專利名稱：螺桿泵的集成化設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種螺桿泵的設計方法，尤其是涉及一種利用計算機輔助設計程序進行螺桿泵的設計方法。
背景技術：
近十年來，由于先進制造技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術的快速發(fā)展，帶動了先進設計技術的同步發(fā)展。傳統(tǒng)的CAD概念已遠不能適應當前設計的需要，近年來，智能化設計、快速設計等先進設計理論和方法為CAD注入了新的思想。
當前，國際市場需求快速變化的特點和21世紀更加個性化的市場趨勢，促進了快速設計和制造技術的發(fā)展，自20世紀90年代中期以來，各國紛紛掀起了“快速設計”理論、方法研究的熱潮。產品快速設計與制造是一種新的哲理，其主要目的是縮短產品的設計周期，提高產品設計質量，以及提高企業(yè)對市場的快速響應能力。由于企業(yè)新產品的設計70％為復用件，30％為變型設計，因此快速設計是基于現(xiàn)代產品開發(fā)模式、面向產品族的設計技術，并通過產品配置提供的實例進行變型設計，在新產品的設計中為設計人員進行變型設計提供最高起點?？焖僭O計的基礎是CAD/CAPP/CAE/CAM/PDM(后稱4CP)集成技術，并在設計中應用基于知識的工程設計方法(Knowledge Based Engineering；KBE)、基于實例的知識采集和推理(Case-based reasoning；CBR)等知識化設計技術、面向產品族的模塊化技術、變量化技術，充分利用企業(yè)的知識、資源。以4CP為核心的計算機輔助技術已在國內外生產領域發(fā)揮越來越重要的作用，相關研究逐步深入并不斷擴展。機械產品應用計算機輔助設計工具對提高生產率具有重要意義，是企業(yè)加速新產品開發(fā)、提高產品質量、開拓市場、增強競爭力的有力手段。
目前，4CP集成技術在歐美、日本等工業(yè)先進國家已成功地應用于國防、航空、汽車、機械、電子等行業(yè)，應用對象也從簡單零件發(fā)展到復雜系統(tǒng)，取得了十分顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。
然而，就目前國內相關產品的設計、制造水平來說，技術、觀念和手段上相對落后。工業(yè)發(fā)達國家已普遍采用三維設計方法，輔以有限元分析，設計周期短、重量輕、質量好；而國內目前仍采用以經(jīng)驗設計、傳統(tǒng)材料力學理論為基礎，進行簡單的剛度和應力的校核，并僅限于使用二維CAD軟件的平面工程圖紙的繪制。這種設計方法的局限性大，造成了設計周期長、設計出的產品重量大、報價誤差難以控制等缺陷。
國內相當多的院校、研究機構已研究出典型零件及標準零部件的CAx集成系統(tǒng)，針對螺桿泵CAx也有研究，但系統(tǒng)應用效果不是很理想，分析起來，存在如下缺陷大部分CAD子系統(tǒng)建立在二維系統(tǒng)之上，只是完成了“甩圖版”工作，并沒有發(fā)揮計算機輔助設計優(yōu)勢。其不足之處表現(xiàn)為(1)大量電子圖檔無序存在于計算機中，沒有很好地組織、管理，以作為企業(yè)資源被新設計利用。(2)由于二維圖紙表達零件結構的缺陷，使得CAD與CAE及CAM不能無縫集成，因此限制了CAE、CAM在產品設計制造中的推廣和應用。(3)CAE在產品設計中的作用沒有得到重視及發(fā)揮。

發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供了一種應用KBE、CBR等知識化設計、模塊化、變量化技術建立基于三維CAD平臺的螺桿泵的集成化設計方法，將產品設計、分析、制造、工藝規(guī)劃等方面集成化地統(tǒng)一在一起，可以加快螺桿泵產品的設計、縮短產品制造周期，提高產品質量，最終提高企業(yè)的產品競爭力。