（流体机械及工程专业论文）潜水排污泵的cadcam.pdf

江苏大学硕士论文 摘要 ( 在计算机硬件和软件飞速发展的今天，计算机辅助设计和计算机辅助制造 ( c a d c a m ) 在产品的开发和生产领域中所起的作用越来越重要，它的发展和应 用水平已经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之。 由于三维实体建模不仅可以以其直观明了的特点来充分体现设计意图，而且 其提供的空间数据是对所设计的产品进行铸模设计、模拟加工、模拟装配等的基 础，其在设计和生产领域中正在逐步取代二维产品设计，已成为一个必然的发展 趋势。这也是近年来三维c a d c a m 系统得以迅速发展的最主要原因之一。 在国内泵行业中，c a d c a m 系统基本上还只局限于产品的二维c a d 开发， 而很少涉足能够实现c a d 、c a m 的紧密结合的三维建模开发，这在很大程度制 约了整个行业的设计生产能力的提高。 作为输送机械，潜水排污泵以其优良的无堵塞性和通过性在环保中所起的作 用越来 递增， 鉴 发展，潜污泵的需求也日益 提出了其水力设计的方法、 建立了双流道叶轮轴面图和轴面流道中线的数学模型以及平面图流道中线功能 子模块，在s o l i d w o r k s 平台上用v b 进行潜污泵水力设计的开发，利用o l e 技术 和数据库接口技术，以参数化设计方法的求解方案为理论基础，通过调用 s o l i d w o r k s 的内部a p i 函数来实现潜污泵的三维建模和三维参数化结构以及一 些标准件库的开发。在这个过程中，比较详细的介绍了用v b 对s o l i d w o r k s 进行 二次开发的方法。另外，本文还分析了用s o l i d w o r k s 软件中无缝集成的c a m 模 块进行计算机辅助加工的一般方法，并在三维实体的基础上，根据生产实际情况， 演示了叶轮盖板的计算机模拟仿真加工过程以及生成c n c 代码。 关键词：鱼型唑三维矗彩潜考多s 。l i d w 。r k 。参数化寝f 模拟力口工双流道叶掺 二次开发 数学模型 v l 坚蔓查堂堡主笙苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ec o m p u t e r , t h e t e c h n o l o g yo fc a d c a mp l a y sf lm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fp r o d u c t a n dd e s i g n ， w h i c hi naa s p e c ti st h er e p r e s e n t a t i o no ft h el e v e lo f t h em o d e r n i z a t i o no ft h es c i e n c e & t e c h n o l o g ya n d t h ei n d u s t r yo fan a t i o n t h et e c h n o l o g yo ft h e3 de n t i t ym o d e l i n gn o to n l yc o u l de m b o d yt h ei d e ao fd e s i g n s u f f i c i e n t l y , b u t a l s oi st h ef o u n d a t i o nt h em o l d d e s i g n a n dt h es i m u l a t i o no ft h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt h ea s s e m b l i n gp r o c e s s s t e pb ys t e p ，i nt h ef i e l do fd e s i g na n d p r o d u c et h et e c h n o l o g yt h e3 dd e s i g ns u b s t i t u t e sf o rt h et e c h n o l o g yo f 2 dd e s i g n ，w h i c h m u s tb ead i r e c t i o ni nt h ef u t u r e w h a tw eh a v et a l k e da b o u ti so n eo ft h em a i nr e a s o n st h a t c a u s et h er a p i dp r o g r e s so f t h es y s t e mo f 3 dc a d c a m i nt h ep u m p i n d u s t r yi nt h en a t i o n ，t h ec a d c a ms y s t e mi so n l yt h e2 d c a d s y s t e m ， n o tt h e3 de n t i t ym