（机械制造及其自动化专业论文）基于ugnx10的液压缸参数化设计系统.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 c a d 拽术显著地提高了设计顶量、设计效率，成为j 品全生命周期数字化管 理的罐础。目丽流行的c a d 软件都是通用c a d 软件，虽然其功能强大，但是曲对 r 变j 化的特殊应用仍有所欠缺。上婴表现在以下j 曹个，c j i 而：在造型于段办而只 能提供通川的造型方法，不能针对特殊产品的特殊结构提供有针对性的更方便使 川的造型玎法；存! 参数化儿而虽然实现了参数化工作方式，但是不能提供参数的 强方法：n 系列化设计方面不能以逻辑思维方式实现系列化产品的i h 动设计。 现代，“：品设汁与以往j “：品设计有显著区别，往往从设计开始就需要复杂l 佝 训 ，有肚刊算需要大量的数捌处理要经过大量的循环、迭代、递归过程j 能 j tj - 女，通常这类计算只能靠程序去完成。当令流行的c a d 软件基本卜都聚用数据 处州与结构设计分丌的工作方式：r 叫i 设计肴臼l ：_ ! i 计算，处理数抛，c a d 软件依 1 1 ；这- 些数j l i ：j 艺成结构设计，然后爿能刑其进行进步的c a e 分析。在j 。品结构设 训ii 趟复杂鼢情况h 以这种数据处删与c a d 造型分 进行的工作方式去设计那 ”i 从造型j r 始就必须把造型与大量汁算数据先憋结合起来爿能完成的结构形状， ：i j 虻常斟难。 通厂c a d 软件郁提供，二次7 1 发接门函数，尤其是e g n x l o 提供了可以与c 晰i 完荚结合的次j | ：发手段，这为解决上述问题提供了有效手段。本文利h j 这 - i 县，通过j 0 成f 而列举的工作力求究美地解决上述问题。尤其为快速设计复 杂结构形：状挝供了全新方法。 首先：对液“缸的设计理论进 j ：深入探讨，对那些已经非常成熟经过实践检 验的理论进行程序化处理，并集成到系统中，从而让系统能够同符参数值为什么 址此值而m 彼值的问题；进步研究传统设计理论，完善那些不完善的设计办法。 他l c 适应数圳处删与结构造型浑然一体的设训方法；充分利用c 语吉的数拊处理 能力bl ( ；x t 0 造豫能力解决l 扫j 二数掘处列! o j 造型分刀：的工作力式带来的复杂 结构造型叫题，从而为解决笫段提出的问题开辟了一种n j 行的方法。利片j w 1 0 土解决该问题还确个重婴| j _ j 】素：复杂结构经常包台大量的一| _ l = 曲而形 状，j 二r 。这些j 侈状需盟高精度的数控机眯，j ：u g n x l 0 拥有优秀的c a m 功能，这 样，选择n x l 0 就可以为j 。n 兀i ：1 的全生命周期的数字化管理打下l l 箨实的基础。 j e 次：刈液压缸的典型结构进行归纳，展示其设计方法，并制作自定义特征。 这样使u “、n0 具有针对液址缸典型结构造型的应用更力便的造型力。法，从而解 决淝段 】提出的通用c a d 系统无钏+ 对特殊结构造型方法问题。 最后址解决系列化设计的问题。分析了i - i s ( ；工程用液压缸的零部件问的参数 j 天系，并以此为举衙i ! 利刚u 6 n x l 0 摊供的参数化造型能力，主模型技术。w a v e 披术，u ( ；，c ) p e na p l 等实现j “：品的f 1 动系列化设计。 这样就把u ( ；n x l 0 改造成一个更适应于液压缸设计的参数化设计系统。件有 效地继承j 7i ( ；n xi 0 软件的所有功能的前提f ，义对其进行有针对性的功能扩 埏。而nj ：发时问短，外发难度小，玎发成本低。 关键h ：参数化 5 2 计、缓冲删论、s g 型液压缸。 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a d t e c h n o l o g yi m p r o v e sd e s i g nq u a l i t ya n dd e s i g ne f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y i ti s t h ef o u n d a t i o no ft h ep r o d u c tl i f ec i r c l em a n a g e m e n t t h ep o p u l a rc a ds o f t w a r e a r ea l lf o rg e n e r a lp u r p o s ec u r