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提出閘閥CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、參數(shù)設(shè)計(jì)、自動(dòng)繪圖和計(jì)算機(jī)輔助制造等功能，由此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了閘閥CAD/CAM系統(tǒng)。系統(tǒng)采用設(shè)計(jì)計(jì)算、分析、動(dòng)態(tài)圖庫(kù)、CAM等模塊來(lái)滿足功能要求，并采用具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換功能的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)將各個(gè)模塊在一起。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，各零件的設(shè)計(jì)采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的概念模式，由系列化的尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)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。可通過(guò)三種仿真形式驗(yàn)證NC程序的正確性和有效性

關(guān)鍵字：閘閥　CAD　CAM

CAD技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用*改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，CAD技術(shù)已從單純的繪圖工具走向集成化CAD/CAM階段，支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造全過(guò)程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工廠產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用CAD技術(shù)后縮短設(shè)計(jì)周期1/3至2/3，提高工效3～10倍，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率顯著提高，企業(yè)在制造技術(shù)上有了很大發(fā)展，向現(xiàn)代化制造業(yè)前進(jìn)了一大步［1,2］。但是,石油行業(yè)乃至全國(guó)生產(chǎn)閘閥產(chǎn)品的絕大多數(shù)廠家長(zhǎng)期以來(lái)采用半經(jīng)驗(yàn)、半理論的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

功能設(shè)計(jì)

　　閘閥CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)面向市場(chǎng)，滿足用戶需求，同時(shí)要利用現(xiàn)有成果，利用CAD/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(chǔ)。所以根據(jù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［3］，設(shè)計(jì)的閘閥CAD/CAM系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)，并應(yīng)具有如下三大功能。

　　1.優(yōu)化設(shè)計(jì)與有限元分析功能
　　閘閥的設(shè)計(jì)是建立在系列模型級(jí)基礎(chǔ)上的模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算包含的內(nèi)容比較復(fù)雜，要求精度高，適用范圍廣，因此一方面采用近年來(lái)*的科研成果和新的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，提高閘閥的總體性能，實(shí)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(shè)計(jì)和有限元分析等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，建立具有優(yōu)化處理能力和結(jié)構(gòu)分析的、實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算模塊。

　　2.參數(shù)設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖功能
　　由于聯(lián)接形式的改變和壓力等級(jí)的不同，閘閥結(jié)構(gòu)形式也是各種各樣的，用戶的設(shè)計(jì)參數(shù)和要求不同，結(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。為保證CAD系統(tǒng)的*性實(shí)用性，模塊采用了參數(shù)化構(gòu)造形式［4］，主要有如下內(nèi)容：
　　(1)CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　為了提高產(chǎn)品的*性，合理地分配和利用計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)方案的不同而發(fā)生變化的部分，如閘板、閥座等非標(biāo)準(zhǔn)件。這部分設(shè)計(jì)和參數(shù)繪圖的方式自動(dòng)完成，計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理來(lái)確定結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和大小。而“不變”部分是指相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)，以滿足各種設(shè)計(jì)方案的需要。
　　(2)參數(shù)繪圖子系統(tǒng)　CAD系統(tǒng)除了能自動(dòng)完成各種所需的圖形外，還能自動(dòng)確定各零件在總裝圖中的位置、裝配關(guān)系及自動(dòng)進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，zui后用繪圖機(jī)輸出整套設(shè)計(jì)圖紙。在這個(gè)子系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)圖庫(kù)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(kù)，以保證隨時(shí)方便可靠地完成閘閥總裝及零部件的設(shè)計(jì)與繪圖。

　　3.CAM功能
　　CAM模塊在進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)細(xì)化、生成零件生產(chǎn)圖的同時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生CAM所需的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和工藝信息，自動(dòng)生成NC加工代碼、工時(shí)定額、生產(chǎn)計(jì)劃、資源需求等，并設(shè)計(jì)了NC加工代碼的模擬仿真與開(kāi)發(fā)，以便加工前對(duì)實(shí)際走刀過(guò)程和刀具軌跡進(jìn)行仿真，避免加工過(guò)程中產(chǎn)生的各種損壞情況，實(shí)現(xiàn)CAD／CAM的信息集成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為滿足以上三大功能，筆者將閘閥CAD/CAM系統(tǒng)分為五個(gè)模塊。

　　1.設(shè)計(jì)計(jì)算模塊
　　引用世界的理論和*的科研成果，下掛一個(gè)具有20多種算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以使原來(lái)20多天的設(shè)計(jì)周期縮短到30分鐘左右。

　　2.分析模塊
　　采用美國(guó)MARC公司較*的MARC非線性有限元結(jié)構(gòu)分析理論和方法，建立*的且具有前后處理功能的結(jié)構(gòu)分析模塊。

　　3.動(dòng)態(tài)圖庫(kù)模塊
　　進(jìn)一步完善產(chǎn)品的“三化”，在“三化”基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)出具有智能化水平的產(chǎn)品，形成以參數(shù)設(shè)計(jì)和參數(shù)繪圖為主的閘閥動(dòng)態(tài)圖庫(kù)。

　　4.CAM模塊
　　利用NC代碼技術(shù)和數(shù)控仿真技術(shù)研究數(shù)控機(jī)床的后置處理程序及主要零部件NC代碼的自動(dòng)生成，并通過(guò)對(duì)NC代碼的仿真，確保加工質(zhì)量。