o d e l i n gs o f t w a r et h a tc o u l di n t e g r a t ec a dw i t hc a mc l o s e ，w h i c h r e s t r a i n st h ea d v a n c eo f t h e t e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r y b e c a u s eo fi t sg o o dn o n c l o g g i n gc a p a b i l i t ya n dl i q u i d i t y , s u b m a r i n es e w a g ep u m ph a s b e e nm a d e g o o d u s ei nt h ee n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o ni n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e e n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o ni n d u s t r y , t h ea m o u n to f t h e r e q u i r e m e n to f t h es u b m a r i n es e w a g e p u m p i si n c r e a s i n g ，w h i c hh a sb e e nt h en e w e c o n o m yr i s i n gp o i n t i nt h ep u m p i n d u s t r y b a s e do nt h et h i n gih a v em e n t i o n e d a b o v e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f t h es u b m a r i n e s e w a g ep u m p ，t h em e t h o dh o w i ti sd e s i g n e di s g i v e na n ds o m em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e f o u n d e di nt h i s p a p e r a l s o ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ew a yh o w t od e v e l o pt h es u b m a r i n e s e w a g ep u m pc a d c a ms y s t e mo ns o l i d w o r k s ，t h e3 de n t i t ym o d e l i n go ft h ed o u b l e c h a n n e li m p e l l e r ，t h e3 d p a r a m e t r i cd e s i g no f t h eb o d yo fp u m pa n dt h ef o u n d a t i o no fs o m e s t a n d a r d p a r tl i b r a r yt h o r o u g h l ya n dd e e p l y a tt h es a m et i m e ，o nt h ec a ms o f t w a r e i n t e g r a t e d i n t o s o l i d w o r k s ，t h ec o m p u t e rd y n a m i cs i m u l a t i o no ft h en cm a n u f a c t u r e i m p e l l e rp r o c e s s i sp e r f o r m e d k e y w o r d s ：c a d c a m3 de n t i t ym o d e l i n gs u b m a r i n es e w a g ep u m ps o l i d w o r k s p a r a m e t r i c d e s i g n s i m u l a t i o no f m a n u f a c t u r e d o u b l ec h a n n e li m p e l l e r s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l l i 学位论文版权使用授权书 y s s 乏2 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容和部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文a 本学位论文属于 保密 司，在 年解密后适用本授权书。 