剖分逐渐累积剖分面中的相贯线上的点，类似“点动成空间线”的微积分概念，进而形成完整的立体表面相贯线。按如下步骤进行（以简单的一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线，展开圆柱体相交端相贯线为例）：
a.用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中ELLIPSE“椭圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建偏心异径且上、下底平行的圆锥台体的上、下圆底，再使用LOFT“放样”命令，创建偏心异径且上、下底平行的锥台体的三维实体模型；
b.用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中CIRCLE“圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建圆柱体的上、下圆底，再使用LOFT“放样”命令，创建圆柱体的三维实体模型；
c.用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中ELLIPSE“椭圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建偏心异径、上下底平行的锥台体的上、下圆底，再使用LINE“直线”命令分别连接上、下椭圆底的四个象限点，至此形成由上、下椭圆底及其象限点连线组成偏心异径且上、下底平行的锥台体三维线框模型；
d．用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中CIRCLE“圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建圆柱体的上、下圆底，圆柱体的长度可按其外侧圆底中心与偏心异径且上、下底平行的锥台体上椭圆底象限点交点连线的平行于圆柱体中心投影的长度（其一般以图纸的定位尺寸给出），再使用LINE“直线”命令分别连接上、下圆底的四个象限点，至此形成由圆柱体圆底及其象限点连线组成圆柱体三维线框模型；
e．将圆柱体三维线框模型的上、下圆底的周长使用DIV“定数等分”命令等分成相同份数（因使用图形的象限点便于定位，所有份数一般为4的整数倍，可使用字母数字标记等分点以便区分，亦可以使用直径等分，但不便于后期展开放样），并使用点样式命令选择一种便于观察的点样式，再分别将上、下圆底周长等分点用LINE“直线”命令连接（连线与圆柱体中心线平行，本系列线暂称为“圆柱体剖面母线”），分别将上、下圆底周长等分点分别用LINE“直线”命令连接（连线与圆底象限点的连线平行）后将与现象点连线形成的交点再分别用LINE“直线”命令连接（连线与圆柱体中心线平行，本系列线暂称为“圆柱体剖面中心线”）；
f．使用UCS“世界坐标系”中3“3点”命令，将UCS“世界坐标系”的X轴、Y轴分别平行于圆柱体的中心线及上、下圆底象限点的连线，然后使用LINE“直线”命令创建锥台体三维线框模型的上椭圆底的垂线及其上、下椭圆底中心的连线；
g．将“圆柱体剖面中心线”在锥台体三维线框模型内的一系列端点使用LINE“直线”命令在XY平面内与锥台体三维线框模型的上椭圆底的垂线连线的相交，再用该系列连线交点使用LINE“直线”命令在XY平面内与锥台体三维线框模型的上、下椭圆底中心的连线相交，使用EXTEND“延伸”命令使该系列连线延伸至锥台体三维线框模型中上、下椭圆底象限点的连线（使用其他命令创建该连线，本系列线暂称为“圆锥体剖面椭圆长轴”）；
h．使用COPY“复制”及RORATE“旋转”命令在XY平面内创建“圆锥体剖面椭圆长轴”的垂直线，并使其垂直线的中心点与“圆锥体剖面椭圆长轴”中心点重合，使用EXTEND“延伸”命令使该连线延伸至锥台体三维线框模型中上、下椭圆底象限点的连线（使用其他命令创建该连线，本系列线暂称为“圆锥体剖面椭圆短轴”）；
i．使用ELLIPSE“椭圆”命令分别使用各系列的“圆锥体剖面椭圆长轴”、“圆锥体剖面椭圆短轴”及其中心点创建锥台体三维线框模型的各系列剖面椭圆，此时每个剖面椭圆与对应的每组“圆柱体剖面母线”形成两个交点（本系列交点暂称为“立体表面剖面相贯线交点”），再使用SPLINE“样条曲线”命令将所有“立体表面剖面相贯线交点”依次分别连接，并TRIM“修剪”命令（或其他方式）去除锥台体内的圆柱体中的“圆柱体剖面母线”部分；
