閘閥CAD/CAM系統的研究

關鍵字：閘閥 CAD CAM

CAD技術在各行各業的應用徹底改變了傳統設計模式，創造了巨大的社會效益和經濟效益。目前，CAD技術已從單純的繪圖工具走向集成化CAD/CAM階段，支持產品設計制造全過程。據統計，工廠產品設計應用CAD技術后縮短設計周期1/3至2/3，提高工效3～10倍，產品設計的一次成功率顯著提高，企業在制造技術上有了很大發展，向現代化制造業前進了一大步［1,2］。但是,石油行業乃至國內生產閘閥產品的絕大多數廠家長期以來采用半經驗、半理論的傳統設計方法，產品性能和交貨期都不能滿足用戶要求，影響了產品的市場競爭力。

功能設計

閘閥CAD/CAM系統應面向市場，滿足用戶需求，同時要利用現有成果，利用CAD/CAM系統實現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、小企業打下基礎。所以根據未來的發展趨勢［3］，設計的閘閥CAD/CAM系統是一個基于網絡的開放系統，并應具有如下三大功能。

1.優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國內外先進的科研成果和新的設計計算理論，提高閘閥的總體性能，實現閘閥產品的更新換代，滿足用戶的要求；另一方面采用優化設計和有限元分析等現代化設計方法，建立具有優化處理能力和結構分析的高效、實用的設計計算模塊。

2.參數設計與自動繪圖功能
由于聯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，用戶的設計參數和要求不同，結構隨時發生變化。為保證CAD系統的先進性實用性，模塊采用了參數化構造形式［4］，主要有如下內容：
(1)CAD系統的結構設計　為了提高產品的先進性，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生變化的部分，如閘板、閥座等非標準件。這部分設計和參數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)參數繪圖子系統 CAD系統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，*后用繪圖機輸出整套設計圖紙。在這個子系統中動態圖庫是核心，它包括系列閘板、閥座、手柄等20多種不同規格的零部件圖庫，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、生成零件生產圖的同時，自動產生CAM所需的結構數據和工藝信息，自動生成NC加工代碼、工時定額、生產計劃、資源需求等，并設計了NC加工代碼的模擬仿真與開發，以便加工前對實際走刀過程和刀具軌跡進行仿真，避免加工過程中產生的各種損壞情況，實現CAD／CAM的信息集成。

系統結構

為滿足以上三大功能，筆者將閘閥CAD/CAM系統分為五個模塊。

1.設計計算模塊
引用世界*新的理論和先進的科研成果，下掛一個具有20多種算法的優化設計平臺，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公司較先進的MARC非線性有限元結構分析理論和方法，建立先進的且具有前后處理功能的結構分析模塊。

3.動態圖庫模塊
進一步完善產品的“三化”，在“三化”基礎上研制開發出具有智能化水平的產品，形成以參數設計和參數繪圖為主的閘閥動態圖庫。

4.CAM模塊
利用NC代碼技術和數控仿真技術研究數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.動態數據庫
使各個模塊聯成一體，實現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。
根據廠家具體的產品結構和要求,建立的閘閥CAD/CAM系統結構如圖1所示。其中設計計算模塊解決了不同規格的閘閥各零部件的優化設計計算。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。數據庫模塊存放各類設計標準，負責設計數據和圖形數據的管理,并實現實時動態數據交換［5］。

            圖1  閘閥CAD/CAM系統結構

閘閥CAD/CAM系統的工作流程和工藝信息聯系如下：
(1)利用優化設計模塊和有限元分析模塊進行閘閥整體優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，并將各設計參數存入數據庫。
(2)根據閘閥設計方案的結構參數，系統自動進行閘閥及其零件的參數化結構設計，并自動繪圖，完成閘閥零部件圖紙的繪制，在此過程中系統自動將各零件的結構參數存入數據庫。
(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加工圖，并為CAM提供各零部件的結構和工藝信息。
(5)根據工藝指令,CAM模塊從數據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。

閘閥零件的參數化設計

閘閥屬于多品種、多規格、系列化的產品，每種閘閥按公稱壓力分為不同系列，現有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品，同一系列的產品又分為不同型號，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，占總零件數的75％左右，所以采用參數化造型的設計方法能很好地完成閘閥產品的設計繪圖工作。
在Auto CAD R14環境下，用其二次開發語言，開發了一個可直接掛接于Auto CAD菜單樹上的參數化設計模塊，它采用獨立于Auto CAD交互式工作環境的零件模型全參數化設計方法，模型參數之間的約束關系計算完成后，調用Auto CAD功能函數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，即將圖形的尺寸看作是設計條件的函數，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(指決定閘閥零件圖形的特征參數，圖中其它尺寸關系由此參數指出)，由計算機自動計算圖形之間的尺寸關系的數據，自動設計并繪出圖形。圖2是參數化設計閥座的一個實例，圖中d0是主參數即設計參數，r0為關聯參數，其它參數均可根據這二個參數計算出來，設計的閥座圖可利用基點和控制節點技術繪出。

            圖2  閥座參數化設計實例

數控編程與仿真

系統可以根據零件結構設計、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。進行數控編程時，應根據零件的特征去選取粗切削的形式。系統提供了橫向粗切削循環、縱向粗切削循環、等輪廓粗切削循環三種方式，用戶可根據零件的實際形狀選取一種粗切削循環方式。然后系統要求用戶輸入存儲NC程序的文件名稱，系統推薦擴展名使用*.CNC。
在生成NC程序時，系統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，供現場操作人員參考，如果認為所推薦值與現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。本系統是通過在毛坯上顯示NC程序的走刀路線來進行刀具軌跡的檢驗的，實現加工前的靜、動態仿真。系統提供靜態輪廓、靜態檢查（刀補軌跡）、實時動態等三種仿真形式。
靜態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；在靜態輪廓仿真的基礎上，如考慮了刀具半徑補償和刀具長度補償所構成的刀具運動軌跡就是刀補軌跡的靜態檢查；實時動態仿真則是完全模擬實際加工過程，將加工時刀具中心運動的實際軌跡動態地顯示在屏幕上。