摘 要：
为实现风管生产工艺的机械化、自动化，提升风管质量与生产效率，本文提出一种建筑通风管道镀锌风管自动化加工方法。架构风管自动化加工流程控制系统，分析直风管边长规格、直线总长、弯头参数、变径参数等数据，采用矩阵形式处理并记录此类数据，完成风管自动化加工。通过现场实验分析，验证了经本文方法加工得到的风管漏风量符合国家标准，在风管咬合缝涂抹密封胶后，漏风量明显下降，与以人力为主的传统加工工艺对比，发现本文方法在制作阶段和安装阶段，均降低了成本投入，增加了经济效益。
关键词:建筑通风管道;镀锌风管;自动化加工;优化排样;
Research on Automatic Processing Method of Galvanized Air Duct for Building
Ventilation Duct
GUO Hong JI Guang-fan HE Lin
Installation Engineering Co., Ld,Cscec 7th Division
Abstract：
In order to realize the mechanization and automation of air duct production process, and improve the quality and production efficiency of air duct, this paper proposes an automatic processing method for galvanized air duct of building ventilation duct. The automatic processing process control system of air duct is constructed, and the data of side length specification, straight line length,elbow parameters and diameter changing parameters of straight air duct are analyzed, and the data are processed and recorded in matrix form to complete the automatic processing of air duct. Through the field experimental analysis, it is verified that the air leakage of the air duct processed by this method meets the national standard. After the sealant is applied to the air duct bite joint,the air leakage rate decreases obviously. Compared with the traditional processing technology which mainly relies on manpower, it is found that this method reduces the cost investment and increases the economic benefits in the production and installation stages.
Keyword：
building ventilation ducts; galvanized ducts; automated processing; optimized layout;
1 引言
机电行业制造技术的工厂化、自动化逐渐发展，风管制作工艺需求日益提升，利用自动化技术实现制造自动化意义，取代劳动力。针对尺寸规格相对统一的问题，可以取得更高的生产效率，且因为建筑施工不可避免地存在误差，若不结合现场情况就直接将预制半成品送至施工现场，很有可能不符合实际情况，导致较大的材料、人力等资源浪费[1]。由于建筑通风管道占用综合管线空间较大，拥有较多分支管路，往往会附带下引排风管与风口，所以，风管加工前应对现场的所有影响因素做出综合性考量。通风管道环境比较特殊，需要极具耐腐蚀性的风管材料，故采用镀锌板金属材料卷曲成形制成风管，达到安装方便、管径长等目的，扩展风管的市场前景与应用广泛性[2]。