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明螺桿泵的集成化設計方法包括以下步驟本發(fā)明螺桿泵的集成化設計方法，包括以下步驟(1)根據(jù)用戶需求，創(chuàng)建螺桿泵的初始設計主參數(shù)；(2)根據(jù)初始設計主參數(shù)，檢索數(shù)據(jù)庫中是否存在滿足用戶需求的產品，如果存在，則提取相關產品的技術資料；如果不存在，則檢索出相似產品后進行變型設計；所述變型設計進一步包括確定產品的功能模塊組成，并將上述初始設計主參數(shù)分配到各功能模塊中，從而建立產品的功能模塊設計方案；(3)根據(jù)上述產品的功能模塊設計方案，從數(shù)據(jù)庫中檢索已有產品的功能模塊的結構實例，判斷數(shù)據(jù)庫中是否存在相似的功能模塊結構實例；如果存在，則直接引用，然后進入步驟(4)；如果不存在，則利用CAD/CAE進行功能模塊結構的設計包括參數(shù)化設計螺桿泵的橫截面型線，創(chuàng)建功能模塊的三維模型；(4)是否對上述功能模塊進行ANSYS有限元分析；如果進行，則對上述功能模塊進行優(yōu)化分析，并繪制直徑、導程對應力變化的影響曲線，實現(xiàn)對相關參數(shù)的優(yōu)化；(5)根據(jù)功能模塊結構進行工藝規(guī)劃，生成工藝過程卡及工序卡。
本發(fā)明螺桿泵的集成化設計方法，其中，對于需要利用數(shù)控機床加工的模塊結構，則利用CAM子系統(tǒng)，生成NC加工代碼。
進一步包括以下步驟根據(jù)生成的NC加工代碼，對計算機模擬加工后的螺桿橫截面型，進行干涉檢查，并進一步對加工數(shù)控程序進行修正。
所述優(yōu)化分析包括以下步驟通過靜態(tài)分析、靈敏度分析，挑選出對強度、剛度影響較大的參數(shù)及參數(shù)變化范圍，優(yōu)選出最佳的幾何設計參數(shù)。
所述數(shù)據(jù)庫包括CAD數(shù)據(jù)庫、CAPP數(shù)據(jù)庫、產品結構庫和產品資源庫。所述產品資源庫包括產品庫、功能模塊庫、模塊實例庫。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明螺桿泵的集成化設計方法的有益效果是(1)本發(fā)明是建立基于模塊化面向產品族的產品快速設計制造系統(tǒng)，并將知識化設計、變量設計融入產品的設計中，建立支持新產品開發(fā)的CAD/CAM一體化方案。本發(fā)明采用先進的設計理論和方法實現(xiàn)CAD/CAE/CAPP/CAM/CAE集成，大大地提高了螺桿泵的設計、制造水平，也必將給使用企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益，對推動企業(yè)4CP集成技術和企業(yè)的技術進步將起到積極的作用。同時，在4CP系統(tǒng)集成技術的理論研究方面也很有價值。
(2)由于本發(fā)明結合螺桿泵設計制造關鍵技術，知識化設計技術，模塊化技術、變量化技術，有針對性地開發(fā)了CIMS體系結構中的4CP集成技術和系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了對包括產品模型(二維或三維模型)、設計文檔、設計數(shù)據(jù)、工藝規(guī)程、工藝數(shù)據(jù)、數(shù)控程序的產品綜合信息的統(tǒng)一管理。
(3)本發(fā)明設計方法中建立了支持螺桿泵設計——分析——制造全過程的統(tǒng)一產品定義模型，最終構造出了CAD-CAE-CAPP-CAM及產品仿真分析一體化的系統(tǒng)框架，將現(xiàn)代設計方法及科學思維方法和實施方法應用到企業(yè)的工程實踐中。
(4)本發(fā)明螺桿泵的集成化設計方法直接應用于螺桿泵產品的設計及生產制造中，通過提供最優(yōu)設計方案和工藝方案，可以縮短產品設計和生產準備周期，能夠達到提高產品質量，降低制造成本之目的，從而有力地推動企業(yè)的技術進步，并獲得顯著的經(jīng)濟效益。


圖1-1和圖1-2是本發(fā)明螺桿泵的集成化設計方法的流程圖；圖2-1、圖2-2和圖2-3是螺桿直徑d對螺桿變形以及剪應力和Mises應力影響的關系曲線；圖3-1、圖3-2和圖3-3是螺桿導程L對螺桿變形以及剪應力和Mises應力影響的關系曲線。
具體實施例方式
下面將結合實施例，并參照附圖進行詳細說明，以便對本發(fā)明進行更深入的說明。
如圖1-1和圖1-2所示，首先，輸入用戶對螺桿泵的需求信息，包括排水量、排出壓力、吸入高度、最高溫度、允許粘度、非潤滑介質、含固體雜質的流體腐蝕性介質等，步驟101。
