SolidWorks液壓閥塊的設計研究(一)

2013-07-24 by:廣州solidworks培訓中心來源:仿真在線

第1章緒論

1.1引言

液壓傳動與控制技術在國民經濟各部門的廣泛應用,促進了液壓技術的飛速發(fā)展,同時也使液壓系統(tǒng)設計與制造的復雜性越來越高。液壓系統(tǒng)采用液壓閥集成裝配,如圖1.1所示,可以顯著減少管路聯(lián)接和接頭,降低系統(tǒng)的復雜性,增加現(xiàn)場添加和更改回路的柔性,具有結構緊湊、安裝維護方便、泄漏少、振動小、利于實現(xiàn)典型液壓系統(tǒng)的集成化和標準化等優(yōu)點,因此應用日益廣泛。

集成式液壓系統(tǒng)(Integrated Hydraulic Manifold Systems·IHMS)的核心單元是液壓閥塊(Hydraulic Manifold Bloeks-HMB),它是一個或多個特別的預先鉆有多個孔的閥塊體,其上安裝有各種液壓元件,如液壓閥、管接頭、壓力表等,其內部的孔道與元件孔道相連通,構成液壓集成回路(Hydraulic Integrated Circuit),實現(xiàn)系統(tǒng)控制要求。

在采用液壓閥塊的液壓系統(tǒng)設計中,閥塊設計是一項關鍵和枯燥的工作。液壓閥塊表面承裝板式閥的安裝面和管接頭的安裝,并利用其內部孔道溝通閥的連接口以構成局部系統(tǒng)液壓回路的復雜功能塊。閥塊體上分布著與液壓閥有關的液壓閥塊安裝孔、通油孔、連接螺釘孔、定位銷孔,以及公共油孔、連接孔等,為保證孔道正確連通而不發(fā)生干涉,有時還要設置若干工藝孔。

一般一個閥塊體上稍微復雜一點的就有上百個,這些孔道構成一個縱橫交錯的孔系網絡。在閥塊安裝布局中,各種元件應盡可能緊湊、均勻地分布在閥塊體各面,既要方便安裝、調試,又要符合美學要求,而且,布局方案與連通要求一起成為孔道設計的起始條件。元件間通過內部孔道連通,無法直接連通的需設置工藝孔。同時,設計時還必須滿足菲連通孔道問安全壁厚和連通孔道相交處通流截面等設計品質的要求。這些問題不僅導致傳統(tǒng)的人工布局、孔道連通及校核異常困難,即使采用一般的CAD方法亦難以確保設計質量。

閥塊的生產制造屬于單件小批量定制生產模式,在設計階段投入的大量時間和精力導致整個產品開發(fā)過程工作效率極低,因此亟待采取有效的計算機輔助方法來準確而快捷地設計,這己經成為國內外眾多研發(fā)機構和人員關注的焦點和難點。

但是液壓閥塊需要針對具體應用場合專門設計和試驗,計算機輔助液壓閥塊設計,尤其是基于三維實體的閥塊設計系統(tǒng)具有直觀、可靠、信息表達傳遞方便的優(yōu)點,將成為提高設計效率和質量的有效途徑。也正因為如此,液壓閥塊CAD應用開發(fā)研究一直受到國內外液壓界的重視。同時,專業(yè)應用軟件開發(fā)技術,方法和工具的不斷發(fā)展和成熟,又促使人們不斷深入開展液壓閥塊的研究與開發(fā)。所以液壓閥塊CAD技術的發(fā)展對于提高產品的設計與加工質量和效率,提高產品的市場競爭能力,既有顯著的經濟效益與廣闊的發(fā)展前景。

1.2相關領域的發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1國外研究的現(xiàn)狀

國際上從20世紀70年代初就開始研究和探索利用計算機進行液壓系統(tǒng)和元件的輔助設計工作,80年代和90年代間涌現(xiàn)出大批研究成果,迄今開發(fā)出的各類液壓CAD軟件已有數(shù)十種。在液壓閥塊類零件設計方面的研發(fā)工作主要有:

(1)1982年,德國阿亨工業(yè)大學在Baeke教授的領導下,研制出了用于設計液壓控制閥塊的程序包I-IYKON[3]。該軟件包的硬件環(huán)境為ATM_ClassicModel 7870其功能具有自動設計閥塊上的孔道(包括斜孔),并校驗孔道,能輸出符合DIN標準的閥塊視圖和任意剖面圖等。

(2)1983年,美國一家公司用Prime750工作站建立了閥塊的三維模型與投影。

(3)1983年,英國巴斯大學在PDP 11/23計算機上,研制了VOLE程序,可以繪制液壓閣塊等元件的立體模型圖,包括復合剖面圖、孔道實體圖等,設計人員可以用來校驗所設計的閥塊油路的連接情況。

(4)1985年,芬蘭坦佩雷工業(yè)大學在HPl000/A700小型機上開發(fā)出用于插裝閥塊設計的CAD軟件,孔道自動設計與干涉校驗同時進行,可以修改孔徑、移動孔位、線框模型消隱、孔表信息數(shù)據輸出、刀具選擇、刀具軌跡定義和NC代碼生成功能。

(5)1989年,德國Hamburg-Harbcrg技術大學(TVHH)基于PROREN支撐軟件以及基于AICS造型器進行三維閥塊的設計。

(6)1991年,法國Grenoble大學把越思想引入閥塊的設計,指出液壓閥塊的設計問題即是一個空間部署問題,以滿足液壓元件安裝的需要,也是一個線路設計問題,以設計最佳的孔道。為此,把人工智能中的空間部署理論應用于閥塊設計,在AppleMacintosh II上開發(fā)了一套基于產生式規(guī)則的智能設計系統(tǒng)。

