SolidWorks液壓閥塊的設(shè)計研究(一)

2013-07-24 by:廣州solidworks培訓(xùn)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(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各部門的廣泛應(yīng)用,促進(jìn)了液壓技術(shù)的飛速發(fā)展,同時也使液壓系統(tǒng)設(shè)計與制造的復(fù)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(fù)雜性,增加現(xiàn)場添加和更改回路的柔性,具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護(hù)方便、泄漏少、振動小、利于實(shí)現(xiàn)典型液壓系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn),因此應(yīng)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(yù)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(nèi)部的孔道與元件孔道相連通,構(gòu)成液壓集成回路(Hydraulic Integrated Circuit),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制要求。

在采用液壓閥塊的液壓系統(tǒng)設(shè)計中,閥塊設(shè)計是一項(xiàng)關(guān)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(nèi)部孔道溝通閥的連接口以構(gòu)成局部系統(tǒng)液壓回路的復(fù)雜功能塊。閥塊體上分布著與液壓閥有關(guān)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(shè)置若干工藝孔。

一般一個閥塊體上稍微復(fù)雜一點(diǎn)的就有上百個,這些孔道構(gòu)成一個縱橫交錯的孔系網(wǎng)絡(luò)。在閥塊安裝布局中,各種元件應(yīng)盡可能緊湊、均勻地分布在閥塊體各面,既要方便安裝、調(diào)試,又要符合美學(xué)要求,而且,布局方案與連通要求一起成為孔道設(shè)計的起始條件。元件間通過內(nèi)部孔道連通,無法直接連通的需設(shè)置工藝孔。同時,設(shè)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(shè)計品質(zhì)的要求。這些問題不僅導(dǎo)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(shè)計質(zhì)量。

閥塊的生產(chǎn)制造屬于單件小批量定制生產(chǎn)模式,在設(shè)計階段投入的大量時間和精力導(dǎo)致整個產(chǎn)品開發(fā)過程工作效率極低,因此亟待采取有效的計算機(jī)輔助方法來準(zhǔn)確而快捷地設(shè)計,這己經(jīng)成為國內(nèi)外眾多研發(fā)機(jī)構(gòu)和人員關(guān)注的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。

但是液壓閥塊需要針對具體應(yīng)用場合專門設(shè)計和試驗(yàn),計算機(jī)輔助液壓閥塊設(shè)計,尤其是基于三維實(shí)體的閥塊設(shè)計系統(tǒng)具有直觀、可靠、信息表達(dá)傳遞方便的優(yōu)點(diǎn),將成為提高設(shè)計效率和質(zhì)量的有效途徑。也正因?yàn)槿绱?液壓閥塊CAD應(yīng)用開發(fā)研究一直受到國內(nèi)外液壓界的重視。同時,專業(yè)應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù),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(shù)的發(fā)展對于提高產(chǎn)品的設(shè)計與加工質(zhì)量和效率,提高產(chǎn)品的市場競爭能力,既有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與廣闊的發(fā)展前景。

1.2相關(guān)領(lǐng)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(jì)70年代初就開始研究和探索利用計算機(jī)進(jìn)行液壓系統(tǒng)和元件的輔助設(shè)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(shè)計方面的研發(fā)工作主要有:

(1)1982年,德國阿亨工業(yè)大學(xué)在Baeke教授的領(lǐng)導(dǎo)下,研制出了用于設(shè)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(shè)計閥塊上的孔道(包括斜孔),并校驗(yàn)孔道,能輸出符合DIN標(biāo)準(zhǔn)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(xué)在PDP 11/23計算機(jī)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(fù)合剖面圖、孔道實(shí)體圖等,設(shè)計人員可以用來校驗(yàn)所設(shè)計的閥塊油路的連接情況。

(4)1985年,芬蘭坦佩雷工業(yè)大學(xué)在HPl000/A700小型機(jī)上開發(fā)出用于插裝閥塊設(shè)計的CAD軟件,孔道自動設(shè)計與干涉校驗(yàn)同時進(jìn)行,可以修改孔徑、移動孔位、線框模型消隱、孔表信息數(shù)據(jù)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(shù)大學(xué)(TVHH)基于PROREN支撐軟件以及基于AICS造型器進(jìn)行三維閥塊的設(shè)計。

