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闸阀CAD/CAM系统的研究(一)

CAD技术在各行各业的应用彻底改变了传统设计模式,创造了巨大的社会效益和经济效益。目前,CAD技术已从单纯的绘图工具走向集成化CAD/CAM阶段,支持产品设计制造全过程。据统计,工厂产品设计应用CAD技术后缩短设计周期1/3至2/3,提高工效3~10倍,产品设计的一次成功率显著提高,企业在制造技术上有了很大发展,向现代化制造业前进了一大步。但是,石油行业乃至全国生产闸阀产品的绝大多数厂家长期以来采用半经验、半理论的传统设计方法,产品性能和交货期都不能满足用户要求,影响了产品的市场竞争力。
功能设计
闸阀CAD/CAM系统应面向市场,满足用户需求,同时要利用现有成果,利用CAD/CAM系统实现设计与制造信息流的集成,为管理信息流提供依托,为CIMS走向中、小企业打下基础。所以根据未来的发展趋势,设计的闸阀CAD/CAM系统是一个基于网络的开放系统,并应具有如下三大功能。
1.优化设计与有限元分析功能
闸阀的设计是建立在系列模型级基础上的模块化设计,设计计算包含的内容比较复杂,要求精度高,适用范围广,因此一方面采用近年来国内外先进的科研成果和新的设计计算理论,提高闸阀的总体性能,实现闸阀产品的更新换代,满足用户的要求;另一方面采用优化设计和有限元分析等现代化设计方法,建立具有优化处理能力和结构分析的高效、实用的设计计算模块。
2.参数设计与自动绘图功能
由于联接形式的改变和压力等级的不同,闸阀结构形式也是各种各样的,用户的设计参数和要求不同,结构随时发生变化。为保证CAD系统的先进性实用性,模块采用了参数化构造形式,主要有如下内容:
(1)CAD系统的结构设计 
为了提高产品的先进性,合理地分配和利用计算机资源,把闸阀分成“可变”和“不变”两种处理方法。所谓“可变”,是指随设计方案的不同而发生变化的部分,如闸板、阀座等非标准件。这部分设计和参数绘图的方式自动完成,计算机自动处理来确定结构形状、尺寸和大小。而“不变”部分是指相应的标准图形库,以满足各种设计方案的需要
(2)参数绘图子系统 
CAD系统除了能自动完成各种所需的图形外,还能自动确定各零件在总装图中的位置、装配关系及自动进行尺寸检验,最后用绘图机输出整套设计图纸。在这个子系统中动态图库是核心,它包括系列闸板、阀座、手柄等20多种不同规格的零部件图库,以保证随时方便可靠地完成闸阀总装及零部件的设计与绘图。
3.CAM功能
CAM模块在进行零件结构细化、生成零件生产图的同时,自动产生CAM所需的结构数据和工艺信息,自动生成NC加工代码、工时定额、生产计划、资源需求等,并设计了NC加工代码的模拟仿真与开发,以便加工前对实际走刀过程和刀具轨迹进行仿真,避免加工过程中产生的各种损坏情况,实现CAD/CAM的信息集成。
系统结构
为满足以上三大功能,笔者将闸阀CAD/CAM系统分为五个模块。
1.设计计算模块
引用世界最新的理论和先进的科研成果,下挂一个具有20多种算法的优化设计平台,可以使原来20多天的设计周期缩短到30分钟左右。
2.分析模块
采用美国MARC公司较先进的MARC非线性有限元结构分析理论和方法,建立先进的且具有前后处理功能的结构分析模块。
3.动态图库模块
进一步完善产品的“三化”,在“三化”基础上研制开发出具有智能化水平的产品,形成以参数设计和参数绘图为主的闸阀动态图库。
4.CAM模块
利用NC代码技术和数控仿真技术研究数控机床的后置处理程序及主要零部件NC代码的自动生成,并通过对NC代码的仿真,确保加工质量。
5.动态数据库
使各个模块联成一体,实现各个模块之间的信息实时传输、调用,与各个模块一起构成CAD/CAM系统。
根据厂家具体的产品结构和要求,建立的闸阀CAD/CAM系统结构如图1所示。其中设计计算模块解决了不同规格的闸阀各零部件的优化设计计算。图库模块又分为包含国标件和厂标件的标准件库和反映闸阀特点的非标准件的图形库。数据库模块存放各类设计标准,负责设计数据和图形数据的管理,并实现实时动态数据交换[5]。

图1 闸阀CAD/CAM系统结构
图1 闸阀CAD/CAM系统结构

闸阀CAD/CAM系统的工作流程和工艺信息联系如下:
(1)利用优化设计模块和有限元分析模块进行闸阀整体优化方案的设计计算和结构分析,得到闸阀的结构方案及性能参数,并将各设计参数存入数据库。
(2)根据闸阀设计方案的结构参数,系统自动进行闸阀及其零件的参数化结构设计,并自动绘图,完成闸阀零部件图纸的绘制,在此过程中系统自动将各零件的结构参数存入数据库。
(3)完成闸阀总体的预装配,并检查正确性。
(4)自动完成闸阀各类零部件的结构细化,自动生成各类零件生产加工图,并为CAM提供各零部件的结构和工艺信息。
(5)根据工艺指令,CAM模块从数据库中取出各零部件的结构工艺信息,自动生成零部件的NC加工代码,将NC代码传至数控加工中心即可完成零部件的加工。如有必要可对重要零件的加工代码进行仿真,以检查其正确性。

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