專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種5自由度數(shù)控裝備在建筑行業(yè)的應(yīng)用，特別是涉及一種多桿匯交瓣式空間 網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法。
背景技術(shù)：
空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種將空間桿系通過(guò)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)，是大型場(chǎng)館屋頂和 各類(lèi)需要空間曲面造型裝飾建筑物的主要實(shí)現(xiàn)形式。為了適應(yīng)空間角度的任意變化，以往的空 間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)通常采用鋼管相貫焊接或球形節(jié)點(diǎn)機(jī)械連接方式，且桿件通常采用圓鋼(管)， 以便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝。然而，鋼管相貫節(jié)點(diǎn)不但制造安裝困難，且因焊縫過(guò)于集中導(dǎo)致較 大焊接應(yīng)力，因而影響結(jié)構(gòu)的承載能力；而球形節(jié)點(diǎn)雖制作簡(jiǎn)單，但因體積大往往影響建筑物 空間曲面造型的美觀。近年來(lái)，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)力學(xué)、美學(xué)和功能等方面的要求， 出現(xiàn)了一類(lèi)多桿匯交瓣式網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)。這類(lèi)節(jié)點(diǎn)具有外形可隨建筑物整體曲面變化而變化，易于 與各類(lèi)異型截面(如三角形、矩形、梯形)桿件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而可構(gòu)成各種新穎美觀的空間 曲面建筑造型，成為目前一大類(lèi)高裝飾性空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑物的重要發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)外對(duì) 多桿匯交瓣式網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)的制作技術(shù)一般采用鋼板數(shù)控下料-拼焊-加工方法，即先將鋼板經(jīng)切割、 邊口加工和壓力成型制作成不同單元，然后用胎具將它們拼裝成型后進(jìn)行焊接，最后再用5軸 聯(lián)動(dòng)加工中心完成與桿系結(jié)合面/孔面的機(jī)械加工，國(guó)內(nèi)目前也多采用這種方法。然而，由于空 間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通常包含多達(dá)上千個(gè)幾何形狀各異的節(jié)點(diǎn)，因此數(shù)控下料-拼焊-加工方法需要大量 壓力成型模具和拼焊胎具，制作成本極高而效率很低。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種在保證加工精度的基礎(chǔ)上，降低該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的制作成本，提高制作效率的一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法。 本發(fā)明的一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法，它包括以下步驟(1) 建立設(shè)計(jì)的多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的軸線(xiàn)模型并將其全部節(jié)點(diǎn)和桿件的坐標(biāo)參數(shù)、 尺寸參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)； '(2) 將所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分解為多個(gè)構(gòu)造單元；(3) 計(jì)算每個(gè)構(gòu)造單元的尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)；(4) 根據(jù)所述的計(jì)算的尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)結(jié)果，重構(gòu)出所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體模型，將所述的設(shè)計(jì)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型與所述的重構(gòu)模型進(jìn)行圖形復(fù)核及數(shù)據(jù)復(fù)核，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分解后 所計(jì)算的數(shù)據(jù)是否能夠正確的重構(gòu)出設(shè)計(jì)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型，最終輸出各節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造單元的尺小數(shù)據(jù)及其加工參數(shù)；(5) 準(zhǔn)備發(fā)泡材料；(6) 將所述的各節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造單元的尺寸數(shù)據(jù)及其加工參數(shù)輸入5自由度數(shù)控裝備，控制切割 或銑削所述的發(fā)泡材料成型制得每一構(gòu)造單元模具；(7) 將所述的多個(gè)構(gòu)造單元模具拼裝成完整的節(jié)點(diǎn)鑄造模具；(8) 將所述的完整的節(jié)點(diǎn)鑄造模具作為模具采用消失模鑄造工藝，澆鑄鋼水鑄成節(jié)點(diǎn)毛坯；(9) 所述的5自由度數(shù)控裝備讀取所述的歩驟(l)中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)、尺寸參數(shù)并生成數(shù)控加工代碼，機(jī)械加工所述的節(jié)點(diǎn)毛坯制得成品。