综上所述，本文针对建筑通风管道镀锌风管，研究出一种自动化加工方法，在风管自动化加工控制系统中开展两个加工路径，提升生产加工速率；将风管的相关参数当作标准矩阵完成数据储存与传输，增加风管规格的整齐直观，简化矩阵运算；将风管加工的实际参数加入生产线，加快生产速率。
2 镀锌风管最优排样
2.1 组件预处理
表1所示为各类风管组件及其拆解部件。依据二维不规则组件形状，近似成矩形排样单元，通过在原材料板材上的合理排放，取得全局近似最优排样结果。包络[3]不规则风管组件各边，根据风管组件面积与经过包络的矩形面积对比，待选组件即为最小面积的包络矩形。旋转拼接并碰靠不规则组件，再进行组合与包络，如图1所示。在图1中，将所有排样风管组件变为最小包络矩形，把风管组件排样问题转换成标准矩形排样问题。
2.2 优化排样
因为风管组件的放入形式只存在横竖两类，因此，排样方法通过遗传算法[4]的三层染色体编码完成。组件顺序用第一层染色体数字表示，所属风管编号用第二层染色体数字表示，该层风管组件编号组成用第三层染色体数字表示，组件放入方向用正负号表示，横放为正号，竖放为符号。此时，染色体与排样结果呈一一对应关系。
根据剩余矩形排样算法[5]，提出一种优化的排样算法，把镀锌板材的剩余空白区域假设成一个数据集，并依据该数据集的标记方位，为所有待放入的矩形组件选取合理的排放位置。假设Pi(i=1,2,…,n)是风管组件经最小包络策略预处理后的排样序列组，则该排样算法的具体流程描述如下：
(1)将整体镀锌板材设定为初始剩余空白区域数据集；
(2)矩形组件Pi-1成功排入后，完成剩余空白区域数据集更新，奠定矩形组件Pi的排入准备工作；
(3)排入矩形组件Pi的过程中，选取空白区域数据集左下方的点，将该点(x,y)与矩形组件Pi左下方顶点进行重叠，基于点(x,y)添加矩形组件Pi的两个数值wi与hi，取得坐标数据(x+wi,y+hi)，比较空白区域数据集的各边长坐标点，如果空白数据集边长坐标点较大，排入矩形组件，反之，若无法排放，就在空白区域数据集左下方点(x,y)的X、Y方向上，增加一个步进值再次排入；
(4)在镀锌板材Ri中排入矩形组件Pi的阶段，板材各空白区域数据集内均不能排入矩形组件Pi时，在板材Ri+1中尝试排入；
(5)迭代处理上述操作，待全部矩形组件与镀锌板材排入完全，流程终止。
式(1)为镀锌风管自动化加工阶段的排样优化目标函数：
式中，K表示经排样的全部零件占用板材的总体高度，且为最小值，vb表示相同编号风管零件规格系数，且相同编号风管零件应排放于相邻板材中，筛选单位设定为三块板材，采集到种群个体内可以完整构成相同编号风管的染色体个数，个体数量越多，适应度函数越高，表达式如下所示：
通过公式(2)可以看出，个体相应的排样策略里零件占用高度与个体适应度函数成反比[6]。经过择优、交叉、变异操作染色体种群，即可获取全局最佳的排样方法。
3 镀锌风管自动化加工方法设计
3.1 自动化加工流程架构
构建如图2所示的自动化加工生产平台。
通过上位机PC(Personal Computer，个人计算机)实现核心控制，风管剪版、咬口、折弯以及翻边成型等操作，均由加工流程中的数台数控机床设备与数个传送带或机械手臂完成，而法兰切割、开孔以及焊接等操作则由另一个加工流程完成[7,8]；基于上位机PC的总控制与总协调，各工序状态通过RS485部分反馈，经过一道道的相关工序，将成型镀锌板材咬口与风管法兰翻边铆接完成加工，在满负荷的持续加工条件下，该方法每天初步估算可产出至少1300m3的合格风管。
在计算机平台数据库中输入风管三维模型数据，架构工程项目，如图3所示。
经计算机分析得到直风管边长规格、直线总长、弯头参数、变径参数等数据[9]。假设镀锌风管板材厚度为d，法兰冲压各开孔之间的距离为n，角钢法兰规格为p，孔径大小为m，则各指标数据应符合表2所示关系。
一般情况下，每节风管长度都不大于1250mm，因此，当已知某规格风管的总长度C，即可解得风管节数与长度以及镀锌板厚度等相关参数值，再根据表2中数据得到对应的风管法兰规格。图4所示为自动化加工流程的核心算法。
3.2 数据矩阵建模
由于同一通风管道的风管管径、法兰长度以及规格等参数不尽相同，数据规模较大，故采用矩阵形式处理并记录此类数据。自动化控制方法利用诸如嵌入式系统的PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，通过编程查询矩阵参数数据，将构件的矩阵数据存储于微处理器寄存器内，当需要计算或加工时，对数据进行调用。
根据表2所示的风管边长厚度与法兰尺寸对应关系，构建下列数列矩阵：