根據(jù)上述需求信息，創(chuàng)建螺桿泵的初始設計主參數(shù)，諸如螺桿泵的類型、螺桿的頭數(shù)、螺桿的直徑、行程、輸入軸的直徑、螺套的材料等，步驟102。
根據(jù)初始設計主參數(shù)，從系統(tǒng)中的螺桿泵產品資源庫中進行檢索，判斷是否存在滿足用戶上述需求的產品，步驟103和104。
如果存在滿足用戶上述需求的產品，則提取相關產品的技術資料，直接引入產品，步驟105。
如果不存在完全滿足用戶需求的產品，則到產品資源庫進行螺桿泵相似功能模塊方案檢索，步驟106。
如果檢索出相似產品，則在相似產品的基礎上進行功能模塊方案的變型設計。上述功能模塊方案的變型設計是根據(jù)用戶的上述需求，確定產品由哪些功能模塊組成，諸如除了基本零部件之外，是否包括電機、螺桿泵中各零部件之間的連接關系、螺桿泵支撐的安裝方式、螺桿泵的應用工況等，根據(jù)這些因素確定螺桿泵的類型及其組成螺桿泵的功能模塊，并將各設計主參數(shù)分配到各功能模塊中，從而確定產品的功能設計方案，在該過程中，為了提高設計效率，可檢索功能模塊數(shù)據(jù)庫中已有產品的功能模塊方案及功能模塊庫，并加以引用并進一步編輯相似產品功能模塊的解決方案，使之達到要求，步驟108和110。
如果不存在相似的功能模塊方案，則創(chuàng)建滿足需求的產品功能模塊的解決方案，在創(chuàng)建的過程中，從資源庫中的功能模塊庫中查找所需的功能模塊進行添加，步驟109。
下面以螺桿泵中的螺桿為實例，對功能模塊結構及加工工藝的設計過程作進一步詳細描述。
系統(tǒng)選取在上述109步驟或110步驟中所建立的其中一個功能模塊，步驟111；根據(jù)上述分配到螺桿的設計參數(shù)，如螺桿的頭數(shù)、流量、排出壓力、介質的粘度等，進行結構設計。
首先，從數(shù)據(jù)庫中檢索已有產品的功能模塊的結構實例，如果存在，則直接引用，步驟112；如果不存在，對功能模塊的結構實例進行相似性檢索，如果存在相似的功能模塊結構，則在相似模塊結構的基礎上進行變型設計，步驟115和步驟114；如果不存在相似功能模塊結構，則根據(jù)上述設計參數(shù)的要求重新設計，步驟114。無論是變型設計還是重新設計，在其結構設計中利用CAD工具所提供的參數(shù)化功能來進行參數(shù)化設計，如根據(jù)螺桿頭數(shù)確定螺桿的截面型線及掃略路徑，從而快速地設計出滿足上述螺桿設計參數(shù)的螺桿結構，構建螺桿的三維模型，至此完成了螺桿結構設計，依此類推，完成其它功能模塊的設計。
對于螺桿泵中的螺桿、螺套等零件，由于它們是決定螺桿泵性能的主要零件，因此，對于上述設計出的螺桿及螺套，可根據(jù)其受力及約束情況，采用ANSYS有限元分析軟件對螺桿、螺套等主要零部件的三維結構模型進行優(yōu)化分析，通過靜態(tài)分析、靈敏度分析，挑選出對強度、剛度影響較大的參數(shù)，如對螺桿應力，螺桿與螺套剛度的扭轉變形分析，繪制直徑、導程對應力變化的影響曲線，實現(xiàn)對相關參數(shù)的優(yōu)化，步驟116和117。
下面以螺桿泵中的螺桿為例，說明采用ANSYS有限元分析軟件進行設計參數(shù)靈敏度分析的過程。
螺桿幾何形狀主要由直徑d和導程L決定，它決定了密封工作腔的大小，即泵的排量。改變直徑d和導程L時，不僅改變排量，而且對螺桿的變形和應力也有影響。這里進行靈敏度分析時，討論泵排量不變的前提下，直徑d和導程L對螺桿的影響。
圖2-1、圖2-2和圖2-3為螺桿直徑d對螺桿變形以及剪應力和Mises應力影響的關系曲線。圖3-1、圖3-2和圖3-3為螺桿導程L對螺桿變形以及剪應力和Mises應力影響的關系曲線。從結果可以看出變形與應力隨螺桿直徑的增加而降低，隨螺桿導程的增加而增大。當直徑小于42mm，導程大于100mm時這種降低和增大的變化非常顯著。由于排量不變時，直徑與導程成反比，因此，優(yōu)化結構參數(shù)時必須同時權衡這兩個量。根據(jù)上述有限元分析的結果，優(yōu)選出最佳的幾何設計參數(shù)，以提高設計質量和效率。
結構設計完成后，根據(jù)零部件結構進行工藝規(guī)劃，生成工藝過程卡及工序卡，以備加工制造使用，步驟118。