不保密囹 学位论文作者签名：超p 徒名指导教师签名：袍卫牟、 z 口g 磐6 玛f 0 b 上l 年6 月，。日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签铂晷 2 d 统缂多月口日 坚蔓查兰堡主堂垡笙壅 第一章绪论 1 1 潜水排污泵的研究现状 潜水排污泵广泛应用于国民经济的各行各业。在市政、环保、矿山、轻工、 化工、水利等行业的许多工业流程、生活污水、工业废水等的排放中都要用到可 以输送含有固体颗粒悬浮物或纤维状悬浮物液体的泵( 潜水排污泵) ，如用来抽 送污水污物、泥浆纸浆、灰渣等等。而且，随着环保越来越受到世人的关注，潜 水排污泵在环保中所起的作用也越来越大，它的需求量也日益递增。 由于潜污泵输送的介质所具的特殊性，导致它的结构和水力设计和一般清水 泵有着很大的不同。但是由于其应用的日益广泛，因此它成为近年来国内外研究 和产品开发的重点。 早在二十世纪五十年代，国外就开始了对潜污泵的研究和生产。瑞典飞力 ( s t e r b e r y - - f l y g t ) 公司自1 9 5 6 年开始生产潜水排污泵，使污水泵站的成本大约 减少一半，并在建筑施工、隧道、矿山等处广泛应用。到了6 0 年代末，德国、 美国、日本等国也相继开始生产潜水排污泵。目前，由于瑞典飞力公司的潜水排 污泵设计新颖、叶轮结构形式多种多样，处于世界发展的前列。日本的建筑设备 和工程用潜水排污泵也已标准化和系列化，在结构形式、材料选用和自动控制等 方面都取得了新的成就。 国内对潜水排污泵的研究始于8 0 年代末9 0 年代初。江苏工学院的关醒凡教 授于1 9 9 5 年在国内最早系统地提出和总结了各类无堵塞泵( 包含潜水排污泵) 的设计方法。江苏理工大学的施卫东教授于1 9 9 7 年对潜水排污泵的水力设计方 法作了较为完整的综述和研究。 目前在潜水排污泵上的工作主要集中在单流道叶轮、双流道叶轮和蜗壳的水 力设计方面( 例如怎样提高效率、减少振动等) 及相关产品的开发。 1 2c a d c a m 技术的概况 计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术，作为一门新的综合性计算机应用技 术，它的发展几乎推动了一切领域的设计革命，引起了产品设计和制造方式的根 本性变革，取得了显著的经济效益，1 9 8 9 年美国工程研究院把它列为近2 5 年间 当代最杰出的十大工程技术成就之一。目前，它的发展和应用水平已经成为衡量 一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。 经过近四十年的研究和应用，c a d c a m 技术已经从国防工业发展到民用工 业，从发达国家流向发展中国家，其应用领域已渗透到各行各业，不仅在机械、 电子、建筑等行业获得了广泛应用，而且在气象、医疗、影视、广告、动画等领 域也有广阔的应用前景。 在发达国家，c a d c a m 技术已进入了普及阶段，商品化软件已趋于成熟， 应用极为普遍，它的应用使产品的设计制造和组织生产的传统模式产生了极为深 刻的变革，在这些国家中，c a d c a m 技术已形成了一个推动各行各业技术进步， 能够创造大量的财富，具有相当规模的产业部门软件产业。根据美国统计， 江苏大学硕士学位论文 c a d c a m 世界市场总额1 9 8 5 年为3 5 亿美元，1 9 8 8 年为5 4 亿美元，1 9 9 0 年达 1 4 4 亿美元，年平均增长率已达2 0 以上。 目前已经成熟的c a d c a m 软件，如美国的p t c 公司的p r o e n g i n e e r , e d s 公司的u g i i ，s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s 等，都具有一些共同特点，如：c a d 和c a m 部分一般共用统一的数据模型，具有和其他软件进行数据交换的统一接 口，在c a d 部分大多具有友好的图形用户界面，方便灵活的曲面造型或实体造 型功能，栩栩如生的真实感图形显示，使设计人员在设计完成后就能预先看到产 品的实体模型，缩短了产品的研制周期，提高了开发新产品的成功率：在c a m 部分，系统能按用户给定的精度自动产生加工工艺和数控加工刀具轨迹、动态模 拟加工过程、自动检测刀具的干涉和碰撞等，提高了零件加工的精度和可靠性， 缩短了加工周期，提高了数控机床的利用率，而且降低了零件加工的材料消耗， 最终导致产品制造成本的降低。 随着c a d c a m 技术与并行工程技术的结合，又产生了虚拟产品设计技术， 该技术将产品从开发的“实物原型”中摆脱出来，在产品的开发过程中人们可以 在计算机上的“虚拟现实”环境中建立模型、进行分析及修改设计，大大缩短了 产品的设计周期，降低了产品的研制成本，反映了新一代c a d c a m 系统的发 展方向。 c a d c a m 技术能取得如此杰出的成就，不仅与某些关键技术的突破密切相 关，而且还与它所处的环境密不可分。c a d c a m 技术的发展深刻地改变了人们 设计和制造产品的常规方法。