基于AutoCAD的海上平台导管架单件图自动生成系统研究与开发

详细内容

系统服务于火焰数控切管机切割海上平台导管架管件，系统输入为海洋平台的结构单线图，系统输出为导管架切割单件图。通过直接识别和提取加工所需要的参数信息，自动计算切管机所常要的各种几何参数，最后根据得到的几何参数计算相贯线并绘制出导管架单件图。该系统属于基于图形的自动编程系统，走 CAD/CAM一体化技术的一种应用。

海洋平台的制造是一项庞大、复杂、技术含量高的工程，导管架是海洋平台中的关键结构，导管架建造质量的好坏将直接影响到平台结构的整体质量。因此，高效、精确的完成对导管架构件的加工是建造海洋平台的必要前提，而平台金属导管架构件参数的组织和计算，导管架切割后沿内壁的展开图即单件图生成必须要求有一套自动化、智能化的系统来完成。

在过去海上平台的制造中，金属导管架构件的数据资料主要依布图纸来人为管理，并没有列人计算机的智能化管理范畴，因此，在每一次对构件的加工之前，都要按照图纸人为输入构件的各种参数到控制加工机器的软件中。其次，导管架的之间的几何参数通常是通过人为计算的方法输人系统，同时单件图的生成也必须依靠人为输入管件类型来完成。这无疑增加了制造过程的繁琐性，并且降低了生产效率。本文针对以上弊端，自主研究和开发自动化、智能化的海上平台导管架单件图自动生成系统。

一、海上平台导管架单线圈结构系统

海上平台是由若干根导管架通过焊接而形成的框架结构，导管架的形式多种多样，包括管、板、环、锥等结构。由于海上平台制造中所使用的零件均由 AutoCad设计，结果一般为三维图形，但由于海洋平台是一个庞大、复杂的体系，如果用三维图形来表示平台的整体结构，必然会使图形变的异常复杂，降低了直观性和操作性。因此本系统所直接处理的是单线图，即每一个零件都用一维图形表示，几乎所有的零件都抽象为线段，如图1所示为平合导管架结构单线图。零件的其他信息则通过人工输入的方式加入到为该零件所配备的数据库中，只需要通过一次性输入便可以一劳永逸，其它的工作包括基本信息的存储和几何参数的计算以及单件图的生成全部由系统自动完成。

二、系统功能和实现方法

本系统采用CAD软件作为支撑平台的图形自动编程系统，它其有速度快、精度高、直观性好、使用方便、便于检查等优点。CAD系统在零件单线图（包括管、板、锥体、型翎、环）中配备数据库，通过直接识别和提取加工所需要的参数信息，自动计算切管机所需要的各种几何参数，最后根据得到的几何参数计算相贯线并绘制出导管架单件图。该系统属于基于图形的自动编程系统，是CAD/CAM一体化技术的一种应用。如图2所示为系统总体功能模块图。
根据各个开发语言的特点，系统选用嵌套于AutoCAD内部的VLISP作为开发语言，可以直接调用几乎全部AutoCad命令，即具有一般高级语言的基本结构和功能，又具有一般高级语言所没有的强大图形处理功能。

三、零件信息生成模块

海洋平台导管架的制造包括多种构件，有管、板、锥体、环、型钢等结构，要将这些结构参数分类输入到单线图中，必须通过合理的人机交互信急界面即对话框来实现，并将输入的信息永久的保存在单线图中，并且要求将特定的信息赎予特定的结构，点击某个结构就可以调用出它的各项信息，以利于查看或修改。
由于在系统操作的过程中，系统所处理的文件均为DWG文件，是AutoCad在图形生成和编辑中使用的数据库，它存放的主要内容是所生成图形的几何信息和其他有关信息。DWG这种数据库相当别致，数据库的结构允许用户建立自己的、许多种可能结构的"非图形信息"数据。这种数据的建立主要是用"属性"、"扩展的对象数据库"和"词典"三大类功能。在编制程序的工程中，选择图形词典来管理数据库。在用户操作过程中，只要找到了相关的图形对象，就能找到这些与此图形相关的非图形数据记录。图形词典可用的数据类型相当丰富，几乎所有的Visualisp数据都可以使用简化了程序编写难度，几乎能做到用户怎么想就可以怎么写数据结构，而且数据盆可以相当大。一个单缓图可以存储多个图形词典。即给每根管件都配备一个图形词典，一个图形词典可以并存多个记录。
如某一管件在单线图中表示为一条线段将管件其他信息输入到该实体图形词典中，输入语句如下：