r e n t l y a i t h o u g hi t sf u n c t i o ni ss t r o n gb u ti th a ss o m e s h o r t c o m i n ga ss p e c i a lp u r p o s ec o n c e r n e d f i r s t a l lk i n d sc a ds o f t w a r ep r o v i d e su s w i t hg e n e r a lm e t h o dt om o d e l ，b u ti tg a l l tp r o v i d eu sw i t hs p e c i a lu s et o o lt om o d e l s p e c i a ls t r u c t u r e s e c o n d ，a l lk i n d sc a ds o f t w a r ec a nw o r ki nt h ep a r a m e t r i cd e s i g n w a yb u tt h e yc a r l n o tt e l lu sw h yp a r a m e t e ri st h i sb u tn o tt h a t t h r e e ，t h e yc a nn o t a u t o - d e s i g ns e r i e sp r o d u c tm t h o u g ht h e s ed i f f e r e n tp r o d u c t ss a t es i m i l a rt oe a c ho t h e r m o d e r np r o d u c td e s i g nd i f f e r sf r o mt r a d i t i o np r o d u c td e s i g n ：a tt h ev e r y b e g i n n i n g1 v eh a v et od oc o m p l e xc a l c u l a t i o na n dw en e e dag r e a td e a lo fd e s i g nd a t a i ti st h eb e s tw a yt op r o g r a mt h em e t h o dt og a i nt h e s ed a t a b u tp o p u l a rc a d s o f t w a r ec a l ln o tp r o v i d eu sw i t ht h e s ep r o g r a m s ，w i t ht h eo n l yt h i n gt h e yc a l lp r o v i d e u si st h eg e n e r a lm o d e l i n gm e t h o d s oi ti sd i f f i c u l tw h e nw ed e s i g nc o m p l e xs h a p e e s p e c i a l l yw h e nw ed e s i g ns o m ep a r tw h i c hl a r g eq u a n t i t yd e s i g nd a t ar e l a t e dt ot h e d a r ts h a p e s ow eh a v et of i g u r eo u tn e wm e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m a n diu s e u g o p e na p it od e v e l o pan e wm e t h o d t h ea d v a n t a g eo ft h i sw a yi st h a tw ec a r l m a k eg o o du s eo f cc o m p u t e rl a n g u a g ea n du g n x l 0m o d e l i n ga p p l i c a t i o n w ed e v e l o pt h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mf o rh y d r a u l i cr a mb a s e do n u g n x l 0t os o l v ea l lt h e s ep r o b l e m sw eh a v el i s