　　5.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)
　　使各個(gè)模塊聯(lián)成一體，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的信息實(shí)時(shí)傳輸、調(diào)用，與各個(gè)模塊一起構(gòu)成CAD/CAM系統(tǒng)。
　　根據(jù)廠家具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和要求,建立的閘閥CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中設(shè)計(jì)計(jì)算模塊解決了不同規(guī)格的閘閥各零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。圖庫(kù)模塊又分為包含國(guó)標(biāo)件和廠標(biāo)件的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和反映閘閥特點(diǎn)的非標(biāo)準(zhǔn)件的圖形庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊存放各類設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的管理,并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換［5］。

           

 

            圖1 　閘閥CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(shè)計(jì)模塊和有限元分析模塊進(jìn)行閘閥整體優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，得到閘閥的結(jié)構(gòu)方案及性能參數(shù)，并將各設(shè)計(jì)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　(2)根據(jù)閘閥設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行閘閥及其零件的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并自動(dòng)繪圖，完成閘閥零部件圖紙的繪制，在此過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)將各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　(3)完成閘閥總體的預(yù)裝配，并檢查正確性。
　　(4)自動(dòng)完成閘閥各類零部件的結(jié)構(gòu)細(xì)化，自動(dòng)生成各類零件生產(chǎn)加工圖，并為CAM提供各零部件的結(jié)構(gòu)和工藝信息。
　　(5)根據(jù)工藝指令,CAM模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出各零部件的結(jié)構(gòu)工藝信息，自動(dòng)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(duì)重要零件的加工代碼進(jìn)行仿真，以檢查其正確性。

閘閥零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)

　　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(gè)系列，每一系列按傳動(dòng)方式、連接形式、結(jié)構(gòu)形式等分為不同型號(hào)；每種型號(hào)又按口徑大小分為不同規(guī)格；每種閥門(mén)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(hào)，然而每一種型號(hào)的結(jié)構(gòu)基本相同，只是具體尺寸不同。具體型號(hào)的閘閥，標(biāo)準(zhǔn)件占有很大比例，以355.6mm(14英寸)Z40H—150楔式閘閥為例：國(guó)標(biāo)件有10件、廠標(biāo)件有11件，標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)方法能很好地完成閘閥產(chǎn)品的設(shè)計(jì)繪圖工作。
　　在Auto CAD R14環(huán)境下，用其二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了一個(gè)可直接掛接于Auto CAD菜單樹(shù)上的參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊，它采用獨(dú)立于Auto CAD交互式工作環(huán)境的零件模型全參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，模型參數(shù)之間的約束關(guān)系計(jì)算完成后，調(diào)用Auto CAD功能函數(shù)完成零件的設(shè)計(jì)與繪圖工作。具體實(shí)施時(shí)，用戶將圖形的尺寸與一定的設(shè)計(jì)條件(或約束條件)相關(guān)聯(lián)，即將圖形的尺寸看作是設(shè)計(jì)條件的函數(shù)，當(dāng)設(shè)計(jì)條件變化時(shí)，圖形尺寸便會(huì)得到相應(yīng)的更新，所以運(yùn)行時(shí)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(guān)系由此參數(shù)指出)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算圖形之間的尺寸關(guān)系的數(shù)據(jù)，自動(dòng)設(shè)計(jì)并繪出圖形。圖2是參數(shù)化設(shè)計(jì)閥座的一個(gè)實(shí)例，圖中d0是主參數(shù)即設(shè)計(jì)參數(shù)，r0為關(guān)聯(lián)參數(shù)，其它參數(shù)均可根據(jù)這二個(gè)參數(shù)計(jì)算出來(lái)，設(shè)計(jì)的閥座圖可利用基點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)技術(shù)繪出。

           

 

            圖2　 閥座參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)例

數(shù)控編程與仿真

　　系統(tǒng)可以根據(jù)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)所提供的幾何、工藝及制造信息自動(dòng)進(jìn)行NC程序編制，并進(jìn)行加工仿真。進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，應(yīng)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(shí)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(chǔ)NC程序的文件名稱，系統(tǒng)推薦擴(kuò)展名使用*.CNC。
　　在生成NC程序時(shí)，系統(tǒng)將顯示出所推薦的粗加工切深和進(jìn)給量以及精加工的加工余量，供現(xiàn)場(chǎng)操作人員參考，如果認(rèn)為所推薦值與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況不太符合，則可以進(jìn)行修改，然后即可自動(dòng)生成滿足要求的零件NC程序。
　　NC程序生成后，需要進(jìn)行加工仿真以驗(yàn)證NC程序的正確性和有效性。本系統(tǒng)是通過(guò)在毛坯上顯示NC程序的走刀路線來(lái)進(jìn)行刀具軌跡的檢驗(yàn)的，實(shí)現(xiàn)加工前的靜、動(dòng)態(tài)仿真。系統(tǒng)提供靜態(tài)輪廓、靜態(tài)檢查（刀補(bǔ)軌跡）、實(shí)時(shí)動(dòng)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(huà)線間隔時(shí)間和圖形標(biāo)尺，以控制畫(huà)圖的速度和尺寸；在靜態(tài)輪廓仿真的基礎(chǔ)上，如考慮了刀具半徑補(bǔ)償和刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償所構(gòu)成的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡就是刀補(bǔ)軌跡的靜態(tài)檢查；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真則是*模擬實(shí)際加工過(guò)程，將加工時(shí)刀具中心運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌跡動(dòng)態(tài)地顯示在屏幕上。