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閘閥CAD/CAM系統(tǒng)的研究
閱讀：499 發(fā)布時間：2016-7-28提出閘閥CAD/CAM系統(tǒng)應具有優(yōu)化設計、有限元分析、參數(shù)設計、自動繪圖和計算機輔助制造等功能，由此開發(fā)設計了閘閥CAD/CAM系統(tǒng)。系統(tǒng)采用設計計算、分析、動態(tài)圖庫、CAM等模塊來滿足功能要求，并采用具有實時數(shù)據(jù)交換功能的動態(tài)數(shù)據(jù)庫將各個模塊在一起。在設計計算中，各零件的設計采用參數(shù)驅動的概念模式，由系列化的尺寸參數(shù)驅動產(chǎn)生具體模型；在數(shù)控編程中，根據(jù)零件的特征，系統(tǒng)提供了三種粗切削的方式?？赏ㄟ^三種仿真形式驗證NC程序的正確性和有效性
關鍵字：閘閥 CAD CAM
CAD技術在各行各業(yè)的應用*改變了傳統(tǒng)設計模式，創(chuàng)造了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。目前，CAD技術已從單純的繪圖工具走向集成化CAD/CAM階段，支持產(chǎn)品設計制造全過程。據(jù)統(tǒng)計，工廠產(chǎn)品設計應用CAD技術后縮短設計周期1/3至2/3，提高工效3～10倍，產(chǎn)品設計的一次成功率顯著提高，企業(yè)在制造技術上有了很大發(fā)展，向現(xiàn)代化制造業(yè)前進了一大步［1,2］。但是,石油行業(yè)乃至全國生產(chǎn)閘閥產(chǎn)品的絕大多數(shù)廠家長期以來采用半經(jīng)驗、半理論的傳統(tǒng)設計方法，產(chǎn)品性能和交貨期都不能滿足用戶要求，影響了產(chǎn)品的市場競爭力。
功能設計
閘閥CAD/CAM系統(tǒng)應面向市場，滿足用戶需求，同時要利用現(xiàn)有成果，利用CAD/CAM系統(tǒng)實現(xiàn)設計與制造信息流的集成，為管理信息流提供依托，為CIMS走向中、小企業(yè)打下基礎。所以根據(jù)未來的發(fā)展趨勢［3］，設計的閘閥CAD/CAM系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)，并應具有如下三大功能。
1.優(yōu)化設計與有限元分析功能
閘閥的設計是建立在系列模型級基礎上的模塊化設計，設計計算包含的內(nèi)容比較復雜，要求精度高，適用范圍廣，因此一方面采用近年來*的科研成果和新的設計計算理論，提高閘閥的總體性能，實現(xiàn)閘閥產(chǎn)品的更新?lián)Q代，滿足用戶的要求；另一方面采用優(yōu)化設計和有限元分析等現(xiàn)代化設計方法，建立具有優(yōu)化處理能力和結構分析的、實用的設計計算模塊。
2.參數(shù)設計與自動繪圖功能
由于聯(lián)接形式的改變和壓力等級的不同，閘閥結構形式也是各種各樣的，用戶的設計參數(shù)和要求不同，結構隨時發(fā)生變化。為保證CAD系統(tǒng)的*性實用性，模塊采用了參數(shù)化構造形式［4］，主要有如下內(nèi)容：
(1)CAD系統(tǒng)的結構設計 為了提高產(chǎn)品的*性，合理地分配和利用計算機資源，把閘閥分成“可變”和“不變”兩種處理方法。所謂“可變”，是指隨設計方案的不同而發(fā)生變化的部分，如閘板、閥座等非標準件。這部分設計和參數(shù)繪圖的方式自動完成，計算機自動處理來確定結構形狀、尺寸和大小。而“不變”部分是指相應的標準圖形庫，以滿足各種設計方案的需要。
