立體表面相貫線剖面交點展開法的製作方法

2023-07-14 17:43:56

本發明涉及立體表面相貫線展開放樣製作方法。具體是一種運用使用「AutoCAD二/三維製圖」（其他二/三維軟體亦可）、「剖面切割」、「空間向量與立體幾何」、「定積分」、「數控切割」（可選）、進行立體表面相貫線展開放樣製作方法。

背景技術：

目前立體表面相貫線展開放樣採用如下方法進行放樣和加工：

①在傳統展開放樣中，受放樣人員經驗和知識儲備的限制，立體表面相貫線展開放樣方法往往採用：實物切割修正法、三維實體相關線模型法、經驗法、鈑金手冊實例/軟體等四種方法。根據兩個相交的實物的尺寸的相對位置，不斷根據要求進行切割修正被插入和待插入實物的孔的尺寸，直至待插入實物可完全插入，再將待插入實物進行切割以滿足需要。對於非規則行立體表面，不但對現場放樣製作人員的經驗要求很高，而且容易將被插入實物的孔的尺寸切割過大，造成焊接組焊破口尺寸過大，不符合規範，嚴重影響質量；

②實物切割修正法：在使用AutoCAD等軟體前，根據圖紙的平面幾何尺寸，製作被插入實物和待插入實物，然後不斷交替切割修正以致被插入實物和待插入實物的最終相貫線不斷逼近，最終達到要求。加工質量與製作人員水平相關，製作效率低下；

③三維實體相貫線模型法：在使用AutoCAD等軟體後，根據圖紙的幾何尺寸，製作被插入實物和待插入實物的三維實體模型，使用三維「差集」命令，製作出三維實體相貫線的模型，再根據三維實體模型中的相貫線測量出相近尺寸進行初步定位放樣，再依照實物稍微修正，最終達到要求，製作效率較高；

④經驗輔助法，與實物切割修正法相似，也是不斷交替切割修正，最終逼近相貫線，只是根據經驗，先進行預先切割處理，能加速切割修正逼近的效率，存在一定危險；

⑤鈑金手冊實例/軟體，其基本原理就是按照放射線展開進行展開，與使用經驗輔助相比簡單，基本可以實現很接近最終實體相關線，與使用三維實體相貫線的模型相比，存在很大的不準確性，也需要依照實物二次修正，且容易造成焊接組焊破口過大；

此四種方法，除三維實體相貫線模型法外，對於立體表面相貫線的形狀較規則、空間跨度較小時可謹慎使用（空間尺寸過大，依照實物進行切割修正組裝，吊裝難度及費用要求較高，且可能因製作人員自身素質造成失敗）。三維實體相貫線模型法可以解決以上問題，但是對於工期要求緊，特別是空間尺寸過大需分體製作及現場組焊的製作的實物工件不適用；

此四種方法對於立體表面相貫線的形狀不規則時（表面含不規則曲面）則不能進行展開。按照近似替換法展開的形狀與實際形狀必然存在較大的空間誤差，而且隨立體幾何尺寸及幾何形狀的複雜度越大，形成的空間位置誤差就越越大。

技術實現要素：

在發明旨在重新設計立體表面相貫線展開放樣製作的理論方法，通過現有的技術手段總結上述四種傳統放樣方法及剖分定位的創新性思維，最終形成高度優化準確有效的立體表面相貫線展開放樣的理論方法，從而提供一套簡單明確、加工精確、安全可靠、易學易會的立體表面相貫線展開放樣製作新理論體系，解決了一直困擾鈑金展開放樣中的一個懸而未決的技術難題。