t e dp r e v i o u s l y t od e v e l o pt h e s y s t e mic o m p l e t et h ef o l l o w i n gw o r k f i r s to fa l lis t u d yt h eh y d r a u l i cr a md e s i g nt h e o r yc a r e f u l l ya n dp r o g r a ma l lt h e m o s ti m p o r t a n tp e r f e c td e s i g nt h e o r y t h e nir e s e a r c hs o m ei n c o m p l e t ed e s i g nt h e o r y e s p e c i a l l y t h em i t i g a t i n g t h e o r ya n da d v a n c en e wd e s i g nm e t h o db a s e do i lt h e t r a d i t i o n a 】t h e o r y t h en e wm e t h o du t i l i z e st h ecc o m p u t e rl a n g u a g ea n du g n x l 0 c a ds o f t w a r et od e s i g nt h ec o m p l e xs h a p ep a r t w eu s et h ecc o m p u t e rl a n g u a g et o c a l c u l a t ea n du s et h eu g n x l 0c a ds o f t w a r et om o d e lt h ep a r t a n du g o p e na p i i n t e g r a t e dt h e mw i t he a c ho t h e r s e c o n dic l a s s i f ya l lt h et y p i c a ls t r u c t u r eo ft h ec y l i n d e r a n dim a k eal a r g eo f n u m b e ru s e r sd e f i n ef e a t u r ea c c o r d i n gt ot h e s et y p i c a ls t r u c t u r e s a n dia l s o d e v e l o ps o m ep r o g r a m t os h o wh o wt h e s ep a r t sw e r ed e s i g n e d t h i r dia n a l y z et h ep a r a m e t e rr e l a t i o n s h i po fh s gt y p ec y l i n d e r b a s e do nt h e s e a n a l y z i n g id e v e l o pad y n a m i cl i n k e dl i b r a r yt oa u t o d e s i g nt h i st y p ec y l i n d e r t h e nii n t e g r a t ea l lt h e s er e l a t i v ei n d e p e n d e n c ed y n a m i cl i n k e dl i b r a r ya n d u s e r sd e f i n ef e a t u r e si n t o t h eu g n x l 0s y s t e m if i n i s hp a r a m e t r i cd e s i g n s v s t e mf o rh y d r a u l i cr a mb a s e do nu g n x l 0i nt h i sw a y t h ea d v a n t a g eo ft h i s d e v e l o p i n gm e t h o d ：h i g hd e v e l o p i n ge f f i c i e n c ya n dl o wc o s t a n o t h e ra d v a n t a g ei s t h a tw ec a nu s ea 1 1t h eo t h e rf u n c t i o no f t h eu g n x l 0s o f t w a r e k e yw o r d s ：d e v e l o p m e n tb a s e d o nu g n x l 0 ，m i t i g a t i n gt h e o r y ，h s gt y p e c y l i n d e r v 1 墼塑望坠一 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鲤遗垄 日期蛰堡主! 