SolidWorks液压阀块的设计研究(一)

2013-07-24 by:广州solidworks培训中心来源:仿真在线

第1章绪论

1.1引言

液压传动与控制技术在国民经济各部门的广泛应用,促进了液压技术的飞速发展,同时也使液压系统设计与制造的复杂性越来越高。液压系统采用液压阀集成装配,如图1.1所示,可以显著减少管路联接和接头,降低系统的复杂性,增加现场添加和更改回路的柔性,具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、振动小、利于实现典型液压系统的集成化和标准化等优点,因此应用日益广泛。

集成式液压系统(Integrated Hydraulic Manifold Systems·IHMS)的核心单元是液压阀块(Hydraulic Manifold Bloeks-HMB),它是一个或多个特别的预先钻有多个孔的阀块体,其上安装有各种液压元件,如液压阀、管接头、压力表等,其内部的孔道与元件孔道相连通,构成液压集成回路(Hydraulic Integrated Circuit),实现系统控制要求。

在采用液压阀块的液压系统设计中,阀块设计是一项关键和枯燥的工作。液压阀块表面承装板式阀的安装面和管接头的安装,并利用其内部孔道沟通阀的连接口以构成局部系统液压回路的复杂功能块。阀块体上分布着与液压阀有关的液压阀块安装孔、通油孔、连接螺钉孔、定位销孔,以及公共油孔、连接孔等,为保证孔道正确连通而不发生干涉,有时还要设置若干工艺孔。

一般一个阀块体上稍微复杂一点的就有上百个,这些孔道构成一个纵横交错的孔系网络。在阀块安装布局中,各种元件应尽可能紧凑、均匀地分布在阀块体各面,既要方便安装、调试,又要符合美学要求,而且,布局方案与连通要求一起成为孔道设计的起始条件。元件间通过内部孔道连通,无法直接连通的需设置工艺孔。同时,设计时还必须满足菲连通孔道问安全壁厚和连通孔道相交处通流截面等设计品质的要求。这些问题不仅导致传统的人工布局、孔道连通及校核异常困难,即使采用一般的CAD方法亦难以确保设计质量。

阀块的生产制造属于单件小批量定制生产模式,在设计阶段投入的大量时间和精力导致整个产品开发过程工作效率极低,因此亟待采取有效的计算机辅助方法来准确而快捷地设计,这己经成为国内外众多研发机构和人员关注的焦点和难点。

但是液压阀块需要针对具体应用场合专门设计和试验,计算机辅助液压阀块设计,尤其是基于三维实体的阀块设计系统具有直观、可靠、信息表达传递方便的优点,将成为提高设计效率和质量的有效途径。也正因为如此,液压阀块CAD应用开发研究一直受到国内外液压界的重视。同时,专业应用软件开发技术,方法和工具的不断发展和成熟,又促使人们不断深入开展液压阀块的研究与开发。所以液压阀块CAD技术的发展对于提高产品的设计与加工质量和效率,提高产品的市场竞争能力,既有显著的经济效益与广阔的发展前景。

1.2相关领域的发展现状

1.2.1国外研究的现状

国际上从20世纪70年代初就开始研究和探索利用计算机进行液压系统和元件的辅助设计工作,80年代和90年代间涌现出大批研究成果,迄今开发出的各类液压CAD软件已有数十种。在液压阀块类零件设计方面的研发工作主要有:

(1)1982年,德国阿亨工业大学在Baeke教授的领导下,研制出了用于设计液压控制阀块的程序包I-IYKON[3]。该软件包的硬件环境为ATM_ClassicModel 7870其功能具有自动设计阀块上的孔道(包括斜孔),并校验孔道,能输出符合DIN标准的阀块视图和任意剖面图等。

(2)1983年,美国一家公司用Prime750工作站建立了阀块的三维模型与投影。

(3)1983年,英国巴斯大学在PDP 11/23计算机上,研制了VOLE程序,可以绘制液压阁块等元件的立体模型图,包括复合剖面图、孔道实体图等,设计人员可以用来校验所设计的阀块油路的连接情况。

(4)1985年,芬兰坦佩雷工业大学在HPl000/A700小型机上开发出用于插装阀块设计的CAD软件,孔道自动设计与干涉校验同时进行,可以修改孔径、移动孔位、线框模型消隐、孔表信息数据输出、刀具选择、刀具轨迹定义和NC代码生成功能。

(5)1989年,德国Hamburg-Harbcrg技术大学(TVHH)基于PROREN支撑软件以及基于AICS造型器进行三维阀块的设计。

(6)1991年,法国Grenoble大学把越思想引入阀块的设计,指出液压阀块的设计问题即是一个空间部署问题,以满足液压元件安装的需要,也是一个线路设计问题,以设计最佳的孔道。为此,把人工智能中的空间部署理论应用于阀块设计,在AppleMacintosh II上开发了一套基于产生式规则的智能设计系统。