對于需要在數(shù)控機床加工的零部件，如螺桿等，可利用CAM子系統(tǒng)，直接生成NC加工代碼，并可通過計算機模擬加工后的螺桿型面，進行干涉檢查，進一步對加工數(shù)控程序進行修正，步驟119和120。
至此，完成了螺桿泵中螺桿功能模塊的設計，若需要繼續(xù)設計另外一個功能零部件，則返回步驟111繼續(xù)進行，直至完成整個螺桿泵的功能設計。
盡管上面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
權利要求
1.一種螺桿泵的集成化設計方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據(jù)用戶需求，創(chuàng)建螺桿泵的初始設計主參數(shù)；(2)根據(jù)初始設計主參數(shù)，檢索數(shù)據(jù)庫中是否存在滿足用戶需求的產品，如果存在，則提取相關產品的技術資料；如果不存在，則檢索出相似產品后進行變型設計；所述變型設計進一步包括確定產品的功能模塊組成，并將上述初始設計主參數(shù)分配到各功能模塊中，從而建立產品的功能模塊設計方案；(3)根據(jù)上述產品的功能模塊設計方案，從數(shù)據(jù)庫中檢索已有產品的功能模塊的結構實例，判斷數(shù)據(jù)庫中是否存在相似的功能模塊結構實例；如果存在，則直接引用，然后進入步驟(4)；如果不存在，則利用CAD/CAE進行功能模塊結構的設計包括參數(shù)化設計螺桿泵的橫截面型線，創(chuàng)建功能模塊的三維模型；(4)是否對上述功能模塊進行ANSYS有限元分析；如果進行，則對上述功能模塊進行優(yōu)化分析，并繪制直徑、導程對應力變化的影響曲線，實現(xiàn)對相關參數(shù)的優(yōu)化；(5)根據(jù)功能模塊結構進行工藝規(guī)劃，生成工藝過程卡及工序卡。
2.根據(jù)權利要求1所述的螺桿泵的集成化設計方法，其中，對于需要利用數(shù)控機床加工的模塊結構，則利用CAM子系統(tǒng)，生成NC加工代碼。
3.根據(jù)權利要求2所述的螺桿泵的集成化設計方法，其中，進一步包括以下步驟根據(jù)生成的NC加工代碼，對計算機模擬加工后的螺桿橫截面型，進行干涉檢查，并進一步對加工數(shù)控程序進行修正。
4.根據(jù)權利要求1所述的螺桿泵的集成化設計方法，其中，所述優(yōu)化分析包括以下步驟通過靜態(tài)分析、靈敏度分析，挑選出對強度、剛度影響較大的參數(shù)及參數(shù)變化范圍，優(yōu)選出最佳的幾何設計參數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的螺桿泵的集成化設計方法，其中，所述數(shù)據(jù)庫包括CAD數(shù)據(jù)庫、CAPP數(shù)據(jù)庫、產品結構庫和產品資源庫。
6.根據(jù)權利要求1所述的螺桿泵的集成化設計方法，其中，所述產品資源庫包括產品庫、功能模塊庫、模塊實例庫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用KBE、CBR等知識化設計、模塊化、變量化技術建立基于三維CAD平臺的螺桿泵的集成化設計方法，該方法包括(1)根據(jù)用戶需求，創(chuàng)建螺桿泵的初始設計主參數(shù)；(2)根據(jù)初始設計主參數(shù)，檢索數(shù)據(jù)庫中是否存在滿足用戶需求的產品，(3)根據(jù)上述產品的功能模塊設計方案，從數(shù)據(jù)庫中檢索已有產品的功能模塊的結構實例，判斷數(shù)據(jù)庫中是否存在相似的功能模塊結構實例；(4)是否對上述功能模塊進行ANSYS有限元分析；(5)根據(jù)功能模塊結構進行工藝規(guī)劃，生成工藝過程卡及工序卡；另外，對于需要利用數(shù)控機床加工的模塊結構，則利用CAM子系統(tǒng)，生成NC加工代碼；并對計算機模擬加工后的螺桿橫截面型進行修正。
文檔編號G05B19/4097GK1760876SQ20051001599
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權日2005年11月10日
發(fā)明者郭津津, 朱世和, 史建平, 董黎敏, 楊秀萍, 武剛 申請人:天津理工大學