CN1760876A - 螺杆泵的集成化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用KBE、CBR等知识化设计、模块化、变量化技术建立基于三维CAD平台的螺杆泵的集成化设计方法，该方法包括(1)根据用户需求，创建螺杆泵的初始设计主参数；(2)根据初始设计主参数，检索数据库中是否存在满足用户需求的产品，(3)根据上述产品的功能模块设计方案，从数据库中检索已有产品的功能模块的结构实例，判断数据库中是否存在相似的功能模块结构实例；(4)是否对上述功能模块进行ANSYS有限元分析；(5)根据功能模块结构进行工艺规划，生成工艺过程卡及工序卡；另外，对于需要利用数控机床加工的模块结构，则利用CAM子系统，生成NC加工代码；并对计算机模拟加工后的螺杆横截面型进行修正。

Description

螺杆泵的集成化设计方法

技术领域

本发明涉及一种螺杆泵的设计方法，尤其是涉及一种利用计算机辅助设计程序进行螺杆泵的设计方法。

背景技术

近十年来，由于先进制造技术、计算机技术、网络技术、通信技术的快速发展，带动了先进设计技术的同步发展。传统的CAD概念已远不能适应当前设计的需要，近年来，智能化设计、快速设计等先进设计理论和方法为CAD注入了新的思想。

当前，国际市场需求快速变化的特点和21世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展，自20世纪90年代中期以来，各国纷纷掀起了“快速设计”理论、方法研究的热潮。产品快速设计与制造是一种新的哲理，其主要目的是缩短产品的设计周期，提高产品设计质量，以及提高企业对市场的快速响应能力。由于企业新产品的设计70％为复用件，30％为变型设计，因此快速设计是基于现代产品开发模式、面向产品族的设计技术，并通过产品配置提供的实例进行变型设计，在新产品的设计中为设计人员进行变型设计提供最高起点。快速设计的基础是CAD/CAPP/CAE/CAM/PDM(后称4CP)集成技术，并在设计中应用基于知识的工程设计方法(Knowledge Based Engineering；KBE)、基于实例的知识采集和推理(Case-based reasoning；CBR)等知识化设计技术、面向产品族的模块化技术、变量化技术，充分利用企业的知识、资源。以4CP为核心的计算机辅助技术已在国内外生产领域发挥越来越重要的作用，相关研究逐步深入并不断扩展。机械产品应用计算机辅助设计工具对提高生产率具有重要意义，是企业加速新产品开发、提高产品质量、开拓市场、增强竞争力的有力手段。

目前，4CP集成技术在欧美、日本等工业先进国家已成功地应用于国防、航空、汽车、机械、电子等行业，应用对象也从简单零件发展到复杂系统，取得了十分显著的社会效益和经济效益。

然而，就目前国内相关产品的设计、制造水平来说，技术、观念和手段上相对落后。工业发达国家已普遍采用三维设计方法，辅以有限元分析，设计周期短、重量轻、质量好；而国内目前仍采用以经验设计、传统材料力学理论为基础，进行简单的刚度和应力的校核，并仅限于使用二维CAD软件的平面工程图纸的绘制。这种设计方法的局限性大，造成了设计周期长、设计出的产品重量大、报价误差难以控制等缺陷。

国内相当多的院校、研究机构已研究出典型零件及标准零部件的CAx集成系统，针对螺杆泵CAx也有研究，但系统应用效果不是很理想，分析起来，存在如下缺陷：大部分CAD子系统建立在二维系统之上，只是完成了“甩图版”工作，并没有发挥计算机辅助设计优势。其不足之处表现为：(1)大量电子图档无序存在于计算机中，没有很好地组织、管理，以作为企业资源被新设计利用。(2)由于二维图纸表达零件结构的缺陷，使得CAD与CAE及CAM不能无缝集成，因此限制了CAE、CAM在产品设计制造中的推广和应用。(3)CAE在产品设计中的作用没有得到重视及发挥。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种应用KBE、CBR等知识化设计、模块化、变量化技术建立基于三维CAD平台的螺杆泵的集成化设计方法，将产品设计、分析、制造、工艺规划等方面集成化地统一在一起，可以加快螺杆泵产品的设计、缩短产品制造周期，提高产品质量，最终提高企业的产品竞争力。

