論文摘要：提出閘閥CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)化設(shè)計、有限元分析、參數(shù)設(shè)計、自動繪圖和計算機輔助制造等功能，由此開發(fā)設(shè)計了閘閥CAD/CAM系統(tǒng)。系統(tǒng)采用設(shè)計計算、分析、動態(tài)圖庫、CAM等模塊來滿足功能要求，并采用具有實時數(shù)據(jù)交換功能的動態(tài)數(shù)據(jù)庫將各個模塊聯(lián)系在一起。在設(shè)計計算中，各零件的設(shè)計采用參數(shù)驅(qū)動的概念模式，由系列化的尺寸參數(shù)驅(qū)動產(chǎn)生具體模型；在數(shù)控編程中，根據(jù)零件的特征，系統(tǒng)提供了三種粗切削的方式。可通過三種仿真形式驗證NC程序的正確性和有效性。
CAD技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用徹底改變了傳統(tǒng)設(shè)計模式，創(chuàng)造了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。目前，CAD技術(shù)已從單純的繪圖工具走向集成化CAD/CAM階段，支持產(chǎn)品設(shè)計制造全過程。據(jù)統(tǒng)計，工廠產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用CAD技術(shù)后縮短設(shè)計周期1/3至2/3，提高工效3～10倍，產(chǎn)品設(shè)計的一次成功率顯著提高，企業(yè)在制造技術(shù)上有了很大發(fā)展，向現(xiàn)代化制造業(yè)前進(jìn)了一大步［1，2］。但是，石油行業(yè)乃至全國生產(chǎn)閘閥產(chǎn)品的絕大多數(shù)廠家長期以來采用半經(jīng)驗、半理論的傳統(tǒng)設(shè)計方法，產(chǎn)品性能和交貨期都不能滿足用戶要求，影響了產(chǎn)品的市場競爭力。
功能設(shè)計
閘閥CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)面向市場，滿足用戶需求，同時要利用現(xiàn)有成果，利用CAD/CAM系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)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(yè)打下基礎(chǔ)。所以根據(jù)未來的發(fā)展趨勢［3］，設(shè)計的閘閥CAD/CAM系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)，并應(yīng)具有如下三大功能。
1.優(yōu)化設(shè)計與有限元分析功能
閘閥的設(shè)計是建立在系列模型級基礎(chǔ)上的模塊化設(shè)計，設(shè)計計算包含的內(nèi)容比較復(fù)雜，要求精度高，適用范圍廣，因此一方面采用近年來國內(nèi)外先進(jìn)的科研成果和新的設(shè)計計算理論，提高閘閥的總體性能，實現(xiàn)閘閥產(chǎn)品的更新?lián)Q代，滿足用戶的要求；另一方面采用優(yōu)化設(shè)計和有限元分析等現(xiàn)代化設(shè)計方法，建立具有優(yōu)化處理能力和結(jié)構(gòu)分析的高效、實用的設(shè)計計算模塊。
2.參數(shù)設(shè)計與自動繪圖功能
由于聯(lián)接形式的改變和壓力等級的不同，閘閥結(jié)構(gòu)形式也是各種各樣的，用戶的設(shè)計參數(shù)和要求不同，結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化。為保證CAD系統(tǒng)的先進(jìn)性實用性，模塊采用了參數(shù)化構(gòu)造形式［4］，主要有如下內(nèi)容：
(1)CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了提高產(chǎn)品的先進(jìn)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(shè)計方案的不同而發(fā)生變化的部分，如閘板、閥座等非標(biāo)準(zhǔn)件。這部分設(shè)計和參數(shù)繪圖的方式自動完成，計算機自動處理來確定結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和大小。而“不變”部分是指相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫，以滿足各種設(shè)計方案的需要。