同时，设计环境、制造环境和市场环境的改变，又 推动了c a d c a m 技术的发展。目前，c a d c a m 技术已由最初的“技术推动” 发展到“需求牵引”。 我国c a d c a m 技术的研究与应用始于7 0 年代初期，经过了2 0 多年的不懈 努力，已经在硬件系统、支撑软件、应用软件等方面取得了较大的成就，但从整 体上来看，我国c a d c a m 技术在基础研究和商品化方面同国际先进水平仍存 在较大的差距。 1 3 泵c a d c a m 的现状和未来 泵作为一种古老且应用极为广泛的通用机械，可以说凡是有流体流动的地方 几乎都有泵在工作。据国家不完全统计，泵的耗电量大约占全国总发电量的l 5 。 因此，提高泵的技术水平对节能降耗具有重要的意义。 泵的设计包括水力设计和结构设计。传统的水力设计有模型换算法和速度系 数法，在手工设计中，都是采用反复修改，反复逼近，近似满足的方法，在设计 过程中，存在着大量的重复性工作，使得计算量很大，且不可避免地存在很大的 误差( 计算误差、积累误差等) 。其结构设计图纸也靠手工绘图，由于泵的结构 复杂多变，因此图纸工作量尤其大。在当今国内外市场竞争日益加剧，技术飞跃 发展的时候，机械产品寿命越来越短，更新换代日益频繁，这些传统的设计方法 由于设计繁琐，设计周期长，产品更新换代困难，再也不能适应市场竞争的需要。 尤其在水泵行业，由于泵属于典型的多品种、小批量生产的机械产品，产品的寿 命更短，而且，零部件结构变化多，形状复杂多变，更需要彻底地对传统的设计 方法进行改革。 在计算机技术迅猛发展的今天，把计算机技术应用到泵的设计中，不仅可以 江苏大学硕士学位论文 提高泵的水力设计效率，改善它的结构设计。而且，可以把所设计的产品在计算 机上模拟运行，缩短从设计到出产品的周期，提高产品开发成功率。同时也可以 把设计和生产紧密结合起来，形成一体化，从而最终提高生产效率。在这里面， 就需要引进c a d c a m 技术。 近年来，随着c a d c a m 技术的快速发展，泵的c a d c a m 技术也得到了较 快的发展。但是国内泵c a d c a m 技术在硬件和软件两个方面都落后于同期其 他产品c a d c a m 技术的发展水平。 在国外，进入九十年代后，泵的c a d c a m 技术出现了两个重要特征： f i ) c a d c a m 的硬件由八十年代初期的以小型机为主转入现在的以微机平 台为主。 经过四十多年的发展，c a d c a m 技术有了长足的进步。现在c a d c a m 主 要运行在工作站或微机平台上，工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格 却十分昂贵，而且，工作站上的系统软件和c a d 软件使用起来太复杂，这在一定 程度上限制了c a d c a m 技术的推广。随着p e n t i u m 芯片和w i n d o w s n t 操作系 统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的c a d c a m 软件现在也可以运行 在微机上。由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少， 并且w i n d o w sn t 操作系统的安全性与d o s 、w i n d o w s3 x 、w i n d o w s9 5 9 8 等操 作系统相比有了很大提高。所以，微机平台为普及c a d 应用创造了绝好的条件。 在此基础上，c a d c a m 软件厂商展开了新一轮的竞争。一方面工作站上著名的 c a d c a m 的软件( 如u g 、c a t i a ) 全功能地移植到微机平台上，使微机完全 对等地实现了工作站环境的处理能力；另一方面c a d c a m 软件打破了原有u n i x 环境的桎梏，在w i n d o w s 平台上全面拓展。p e n t i u m 以上处理器和n t 环境已经 或者正在成为c a d c a m 软件运行和应用的主流平台。 目前国外的泵设计制造部门所使用的c a d c a m 硬件主要有两种：一种是 工作站，另一种是微机平台。但是在这股潮流的影响下，特别是现在众多功能稳 定出色的微机平台c a d c a m 软件的推出，使泵的c a d c a m 硬件总的发展趋 势是朝着微机平台方向发展。 ( 2 ) c a d c a m 市场出现了一大批比较著名的支撑软件。 一个完整的c a d c a m 系统，其软件系统由系统软件、支撑软件和应用软 件三部分组成。 系统软件主要指计算机的操作系统和编写应用软件的高级语言。可供选择的 操作系统主要有：d o s 、0 s 2 、u n i x 、w i n d o w s3 2 、w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w s n t 等。目前工作站几乎都是采用u n i x 操作系统，微机基本上都是采用w i n d o w s 操作系统。