为了解决上述技术问题，本发明螺杆泵的集成化设计方法包括以下步骤：

本发明螺杆泵的集成化设计方法，包括以下步骤：

(1)根据用户需求，创建螺杆泵的初始设计主参数；

(2)根据初始设计主参数，检索数据库中是否存在满足用户需求的产品，如果存在，则提取相关产品的技术资料；

如果不存在，则检索出相似产品后进行变型设计；

所述变型设计进一步包括：确定产品的功能模块组成，并将上述初始设计主参数分配到各功能模块中，从而建立产品的功能模块设计方案；

(3)根据上述产品的功能模块设计方案，从数据库中检索已有产品的功能模块的结构实例，判断数据库中是否存在相似的功能模块结构实例；

如果存在，则直接引用，然后进入步骤(4)；

如果不存在，则利用CAD/CAE进行功能模块结构的设计：包括参数化设计螺杆泵的横截面型线，创建功能模块的三维模型；

(4)是否对上述功能模块进行ANSYS有限元分析；

如果进行，则对上述功能模块进行优化分析，并绘制直径、导程对应力变化的影响曲线，实现对相关参数的优化；

(5)根据功能模块结构进行工艺规划，生成工艺过程卡及工序卡。

本发明螺杆泵的集成化设计方法，其中，对于需要利用数控机床加工的模块结构，则利用CAM子系统，生成NC加工代码。

进一步包括以下步骤：根据生成的NC加工代码，对计算机模拟加工后的螺杆横截面型，进行干涉检查，并进一步对加工数控程序进行修正。

所述优化分析包括以下步骤：通过静态分析、灵敏度分析，挑选出对强度、刚度影响较大的参数及参数变化范围，优选出最佳的几何设计参数。

所述数据库包括CAD数据库、CAPP数据库、产品结构库和产品资源库。所述产品资源库包括产品库、功能模块库、模块实例库。

与现有技术相比，本发明螺杆泵的集成化设计方法的有益效果是：

(1)本发明是建立基于模块化面向产品族的产品快速设计制造系统，并将知识化设计、变量设计融入产品的设计中，建立支持新产品开发的CAD/CAM一体化方案。本发明采用先进的设计理论和方法实现CAD/CAE/CAPP/CAM/CAE集成，大大地提高了螺杆泵的设计、制造水平，也必将给使用企业带来显著的经济效益，对推动企业4CP集成技术和企业的技术进步将起到积极的作用。同时，在4CP系统集成技术的理论研究方面也很有价值。

(2)由于本发明结合螺杆泵设计制造关键技术，知识化设计技术，模块化技术、变量化技术，有针对性地开发了CIMS体系结构中的4CP集成技术和系统，从而实现了对包括产品模型(二维或三维模型)、设计文档、设计数据、工艺规程、工艺数据、数控程序的产品综合信息的统一管理。

(3)本发明设计方法中建立了支持螺杆泵设计——分析——制造全过程的统一产品定义模型，最终构造出了CAD-CAE-CAPP-CAM及产品仿真分析一体化的系统框架，将现代设计方法及科学思维方法和实施方法应用到企业的工程实践中。

(4)本发明螺杆泵的集成化设计方法直接应用于螺杆泵产品的设计及生产制造中，通过提供最优设计方案和工艺方案，可以缩短产品设计和生产准备周期，能够达到提高产品质量，降低制造成本之目的，从而有力地推动企业的技术进步，并获得显著的经济效益。

附图说明

图1-1和图1-2是本发明螺杆泵的集成化设计方法的流程图；

图2-1、图2-2和图2-3是螺杆直径d对螺杆变形以及剪应力和Mises应力影响的关系曲线；

图3-1、图3-2和图3-3是螺杆导程L对螺杆变形以及剪应力和Mises应力影响的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合实施例，并参照附图进行详细说明，以便对本发明进行更深入的说明。

如图1-1和图1-2所示，首先，输入用户对螺杆泵的需求信息，包括排水量、排出压力、吸入高度、最高温度、允许粘度、非润滑介质、含固体杂质的流体腐蚀性介质等，步骤101。

根据上述需求信息，创建螺杆泵的初始设计主参数，诸如螺杆泵的类型、螺杆的头数、螺杆的直径、行程、输入轴的直径、螺套的材料等，步骤102。

根据初始设计主参数，从系统中的螺杆泵产品资源库中进行检索，判断是否存在满足用户上述需求的产品，步骤103和104。

如果存在满足用户上述需求的产品，则提取相关产品的技术资料，直接引入产品，步骤105。

如果不存在完全满足用户需求的产品，则到产品资源库进行螺杆泵相似功能模块方案检索，步骤106。

如果检索出相似产品，则在相似产品的基础上进行功能模块方案的变型设计。上述功能模块方案的变型设计是根据用户的上述需求，确定产品由哪些功能模块组成，诸如：除了基本零部件之外，是否包括电机、螺杆泵中各零部件之间的连接关系、螺杆泵支撑的安装方式、螺杆泵的应用工况等，根据这些因素确定螺杆泵的类型及其组成螺杆泵的功能模块，并将各设计主参数分配到各功能模块中，从而确定产品的功能设计方案，在该过程中，为了提高设计效率，可检索功能模块数据库中已有产品的功能模块方案及功能模块库，并加以引用并进一步编辑相似产品功能模块的解决方案，使之达到要求，步骤108和110。

如果不存在相似的功能模块方案，则创建满足需求的产品功能模块的解决方案，在创建的过程中，从资源库中的功能模块库中查找所需的功能模块进行添加，步骤109。

下面以螺杆泵中的螺杆为实例，对功能模块结构及加工工艺的设计过程作进一步详细描述。

系统选取在上述109步骤或110步骤中所建立的其中一个功能模块，步骤111；根据上述分配到螺杆的设计参数，如：螺杆的头数、流量、排出压力、介质的粘度等，进行结构设计。