式中，An与Bn表示某规格的风管横截面大小an×bn,Dn表示某规格分管对应厚度dn，所有直风管参数用数列Zn描述，表明该数列中的直风管规格有n种。
假设对应于任意规格直风管参数[AnBnDn]的具体规格风管个数是Q，则其表达式如下所示：
利用上列各式展开数学建模后，即可取得全部的待加工分管参数Zn与个数Qn，将其作为计算机自动控制系统所管理车床在加工风管过程中的数据依据。对数据进行处理计算，得到所需的不同厚度风管面积Sn与不同规格的法兰总长度Ln，完成成本核算与施工图预算。除此之外，还能够推算出下列数据：
式中，单节风管长度1250mm，某单一规格分管面积为sn。
采用下列计算公式求取风管的横截面周长：
利用下列矩阵方程计算不同规格的法兰参数Fn，构建风管法兰参数矩阵：
式中，对应于相应尺寸风管的法兰规格为(p1,p2,…,pn)，冲压开孔大小为(k1,k2,…,kn)。因为实际情况中一节风管需要两节法兰，即对应于风管规格的角钢法兰个数应满足矩阵Qf=2Qn。
针对风管的弯头与变径部分，利用直风管算法与数据处理策略，将相关参数当作标准矩阵完成储存与传输，在整齐直观的基础上，令矩阵运算更加便捷，将风管加工的实际参数加入生产线，加快生产速率，实现风管自动化加工。
4 风管检测实验
4.1 实验方法
选取某市的中天广场通风管道作为实验对象，该广场通风管道的镀锌风管工程量为12万平方米左右，且风管质量需求较高，工程进度较快，若采用小作坊加工形式，无法按时按量完成该项工程。
为验证本文方法加工的风管的漏风状况是否符合国家标准GB50243规范要求，分别检测了加工的C型插条连接风管、TDC法兰连接风管、TDF法兰连接风管以及混合S型、C型、TDC、TDF连接风管的漏风量。
封闭待检测风管的测试段，用一台型号为Q89的漏风测试设备检测风管漏风量；连接风机送风软管与风管测试段，从风管测试段任意一处引出一条小软管，连接到测试设备的倾斜压力计上，开启测试设备风机后，风管测试段压力随着无级调速风机转速的逐渐加快而不断提升，在压力达到测试所需压力时，测试段漏风量与风机补充风量相等，负压读数直接在倾斜压力计上显示。
利用下列公式计算检测段漏风量：
式中，G表示风机送风管截面积，α表示流量系数，取值范围是(0.97,0.98)，△J表示倾斜压力计显示的负压，ε表示空气密度，通常情况取值1.2。依据测试段风管面积，求解单位面积漏风量。
4.2 漏风量检测结果分析
经本文方法加工的各类镀锌风管，漏风量检测结果如表3所示。
根据国家标准GB50243的通风管道工程施工与验收规范，低压风管的漏风量允许范围是不超过6m3/m2h，结合表中数据可以看出，即使风管咬合缝不涂抹密封胶，加工的镀锌风管漏风量也完全符合施工与验收标准，在咬合缝涂抹密封胶后，风管漏风量有显著减少，效果更加理想。
4.3 经济效益数据分析
一般情况下，使用本文方法加工风管时的各项指标与传统加工工艺成本指标对比，整理得到统计表4。
根据表4中数据可知，安排四个工人在生产线上操作，方形镀锌风管的加工量为每天1500平方米，既降低了人工成本，还增加了经济效益。加工风管的生产线利用电脑实现放样下料、优化排样，通过合理剪裁使镀锌板材利用充分，极大程度降低材料消耗率，大约节省了76t重、14873m2的镀锌铁板，以每吨6500元计算，该项工程在镀锌材料费用方面就节省了约49万元。
本文方法加工的风管精准美观、质量平稳、直管长度规格完全统一，在实际施工过程中，同规格风管可随意交换使用，便于安装，提升组装速度。以应用的C型插条、立式S型插条、TDC法兰以及TDF法兰混合连接风管的建筑三层举例说明，30个工人组装传统工艺加工的风管，大概需要2到3个月，而30个工人在该项工程中仅用53天就完成了风管施工过程。
5 结束语
本文以建筑通风管道的镀锌风管为研究对象，提出一种自动化加工方法。因时间与能力水平有限，使研究内容存在一定的局限性。因此，在今后的工作中需要侧重研究风管加工的下一道工序：在风管出厂检验过程中，根据处理的所有参数数据矩阵，注明通风管道类型、风管组装编号以及规格尺寸等信息的标识打印在相应风管上，提升后续的吊装效率。现场施工组装时，工人依据打印标识，结合风管相对位置与标准高度，按照顺序拼接风管就能够完成风管安装任务，通过标识的风管编号，可准确、快速地找到对应风管，防止装错、返工。该方法从根本上实现了加工自动化、经济效益提升以及节能减排等目标，符合工业4.0智能制造的远大构想，拥有较为广阔的市场潜力与发展前景。
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