基于CAD／CAM 的直轴方圆渐变段的设计与实现

第 2 2卷第 4期 2 O 0 。 年 l 2月 武汉水利电力大学 ( 宜 昌) 学报 U n i v 0 f蜥 d r E k E n g Y i c h a n g Vo 1 2 2 N0 4 De e 0啪 硼 基于 C A D C AM 的直轴方 圆渐变段的设计与实现 于东生 旺左 宋来忠 ，一 ( 基 碚课 部) ( 机蟪工 程系) ( 基础 课都) n J 2 “ 摘 要 碧出了直辖方雷渐变段断面图及展开敲样酉的算法， 井 C语百与Au t o C A D的接口， 实 现 了直轴 方雷渐变段的计算机鞯时设计 阻及直筘方 圆帝变段的铜板下抖， 焊接 与安装 的计算机辅助 制造 - 关 键 词 堕 ； 施 工 艘 样 垫 盅 龇计 算 机 辅 助 制 造 曼 簧 分 类号T P 3 9 1 7 3 水工建筑物中， 在圆形管道的进 口与出 口处为 了安装矩形闸门， 断 面一般做成矩形 在闸门与圆形管道之间 ， 断面由矩形逐渐变化为圆形 ( 或反之) 这种渐变段的表面为组合面 ， 也称为方圆渐变段 。 如图 1 所示 ， 直轴方 圆渐变段是由 4个三角形平面和 4个斜椭圆锥 面按相切关 系组合而成 ， 4个锥顶是矩形断面上的 4个顶点 s 、 s ： 、 s 、 S ， 4个 锥 面共 一个 锥底 1 图形计算 对于直轴方圆渐变段 ， 主要是计算它的断面尺寸与曲面上素线 图 直轴方圆渐变段的表面组成 的实长 1 1三视 图 如图 2所示 ， 直轴 方 圆渐变 段的几何形状尺寸有进 口断面高 度 H 和宽度 w， 出 口断面圆半径 R， 渐变段长度 L 根 据这些基本 参数， 即能绘 制 出直轴 方 圆渐变 段 的三视 图 x l _ 2断面 图 直轴方圆渐变段的断面形状 基本为矩形 ， 它的 4个 角为圆弧， 也就是说， 断 面图由 4条直线和 4 个 1 4圆弧按相切关系组成 考虑到直轴方圆渐 变段斜椭 圆锥的特 征， 为 了便 于计 算与施 工 ， 建立如 图 2所示 的空 间直角 坐标系 在 图 2中， 根据 相似三 y 图 2 直轴方 圆渐 变段的三视 图及断面图 收稿 E t 期： Z O O 0 - 0 3 i 5 于 东生 硕士 副教授 从事计算帆辅助设计和图形学方 面的教学与研究 武趣水利电力大学 ( 宜 昌) 基础课部( 4 3 0 0 2 一 T 上 一 蹑圆一 维普资讯 第 2 2卷第 4期 于东生等基于 C AD C AM 的直 轴方 圆渐变段 的设 计与实现 3 3 9 角形对边成比例的关 系， 任一位置断面图的几何关 系可由下面公式计算 ： 断面圆角半径 R ， =R( LL ) L 断面高度 H， =h ， 十2 R 2 R+( H-2 R) L ， 1 断面宽度 B 一 +2 R =2 R+ H一2 R L L 1 3 展 开 图 ( 1 ) 斜椭圆锥面的展开是整个方圆渐变段展开的关键 展开曲线上的点的坐标可借助于点对应的素 线长度算出 ， 计算方法为 由图 2可得 f s L= = L S l ： Y s z BI Z I zs L一0 把圆形剖面单独 画出， 如图 2 所示， 将半圆周 m等分， 则等 锥面 S 上索线实长为 锥 面 S 2 辱 r = L S ： B 2 I 皿=H 分点的坐标为 = 0 = Rs i n q i=0m = R( 1 一 c ) L =( 一如t ) + ( Y s 2 ) + ( 一 s 2 ) 建立坐标系如图 3所示， 则有 f ( 。 ) +( 一 ) = L L 【 ( 一丑) +( Y ) = L 。 王 中 ， 。 一0 i y O =B 2 ； L ：L； Y l =0 ； L； R m 由方程组( 5 ) 可求出展开曲线上第一点的坐标为 L 一 L 。 +L 一面十 一 ( 一 Y 0 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 和 ( 2) 围 3 展开曲线坐标计算 再设 = ， Y = 用 L ： e 替换 L 即可求出展 开曲线上的第二点 ， 用程序实现为 d a= m i dl ：r*da ； t l 0 = f ； 1 0 一 l l 0 ； xO = 0 ； y O =b 2； O = ； O 一0 ； f o r ( 一 1 ； =m 2： +) ( r s i n( *d a) ； =r*( 1 一 c o s ( i *d a ) ) ； t l i =s q r t ( 1*卜 ( b 2-y )*( 6 2 一 ) + * ) ； r 一 O 上( t l i *t l i -d l * d l - - O * O ) * ( 一1 -x 0 ) ( 2 * O * o ) 十s q r t ( H i * l l i - ( 1 l i -y 1 * l +t O * 1 0 ) * ( H i * f 1 * d l + O * 1 0 ) ( 4 * t O * 1 0 ) ) ( 1 -y 0 ) ； 妇= +( f * t l i -d l * d l 十 O * 1 0 ) * ( y i -1 -y o ) ( 2 *f 。 * ) 十s q r t ( i * “ 一( 1 l i * l i - 1 *d 1 +1 0-y t 0 ) *( t t i *f 打 一 1 * 1 +1 0* l O ) ( 4*加* l O ) ) ( 卜 一1 一x O ) ； 一 I ： 一 + 一 维普资讯 3 4 0 武 汉 水 利 电 力 大 学 ( 宜 昌 ) 学 报 2 0 0 0年 1 2月 即可求出锥顶 s 的椭 圆锥展开曲线上 的点的坐标 ( )， ( ) ) ( i =O m 2 )； 同样可求 出锥顶 s ： 的椭圆锥展开曲线上的点的坐标 f ( ) ， ( ) ( i 2 ) 采取曲线 拟台的方法 即可将各坐标点连 结起来 形成光滑的展开曲线 2 C AD子系统 该软件程序由 C语 言_ | 一 编写 ， 利 用 C语言的 读 、 写功能， 生成 DX F文件“ 在 Au t o C AD系 统 下输入 DX F文件 ， 从 而生成施工放样 图， 并 可 利用 Au t o C AD的图形编辑命令对施工放样图进 行局部修改 2 1系统 的 组成 C AD系统 的组成如图 4所示 2 2 各 模 块的主 要 功 能 - i 一 兰 叠 厩 】写 D X F 文 件 模 块 ； L = 二二_ J 避 图 4 C A D系统组成 ( 1 ) 输入模块 ： 用于方 圆渐变段参数 H、 B、 L、 R的输人 并形成数据文件 C AD M D AT ( 2 ) D X F文件 函数库 ： 该 函数库包含大量 Au t o CAD实体绘制函数 如直线、 圆、 尺寸标注等 将各 种常用的实体的 DX F文件编写成子程序 并放在一起 ， 形成 函数库 在使用时只需要简单调用 即可， 同 时可实现参数化绘图 ( 3 ) 计算模块 ： 完成各种计算 如断面图尺寸计算、 展开图计算等 ( 4 ) 写 DX F文件模块 ： 将计算结果传给相应的 DX F文件函数 形成绘制图形的 DX F文件 3 C AM 子系统 C AM 子系统 的功能是 根据 C AD 放 样后的坐标尺寸参数 ， 经过判 断和选择 自 动生成方圆渐变段 的焊 接 NC代码 、 焊接 轨迹模拟等其他辅助功能 系统由多个模 块组成， 如图 5所示 上述所生成 的 NC代 码 ， 经 焊接仿真 确认后 ， 即可通过 C NC系统加载到 自动焊 接机 ， 实现数控焊接过程， 从 而实现方 圆渐 变段的cAD c AM 信息集成 一 4 应用 设 有 一 水 利 工 程 上 使 用 的 直 轴 方 圆 渐 囵 变 段 的 几 何 尺 寸 为 ：人 口 高 度H 一 图5 c A M系统工作漉程 k O O O mm 人 口宽度 B 一7 0 0 mm 出 口圆半 径 R=3 3 0 mm， 长度 L 一1 2 0 0 mm， 应用系统绘制的施工 放样详图如图 6所示 维普资讯 第 2 2卷第 4期 于东生等基 于 C AD CA M 的直轴方圆渐变段 的设 计与实现 3 4 l 5结 语 应用 C AD C AM 技 术 实 现 方圆渐变段计算机辅助设计与制 造 ， 是一种计算 机应用 的成功尝 试 解决了方 圆渐变段施工放样 图的计算机 自动绘制与钢板下料 及制造安装的自动处理 ， 极大地提 高了设计精度与制造安装质量 参考文献 l 华东水利 学 院 水工设 计手册 ( 7 ) 水 电站建 筑物 北京 ： 水 利电力出 版杜， 1 9 8 5 2 祁东和 水 工 建筑 物 北京 ： 水利 电力出版社 1 9 8 6 3 K L t ma r V， Du c t a D Qu a d r c s h e l l i n t e r s e c t i o n s C omp u t e r Aid e d De 一 1 Z O O O 0 s i g n 1 9 9 5 ( 8 )： 5 7 5 5 8 5 图 6 4 谭浩强 C程 序设计 北京 清华大 学出版杜 1 9 9 3 2 2 3 3 4 4 直轴方圆渐变段施工放样详 图 5 汉昔佩 K 博伊斯 J Au t oC A D应用开发工具大全 觋民等译北京： 清华大学出版社 1 9 9 4 6 方铁 Au t oC A DC语言高级编程 北京 ： 滑 华大学出版杜 ， 1 9 9 5 7 唐荣锡 C A D C A M 技术 北京 ： 北京航空航天大学 出版杜 ， 1 9 9 4 8 汤德忠 C AD CA M 应用技术 北京 ： 机械工业出版社 1 9 8 8 De s i g n a n d I m p l e me n t a t i o n o f S qu a r e - Ci r e l e Tr a n s i t i o n Re g i o n wi t h S t r a i g h t A x i s B a s e d 0 n C A D C A M Yu Do n g s h e n g W u Xi a o g u a n g S o n g L a i z h o n g ( D e p t o fB a s i c C o u r s e g )( D e p t o fMe c h a n i c a l E n g )(De p t B a s i c C o “ r s e s ) X Ab s t r a c t A g e n e r a l a l g o r i t h m f o r g e n e r a t i n g s e c t i o n a l d r a wi n g o f s q u a r e - c i r c l e t r a n s i t i o n r e g i o n i s g i v e r B y u s i n g C l a n g u a g e a n d t h e i n t e r f a c e o f Au t o CAD， t h e CAD CAM f o r s q u a r e c