(6)1991年,法國Grenoble大學(xué)把越思想引入閥塊的設(shè)計,指出液壓閥塊的設(shè)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(shè)計問題,以設(shè)計最佳的孔道。為此,把人工智能中的空間部署理論應(yīng)用于閥塊設(shè)計,在AppleMacintosh II上開發(fā)了一套基于產(chǎn)生式規(guī)則的智能設(shè)計系統(tǒng)。

(7)1996年,香港理工的W.Xiang等人進(jìn)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(shè)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(yīng)用“快捷目錄”技術(shù)方便準(zhǔn)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(jìn)行孔道連通和校核;AATools(Automated Assembly Tools)軟件根據(jù)原理圖和閥塊設(shè)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(xué)(UnivofMacau)的Wong,P.K.和香港理工大學(xué)(HongKong Polytechnic Univ)的Chuen,C.W.等運(yùn)用面向?qū)ο蠓椒?gòu)造閥塊模型并采用特征技術(shù)來組織和管理閥塊CAD/CAM產(chǎn)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(jù)一些設(shè)計規(guī)則進(jìn)行元件布局,并在李氏迷宮算法的基礎(chǔ)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(jìn)行進(jìn)行泵、馬達(dá)、閥和閥塊的方案設(shè)計及零部件工程圖設(shè)計,并把設(shè)計數(shù)據(jù)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(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)液壓CAD技術(shù)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(jìn)技術(shù),取得了一些具有我國特色的研究成果。

(1)廣州交通大學(xué)在鐘廷修教授的領(lǐng)導(dǎo)下[12],從80年代初就開始液壓閥塊CAD技術(shù)的研究,相繼開發(fā)了諸如HMCAD3.70c、CVC4.0等實(shí)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(jìn)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(fù)雜孔系的CAD軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)使用Pascal語言,校驗(yàn)結(jié)果可直接輸出在屏幕上,也可通過打印機(jī)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(jìn)行校核,并為此建立了一個統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計時采用交互方式。

(b)1987年,展建軍進(jìn)一步研究了液壓插裝閥的CAD技術(shù)。并對液壓插裝閥CAM技術(shù)進(jìn)行了研究,體現(xiàn)在:在原有的基礎(chǔ)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(shè)計處于一個功能齊全的環(huán)境:在32位機(jī)上開發(fā)了一個以三維實(shí)體造型技術(shù)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(shè)計完成后,就能獲取加工指令,與生產(chǎn)發(fā)生直接聯(lián)系。

(d)1996年,黃宏成把孔系校驗(yàn)分成直孔和斜孔兩種情況,直孔校驗(yàn)?zāi)Ｐ筒粌H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(yàn)?zāi)Ｐ蛷母叩葦?shù)學(xué)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(yàn)孔道的干涉情況。在AutoCAD的基礎(chǔ)上,根據(jù)CSG法,利用AME軟件,通過從三維到二維的途徑,把校驗(yàn)過的孔系文件在計算機(jī)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(shí)體造型的方法對液壓閥塊進(jìn)行仿真設(shè)計,在屏幕上輸出逼真的造型圖形,在微機(jī)上提供了一個三維的設(shè)計環(huán)境。

(f)1997年,喬進(jìn)友、金忠孝在AutoCAD R12上用c語言開發(fā)了一個閥塊校驗(yàn)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(yàn)、三維實(shí)體造型及系統(tǒng)輸出模塊。中船公司第704研究所應(yīng)用此軟件進(jìn)行液壓閥塊設(shè)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(diǎn),并建立了液壓閥塊多智能體設(shè)計系統(tǒng)的完整理論體系,該理論體系包括面向?qū)ο蟮囊簤洪y塊孔道建模、知識庫的建立、液壓閥塊智能化的設(shè)計和實(shí)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(shè)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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