士 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 趣盟兰：日期：丛知 1 1 一圭塑奎堂堕主堂堡堡兰 第一章：序言 c a d 技术已经非常成熟，广泛应用于制造领域大幅度提高了设计的效率和质 量，为设计人员提供了一种全新的设计方式，同时提供了大量的应用广泛的崭新的 设计手段。目前流行的优秀c a d 软件种类很多，例如：p r o e 、s o l i d w o r k s 、u g n x 、 c a t i a 等，这些软件大多拥有自己独特的c a d 技术核心这些独特的技术核心为 c a d 的继续发展提供了有力的保证 1 1 ：c a d 技术主要功能领域与发展历程 c a d 技术可以完成许多工作但是归纳起来这些设计工作都可归类于下面 四个大类中的一类： 1 ：设计建模 主要指三维模型的建立，仿真模型的建立等 2 ：设计分析 主要指有限元分析：通过分析物体的每个有限元对于应力、应变、热或其它 作用在物体上的力的反应来预知整个物体的反应，并可视化地表示分析结果从 更广的范围讲，设计分析还包括运动分析等其它诸方面的分析。 3 ：设计审察 主要指干涉检查、运动学和动力学仿真分析等内容，主要目的是检验设计是 否正确，能否满足设计要求，以便尽早发现问题。 4 ：设计文件编制 这一点主要指：把工程设计正确地表现出来、把设计文件有序地组织、保存 起来，比如出工程图纸等 当然现在很多人习惯把设计分析和设计审察合在一起称之为c a e ，也就是 计算机辅助分析但是从设计和制造两个大方向考虑，c a e 和设计有更大的相关 性：从广义上讲：一个优秀的复杂设计过程总是离不开c a e 。这也是本文有上 面提法的原因所在 c a d 技术的成功应用是多种技术发展的结果其中设计建模技术的发展推动 了设计分析、设计审察、设计文件编制等相关技术的发展。 c a d 技术主要经历了如下发展阶段，每一次发展都为c a d 技术拓展了新 一圭塑查兰堡主兰垡笙苎 的应用空间。 1 ：曲面造型阶段：这一阶段c a d 技术可以完整地表达零件的空闻几何信 息，为c a m 与c a d 集成提供了基础。 2 ：实体造型阶段：这一阶段c a d 技术不仅能够完整地表达零件的空间几 何信息，而且能够完整地表达质量、重心、转动惯量等物理信息，为c a e 与c a d 集成提供了基础。 3 ：参数化技术阶段：这一阶段c a d 技术实现了对已有模型的参数化驱动， 为模型的重复利用提供了基础。 4 ：变量化技术阶段：这一阶段c a d 技术继承了前几个阶段的所有优点， 主要是克服了参数化技术应用过程中对设计者想象力的限制等一些不方便之处。 1 2 ：参数化技术在c a d 中应用的几个具体体现 参数化技术在流行的c a d 软件中主要体现为：尺寸驱动。具体应用中体现 在以下几个方面。 1 2 1 ：在造型手段方面 各种流行的软件都根据自己对造型的理解提供了系列基本造型方法设计 人员三维造型的过程其实就是在排列组合这些不同的造型方法比如流行的 u g n x 系列把三维造型和制造过程中的“毛坯- 粗加工一精加工”制造模式联 系起来，创造出了一套独特的基本造型方法这些造型方法保证了u g n x 系列软 件在c a m 技术方面的优越性 图一完整体现了u g n x l 0 的参数纯实体造型方法体系结构u g n x i 0 的参 数化建模采用的是复合建模技术它基于特征的建模过程仿真零件的加工过程仿 真：“毛坯粗加工精加工”的零件加工过程毛坯取自成形特征( 体素特征 和扫描特征) 粗加工包括凸台、孔、腔、用户自定义特征等( 注意自定义特征相当 于粗加工过程) 精加工包括边缘操作、面操作、体操作等，建立零件模型的时候应 该遵循上面的次序进行建立这是值得注意的第一点。