(7)1996年,香港理工的W.Xiang等人进一步完善了液压阀块在CAD、CAM、CAPP、CNC等方面的研究[7],使得液压阀块在CAD、CAM、CAPP、CNC等方面的研究更加成熟起来。

(8)美国Vest公司[8]开发了液压阀块设计从原理图一阀块一装配体的一整套解决方案:SDTools(Schematic Design Tools)和HyDraw(Hydraulic Circuit Design)软件应用“快捷目录”技术方便准确地绘制液压原理图;ADTools(AssemblyDesignTools)是一个2D装配绘图软件:在AutoCAD上开发的MDTools(ManifoldDesignTools)软件基于嵌入式规则进行孔道连通和校核;AATools(Automated Assembly Tools)软件根据原理图和阀块设计信息动态生成3D装配图以及2D正交视图。

(9)1997~2000年,澳门大学(UnivofMacau)的Wong,P.K.和香港理工大学(HongKong Polytechnic Univ)的Chuen,C.W.等运用面向对象方法构造阀块模型并采用特征技术来组织和管理阀块CAD/CAM产品信息,可以方便地定义和修改元件与回路:在AutoCAD上开发的原型软件可以根据一些设计规则进行元件布局,并在李氏迷宫算法的基础上研究了三维路径连通算法。

(10)美国Eaton公司开发的Vickers Library of SICV(Screw In Cartridge Manifoldblocks)软件是一个包含一千多种元件的符号库,帮助专业工程师在AutoCAD上进行进行泵、马达、阀和阀块的方案设计及零部件工程图设计,并把设计数据与加工指令Nc代码相连接,具有CAD/CAM一体化的特征。

1.2.2国内研究现状

国内液压CAD技术研发工作虽大约晚起步lO年,但迄今已有很大发展,20年来紧密跟踪国外先进技术,取得了一些具有我国特色的研究成果。

(1)广州交通大学在钟廷修教授的领导下[12],从80年代初就开始液压阀块CAD技术的研究,相继开发了诸如HMCAD3.70c、CVC4.0等实用软件,这些软件已在广州液压气动总公司等十几家单位使用,最近交大又同广州704研究所合作,进行新一代液压阀块的智能CAD系统的开发。以下简单介绍广州交大阀块研究的成果:

(a)1985年,张海平开发了插装阀体复杂孔系的CAD软件系统,该系统使用Pascal语言,校验结果可直接输出在屏幕上,也可通过打印机输出,并且可以在绘图仪上直接输出图纸。在该系统中,可对多阶梯直孔、多阶梯空间斜孔进行校核,并为此建立了一个统一的数学模型。设计时采用交互方式。

(b)1987年,展建军进一步研究了液压插装阀的CAD技术。并对液压插装阀CAM技术进行了研究,体现在:在原有的基础上,将AutoCAD系统引入,作为软件二维图形处理的支撑系统,使阀块的二维设计处于一个功能齐全的环境:在32位机上开发了一个以三维实体造型技术为核心的阀块CAD软件。增加了孔系加工的数控程序生成功能,使得设计完成后,就能获取加工指令,与生产发生直接联系。

(d)1996年,黄宏成把孔系校验分成直孔和斜孔两种情况,直孔校验模型不仅考虑了顶锥,对于任何两直孔提出安全、连通或危险警告三种判断,而且可以计算出流通面积或最小壁厚。斜孔校验模型从高等数学多元函数极限和空间几何着手,把两孔简化成两直线段,来校验孔道的干涉情况。在AutoCAD的基础上,根据CSG法,利用AME软件,通过从三维到二维的途径,把校验过的孔系文件在计算机上以工程图纸形式自动生成。

(e)1996年,马友翼针对阀块体的特征,从底层开始开发,采用实体造型的方法对液压阀块进行仿真设计,在屏幕上输出逼真的造型图形,在微机上提供了一个三维的设计环境。

(f)1997年,乔进友、金忠孝在AutoCAD R12上用c语言开发了一个阀块校验软件,软件具有文件管理模块、阀块体及孔道信息输入模块、孔道连通性校验、三维实体造型及系统输出模块。中船公司第704研究所应用此软件进行液压阀块设计。

(g)1999年,金忠孝博士提出用人工智能体理论来解决传统的专家系统中问题求解方法单一的缺点,并建立了液压阀块多智能体设计系统的完整理论体系,该理论体系包括面向对象的液压阀块孔道建模、知识库的建立、液压阀块智能化的设计和实现及基于约束的协同策略四个部分。最后使用Visual C++5.0和Object ARX SDK开发了多智能体液压阀块设计系统,该系统己在中船704研究所和美国Vickers(威格士)广州分公司投入使用,取得了良好的效果。

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