本發明所解決所述問題採用的技術方案是：

立體表面相貫線剖面交點展開法，其特徵在於剖分形成立體表面相貫線的實體，剖分的實體形成含有相貫線上點的兩個相交的平面，再通過相交平面的幾何特性確定相交平面中的相貫線上點的空間幾何位置；通過多次剖分逐漸累積剖分面中的相貫線上的點，類似「點動成空間線」的微積分概念，進而形成完整的立體表面相貫線。按如下步驟進行（以簡單的一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線，展開圓柱體相交端相貫線為例）：

a.用AutoCAD在三維建模工作空間，使用AutoCAD中ELLIPSE「橢圓」命令分別在三維建模工作空間的UCS「世界坐標系」中的XYZ坐標系中按1:1比例幾何尺寸要求創建偏心異徑且上、下底平行的圓錐臺體的上、下圓底，再使用LOFT「放樣」命令，創建偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的三維實體模型；

b.用AutoCAD在三維建模工作空間，使用AutoCAD中CIRCLE「圓」命令分別在三維建模工作空間的UCS「世界坐標系」中的XYZ坐標系中按1:1比例幾何尺寸要求創建圓柱體的上、下圓底，再使用LOFT「放樣」命令，創建圓柱體的三維實體模型；

c.用AutoCAD在三維建模工作空間，使用AutoCAD中ELLIPSE「橢圓」命令分別在三維建模工作空間的UCS「世界坐標系」中的XYZ坐標系中按1:1比例幾何尺寸要求創建偏心異徑、上下底平行的錐臺體的上、下圓底，再使用LINE「直線」命令分別連接上、下橢圓底的四個象限點，至此形成由上、下橢圓底及其象限點連線組成偏心異徑且上、下底平行的錐臺體三維線框模型；

d．用AutoCAD在三維建模工作空間，使用AutoCAD中CIRCLE「圓」命令分別在三維建模工作空間的UCS「世界坐標系」中的XYZ坐標系中按1:1比例幾何尺寸要求創建圓柱體的上、下圓底，圓柱體的長度可按其外側圓底中心與偏心異徑且上、下底平行的錐臺體上橢圓底象限點交點連線的平行於圓柱體中心投影的長度（其一般以圖紙的定位尺寸給出），再使用LINE「直線」命令分別連接上、下圓底的四個象限點，至此形成由圓柱體圓底及其象限點連線組成圓柱體三維線框模型；

e．將圓柱體三維線框模型的上、下圓底的周長使用DIV「定數等分」命令等分成相同份數（因使用圖形的象限點便於定位，所有份數一般為4的整數倍，可使用字母數字標記等分點以便區分，亦可以使用直徑等分，但不便於後期展開放樣），並使用點樣式命令選擇一種便於觀察的點樣式，再分別將上、下圓底周長等分點用LINE「直線」命令連接（連線與圓柱體中心線平行，本系列線暫稱為「圓柱體剖面母線」），分別將上、下圓底周長等分點分別用LINE「直線」命令連接（連線與圓底象限點的連線平行）後將與現象點連線形成的交點再分別用LINE「直線」命令連接（連線與圓柱體中心線平行，本系列線暫稱為「圓柱體剖面中心線」）；

f．使用UCS「世界坐標系」中3「3點」命令，將UCS「世界坐標系」的X軸、Y軸分別平行於圓柱體的中心線及上、下圓底象限點的連線，然後使用LINE「直線」命令創建錐臺體三維線框模型的上橢圓底的垂線及其上、下橢圓底中心的連線；

g．將「圓柱體剖面中心線」在錐臺體三維線框模型內的一系列端點使用LINE「直線」命令在XY平面內與錐臺體三維線框模型的上橢圓底的垂線連線的相交，再用該系列連線交點使用LINE「直線」命令在XY平面內與錐臺體三維線框模型的上、下橢圓底中心的連線相交，使用EXTEND「延伸」命令使該系列連線延伸至錐臺體三維線框模型中上、下橢圓底象限點的連線（使用其他命令創建該連線，本系列線暫稱為「圓錐體剖面橢圓長軸」）；

h．使用COPY「複製」及RORATE「旋轉」命令在XY平面內創建「圓錐體剖面橢圓長軸」的垂直線，並使其垂直線的中心點與「圓錐體剖面橢圓長軸」中心點重合，使用EXTEND「延伸」命令使該連線延伸至錐臺體三維線框模型中上、下橢圓底象限點的連線（使用其他命令創建該連線，本系列線暫稱為「圓錐體剖面橢圓短軸」）；