(2)參數(shù)繪圖子系統(tǒng) CAD系統(tǒng)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(guān)系及自動進(jìn)行尺寸檢驗，最后用繪圖機輸出整套設(shè)計圖紙。在這個子系統(tǒng)中動態(tài)圖庫是核心，它包括系列閘板、閥座、手柄等20多種不同規(guī)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(shè)計與繪圖。
3.CAM功能
CAM模塊在進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)細(xì)化、生成零件生產(chǎn)圖的同時，自動產(chǎn)生CAM所需的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和工藝信息，自動生成NC加工代碼、工時定額、生產(chǎn)計劃、資源需求等，并設(shè)計了NC加工代碼的模擬仿真與開發(fā)，以便加工前對實際走刀過程和刀具軌跡進(jìn)行仿真，避免加工過程中產(chǎn)生的各種損壞情況，實現(xiàn)CAD／CAM的信息集成。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為滿足以上三大功能，筆者將閘閥CAD/CAM系統(tǒng)分為五個模塊。
1.設(shè)計計算模塊
引用世界最新的理論和先進(jìn)的科研成果，下掛一個具有20多種算法的優(yōu)化設(shè)計平臺，可以使原來20多天的設(shè)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(jìn)的MARC非線性有限元結(jié)構(gòu)分析理論和方法，建立先進(jìn)的且具有前后處理功能的結(jié)構(gòu)分析模塊。
3.動態(tài)圖庫模塊
進(jìn)一步完善產(chǎn)品的“三化”，在“三化”基礎(chǔ)上研制開發(fā)出具有智能化水平的產(chǎn)品，形成以參數(shù)設(shè)計和參數(shù)繪圖為主的閘閥動態(tài)圖庫。
4.CAM模塊
利用NC代碼技術(shù)和數(shù)控仿真技術(shù)研究數(shù)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(zhì)量。
5.動態(tài)數(shù)據(jù)庫
使各個模塊聯(lián)成一體，實現(xiàn)各個模塊之間的信息實時傳輸、調(diào)用，與各個模塊一起構(gòu)成CAD/CAM系統(tǒng)。
根據(jù)廠家具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和要求，建立的閘閥CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中設(shè)計計算模塊解決了不同規(guī)格的閘閥各零部件的優(yōu)化設(shè)計計算。圖庫模塊又分為包含國標(biāo)件和廠標(biāo)件的標(biāo)準(zhǔn)件庫和反映閘閥特點的非標(biāo)準(zhǔn)件的圖形庫。數(shù)據(jù)庫模塊存放各類設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)設(shè)計數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的管理，并實現(xiàn)實時動態(tài)數(shù)據(jù)交換［5］。
圖1 閘閥CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
閘閥CAD/CAM系統(tǒng)的工作流程和工藝信息聯(lián)系如下：
(1)利用優(yōu)化設(shè)計模塊和有限元分析模塊進(jìn)行閘閥整體優(yōu)化方案的設(shè)計計算和結(jié)構(gòu)分析，得到閘閥的結(jié)構(gòu)方案及性能參數(shù)，并將各設(shè)計參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫。
(2)根據(jù)閘閥設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)自動進(jìn)行閘閥及其零件的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)自動將各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫。
(3)完成閘閥總體的預(yù)裝配，并檢查正確性。