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于l現(xiàn)有方法"數(shù)控下料-拼焊-加工"需要針對(duì)每一種節(jié)點(diǎn)制備模具，如無(wú)快速、低成本制模 技術(shù)與裝備可資利用，則這種方法存在效率低，成本高等問(wèn)題。而本發(fā)明提出的"分模-制模-組模-鑄造-加工"數(shù)字化制作新方法，以低成本的發(fā)泡材料作為節(jié)點(diǎn)消失模材料，基于CAD/CAPP/CAM和5自由度數(shù)控裝備，所制作產(chǎn)品具有整體力學(xué)性能好、工藝流程簡(jiǎn)單、制作成 本低，可保證所需精度等優(yōu)點(diǎn)；2現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)制作工具多采5軸聯(lián)動(dòng)加工中心，然而5軸聯(lián)動(dòng)加工中心價(jià)格昂貴，且其精度遠(yuǎn) 高于節(jié)點(diǎn)所需精度，因此造成不必要的浪費(fèi)，加之同一空間網(wǎng)殼建筑上節(jié)點(diǎn)形態(tài)各異，數(shù)量眾多，更換工件/夾具所需的準(zhǔn)備時(shí)間遠(yuǎn)大于加工時(shí)間，因此難于發(fā)揮設(shè)備的應(yīng)有效益。而本發(fā)明 采用5自由度數(shù)控裝備制成節(jié)點(diǎn)鑄模，最后通過(guò)消失模鑄造獲取鑄鋼節(jié)點(diǎn)毛坯，解決了5軸聯(lián) 動(dòng)數(shù)控加工中心成本高、難以發(fā)揮其精度優(yōu)勢(shì)，且工件裝夾時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。


圖1是本發(fā)明的一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法的流程圖； 圖2是一個(gè)建筑實(shí)例的軸線(xiàn)模型；圖3是將所述的圖2中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)分解為8個(gè)構(gòu)造單元和連接各單元的圓柱體的模型； 圖4是圖3中的一個(gè)構(gòu)造單元的加工模型，其中1為左相鄰構(gòu)造單元的右側(cè)面，2為圓柱面， 3為右相鄰構(gòu)造單元的左側(cè)面，4為右加工面，5為端面，6為左加工面； 圖5是作為制作節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造單元模具使用的標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)泡材料； 圖6是采用本發(fā)明方法制作的一個(gè)多桿匯交瓣式網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作以詳細(xì)描述。如圖1所示是本發(fā)明所提供的一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法的流程圖，1. 分析節(jié)點(diǎn)模型建立設(shè)計(jì)的多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的軸線(xiàn)模型并將其全部節(jié)點(diǎn)和桿件的坐 標(biāo)參數(shù)、尺寸參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)；將所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分解為多個(gè)構(gòu)造單元；計(jì)算每個(gè)構(gòu)造單元的 尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)根據(jù)所述的計(jì)算的尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)結(jié)果，重構(gòu)出所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 三維實(shí)體模型，將所述的設(shè)計(jì)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型與所述的重構(gòu)模型進(jìn)行圖形復(fù)核及數(shù)據(jù)復(fù)核， 校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分解后所計(jì)算的數(shù)據(jù)是否能夠IH確的重構(gòu)出設(shè)計(jì)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型，最終輸出各節(jié)點(diǎn) 的構(gòu)造單元的數(shù)據(jù)及其加工參數(shù)；2.節(jié)點(diǎn)構(gòu)造單元鑄模制作準(zhǔn)備發(fā)泡材料；將所述的各節(jié)點(diǎn) 的構(gòu)造單元的數(shù)據(jù)及其加工參數(shù)輸入5自由度數(shù)控裝備，控制切割或銑削所述的發(fā)泡材料成型 制得每一構(gòu)造單元模具；3.節(jié)點(diǎn)鑄模拼裝將所述的多個(gè)構(gòu)造單元模具拼裝成完整的節(jié)點(diǎn)鑄造 模具；4.節(jié)點(diǎn)鑄造將所述的完整的節(jié)點(diǎn)鑄造模具作為模具采用消失模鑄造工藝，澆鑄鋼水鑄成節(jié)點(diǎn)毛坯5.節(jié)點(diǎn)機(jī)械加工所述的5自由度數(shù)控裝備讀取所述的步驟(1)中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 參數(shù)、尺寸參數(shù)并生成數(shù)控加工代碼，機(jī)械加工所述的節(jié)點(diǎn)毛坯制得成品。 下面舉一具體實(shí)施例結(jié)合附圖，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)方案。