由于采用w i n d o w s 操作系统是新一代推出的微机c a d c a m 软件的 共同特点，而且，个人计算机已经具备了与中低档工作站竞争的实力，再加上其 价格低廉，使得w i n d o w s 操作系统成为c a d c a m 软件的首选操作系统已成为 一种趋势。 c a d c a m 支撑软件主要有两大类：一类是集成化的c a d c a m 系统，如 p r o e 、i d e a s 、u g 等，这一类软件基本上提供了所有的现代c a d 的功能，如 几何建模、优化方法、有限元结构分析、c a m 接口及c n c 数控指令、c a p p 分 析等，但是价格较高；另一类由一些单项功能很强的模块联合构成c a d c a m 的 支撑软件系统，如s o l i d w o r k s 等，这类支撑软件使用灵活，单项功能很突出，能 够根据用户的需求量身度作。但总体功能不如集成化的支撑软件，相对于集成化 江苏大学硕士学位论文 的支撑软件而言，价格较低，使用方便，比较适合我国生产厂家的实际情况。 应用软件由设计部门和生产厂家根据自己的产品自行设计以满足设计和生 产需求的应用终端。本课题的主要目的就是在s o l i d w o r k s 支撑软件上开发潜水排 污泵的c a d c a m 的应用软件。 同国外相比，国内泵c a d c a m 水平在硬件和软件两个方面都落后于国外同 期发展水平。但是随着性能优良的微机平台的c a d c a m 的不断推出，以及计 算机技术的突飞猛进，阻碍泵c a d c a m 发展的瓶颈不再是硬件，而是软件方 面。 国内对水泵c a d c a m 系统的研究始于1 9 7 8 年，重点主要是在c a d 方面， 清华大学、沈阳水泵研究所、北京农业工程大学、浙江机械科学研究院、北京水 泵厂等先后开展了水泵c a d 的研究工作，并取得了一定的进展，不同程度地实 现了泵的c a d 。这些单位研究的泵c a d 各具特色，各有所长，但是基本上都是 建立在一元流动理论的基础上，对泵内三元流场的计算尚未涉及。江苏理工大学 于九十年代初在国内率先进行了泵c a d 、泵图形库和泵内三元粘性流动及泵性 能的数值模拟等方面的研究，形成了一整套以一元理论进行造型设计，以三元流 动进行流场校核的泵c a d 系统，而且，他们开发的离心式清水泵水力设计软件 已为国内许多泵厂采用。国内在离心泵水力设计c a d 方面目趋成熟，而结构设 计c a d 以及在此基础上的c a m 已经成为计算机辅助设计的发展方向。由于泵 的种类繁多，结构复杂，形式千差万别，因此，般的软件基本上都是针对某一 系列的各个型号的泵进行设计的。 国内目前对单级小型离心清水泵的c a d 研究较多，而且主要集中在水力设 计和结构系列化方面。但是这类软件大都只能生成叶轮和泵体的二维生产用图， 而不能得到可以实现c a d 和c a m 紧密结合的三维模型。这在很大程度上说还 不能充分利用c a d c a m 系统的优点来加快产品开发、设计和生产的周期，也 是和整个c a d c a m 发展潮流不相吻合的。 今后，计算机在泵行业中的应用是向c a d c a m 一体化方向发展。在设计中， 由于参数的改变引起的结构改变可以直接反映到制造加工系统中，而另一方面， 在经过工艺分析、性能测试以后，结构参数的改进可以反馈到设计系统中，然后 再进行优化设计，最终向c i m s 方向发展。 1 4 课题研究的背景及任务 1 4 1 课题的研究背景 随着社会主义市场经济的不断发展和完善，科学技术是第一生产力的光辉论 断已成为社会的共识。把计算机技术应用于设计和生产领域已成为缩短产品更新 周期、提高生产率的一种必不可少的手段。在水泵行业运用c a d c a m 乃至c i m s 系统已是一种必然趋势，在国内推行泵的c a d c a m 不仅可以使设计过程快速 化、简单化，而且可以使设计的产品质量更高、外观更美。国内现有的泵c a d 软件基本上都是二维的，而且主要是关于清水泵方面的，设计出来的产品很不直 观，而且基本上都没有和c a m 集成，只是纯粹的水力设计c a d 外加二维的结 构设计，不能实现参数化整体设计的概念。三维c a d c a m 软件作为一种流行 4 江苏大学硕士学位论文 趋势和时代的需求，它有着二维c a d 软件无法比拟的优点，不仅可以实现参数 化设计，而且更能直观地体现设计者的设计思想。同时也可以利用软件自身的装 配和加工等模块，尽快地反应设计中存在的不足，把c a d c a m 有机的结合起 来，让设计和生产更加紧密的联系起来，在某种程度上来说，可以为企业今后发 展c i m s 、p d m 系统打下坚实的基础。本文正是为了适应这一需求，为了提高 国内潜水排污泵产品的设计、开发能力，提升竞争力，而在现在流行的c a d c a m 软件s o l i d w o r k s 上开发潜水排污泵的c a d c a m 系统。 1 4 2s o l i d w o r k s 软件简介 s o l i d w o r k s 是基于w i n d o w s 操作系统的三维机械设计软件，是微机版技术指 标化特征造型软件的新秀。它有着易用和友好的界面，其灵活的操作方式和面向 对象的操作特点，得到了业界广大工程师的一致认可。