值得注意的第二点是体素 特征本身是参数化的，但是特征间是不相关的每个体索都是相对于模型空间建立 的，同时它们是显式定位的，也就是说体素特征是相对于模型空间定位的，不是相 对于其它特征定位的上面两点决定了在一个参数化模型中只能有一个体素特征 存在如果用两个将不能顺利地进行参数化驱动设计 2 上海大学硕士学位论文 注：下图表示的是u g n x l 0 实体造型方法体系结构，对于曲面造型的参数化 特点没有说明，其实曲面造型中也有参数化的功能当然有些命令是不具备参数 化特征的这一点应该注意，这里为了说明参数化的一些共性问题，对这个问题没 有做详细的分析和讨论，可以从u g d o c 中获得全面具体的相关信息 图表1 ：u g n x l 0 参数化买体造型方法体系结构图 图二完整地体现了p r o e 野火版的参数化实体建模体系相对u g n x 系列而 言它是全参数化的建模方法这样允许你建立模型时候不必象用u g n x 那样还要 考虑体素特征显示定位问题从图中可以看出：它们提供的基本造型方法是有区 别的比如u g n x 中没有r i b 基本特征，但是p r o e 却提供了这个方法两者都是 增的参数化实体造型力法体系结构l；，l1 上海大学硕士学位论文 用自身提供的基本特征体系按照自己的规则去建立模型从整体上看都是参数化 设计系统 p r o e 的造型方法和u g n x 的造型方法有很大的区别，u g n x 在复杂建模过 程中用了布尔运算方法，但是p r o 但用的是特征添加方法同时u g 并非全参数化， 但是p r o e 却是全参数化造型方法，其全参数化表现在三个方面： 1 ：截面的全参数化，为每个特征的截面的每个尺寸赋予参数并且编上号通 过参数调整来改变形状 2 ：零件的全参数化：系统自动给零件中特征间的相对位置尺寸、形状尺寸赋 予参数并排上序号通过参数的调整即可改变相对位置关系和特征的几何形状 3 ：装配体模型的全参数化通过装配约束可以指定一个零件相对于装配体中 另一零件的放置方式和位置，这些约束条件随着相配合零件的移动而改变，而且 约束也可以改变，这样整个装配体就成了一个参数化的装配体 p r o e 参数化造型体系中截面草绘有着特别重要的地位，这在u g 中是不能 比的，几乎每个造型基本方法的第一步都用到它。多种方法结合能造出非常复杂 的空间模型。这样就让人感觉到它在设计非自由曲面的零件中有更大的灵活性。 基 准 面 p r o e 野火版参数化实体造型体系 基准特征il 截面草绘| l 构造特征fi 基础特征 基 准 轴 基 准 点 坐 标 系 修 饰 特 征 雏卅 直 线 扫 描 特 征 圆 角 特 征 拉 伸 特 征 l ；j 可；l 螺 扫 墓ll 袭i 器il 誓l l 冀ii 萋 图表2 ：p r o e 野火版参数化实体造型体系 i 拔 筋 旋 转 特 征 混 a 口 特 征 上海大学硕士学位论文 其它软件比如c a t i a ，i d e a s ，也同样贯彻了这个思想。这里不再列举。仅 仅以u g n x l 0 和p r o e 这两个软件为代表说明问题 1 2 2 ： 在基本造型方法的实施方面 无论使用哪个c a d 系统，在基本造型方法的实施方面都有共同的特点无论 是u g n x 系列的基本造型方法还是i d e a s 的基本造型方法，还是p r o e 的截面 草绘方法在造型过程中都会询问你这个基本造型方法的控制参数是多少 下面的界面是u g n x1 0 软件的一个参数化设计的界面是用来设计圆锥的 初始化界面可以看出上面有一个对话框要求输入三个参数，利用这三个参数去驱 动圆锥的生成可以说所有的c a d 软件都有这种询问方式只是表现形式不同 图表3 ：u g n x l 0 参数化设计参数询问示意图 图表4 ：p r o f e 参数化设计参数询问示意图 1 2 3 ：在装配方面的体现 无论是u g n x 系列还是p r o e 它们都是通过定义装配约束来完成装配任务 每个部件通过装配约束添加到装配体中后，它的位置会随着它的相临零件移动而 相应地改变更重要的是部件间的参数还可以建立方程对u g n x i 0 来讲还提供 了w a v e 功能 一! 童查兰堡主羔垡兰苎 其它软件比如c a t i a ，i d e a s ，也同样贯彻t i g - i - n , l 日, 。这里不再列举。仅 仅以u g n x i ，0 和p r o e 这两个软件为代表说明问题 1 2 2 ：在基本造型方法的实施方面 无论使用哪个c a d 系统，在基本造型方法的实施方面都有共同的特点无论 是u g n x 系列的基本造型方法。