第一歩導(dǎo)入建筑設(shè)計(jì)院提供的軸線(xiàn)模型(如圖2)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)文件、截面尺寸文件等；然后分 解節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)包含多個(gè)構(gòu)造單元，而每個(gè)構(gòu)造單元的位姿各不相同，為了提高制作效 率并降低成本，所以進(jìn)一步分解節(jié)點(diǎn)，以每相鄰兩個(gè)構(gòu)造單元的相鄰側(cè)面的角平分面為分解面， 將每個(gè)節(jié)點(diǎn)拆分為節(jié)點(diǎn)的多個(gè)構(gòu)造單元和連接各單元的圓柱體，圖3所示該節(jié)點(diǎn)包含8個(gè)構(gòu)造 單元；接下來(lái)計(jì)算它們的加工參數(shù)，圓柱體的加工參數(shù)為固定值，根據(jù)設(shè)計(jì)院所給的該節(jié)點(diǎn)尺 寸確定圓柱體的半徑為30mm，構(gòu)造單元的加工參數(shù)山4部分組成，包括左加工面6，右加工面4， 端面5和圓柱面2，其中構(gòu)造單元的左、右加工面的加工參數(shù)由與其左右相鄰的構(gòu)造單元的相對(duì) 關(guān)系決定，圖4所示是其中一個(gè)的構(gòu)造單元的加工參數(shù)，其中該構(gòu)造單元的左側(cè)面與相鄰的左 邊的構(gòu)造單元的右側(cè)面1相交，求出相交兩面的角平分面位置，再求角平分面與構(gòu)造單元左側(cè) 面的交面，以此作為構(gòu)造單元的左加工面6，同理可求所述的構(gòu)造單元的右側(cè)面與右相鄰構(gòu)造單 元的左側(cè)面3之間的右加工面4;構(gòu)造單元端面5是與桿件相連的結(jié)合面，端面的4個(gè)頂點(diǎn)之間 的距離與設(shè)計(jì)院提供的桿件截面尺寸相同；構(gòu)造單元圓柱面的半徑與拆分的圓柱體半徑相同， 保證了構(gòu)造單元能與圓柱體貼合在一起；求出這8個(gè)構(gòu)造單元的加工參數(shù)后，輸入到在AutoCAD 軟件里，進(jìn)行圖形復(fù)核及數(shù)據(jù)復(fù)核，重構(gòu)出該節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體模型，與設(shè)計(jì)院提供的相關(guān)數(shù)據(jù) 進(jìn)行校驗(yàn)后結(jié)果正確，最終輸出節(jié)點(diǎn)的8個(gè)構(gòu)造單元的加工參數(shù)。第二歩，制作節(jié)點(diǎn)構(gòu)造單元的鑄模，釆用低成本的發(fā)泡材料作為節(jié)點(diǎn)消失模材料，該種發(fā)泡 材料進(jìn)廠(chǎng)前都制作成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模塊(如圖5)，并出具標(biāo)準(zhǔn)模塊質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告單，然后用5自 由度數(shù)控裝備，讀入第一歩給出的加工參數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行切割或銑削，成品為8個(gè)構(gòu)造單 元的鑄模。第三步，節(jié)點(diǎn)鑄模拼裝，將第二步中得到的8個(gè)構(gòu)造單元按照順序拼裝成整體鑄模，并用三 坐標(biāo)機(jī)檢驗(yàn)拼裝質(zhì)量，測(cè)量每個(gè)構(gòu)造單元端面的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度和相鄰兩個(gè)構(gòu)造單元之間的夾角， 測(cè)量結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比以檢驗(yàn)是否合格，長(zhǎng)度誤差準(zhǔn)確度為O. lmra，角度誤差準(zhǔn)確度0.5度，經(jīng)檢驗(yàn)制作的該節(jié)點(diǎn)模具滿(mǎn)足條件，出具成品模質(zhì)量檢驗(yàn)單，對(duì)節(jié)點(diǎn)成品模編號(hào) 記錄。第四歩，采用消失模鑄造技術(shù)用鋼水澆鑄節(jié)點(diǎn)，并檢測(cè)鑄造質(zhì)量，出具化學(xué)成分檢驗(yàn)單。 第五步，節(jié)點(diǎn)機(jī)械加工，用數(shù)控機(jī)床對(duì)節(jié)點(diǎn)毛坯機(jī)械加工，對(duì)成品作三坐標(biāo)檢測(cè)，出具外形尺寸合格檢驗(yàn)報(bào)告，可以出廠(chǎng)(如圖6所示)。所述的5自由度數(shù)控裝備可以采用5自由度混聯(lián)機(jī)器人(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710057178. X，公開(kāi)號(hào)CN101049692)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明提供了一套多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)"分模-制模-組模-鑄造-加工"的數(shù)字化制作方法。利用5自由度數(shù)控裝備獨(dú)立制作節(jié)點(diǎn)的每個(gè)構(gòu)造單元模型，然后拼接成完整的節(jié)點(diǎn)模型，再利用消失模鑄造技術(shù)澆鑄成節(jié)點(diǎn)毛坯并機(jī)械加工。對(duì)比該類(lèi)節(jié)點(diǎn)制 作現(xiàn)有的鋼板"數(shù)控下料-拼焊-加工"方法，即先將鋼板經(jīng)切割、邊口加工和壓力成型制作成不同單元，然后用胎具將它們拼裝成型后進(jìn)行焊接，最后再用5軸聯(lián)動(dòng)加工中心完成與桿系結(jié) 合面/孔面的機(jī)械加工，由于空l(shuí)'sj網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通常包含多達(dá)上千個(gè)幾何形狀各異的節(jié)點(diǎn)，該類(lèi)方法 需要大量壓力成型模具和拼焊胎具，制作成本極高但效率很低。