它不仅有着强大的三维参 数化建模功能，优秀的装配功能和工程制图功能，而且还高度集成了结构分析 c o s m o j w o r k 、数控加工c a m w o r k s 等一系列专业软件，从而完成了从c a d 到 c a m 的无缝过渡。同时，它也以其适当的价格优势成为前两年c a d c a m 市场 用户占有率增长最快的软件。 最重要的是，它提供了开放的、面向用户的、完整的二次开发工具。它全面支 持微软的o l e 技术。它所支持o l e 2 0 的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i m e r f a c e ) 后继开发工具已经改变了c a d c a m 领域的传统的集成方式，使得不同的应用 软件能集成到同一个窗口，共享同一数据信息，以相同的方式操作，没有文件传 输的烦恼。我们可以用我们所熟悉的v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc 、d e l p h i 等支持o l e 的编程语言来建立我们自己的应用方案。这样，我们不仅可以利用s o l i d w o r k s 内部提供的功能函数来实现对s o l i d w o r k s 直接访问的功能，而且可以通过 s o l i d w o r k s 和c a m w o r k s 的高度集成来实现产品的c a d c a m 的开发。 1 4 3 课题研究的方向及任务 针对潜水排污泵的水力设计特点，利用计算机高效的特点对潜水排污泵 进行水力设计，系统中采用交互式会话，这样可以使计算机和设计者随 时交换信息，设计者可以充分利用自身的工作经验和直观判断来修改设 计参数，让复杂设计更能体现人的意图，设计出的产品成功率更高。 采用v i s u a lb a s i c 语言，在s o l i d w o r k s 上进行二次开发，考虑到结构设 计与水力设计的衔接，在水力设计的基础上，自动完成潜水排污泵结构 三维设计；同时，以参数化设计的方法完成标准件库的建立。 应用曲面拟合方法，充分利用支撑软件的功能，生成三维立体图，让 c a d 、c a m 紧密的结合，同时也可以进行模拟装配和虚拟加工。 垩蒸查兰堡主兰堡垒苎 第二章潜水排污泵c a d c a m 2 1 系统运行要求 为了使本软件能够正常运行，计算机系统应有如下配置 1 硬件环境 p i i 以上处理器 6 4 m 以上基本内存 7 0 0 m 硬盘空间 8 m 显存、3 2 位真彩显示器 兼容鼠标器 2 软件环境 w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 n t s o l i d w o r k s9 9 或以上版本 v i s u a lb a s i c6 0 或以上版本 2 2 总体方案 潜水排污泵c a d c a m 系统( c a d c a m f o rs u b m a r i n e s e w a g ep u m p ) 简称 潜污泵c a d c a m 系统，利用软件设计的思想，面向用户，以对话框的形式， 建立人机信息交流渠道，根据潜水排污泵产品的特点，应用高级语言编程来实现 软件的计算、分析，同时开发高级语言与s o l i d w o r k s 的数据接口技术，来实现泵 的水力设计。并在这个基础上，利用s o l i d w o r k s 的本身参数化设计等功能，通过 数据传输完成潜水排污泵结构的参数化设计。由于潜水排污泵产品结构复杂，因 此本软件所研究的泵的三维造型，是利用s o l i d w o r k s 自身的软件功能，来完成模 拟装配、虚拟加工和n c 自动编程等功能。 本软件的总体设计方案结构如图2 1 所示。 6 江苏大学硕士学位论文 图2 1 总体设计方案 2 3 软件设计特点和所采用的技术 2 3 1 设计特点 运行采用人机对话方式。在整个设计过程中，由于采用参数化设计思想 软件采用对话框形式来传达信息，使设计者能更好地把握设计过程。 数据量大，关系复杂。在水力设计中，由于涉及的参数多，而且，为了 得出生产所必需的木模图和满足模拟流动所需的流道三维图，要得到多 个轴截面的数据，这就使得系统出来的数据量比较大，而且数据之间的 联系紧密。 大量的三维图形信息处理。在设计过程中，特别是在结构设计过程中， 有很多三维图形需要处理，于是本软件利用了s o l i d w o r k s 优越的三维 图形处理功能，在s o li d w o r k s 上进行二次开发。 c a d 、c a m 有机结合。由于s o l i d w o r k s 不仅是优秀的三维c a d 软件，而 且还有机集成了模拟装配模块、虚拟加工等c a m 模块，在s o l i d w o r k s 平台上进行二次开发，可以充分利用其优越的功能，把c a d 、c a m 有机 垩蔓查堂堡主堂竺堡壅 地结合，从而让设计和生产联系更紧密。 2 3 2 所采用的技术 模块化技术 采用模块化技术有利于将整个软件划分为多个功能模块，逐个设计 最后通过有机的结合来实现整体功能。