i．使用ELLIPSE「橢圓」命令分別使用各系列的「圓錐體剖面橢圓長軸」、「圓錐體剖面橢圓短軸」及其中心點創建錐臺體三維線框模型的各系列剖面橢圓，此時每個剖面橢圓與對應的每組「圓柱體剖面母線」形成兩個交點（本系列交點暫稱為「立體表面剖面相貫線交點」），再使用SPLINE「樣條曲線」命令將所有「立體表面剖面相貫線交點」依次分別連接，並TRIM「修剪」命令（或其他方式）去除錐臺體內的圓柱體中的「圓柱體剖面母線」部分；

j．將通過LOFT「放樣」命令創建的錐臺體與圓柱體的三維實體模型與上述過程形成的錐臺體與圓柱體的三維線框模型的各自基準點重合，目視便可以察覺錐臺體與圓柱體三維線框模型中使用「立體表面剖面相貫線交點」及SPLINE「樣條曲線」命令創建的相貫線與錐臺體與圓柱體的三維實體模型中實體相交形成的相貫線的空間位置偏差，如果空間位置偏差不滿足要求，需使用更多等分點重複上述步驟；

k．錐臺體與圓柱體三維線框模型中使用「立體表面剖面相貫線交點」及SPLINE「樣條曲線」命令創建的相貫線空間位置偏差滿足要求後，使用LIST「列表顯示」命令（或其他方式）依次統計所有圓柱體中保留的「圓柱體剖面母線」部分線段長度；

l．將統計的圓柱體中保留的「圓柱體剖面母線」部分線段長度及圓柱體中圓底周長的等分長度（以線段長代替圓弧長）在二維平面上依次按其相應長度及原空間幾何垂直關係畫出平面圖形，使用SPLINE「樣條曲線」命令將在二維平面上的圓柱體相交端相貫線側面展開圖中相貫線端的線段端點依次分別連接；

m．將在圓柱體相交端相貫線側面展開圖中各線段分別標註尺寸，並選擇部分特殊位置點的線段作為預留卷制對齊線，以實現可手工在板材上1:1畫大樣及卷制校正對齊檢驗作用；

n．至此，偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線，圓柱體相交端相貫線側面展開放樣完成。可直接導入數控工具機進行自動切割作業，也可在板材上按展開圖所標註尺寸1:1比例畫出大樣，手工切割作業；

o．將切割後的板材按預留卷制對齊線的定位檢驗要求卷制後，再按預留卷制對齊線組對焊接校正，即完成偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、空間平行的側面相交形成的相貫線，展開圓柱體相交端相貫線放樣與製作作業。

附圖說明

圖1是步驟a、b所述一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線的三維實體模型的俯視圖、仰視圖及主視圖；

圖2是步驟c、d所述一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線的三維線框模型的俯視圖、仰視圖及主視圖；

圖3是步驟e、f、g、h、i所述一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線的三維實體模型的一個剖分面與其三維線框模型中幾何圖形的交點俯視圖仰視圖及主視圖；

圖4是步驟e、f、g、h、i所述一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線的三維線框模型的剖分線俯視圖、仰視圖及主視圖；

圖5是步驟j所述一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線的三維實體模型及三維線框模型剖分線的俯視圖、仰視圖及主視圖的對比圖；

圖6是步驟k、l、m所述一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線，展開圓柱體相交端相貫線的三維線框模型俯視圖與側面展開圖。