本發(fā)明提供的制作方法結(jié)合5 自由度數(shù)控裝備，制作產(chǎn)品具有整體力學(xué)性能好、工藝流程簡(jiǎn)單、制作成本低效率高、可保證 所需精度等優(yōu)點(diǎn)，另外，該發(fā)明對(duì)引領(lǐng)新型節(jié)點(diǎn)制作機(jī)器人技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用，以及滿(mǎn)足 建筑行業(yè)對(duì)大型空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)殼形多桿匯交瓣式節(jié)點(diǎn)數(shù)字化制作的需求，具有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法，其特征在于它包括以下步驟(1)建立設(shè)計(jì)的多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的軸線(xiàn)模型并將其全部節(jié)點(diǎn)和桿件的坐標(biāo)參數(shù)、尺寸參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)；(2)將所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分解為多個(gè)構(gòu)造單元；(3)計(jì)算每個(gè)構(gòu)造單元的尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)；(4)根據(jù)所述的計(jì)算的尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)結(jié)果，重構(gòu)出所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體模型，將所述的設(shè)計(jì)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型與所述的重構(gòu)模型進(jìn)行圖形復(fù)核及數(shù)據(jù)復(fù)核，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分解后所計(jì)算的數(shù)據(jù)是否能夠正確的重構(gòu)出設(shè)計(jì)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型，最終輸出各節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造單元的尺寸數(shù)據(jù)及其加工參數(shù)；(5)準(zhǔn)備發(fā)泡材料；(6)將所述的各節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造單元的尺寸數(shù)據(jù)及其加工參數(shù)輸入5自由度數(shù)控裝備，控制切割或銑削所述的發(fā)泡材料成型制得每一構(gòu)造單元模具；(7)將所述的多個(gè)構(gòu)造單元模具拼裝成完整的節(jié)點(diǎn)鑄造模具；(8)將所述的完整的節(jié)點(diǎn)鑄造模具作為模具采用消失模鑄造工藝，澆鑄鋼水鑄成節(jié)點(diǎn)毛坯；(9)所述的5自由度數(shù)控裝備讀取所述的步驟(1)中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)、尺寸參數(shù)并生成數(shù)控加工代碼，機(jī)械加工所述的節(jié)點(diǎn)毛坯制得成品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法，其特征在于 所述的歩驟(2)中的分解節(jié)點(diǎn)包括將每個(gè)節(jié)點(diǎn)拆分為節(jié)點(diǎn)的多個(gè)構(gòu)造單元和連接各單元的圓 柱體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法，其特征在于所述的節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造單元的加工參數(shù)由包括左、右加工面、端面和圓柱面的4部分組成，所述的左、右加工面的加工參數(shù)為以每一構(gòu)造單元的左側(cè)面或右側(cè)面與相鄰的左邊或右邊的構(gòu)造 單元的右側(cè)面或左側(cè)面相交，求出相交兩面的角平分面位置，再求角平分面與構(gòu)造單元左側(cè) 面或右側(cè)面的交面，以此作為構(gòu)造單元的左加工面或右加工面，所述的圓柱體的加工參數(shù)為由所述的步驟(1)中的節(jié)點(diǎn)尺寸決定的固定值，所述的端面是與稈件相連的結(jié)合面，所述 的端面的4個(gè)頂點(diǎn)之間的距離與所述的步驟(1)中的桿件截面尺寸相同，所述的構(gòu)造單元 圓柱面的半徑與拆分的圓柱體半徑相同，保證了構(gòu)造單元能與圓柱體貼合在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作方法，它包括以下步驟建立設(shè)計(jì)的多桿匯交瓣式空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的軸線(xiàn)模型并將其全部節(jié)點(diǎn)和桿件的坐標(biāo)參數(shù)、尺寸參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)；將每個(gè)節(jié)點(diǎn)分解為多個(gè)構(gòu)造單元并計(jì)算其尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)；根據(jù)所述的計(jì)算的尺寸數(shù)據(jù)及加工參數(shù)結(jié)果，重構(gòu)出所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體模型，最終輸出各節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造單元的尺寸數(shù)據(jù)及其加工參數(shù)并將所述的參數(shù)輸入5自由度數(shù)控裝備，控制制得每一構(gòu)造單元模具；將拼裝的完整的節(jié)點(diǎn)鑄造模具作為模具采用消失模鑄造工藝，澆鑄鋼水鑄成節(jié)點(diǎn)毛坯；機(jī)械加工節(jié)點(diǎn)毛坯制得成品。采用本發(fā)明所制作產(chǎn)品具有整體力學(xué)性能好、工藝流程簡(jiǎn)單、制作成本低，可保證所需精度等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101402165SQ20081015316
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月20日
發(fā)明者丁雅斌, 梅江平, 田 黃, 元 龔, 龔建達(dá) 申請(qǐng)人:天津大學(xué)