闸阀CAD/CAM系统的研究

提出闸阀 CAD/CAM 系统应具有优化设计、有限元分析、参数设计、自动绘图和计算机辅助制造等功能，由此开发设计了闸阀 CAD/CAM 系统。系统采用设计计算、分析、动态图库、 CAM 等模块来满足功能要求，并采用具有实时数据交换功能的动态数据库将各个模块在一起。在设计计算中，各零件的设计采用参数驱动的概念模式，由系列化的尺寸参数驱动产生具体模型；在数控编程中，根据零件的特征，系统提供了三种粗切削的方式。可通过三种仿真形式验证 NC 程序的正确性和有效性

关键字 ：闸阀 CAD CAM

CAD 技术在各行各业的应用*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［ 1,2 ］。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［ 3 ］，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*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、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*性实用性，模块采用了参数化构造形式［ 4 ］，主要有如下内容：
(1)CAD 系统的结构设计　为了提高产品的*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，zui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
　　引用世界的理论和*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*的 MARC 非线性有限元结构分析理论和方法，建立*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

　　闸阀 CAD/CAM 系统的工作流程和工艺信息如下：
(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。

闸阀零件的参数化设计

　　闸阀属于多品种、多规格、系列化的产品，每种闸阀按公称压力分为不同系列，现有 14 、 21 、 35 、 70 、 105 、 140 、 210 、 400MPa 等 8 个系列，每一系列按传动方式、连接形式、结构形式等分为不同型号；每种型号又按口径大小分为不同规格；每种阀门的图纸都在百套以上。尽管同一类闸阀有不同系列的产品，同一系列的产品又分为不同型号，然而每一种型号的结构基本相同，只是具体尺寸不同。具体型号的闸阀，标准件占有很大比例，以 355.6mm(14 英寸 )Z40H—150 楔式闸阀为例：国标件有 10 件、厂标件有 11 件，标准件共有 21 件，占总零件数的 75 ％左右，所以采用参数化造型的设计方法能很好地完成闸阀产品的设计绘图工作。
　　在 Auto CAD R14 环境下，用其二次开发语言，开发了一个可直接挂接于 Auto CAD 菜单树上的参数化设计模块，它采用独立于 Auto CAD 交互式工作环境的零件模型全参数化设计方法，模型参数之间的约束关系计算完成后，调用 Auto CAD 功能函数完成零件的设计与绘图工作。具体实施时，用户将图形的尺寸与一定的设计条件 ( 或约束条件 ) 相关联，即将图形的尺寸看作是设计条件的函数，当设计条件变化时，图形尺寸便会得到相应的更新，所以运行时只需输入少量主要参数 ( 指决定闸阀零件图形的特征参数，图中其它尺寸关系由此参数指出 ) ，由计算机自动计算图形之间的尺寸关系的数据，自动设计并绘出图形。图 2 是参数化设计阀座的一个实例，图中 d0 是主参数即设计参数， r0 为关联参数，其它参数均可根据这二个参数计算出来，设计的阀座图可利用基点和控制节点技术绘出。

图 2 阀座参数化设计实例

数控编程与仿真

　　系统可以根据零件结构设计、工艺设计所提供的几何、工艺及制造信息自动进行 NC 程序编制，并进行加工仿真。进行数控编程时，应根据零件的特征去选取粗切削的形式。系统提供了横向粗切削循环、纵向粗切削循环、等轮廓粗切削循环三种方式，用户可根据零件的实际形状选取一种粗切削循环方式。然后系统要求用户输入存储 NC 程序的文件名称，系统推荐扩展名使用 *.CNC 。
　　在生成 NC 程序时，系统将显示出所推荐的粗加工切深和进给量以及精加工的加工余量，供现场操作人员参考，如果认为所推荐值与现场的实际情况不太符合，则可以进行修改，然后即可自动生成满足要求的零件 NC 程序。
NC 程序生成后，需要进行加工仿真以验证 NC 程序的正确性和有效性。本系统是通过在毛坯上显示 NC 程序的走刀路线来进行刀具轨迹的检验的，实现加工前的静、动态仿真。系统提供静态轮廓、静态检查（刀补轨迹）、实时动态等三种仿真形式。
　　静态轮廓仿真要求操作者输入轨迹画线间隔时间和图形标尺，以控制画图的速度和尺寸；在静态轮廓仿真的基础上，如考虑了刀具半径补偿和刀具长度补偿所构成的刀具运动轨迹就是刀补轨迹的静态检查；实时动态仿真则是*模拟实际加工过程，将加工时刀具中心运动的实际轨迹动态地显示在屏幕上。