用(VLAX一LDATA一LIST EN)可查询该管件信息：

所表示的含义为：杆件段数：1、右节点：a，右包板：无，管径：609.6mm，
壁厚：19.05mm，杆件原颜色号：7，杆件号：1，左节点号：b，左包板：无，杆件类型：管。
程序编制完成之后，将其加载到AutoCad启动组中，这样在每次运行AutoCad之后，该程序将完成自动加载。在输入零件信息时，键入程序编制的输人命令inPut，开始捕捉杆件，每捕捉一根杆件(当捕捉靶区有误、或误敲其他键盘时，进行循环捕捉，直至捕捉成功)，杆件加亮，显示图3所示输入对话框。图中，高亮显示的编辑框内容是有关管结构的信息，其他编辑框为不可用。如点击单选框中的其它零件结构，如板，则与板相关的编辑框如坡口角、夹板则高亮显示，其它编辑框为不可用。同理，其它的零件结构分别对应于相关的零件信息。数据输入完毕后，则杆件亮度恢复正常，但杆件颜色变色(但是变量须记住原颜色)。此外，当一幅单线图中的所有模型信息都输入完成之后，恢复每根杆件的原颜色，并且存档，如有需要，可以随时将输入的信息写人数据文件中。

四、零件几何参数计算模块

导管架几何参数是进行数控加工的重要依据。主要的几何参数包括：杆件间的轴交角、扭转角、偏心、工作点偏移(错心)。其定义如图3所示：

(1) 轴交角A：支管轴线与主管轴线之间的夹角。
(2) 扭转角B：主管轴线用于计算轴交角的那一端在支管横截面(即截面圆)上的投影与0度线(起始切割时，割炬正下方支管上的那一点与过该点的截面圆圆心的连线)的夹角。
(3) 偏心a：主管轴线与支管轴线之间的垂直距离，有正负之分，当主管轴线靠近操作者时偏心为正，当主管轴线远离操作者时偏心为负。
(4) 工作点伯移(错心)e：指多次搭接时各主管轴线与支管轴线相交点(节点)的距离，
构件间轴交角、扭转角、偏心、工作点偏移(错心)的计算都是利用解析几何的方法，编制数学模型，通过程序计算而得到结果。
以求管件间的扭转角为例，说明几何参数的程序计算法。
两管之间的扭转角为0度。若有第三根管，也就是存在二次搭接，主管2如果不在主管1与支管构成的平面内，则存在扭转角。该角度是在支管端平面测得的主管1于主管2投影的交角。程序设计的步骤如下：
(1) 提取主管1两端点Plll，P121。
(2) 提取支管两端点P12，P22，计算支管法矢(m2，n2，p2)。
(3) 调用求投影点子程序，求Pl1l，P121在支管端面上的投影md1a，md1b。
(4) 使用AutoCad命令(mand"ucs""n""za"p22 p12)将构造平面转到支管端面上。
(5) 用函数(trans md1a 0 1)，(trans md1b 0 1)，计算md1a，md1b在新构造平面上的坐标md1aa，md1bb。
(6) 函数(angle md1aa md1bb)求主管1相对于固定坐标轴角度f11。
(7) 命令(mand "ucs""w")转换为世界坐标系。
(8) 用以上的步骤求主管2相对于固定坐标轴角度flZ。
(9) fl Z一 fll即为主管1与主管2在支管端平面上的夹角，即扭转角。

五、计算相贯线并生成单件图模块

海洋平台构件间常见的相贯线类型有管管间的马鞍口，直径相同的管管间MIT口，管板间MIT口，以及锥管相贯线，环管相贯线，脚印图相贯线等等。系统自动判别相贯线的类型，即操作者点击主管和支管后，程序便可以根据之前输入的构件信息判断出相贯线的类型，从而调用相应的子程序来计算相贯线。判断相贯线类型的程序框图如图4所示：

程序根据存储的杆件类型便可以自动调用相应的求相贯线程序，从而生成该支管的结构单件图。
下面以支管与主管相贯形式为例，给出支管求解单件图的最后结果。
如图5，各参数如下：
支管：
外径为 318.75mm。
壁厚为 9.375mm。
主管：
外径为450mm。
编制程序 ，得到如图5所示支管切例后内剖单件图，图中有内壁相贯线和外壁实际切割线(即带坡口角)，其横坐标是Y轴，即割炬沿Y轴移动距离，纵坐标对应于相贯线上每一点的圆周角即X轴坐标。

六、结 论

系统服务子火焰数控切管机切割海上平台导管架管件，系统输入为海洋平合的结构单线图，系统输入为海上平台导管架切割单件图。建立程序自动存储导管架构件几何信息的图形词典，从而将杆件的信息存储，并且可以按照循要随时调用、修改。
此外，利用解析几何的方法，编制数学模型，建立程序自动计算几何参数，实现构件间轴交角、扭转角、偏心、工作点偏移(错心)的自动计算。
通过编程荆断相贯线的类型，并自动计算支管相贯线数据，绘制出导管架单件图。系统将构件参数的翰入，计算和处理连接起来，经实际工程应用，实现了管件加工的自动化、智能化，大大提高了生产效率，是CAD/CAM一体化技术的一种应用。