(7)1996年,香港理工的W.Xiang等人進一步完善了液壓閥塊在CAD、CAM、CAPP、CNC等方面的研究[7],使得液壓閥塊在CAD、CAM、CAPP、CNC等方面的研究更加成熟起來。

(8)美國Vest公司[8]開發(fā)了液壓閥塊設計從原理圖一閥塊一裝配體的一整套解決方案:SDTools(Schematic Design Tools)和HyDraw(Hydraulic Circuit Design)軟件應用“快捷目錄”技術方便準確地繪制液壓原理圖;ADTools(AssemblyDesignTools)是一個2D裝配繪圖軟件:在AutoCAD上開發(fā)的MDTools(ManifoldDesignTools)軟件基于嵌入式規(guī)則進行孔道連通和校核;AATools(Automated Assembly Tools)軟件根據原理圖和閥塊設計信息動態(tài)生成3D裝配圖以及2D正交視圖。

(9)1997~2000年,澳門大學(UnivofMacau)的Wong,P.K.和香港理工大學(HongKong Polytechnic Univ)的Chuen,C.W.等運用面向對象方法構造閥塊模型并采用特征技術來組織和管理閥塊CAD/CAM產品信息,可以方便地定義和修改元件與回路:在AutoCAD上開發(fā)的原型軟件可以根據一些設計規(guī)則進行元件布局,并在李氏迷宮算法的基礎上研究了三維路徑連通算法。

(10)美國Eaton公司開發(fā)的Vickers Library of SICV(Screw In Cartridge Manifoldblocks)軟件是一個包含一千多種元件的符號庫,幫助專業(yè)工程師在AutoCAD上進行進行泵、馬達、閥和閥塊的方案設計及零部件工程圖設計,并把設計數(shù)據與加工指令Nc代碼相連接,具有CAD/CAM一體化的特征。

1.2.2國內研究現(xiàn)狀

國內液壓CAD技術研發(fā)工作雖大約晚起步lO年,但迄今已有很大發(fā)展,20年來緊密跟蹤國外先進技術,取得了一些具有我國特色的研究成果。

(1)廣州交通大學在鐘廷修教授的領導下[12],從80年代初就開始液壓閥塊CAD技術的研究,相繼開發(fā)了諸如HMCAD3.70c、CVC4.0等實用軟件,這些軟件已在廣州液壓氣動總公司等十幾家單位使用,最近交大又同廣州704研究所合作,進行新一代液壓閥塊的智能CAD系統(tǒng)的開發(fā)。以下簡單介紹廣州交大閥塊研究的成果:

(a)1985年,張海平開發(fā)了插裝閥體復雜孔系的CAD軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)使用Pascal語言,校驗結果可直接輸出在屏幕上,也可通過打印機輸出,并且可以在繪圖儀上直接輸出圖紙。在該系統(tǒng)中,可對多階梯直孔、多階梯空間斜孔進行校核,并為此建立了一個統(tǒng)一的數(shù)學模型。設計時采用交互方式。

(b)1987年,展建軍進一步研究了液壓插裝閥的CAD技術。并對液壓插裝閥CAM技術進行了研究,體現(xiàn)在:在原有的基礎上,將AutoCAD系統(tǒng)引入,作為軟件二維圖形處理的支撐系統(tǒng),使閥塊的二維設計處于一個功能齊全的環(huán)境:在32位機上開發(fā)了一個以三維實體造型技術為核心的閥塊CAD軟件。增加了孔系加工的數(shù)控程序生成功能,使得設計完成后,就能獲取加工指令,與生產發(fā)生直接聯(lián)系。

(d)1996年,黃宏成把孔系校驗分成直孔和斜孔兩種情況,直孔校驗模型不僅考慮了頂錐,對于任何兩直孔提出安全、連通或危險警告三種判斷,而且可以計算出流通面積或最小壁厚。斜孔校驗模型從高等數(shù)學多元函數(shù)極限和空間幾何著手,把兩孔簡化成兩直線段,來校驗孔道的干涉情況。在AutoCAD的基礎上,根據CSG法,利用AME軟件,通過從三維到二維的途徑,把校驗過的孔系文件在計算機上以工程圖紙形式自動生成。

(e)1996年,馬友翼針對閥塊體的特征,從底層開始開發(fā),采用實體造型的方法對液壓閥塊進行仿真設計,在屏幕上輸出逼真的造型圖形,在微機上提供了一個三維的設計環(huán)境。

(f)1997年,喬進友、金忠孝在AutoCAD R12上用c語言開發(fā)了一個閥塊校驗軟件,軟件具有文件管理模塊、閥塊體及孔道信息輸入模塊、孔道連通性校驗、三維實體造型及系統(tǒng)輸出模塊。中船公司第704研究所應用此軟件進行液壓閥塊設計。

(g)1999年,金忠孝博士提出用人工智能體理論來解決傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)中問題求解方法單一的缺點,并建立了液壓閥塊多智能體設計系統(tǒng)的完整理論體系,該理論體系包括面向對象的液壓閥塊孔道建模、知識庫的建立、液壓閥塊智能化的設計和實現(xiàn)及基于約束的協(xié)同策略四個部分。最后使用Visual C++5.0和Object ARX SDK開發(fā)了多智能體液壓閥塊設計系統(tǒng),該系統(tǒng)己在中船704研究所和美國Vickers(威格士)廣州分公司投入使用,取得了良好的效果。

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