j．将通过LOFT“放样”命令创建的锥台体与圆柱体的三维实体模型与上述过程形成的锥台体与圆柱体的三维线框模型的各自基准点重合，目视便可以察觉锥台体与圆柱体三维线框模型中使用“立体表面剖面相贯线交点”及SPLINE“样条曲线”命令创建的相贯线与锥台体与圆柱体的三维实体模型中实体相交形成的相贯线的空间位置偏差，如果空间位置偏差不满足要求，需使用更多等分点重复上述步骤；
k．锥台体与圆柱体三维线框模型中使用“立体表面剖面相贯线交点”及SPLINE“样条曲线”命令创建的相贯线空间位置偏差满足要求后，使用LIST“列表显示”命令（或其他方式）依次统计所有圆柱体中保留的“圆柱体剖面母线”部分线段长度；
l．将统计的圆柱体中保留的“圆柱体剖面母线”部分线段长度及圆柱体中圆底周长的等分长度（以线段长代替圆弧长）在二维平面上依次按其相应长度及原空间几何垂直关系画出平面图形，使用SPLINE“样条曲线”命令将在二维平面上的圆柱体相交端相贯线侧面展开图中相贯线端的线段端点依次分别连接；
m．将在圆柱体相交端相贯线侧面展开图中各线段分别标注尺寸，并选择部分特殊位置点的线段作为预留卷制对齐线，以实现可手工在板材上1:1画大样及卷制校正对齐检验作用；
n．至此，偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线，圆柱体相交端相贯线侧面展开放样完成。可直接导入数控机床进行自动切割作业，也可在板材上按展开图所标注尺寸1:1比例画出大样，手工切割作业；
o．将切割后的板材按预留卷制对齐线的定位检验要求卷制后，再按预留卷制对齐线组对焊接校正，即完成偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、空间平行的侧面相交形成的相贯线，展开圆柱体相交端相贯线放样与制作作业。
附图说明
图1是步骤a、b所述一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线的三维实体模型的俯视图、仰视图及主视图；
图2是步骤c、d所述一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线的三维线框模型的俯视图、仰视图及主视图；
图3是步骤e、f、g、h、i所述一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线的三维实体模型的一个剖分面与其三维线框模型中几何图形的交点俯视图仰视图及主视图；
图4是步骤e、f、g、h、i所述一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线的三维线框模型的剖分线俯视图、仰视图及主视图；
图5是步骤j所述一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线的三维实体模型及三维线框模型剖分线的俯视图、仰视图及主视图的对比图；
图6是步骤k、l、m所述一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线，展开圆柱体相交端相贯线的三维线框模型俯视图与侧面展开图。
具体实施方法：
以下结合附图及实施例详述本创新发明，参照附图，本实施所述立体表面相贯线剖面交点展开法，按如下步骤进行：
a、如图1所示，按照要展开的一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、空间平行的侧面相交形成的相贯线的几何参数，采用AutoCAD在三维空间建三维实体模型。如图2所示，在三维坐标空间中建立简单的三维线框模型；
b、如图3所示，将圆柱体三维线框模型的上、下圆底的周长等分，等分数量应尽可能多，选择一种便于观察的点样式，再分别将上、下圆底周长等分点用直线连接，分别将上、下圆底周长等分点分别用直线连接（连线与圆底象限点的连线平行）后将与现象点连线形成的交点再分别用直线连接；使用直线命令创建锥台体三维线框模型的上椭圆底的垂线及其上、下椭圆底中心的连线；将“圆柱体剖面中心线”在锥台体三维线框模型内的一系列端点使用直线与锥台体三维线框模型的上椭圆底的垂线连线的相交，再用该系列连线交点使用直线与锥台体三维线框模型的上、下椭圆底中心的连线相交，并延伸该系列连线延伸至锥台体三维线框模型中上、下椭圆底象限点的连线（“圆锥体剖面椭圆长轴”）；再创建“圆锥体剖面椭圆长轴”的垂直线，并使其垂直线的中心点与“圆锥体剖面椭圆长轴”中心点重合，并该连线延伸至锥台体三维线框模型中上、下椭圆底象限点的连线（“圆锥体剖面椭圆短轴”）；