(4)自動完成閘閥各類零部件的結(jié)構(gòu)細(xì)化，自動生成各類零件生產(chǎn)加工圖，并為CAM提供各零部件的結(jié)構(gòu)和工藝信息。
(5)根據(jù)工藝指令，CAM模塊從數(shù)據(jù)庫中取出各零部件的結(jié)構(gòu)工藝信息，自動生成零部件的NC加工代碼，將NC代碼傳至數(shù)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(jìn)行仿真，以檢查其正確性。
閘閥零件的參數(shù)化設(shè)計
閘閥屬于多品種、多規(guī)格、系列化的產(chǎn)品，每種閘閥按公稱壓力分為不同系列，現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式等分為不同型號；每種型號又按口徑大小分為不同規(guī)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(chǎn)品，同一系列的產(chǎn)品又分為不同型號，然而每一種型號的結(jié)構(gòu)基本相同，只是具體尺寸不同。具體型號的閘閥，標(biāo)準(zhǔn)件占有很大比例，以355.6mm(14英寸)Z40H—150楔式閘閥為例：國標(biāo)件有10件、廠標(biāo)件有11件，標(biāo)準(zhǔn)件共有21件，占總零件數(shù)的75％左右，所以采用參數(shù)化造型的設(shè)計方法能很好地完成閘閥產(chǎn)品的設(shè)計繪圖工作。
在Auto CAD R14環(huán)境下，用其二次開發(fā)語言，開發(fā)了一個可直接掛接于Auto CAD菜單樹上的參數(shù)化設(shè)計模塊，它采用獨立于Auto CAD交互式工作環(huán)境的零件模型全參數(shù)化設(shè)計方法，模型參數(shù)之間的約束關(guān)系計算完成后，調(diào)用Auto CAD功能函數(shù)完成零件的設(shè)計與繪圖工作。具體實施時，用戶將圖形的尺寸與一定的設(shè)計條件(或約束條件)相關(guān)聯(lián)，即將圖形的尺寸看作是設(shè)計條件的函數(shù)，當(dāng)設(shè)計條件變化時，圖形尺寸便會得到相應(yīng)的更新，所以運行時只需輸入少量主要參數(shù)(指決定閘閥零件圖形的特征參數(shù)，圖中其它尺寸關(guān)系由此參數(shù)指出)，由計算機自動計算圖形之間的尺寸關(guān)系的數(shù)據(jù)，自動設(shè)計并繪出圖形。圖2是參數(shù)化設(shè)計閥座的一個實例，圖中d0是主參數(shù)即設(shè)計參數(shù)，r0為關(guān)聯(lián)參數(shù)，其它參數(shù)均可根據(jù)這二個參數(shù)計算出來，設(shè)計的閥座圖可利用基點和控制節(jié)點技術(shù)繪出。
圖2 閥座參數(shù)化設(shè)計實例
數(shù)控編程與仿真
系統(tǒng)可以根據(jù)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計所提供的幾何、工藝及制造信息自動進(jìn)行NC程序編制，并進(jìn)行加工仿真。進(jìn)行數(shù)控編程時，應(yīng)根據(jù)零件的特征去選取粗切削的形式。系統(tǒng)提供了橫向粗切削循環(huán)、縱向粗切削循環(huán)、等輪廓粗切削循環(huán)三種方式，用戶可根據(jù)零件的實際形狀選取一種粗切削循環(huán)方式。然后系統(tǒng)要求用戶輸入存儲NC程序的文件名稱，系統(tǒng)推薦擴展名使用*.CNC。
在生成NC程序時，系統(tǒng)將顯示出所推薦的粗加工切深和進(jìn)給量以及精加工的加工余量，供現(xiàn)場操作人員參考，如果認(rèn)為所推薦值與現(xiàn)場的實際情況不太符合，則可以進(jìn)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(jìn)行加工仿真以驗證NC程序的正確性和有效性。本系統(tǒng)是通過在毛坯上顯示NC程序的走刀路線來進(jìn)行刀具軌跡的檢驗的，實現(xiàn)加工前的靜、動態(tài)仿真。系統(tǒng)提供靜態(tài)輪廓、靜態(tài)檢查（刀補軌跡）、實時動態(tài)等三種仿真形式。
靜態(tài)輪廓仿真要求操作者輸入軌跡畫線間隔時間和圖形標(biāo)尺，以控制畫圖的速度和尺寸；在靜態(tài)輪廓仿真的基礎(chǔ)上，如考慮了刀具半徑補償和刀具長度補償所構(gòu)成的刀具運動軌跡就是刀補軌跡的靜態(tài)檢查；實時動態(tài)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(tài)地顯示在屏幕上。