这是符合现代软件开发思想的， 不仅利于软件的开发，而且也利于软件的调试、维护和更新。 交互技术 为了更好地体现设计者的思想，现代软件必须要采用交互技术才能 实现计算机和设计者的信息交换，才能把设计者的意图传达给计算机。 数据库技术 由于在设计过程中，要用到一系列公式和经验数据，如果不采用数 据库技术，则需要手工查阅，繁琐而且费时，同时还容易出错。 d d e 技术 d d e 技术就是动态数据交换技术，通过它，两个或者两个以上的 w i n d o w s 应用程序可以相互自由地交换数据。这也是w i n d o w s 操作系统 的优点之一。 o l e 技术 o l e 就是w i n d o w s 对象链接与嵌入技术，o l e 对象的链接与嵌入是 引入其它应用程序设计的对象，o l e 技术可以满足用户在一个文档中加 入不同格式数据的需要( 如文本、图像、声音等) ，即所谓建立复合文档 问题。o l e 是一种能使它们共享不同应用程序信息资源的技术，用户能 够构造声、文、图、像、影于一体的复合文档，可以很容易地集成应用 程序。我们在w o r d 文档中嵌入e x c e l 表格，当用鼠标双击电子表格时， w o r d 的菜单、工具条都变为e x c e l 的菜单、工具条，这就是o l e 技术的 使用：在w i n 9 5 下，我们可以将一个数据对象用鼠标拖动到另一个软件 的文档中，这也是o l e 技术的使用。 坚苎奎堂堡_ 上兰竺丝苎一 一一 2 4 软件设计模块介绍 模块设计技术是软件设计所普遍采用而且行之有效的方法，它不仅可以简化 程序设计，提高软件开发和维护效率，而且还可以提高软件的可移植性和扩充性。 本软件由以下几个功能予模块组成： 水力设计模块。水力设计是整个潜污泵设计的心脏，它的好坏直接影响 到整个产品设计的成功与否。该模块在s o l i d w o r k s 上采用v i s u a lb a s i c 语言编程，以对话框的方式来获得设计者所需提供的基本参数和数据以 及让设计者获得设计过程的必要信息，从而使设计者的思想贯穿整个过 程。该模块得到水力设计的必要参数后，输出轴面投影图，校核流道的 形状，作出轴面截线，平面流线加厚，最后绘出流道三维立体图，并保 存相关数据，为后续工作打好基础。 结构设计模块。考虑到时间等因素，本文所说的结构设计主要是指叶轮 的结构设计( 泵体的结构设计由于时间关系，只完成流道的三维实体生 成) ，如同人的肠胃，它的流道“畅通”与否直接影响到整个机体的功能 发挥。该模块主要是在水力设计的基础上对叶轮流道建立几何描述，输 出叶轮三维结构图，并在必要部位提供参数化设计从而使整个叶轮结构 更合理和体现设计者的个性。在这里面，应用数据库技术来完成和水力 设计模块的数据传输。同时，针对叶轮结构复杂、有系列化的特点，利 用叶轮结构的相似性，在s o l i d w o r k s 上建立三维数学模型，利用开发平 台的参数化特点，处理各种约束关系，最终完成结构设计的自动生成， 并为后面的c a m 模块提供必要图形数据。 标准件库模块。标准件在泵的装配中的需求量很大，开发基于国标的可 扩充标准件件库对于加快整泵的开发来说有着很大的推动作用。 c a m 模块。由于潜污泵本身的特点和生产实际情况，这里的c a m 仍主要 是指叶轮和泵体部分的计算机辅助加工，但是以叶轮为例。根据结构设 计模块所提供的图形数据和几何描叙，利用s o i i d w o r k s 本身集成的c a m 模块，来完成模拟加工，生成n c 指令并输出到数控机床。 文件管理模块。在设计过程中，常常要把一些结果以文件的形式保存起 来，如木模图、三维结构图( 包括二维三视图) 等，而且还有打开一些 已存文件，这就需要管理模块来实现文件的存取、删除等功能。 辅助模块。这个模块主要是指导用户使用本软件，实时提供帮助，让用 户快速掌握本软件的操作和顺利完成设计过程。 9 坚蔓奎堂堡主堂垡丝苎 3 1 叶轮水力设计 第三章叶轮设计模块 叶轮是泵最重要的工作元件，是过流部件的心脏，泵的扬程、流量、效率、 抗汽蚀能力和特性曲线的形状归根结底在绝大部分程度上都由叶轮的水力设计 决定。目前叶轮的水力设计主要采用速度系数法和相似换算法，建立在一元理论 基础上的速度系数法已经比较完善和可靠，可以随意确定叶轮的参数，从而为叶 轮几何参数的优化提供了可能，提高了设计质量。本软件就是采用速度系数法进 行水力设计的。 基于潜水排污泵输送介质的特性，它的叶轮结构和一般清水泵有着很大的区 别。 目前叶轮的主要结构型式有闭式叶轮、开式叶轮、半开式叶轮、旋流式叶轮、 螺旋离心式叶轮以及流道式叶轮( 分为单流道叶轮和双流道叶轮) 等等。各种叶 轮结构型式的特点见表3 1 。 经过广泛调研和实际应用情况的反馈，考虑到抗缠绕性、无堵塞性、通过能 力、效率指标、工艺性、可靠性、先进性等综合因素，在潜水排污泵的设计中采 用双流道叶轮结构型式是最为有效可行的。因此，作为潜水排污泵设计中的首选， 本软件就是根据双流道叶轮结构型式开发的。 