首先，从数据库中检索已有产品的功能模块的结构实例，如果存在，则直接引用，步骤112；如果不存在，对功能模块的结构实例进行相似性检索，如果存在相似的功能模块结构，则在相似模块结构的基础上进行变型设计，步骤115和步骤114；如果不存在相似功能模块结构，则根据上述设计参数的要求重新设计，步骤114。无论是变型设计还是重新设计，在其结构设计中利用CAD工具所提供的参数化功能来进行参数化设计，如：根据螺杆头数确定螺杆的截面型线及扫略路径，从而快速地设计出满足上述螺杆设计参数的螺杆结构，构建螺杆的三维模型，至此完成了螺杆结构设计，依此类推，完成其它功能模块的设计。

对于螺杆泵中的螺杆、螺套等零件，由于它们是决定螺杆泵性能的主要零件，因此，对于上述设计出的螺杆及螺套，可根据其受力及约束情况，采用ANSYS有限元分析软件对螺杆、螺套等主要零部件的三维结构模型进行优化分析，通过静态分析、灵敏度分析，挑选出对强度、刚度影响较大的参数，如：对螺杆应力，螺杆与螺套刚度的扭转变形分析，绘制直径、导程对应力变化的影响曲线，实现对相关参数的优化，步骤116和117。

下面以螺杆泵中的螺杆为例，说明采用ANSYS有限元分析软件进行设计参数灵敏度分析的过程。

螺杆几何形状主要由直径d和导程L决定，它决定了密封工作腔的大小，即泵的排量。改变直径d和导程L时，不仅改变排量，而且对螺杆的变形和应力也有影响。这里进行灵敏度分析时，讨论泵排量不变的前提下，直径d和导程L对螺杆的影响。

图2-1、图2-2和图2-3为螺杆直径d对螺杆变形以及剪应力和Mises应力影响的关系曲线。图3-1、图3-2和图3-3为螺杆导程L对螺杆变形以及剪应力和Mises应力影响的关系曲线。从结果可以看出：变形与应力随螺杆直径的增加而降低，随螺杆导程的增加而增大。当直径小于42mm，导程大于100mm时这种降低和增大的变化非常显著。由于排量不变时，直径与导程成反比，因此，优化结构参数时必须同时权衡这两个量。根据上述有限元分析的结果，优选出最佳的几何设计参数，以提高设计质量和效率。

结构设计完成后，根据零部件结构进行工艺规划，生成工艺过程卡及工序卡，以备加工制造使用，步骤118。

对于需要在数控机床加工的零部件，如螺杆等，可利用CAM子系统，直接生成NC加工代码，并可通过计算机模拟加工后的螺杆型面，进行干涉检查，进一步对加工数控程序进行修正，步骤119和120。

至此，完成了螺杆泵中螺杆功能模块的设计，若需要继续设计另外一个功能零部件，则返回步骤111继续进行，直至完成整个螺杆泵的功能设计。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种螺杆泵的集成化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据用户需求，创建螺杆泵的初始设计主参数；

(2)根据初始设计主参数，检索数据库中是否存在满足用户需求的产品，

如果存在，则提取相关产品的技术资料；

如果不存在，则检索出相似产品后进行变型设计；

所述变型设计进一步包括：确定产品的功能模块组成，并将上述初始设计主参数分配到各功能模块中，从而建立产品的功能模块设计方案；

(3)根据上述产品的功能模块设计方案，从数据库中检索已有产品的功能模块的结构实例，判断数据库中是否存在相似的功能模块结构实例；

如果存在，则直接引用，然后进入步骤(4)；

如果不存在，则利用CAD/CAE进行功能模块结构的设计：包括参数化设计螺杆泵的横截面型线，创建功能模块的三维模型；

(4)是否对上述功能模块进行ANSYS有限元分析；

如果进行，则对上述功能模块进行优化分析，并绘制直径、导程对应力变化的影响曲线，实现对相关参数的优化；

(5)根据功能模块结构进行工艺规划，生成工艺过程卡及工序卡。

2.根据权利要求1所述的螺杆泵的集成化设计方法，其中，对于需要利用数控机床加工的模块结构，则利用CAM子系统，生成NC加工代码。

3.根据权利要求2所述的螺杆泵的集成化设计方法，其中，进一步包括以下步骤：根据生成的NC加工代码，对计算机模拟加工后的螺杆横截面型，进行干涉检查，并进一步对加工数控程序进行修正。

4.根据权利要求1所述的螺杆泵的集成化设计方法，其中，所述优化分析包括以下步骤：通过静态分析、灵敏度分析，挑选出对强度、刚度影响较大的参数及参数变化范围，优选出最佳的几何设计参数。

5.根据权利要求1所述的螺杆泵的集成化设计方法，其中，所述数据库包括CAD数据库、CAPP数据库、产品结构库和产品资源库。

6.根据权利要求1所述的螺杆泵的集成化设计方法，其中，所述产品资源库包括产品库、功能模块库、模块实例库。

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