(2)參數(shù)繪圖子系統(tǒng) CAD系統(tǒng)除了能自動完成各種所需的圖形外，還能自動確定各零件在總裝圖中的位置、裝配關系及自動進行尺寸檢驗，zui后用繪圖機輸出整套設計圖紙。在這個子系統(tǒng)中動態(tài)圖庫是核心，它包括系列閘板、閥座、手柄等20多種不同規(guī)格的零部件圖庫，以保證隨時方便可靠地完成閘閥總裝及零部件的設計與繪圖。
3.CAM功能
CAM模塊在進行零件結構細化、生成零件生產(chǎn)圖的同時，自動產(chǎn)生CAM所需的結構數(shù)據(jù)和工藝信息，自動生成NC加工代碼、工時定額、生產(chǎn)計劃、資源需求等，并設計了NC加工代碼的模擬仿真與開發(fā)，以便加工前對實際走刀過程和dao具軌跡進行仿真，避免加工過程中產(chǎn)生的各種損壞情況，實現(xiàn)CAD／CAM的信息集成。
系統(tǒng)結構
為滿足以上三大功能，筆者將閘閥CAD/CAM系統(tǒng)分為五個模塊。
1.設計計算模塊
引用世界的理論和*的科研成果，下掛一個具有20多種算法的優(yōu)化設計平臺，可以使原來20多天的設計周期縮短到30分鐘左右。
2.分析模塊
采用美國MARC公司較*的MARC非線性有限元結構分析理論和方法，建立*的且具有前后處理功能的結構分析模塊。
3.動態(tài)圖庫模塊
進一步完善產(chǎn)品的“三化”，在“三化”基礎上研制開發(fā)出具有智能化水平的產(chǎn)品，形成以參數(shù)設計和參數(shù)繪圖為主的閘閥動態(tài)圖庫。
4.CAM模塊
利用NC代碼技術和數(shù)控仿真技術研究數(shù)控機床的后置處理程序及主要零部件NC代碼的自動生成，并通過對NC代碼的仿真，確保加工質量。
5.動態(tài)數(shù)據(jù)庫
使各個模塊聯(lián)成一體，實現(xiàn)各個模塊之間的信息實時傳輸、調用，與各個模塊一起構成CAD/CAM系統(tǒng)。
根據(jù)廠家具體的產(chǎn)品結構和要求,建立的閘閥CAD/CAM系統(tǒng)結構如圖1所示。其中設計計算模塊解決了不同規(guī)格的閘閥各零部件的優(yōu)化設計計算。圖庫模塊又分為包含國標件和廠標件的標準件庫和反映閘閥特點的非標準件的圖形庫。數(shù)據(jù)庫模塊存放各類設計標準，負責設計數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的管理,并實現(xiàn)實時動態(tài)數(shù)據(jù)交換［5］。
圖1 閘閥CAD/CAM系統(tǒng)結構
閘閥CAD/CAM系統(tǒng)的工作流程和工藝信息如下：
(1)利用優(yōu)化設計模塊和有限元分析模塊進行閘閥整體優(yōu)化方案的設計計算和結構分析，得到閘閥的結構方案及性能參數(shù)，并將各設計參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫。
(2)根據(jù)閘閥設計方案的結構參數(shù)，系統(tǒng)自動進行閘閥及其零件的參數(shù)化結構設計，并自動繪圖，完成閘閥零部件圖紙的繪制，在此過程中系統(tǒng)自動將各零件的結構參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫。
(3)完成閘閥總體的預裝配，并檢查正確性。
(4)自動完成閘閥各類零部件的結構細化，自動生成各類零件生產(chǎn)加工圖，并為CAM提供各零部件的結構和工藝信息。
(5)根據(jù)工藝指令,CAM模塊從數(shù)據(jù)庫中取出各零部件的結構工藝信息，自動生成零部件的NC加工代碼，將NC代碼傳至數(shù)控加工中心即可完成零部件的加工。如有必要可對重要零件的加工代碼進行仿真，以檢查其正確性。