表3 1 各种叶轮结构型式及其特点 叶轮结构特点 闭式叶轮效率相对较高，长时间运行工况稳定；易缠绕，抗堵塞性能很差 开式或半制造方便，叶轮便于清理、清洗与维修：由于介质磨损等原因，易造 开式叶轮成叶轮和前泵盖内侧壁间隙过大，使泵性能下降及产生大量的旋涡损 失，还易造成较大轴向力、径向力及振动，无堵塞性能也较差 旋流式叶结构简单，容易制造，性能稳定，运行可靠，无堵塞性能良好：效率 轮低，叶轮无损性较差，对输送物料的破坏性较大 螺旋离心尢堵暴性能好，遍辽能力强，效半向，尢损性好，输送浓度丽，吸人 式叶轮性能好；叶轮制造比较困难，对叶轮平衡性要求较高，且不易控制和 掌握，在小流量运行时会产生较大的振动和噪声 单流道抗缠绕、无堵塞性能好，效率较高，功率曲线平坦，耐磨 叶轮损性能较好：叶轮偏大，脉冲出流，径向力很大，运行平 流道式叶稳性较差，对叶轮平衡性要求较高，易产生振动 轮双流道抗缠绕、无堵塞性能好，效率较高，功率曲线平坦，耐磨 叶轮损性能较好，叶轮对称，有较好的平衡性，运行平稳、可 靠 0 翌蔓奎兰堡主兰垒笙苎一 3 1 1 叶轮水力设计流程图 叶轮水力设计流程图如图3 1 所示。 图3 1 水力设计流程图 垩蔓查堂堡主兰垡堡苎一 3 1 2 叶轮主要尺寸的选择 如图3 2 所示，双流道叶轮和一般离心泵叶轮一样，有三个主要尺寸：叶轮 进口直径d ，、叶轮出口直径d ：和叶轮出口宽度6 z 。 泵的原始设计数据般为：流量q 、扬程、转速 等，知道了这些参数， 就可以用速度系数法来确定叶轮的主要尺寸。 1 叶轮进口直径d ，的确定 叶轮进口直径d ，主要由泵的流量q 决定，常按下式计算 吁_ 摆 式中：k 叶轮进口速度系数，由优秀模型统计数据可得k ，= 3 5 5 0 。 其中，当主要考虑效率时，k ，= 3 5 4 5 ；当兼顾效率和汽蚀时， k = 3 5 3 8 ；当主要考虑汽蚀时，k ，= 3 8 4 2 。( 比转速小时取 大值，比转速大时取小值) q 泵的流量，单位：m 3 s ； n 泵的转速，单位：，m i n 。 2 叶轮出口直径d ：的确定 叶轮出口直径d ：主要由泵的扬程决定，常按下式计算 d ： 犀 v ” 式中：叶轮出口速度系数，女。= ( 志 j ，k = 9 5 1 0 5 , 比转 速小时取大值，比转速大时取小值。 垩苎查堂堡主兰竺笙壅 3 叶轮出口宽度b ：的确定 当叶轮出口断面为圆形时，叶轮的无堵塞性最好，但是设计中一般昼璧保驾 叶轮出口断面大致为圆形。这时，必须保证单个流道的出口断面面积大致等于叶 轮进口面积的一半。一般叶轮出口宽度6 ：按下式计算： b 2 = k d 式中：女系数，一般女= 0 6 5 0 7 5 d 叶轮进口直径。 3 1 3 叶轮轴面图的确定 如图3 2 ，双流道叶轮的轴面图( 前后盖板流线均由直线一圆弧一直线或圆 弧直线组成) 可以由叶轮进口直径d ，、出口直径d 2 、出口宽度b ：、前盖板圆弧 半径 、后盖板圆弧半径 、前盖板倾角口、后盖板倾角等参数绘出( 由于双 流道叶轮的对称性，我们可以先绘出图3 3 ，然后对称过去即可得到所需双流道 叶轮的轴面图3 2 ) 。由于在上面我们已经算出了叶轮进口直径d ，、叶轮出口直 图3 2 双流道叶轮轴面图图3 3 双流道叶轮轴面图的确定 径d ：和出口宽度b 2 ，在这里，我们只需确定叶轮前盖板圆弧半经，i 、后盖板圆 江苏大学硕士学位论文 弧半径一、前盖板倾角口和后盖板倾角就可以绘出叶轮轴面图。 1 前盖板圆弧半径和后盖板圆弧半径吒的确定 一般，为了提高叶轮的无堵塞性，叶轮轴面图转弯处的曲率半径要大。根据 大量统计分析数据，前盖板圆弧半径，l 和泵的比转速n ，以及叶轮进口直径d ，有 关，后盖板圆弧半径屹和泵的比转速n ，以及叶轮出口直径d ：有关，在设计时可 以参考表3 2 或者图3 4 。 表3 2 叶轮前后盖板半径 、r 2 和比转速k 以及叶轮进、出口直径的关系 l心 8 01 3 02 0 0 2 5 0 l _ d ， o 6 0o 4 5o 3 50 2 7 i 屹d ： 0 4 0o 5 0o 6 0o 8 0 1 0 0 8 o 6 口 o ，4 o 2 o r 2 d 2 ， r l d j o 1 o o 吕 o 6 是 h o ，4 0 2 o 1 0 02 0 08 0 04 0 05 0 0 n s 图3 4 _ d ，、吃d 2 和”，关系图 1 4 垩苎查兰堡主兰垡望苎 2 前盖板倾角口和后盖板倾角卢的确定 根据大量优秀水力模型数据的统计分析，一般地，叶轮前盖板倾角口在8 7 。左 右，后盖板倾角口在9 0 。左右。 3 1 4 叶轮轴面图流道中线的确定和流线分点的确定 在叶轮轴面图中，在前盖板流线和后盖板流线之间作内切圆，连接这些内切 圆圆心的光滑曲线即为轴面流道中线，如图3 5 所示。 双流道叶轮轴面图流道中线分点方法和一般离心泵的分点方法有所不同，通 常把流道中线分为5 7 段，且各段的曲线长度大致相等。在这些分点里面，最 后一个分点的位置非常重要，它直接影响到流道出口面积和平面图的形状。 3 1 5 叶轮轴面图的绘制 叶轮各部分的尺寸确定之后，就可以确定叶轮轴面投影图。在绘图时，最好 选择比转速相近，性能良好的叶轮图作为参考，然后考虑设计泵的具体情况加以 改进。轴面投影图的形状十分关键，应经过反复修改，力求光滑通畅。同时还应 考虑到：前、后盖板出口段应保持一段平