c、如图4所示，使用ELLIPSE“椭圆”命令分别使用各系列的“圆锥体剖面椭圆长轴”、“圆锥体剖面椭圆短轴”及其中心点创建锥台体三维线框模型的各系列剖面椭圆，此时每个剖面椭圆与对应的每组“圆柱体剖面母线”形成两个交点（ “立体表面剖面相贯线交点”），再使用SPLINE“样条曲线”命令将所有“立体表面剖面相贯线交点”依次分别连接，并TRIM“修剪”命令（或其他方式）去除锥台体内的圆柱体中的“圆柱体剖面母线”部分；
d、如图5所示，将通过LOFT“放样”命令创建的锥台体与圆柱体的三维实体模型与上述过程形成的锥台体与圆柱体的三维线框模型的各自基准点重合，目视便可以察觉锥台体与圆柱体三维线框模型中使用“立体表面剖面相贯线交点”及SPLINE“样条曲线”命令创建的相贯线与锥台体与圆柱体的三维实体模型中实体相交形成的相贯线的空间位置偏差，如果空间位置偏差不满足要求，需使用更多等分点重复上述步骤；
e、如图6所示，锥台体与圆柱体三维线框模型中使用“立体表面剖面相贯线交点”及SPLINE“样条曲线”命令创建的相贯线空间位置偏差满足要求后，使用LIST“列表显示”命令依次统计所有圆柱体中保留的“圆柱体剖面母线”部分线段长度；将统计的圆柱体中保留的“圆柱体剖面母线”部分线段长度及圆柱体中圆底周长的等分长度（以线段长代替圆弧长）在二维平面上依次按其相应长度及原空间几何垂直关系画出平面图形，使用样条曲线将在二维平面上的圆柱体相交端相贯线侧面展开图中相贯线端的线段端点依次分别连接；用以形成平滑过渡的外轮廓（注意：展开图外轮廓各定位点相互位置应依次递增或递减平滑过渡，各定位点相互位置出现剧烈波动即可能出现失误）。将在圆柱体相交端相贯线侧面展开图中各线段分别标注尺寸，并选择部分特殊位置点的线段作为预留卷制对齐线，以实现可手工在板材上1:1画大样及卷制校正对齐检验作用；
f、至此，偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、空间平行的侧面相交形成的相贯线，圆柱体相交端相贯线侧面展开放样完成。可直接导入数控机床进行自动切割作业，也可在板材上按展开图所标注尺寸1:1比例画出大样，手工切割作业；
g、将切割后的板材按预留卷制对齐线的定位检验要求卷制后，再按预留卷制对齐线组对焊接校正，即完成偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线，展开圆柱体相交端相贯线放样与制作作业。

Claims (3)

1.立体表面相贯线剖面交点展开法，其特征在于剖分形成贯穿立体表面相贯线的实体，剖分的实体形成的平面的轮廓线的两个交点是立体表面相贯线上的点，再通过相交平面的几何特性确定相交平面中的相贯线上点的空间几何位置；通过多次剖分逐渐累积剖分面中的相贯线上的点，类似“点动成空间线”的微积分概念，进而形成完整的立体表面相贯线。
2.立体表面相贯线剖面交点展开法，不仅适用于立体表面的相贯线，而且可以通过调整立体的壁厚获取其内部的相贯线；或者其他立面表面或内部的相交线。
3.立体表面相贯线剖面交点展开法，按如下步骤进行（以简单的一个偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线，展开圆柱体相交端相贯线为例）：
a.用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中ELLIPSE“椭圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建偏心异径且上、下底平行的圆锥台体的上、下圆底，再使用LOFT“放样”命令，创建偏心异径且上、下底平行的锥台体的三维实体模型；
b.用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中CIRCLE“圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建圆柱体的上、下圆底，再使用LOFT“放样”命令，创建圆柱体的三维实体模型；
c.用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中ELLIPSE“椭圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建偏心异径、上下底平行的锥台体的上、下圆底，再使用LINE“直线”命令分别连接上、下椭圆底的四个象限点，至此形成由上、下椭圆底及其象限点连线组成偏心异径且上、下底平行的锥台体三维线框模型；