具體實施方法：

以下結合附圖及實施例詳述本創新發明，參照附圖，本實施所述立體表面相貫線剖面交點展開法，按如下步驟進行：

a、如圖1所示，按照要展開的一個偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、空間平行的側面相交形成的相貫線的幾何參數，採用AutoCAD在三維空間建三維實體模型。如圖2所示，在三維坐標空間中建立簡單的三維線框模型；

b、如圖3所示，將圓柱體三維線框模型的上、下圓底的周長等分，等分數量應儘可能多，選擇一種便於觀察的點樣式，再分別將上、下圓底周長等分點用直線連接，分別將上、下圓底周長等分點分別用直線連接（連線與圓底象限點的連線平行）後將與現象點連線形成的交點再分別用直線連接；使用直線命令創建錐臺體三維線框模型的上橢圓底的垂線及其上、下橢圓底中心的連線；將「圓柱體剖面中心線」在錐臺體三維線框模型內的一系列端點使用直線與錐臺體三維線框模型的上橢圓底的垂線連線的相交，再用該系列連線交點使用直線與錐臺體三維線框模型的上、下橢圓底中心的連線相交，並延伸該系列連線延伸至錐臺體三維線框模型中上、下橢圓底象限點的連線（「圓錐體剖面橢圓長軸」）；再創建「圓錐體剖面橢圓長軸」的垂直線，並使其垂直線的中心點與「圓錐體剖面橢圓長軸」中心點重合，並該連線延伸至錐臺體三維線框模型中上、下橢圓底象限點的連線（「圓錐體剖面橢圓短軸」）；

c、如圖4所示，使用ELLIPSE「橢圓」命令分別使用各系列的「圓錐體剖面橢圓長軸」、「圓錐體剖面橢圓短軸」及其中心點創建錐臺體三維線框模型的各系列剖面橢圓，此時每個剖面橢圓與對應的每組「圓柱體剖面母線」形成兩個交點（ 「立體表面剖面相貫線交點」），再使用SPLINE「樣條曲線」命令將所有「立體表面剖面相貫線交點」依次分別連接，並TRIM「修剪」命令（或其他方式）去除錐臺體內的圓柱體中的「圓柱體剖面母線」部分；

d、如圖5所示，將通過LOFT「放樣」命令創建的錐臺體與圓柱體的三維實體模型與上述過程形成的錐臺體與圓柱體的三維線框模型的各自基準點重合，目視便可以察覺錐臺體與圓柱體三維線框模型中使用「立體表面剖面相貫線交點」及SPLINE「樣條曲線」命令創建的相貫線與錐臺體與圓柱體的三維實體模型中實體相交形成的相貫線的空間位置偏差，如果空間位置偏差不滿足要求，需使用更多等分點重複上述步驟；

e、如圖6所示，錐臺體與圓柱體三維線框模型中使用「立體表面剖面相貫線交點」及SPLINE「樣條曲線」命令創建的相貫線空間位置偏差滿足要求後，使用LIST「列表顯示」命令依次統計所有圓柱體中保留的「圓柱體剖面母線」部分線段長度；將統計的圓柱體中保留的「圓柱體剖面母線」部分線段長度及圓柱體中圓底周長的等分長度（以線段長代替圓弧長）在二維平面上依次按其相應長度及原空間幾何垂直關係畫出平面圖形，使用樣條曲線將在二維平面上的圓柱體相交端相貫線側面展開圖中相貫線端的線段端點依次分別連接；用以形成平滑過渡的外輪廓（注意：展開圖外輪廓各定位點相互位置應依次遞增或遞減平滑過渡，各定位點相互位置出現劇烈波動即可能出現失誤）。將在圓柱體相交端相貫線側面展開圖中各線段分別標註尺寸，並選擇部分特殊位置點的線段作為預留卷制對齊線，以實現可手工在板材上1:1畫大樣及卷制校正對齊檢驗作用；

f、至此，偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、空間平行的側面相交形成的相貫線，圓柱體相交端相貫線側面展開放樣完成。可直接導入數控工具機進行自動切割作業，也可在板材上按展開圖所標註尺寸1:1比例畫出大樣，手工切割作業；

g、將切割後的板材按預留卷制對齊線的定位檢驗要求卷制後，再按預留卷制對齊線組對焊接校正，即完成偏心異徑且上、下底平行的錐臺體的中心線與一個圓柱體的中心線不相交、上、下底與圓柱體中心線空間平行的側面相交形成的相貫線，展開圓柱體相交端相貫線放樣與製作作業。