閘閥零件的參數(shù)化設計
閘閥屬于多品種、多規(guī)格、系列化的產(chǎn)品，每種閘閥按公稱壓力分為不同系列，現(xiàn)有14、21、35、70、105、140、210、400MPa等8個系列，每一系列按傳動方式、連接形式、結構形式等分為不同型號；每種型號又按口徑大小分為不同規(guī)格；每種閥門的圖紙都在百套以上。盡管同一類閘閥有不同系列的產(chǎn)品，同一系列的產(chǎn)品又分為不同型號，然而每一種型號的結構基本相同，只是具體尺寸不同。具體型號的閘閥，標準件占有很大比例，以355.6mm(14英寸)Z40H—150楔式閘閥為例：國標件有10件、廠標件有11件，標準件共有21件，占總零件數(shù)的75％左右，所以采用參數(shù)化造型的設計方法能很好地完成閘閥產(chǎn)品的設計繪圖工作。
在Auto CAD R14環(huán)境下，用其二次開發(fā)語言，開發(fā)了一個可直接掛接于Auto CAD菜單樹上的參數(shù)化設計模塊，它采用獨立于Auto CAD交互式工作環(huán)境的零件模型全參數(shù)化設計方法，模型參數(shù)之間的約束關系計算完成后，調用Auto CAD功能函數(shù)完成零件的設計與繪圖工作。具體實施時，用戶將圖形的尺寸與一定的設計條件(或約束條件)相關聯(lián)，即將圖形的尺寸看作是設計條件的函數(shù)，當設計條件變化時，圖形尺寸便會得到相應的更新，所以運行時只需輸入少量主要參數(shù)(指決定閘閥零件圖形的特征參數(shù)，圖中其它尺寸關系由此參數(shù)指出)，由計算機自動計算圖形之間的尺寸關系的數(shù)據(jù)，自動設計并繪出圖形。圖2是參數(shù)化設計閥座的一個實例，圖中d0是主參數(shù)即設計參數(shù)，r0為關聯(lián)參數(shù)，其它參數(shù)均可根據(jù)這二個參數(shù)計算出來，設計的閥座圖可利用基點和控制節(jié)點技術繪出。
圖2 閥座參數(shù)化設計實例
數(shù)控編程與仿真
系統(tǒng)可以根據(jù)零件結構設計、工藝設計所提供的幾何、工藝及制造信息自動進行NC程序編制，并進行加工仿真。進行數(shù)控編程時，應根據(jù)零件的特征去選取粗切削的形式。系統(tǒng)提供了橫向粗切削循環(huán)、縱向粗切削循環(huán)、等輪廓粗切削循環(huán)三種方式，用戶可根據(jù)零件的實際形狀選取一種粗切削循環(huán)方式。然后系統(tǒng)要求用戶輸入存儲NC程序的文件名稱，系統(tǒng)推薦擴展名使用*.CNC。
在生成NC程序時，系統(tǒng)將顯示出所推薦的粗加工切深和進給量以及精加工的加工余量，供現(xiàn)場操作人員參考，如果認為所推薦值與現(xiàn)場的實際情況不太符合，則可以進行修改，然后即可自動生成滿足要求的零件NC程序。
NC程序生成后，需要進行加工仿真以驗證NC程序的正確性和有效性。本系統(tǒng)是通過在毛坯上顯示NC程序的走刀路線來進行dao具軌跡的檢驗的，實現(xiàn)加工前的靜、動態(tài)仿真。系統(tǒng)提供靜態(tài)輪廓、靜態(tài)檢查（刀補軌跡）、實時動態(tài)等三種仿真形式。
靜態(tài)輪廓仿真要求操作者輸入軌跡畫線間隔時間和圖形標尺，以控制畫圖的速度和尺寸；在靜態(tài)輪廓仿真的基礎上，如考慮了dao具半徑補償和dao具長度補償所構成的dao具運動軌跡就是刀補軌跡的靜態(tài)檢查；實時動態(tài)仿真則是*模擬實際加工過程，將加工時dao具中心運動的實際軌跡動態(tài)地顯示在屏幕上。