d．用AutoCAD在三维建模工作空间，使用AutoCAD中CIRCLE“圆”命令分别在三维建模工作空间的UCS“世界坐标系”中的XYZ坐标系中按1:1比例几何尺寸要求创建圆柱体的上、下圆底，圆柱体的长度可按其外侧圆底中心与偏心异径且上、下底平行的锥台体上椭圆底象限点交点连线的平行于圆柱体中心投影的长度（其一般以图纸的定位尺寸给出），再使用LINE“直线”命令分别连接上、下圆底的四个象限点，至此形成由圆柱体圆底及其象限点连线组成圆柱体三维线框模型；
e．将圆柱体三维线框模型的上、下圆底的周长使用DIV“定数等分”命令等分成相同份数（因使用图形的象限点便于定位，所有份数一般为4的整数倍，可使用字母数字标记等分点以便区分，亦可以使用直径等分，但不便于后期展开放样），并使用点样式命令选择一种便于观察的点样式，再分别将上、下圆底周长等分点用LINE“直线”命令连接（连线与圆柱体中心线平行，本系列线暂称为“圆柱体剖面母线”），分别将上、下圆底周长等分点分别用LINE“直线”命令连接（连线与圆底象限点的连线平行）后将与现象点连线形成的交点再分别用LINE“直线”命令连接（连线与圆柱体中心线平行，本系列线暂称为“圆柱体剖面中心线”）；
f．使用UCS“世界坐标系”中3“3点”命令，将UCS“世界坐标系”的X轴、Y轴分别平行于圆柱体的中心线及上、下圆底象限点的连线，然后使用LINE“直线”命令创建锥台体三维线框模型的上椭圆底的垂线及其上、下椭圆底中心的连线；
g．将“圆柱体剖面中心线”在锥台体三维线框模型内的一系列端点使用LINE“直线”命令在XY平面内与锥台体三维线框模型的上椭圆底的垂线连线的相交，再用该系列连线交点使用LINE“直线”命令在XY平面内与锥台体三维线框模型的上、下椭圆底中心的连线相交，使用EXTEND“延伸”命令使该系列连线延伸至锥台体三维线框模型中上、下椭圆底象限点的连线（使用其他命令创建该连线，本系列线暂称为“圆锥体剖面椭圆长轴”）；
h．使用COPY“复制”及RORATE“旋转”命令在XY平面内创建“圆锥体剖面椭圆长轴”的垂直线，并使其垂直线的中心点与“圆锥体剖面椭圆长轴”中心点重合，使用EXTEND“延伸”命令使该连线延伸至锥台体三维线框模型中上、下椭圆底象限点的连线（使用其他命令创建该连线，本系列线暂称为“圆锥体剖面椭圆短轴”）；
i．使用ELLIPSE“椭圆”命令分别使用各系列的“圆锥体剖面椭圆长轴”、“圆锥体剖面椭圆短轴”及其中心点创建锥台体三维线框模型的各系列剖面椭圆，此时每个剖面椭圆与对应的每组“圆柱体剖面母线”形成两个交点（本系列交点暂称为“立体表面剖面相贯线交点”），再使用SPLINE“样条曲线”命令将所有“立体表面剖面相贯线交点”依次分别连接，并TRIM“修剪”命令（或其他方式）去除锥台体内的圆柱体中的“圆柱体剖面母线”部分；
j．将通过LOFT“放样”命令创建的锥台体与圆柱体的三维实体模型与上述过程形成的锥台体与圆柱体的三维线框模型的各自基准点重合，目视便可以察觉锥台体与圆柱体三维线框模型中使用“立体表面剖面相贯线交点”及SPLINE“样条曲线”命令创建的相贯线与锥台体与圆柱体的三维实体模型中实体相交形成的相贯线的空间位置偏差，如果空间位置偏差不满足要求，需使用更多等分点重复上述步骤；
k．锥台体与圆柱体三维线框模型中使用“立体表面剖面相贯线交点”及SPLINE“样条曲线”命令创建的相贯线空间位置偏差满足要求后，使用LIST“列表显示”命令（或其他方式）依次统计所有圆柱体中保留的“圆柱体剖面母线”部分线段长度；
l．将统计的圆柱体中保留的“圆柱体剖面母线”部分线段长度及圆柱体中圆底周长的等分长度（以线段长代替圆弧长）在二维平面上依次按其相应长度及原空间几何垂直关系画出平面图形，使用SPLINE“样条曲线”命令将在二维平面上的圆柱体相交端相贯线侧面展开图中相贯线端的线段端点依次分别连接；
m．将在圆柱体相交端相贯线侧面展开图中各线段分别标注尺寸，并选择部分特殊位置点的线段作为预留卷制对齐线，以实现可手工在板材上1:1画大样及卷制校正对齐检验作用；
n．至此，偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、空间平行的侧面相交形成的相贯线，圆柱体相交端相贯线侧面展开放样完成；
可直接导入数控机床进行自动切割作业，也可在板材上按展开图所标注尺寸1:1比例画出大样，手工切割作业；
o．将切割后的板材按预留卷制对齐线的定位检验要求卷制后，再按预留卷制对齐线组对焊接校正，即完成偏心异径且上、下底平行的锥台体的中心线与一个圆柱体的中心线不相交、上、下底与圆柱体中心线空间平行的侧面相交形成的相贯线，展开圆柱体相交端相贯线放样与制作作业。
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