还是i d e a s 的基本造型方法，还是p r o e 的截面 草绘方法在造型过程中都会询问你这个基本造型方法的控制参数是多少 下面的界面是u g n x1 0 软件的一个参数化设计的界面是用来设计圆锥的 初始化界面可以看出上面有一个对话框要求输入三个参数，利用这三个参数去驱 动圆锥的生成可以说所有的c a d 软件都有这种询问方式只是表现形式不同 图表3 ：u g n x l 0 参数化设计参数询问示意图 图表4 ：p r o e 参数化设计参数询问示意图 1 2 3 ：在装配方面的体现 无论是u g n x 系列还是p r o e 它们都是遇过定义装配约束来完成装配任务 每个部件通过装配约束添加到装配体中后，它的位置会随着它的相临零件移动而 相应地改变更重要的是部件间的参数还可以建立方程对u g n x l0 来讲还提供 了w a v e 功能 了w a v e 功能 上海大学硕士学位论文 其它软件比如c a t i a ，i d e a s ，也同样贯彻了这个思想。这里不再列举。仅 仅以u g n x l 0 和p r o e 这两个软件为代表说明问题 1 2 2 ： 在基本造型方法的实施方面 无论使用哪个c a d 系统，在基本造型方法的实施方面都有共同的特点无论 是u g n x 系列的基本造型方法还是i d e a s 的基本造型方法，还是p r o e 的截面 草绘方法在造型过程中都会询问你这个基本造型方法的控制参数是多少 下面的界面是u g n x1 0 软件的一个参数化设计的界面是用来设计圆锥的 初始化界面可以看出上面有一个对话框要求输入三个参数，利用这三个参数去驱 动圆锥的生成可以说所有的c a d 软件都有这种询问方式只是表现形式不同 图表3 ：u g n x l 0 参数化设计参数询问示意图 图表4 ：p r o f e 参数化设计参数询问示意图 1 2 3 ：在装配方面的体现 无论是u g n x 系列还是p r o e 它们都是通过定义装配约束来完成装配任务 每个部件通过装配约束添加到装配体中后，它的位置会随着它的相临零件移动而 相应地改变更重要的是部件间的参数还可以建立方程对u g n x i 0 来讲还提供 了w a v e 功能 上海大学硕士学位论文 通过这些手段可以很方便的实现装配的参数化 1 3 ：液压缸设计理论回顾 帕斯卡原理是液压缸设计理论中最古老最基本的原理之一。最初的液压缸就 是基于这个原理设计成功的。从这个原理的发现至今已经跨越几百年的时光。历 经无数科学家的探索，如今液压缸设计理论己经是材料科学，力学，以及摩擦润 滑等边缘学科的综合体，对于伺服液压缸来讲其设计理论涉及的学科更为广泛。 即使是最普通的现代液压缸，与古老的液压缸相比，在效率、运动性能、材料的 经济性等方面也已经不可同日而语。强度理论，润滑密封理论，流体力学，数值 计算等学科构成现代液压缸设计理论基础。依据这些理论我们已经可以设计出相 当完美的液压缸。但是目前的液压缸设计仍然存在着几个方面的难题，是液压 缸设计中的优化问题，也就是如何寻求性能、制造成本、所属液压系统成本的最 佳结合点；另一个是液压缸本身的效率问题，也就是液压缸推动负载所做的功与 其输入能的比值，如何提高其效率是一个涉及学科非常广的问题：最后一个是运 动性能问题，本论文对运动性能问题做了进一步的讨论。对运动末端常加速度缓 冲设计提出了一套完整的解决方案，有效地把数据处理与结构设计结合起来，提 一、一，、h - _ ，l j r ，、， 出一一种新的需要大量数据处理的复杂结构的设计思路。 1 4 ：本文所耍集中解决的几个问题和论文的意义 1 4 1 ：应用通用c a d 软件设计不可避免的三个问题 从参数化技术在c a d 中应用的具体体现一节可以看出，当今流行的c a d 软件都只能提供一个相对通用的平台我们日常设计工作往往都具有专业特殊性， 这些特殊的专业知识对一个面向多种行业的通用平台来讲是难于集成的但是 c a d 软件提供了二次开发功能，为解决这个问题提供了手段 单从参数化设计角度来讲我们在使用中总是避免不了下面三个问题： 第- - ：c a d 软件从自己的理解出发，对造型进行了科学的划分，提出了能够造 出各种复杂形状的参数化造型方法体系但是我们通常的设计往往都具有特殊性 和复杂性，应该说只要用心去造利用其基本造型体系都能够造出来，但是往往非常 花费时间比如造一个螺旋锥齿轮，当然是能造出来，但是即使高水平设计人员 没有一个小时也难准确地造出来。这就提出了一个问题：如何解决造型的特殊性。 如何利用好已经有的造型去简化造型工作。 上海大学硕士学位论文 第二：c a d 软件在基本造型方法实施时总是询问你：参数的值是什么。通 用c a d 软件也只能这样。因为设计千变万化。作为一个通用的c a d 系统它不 可能把这些“为什么会这样”的理由包含进去。但是现实情况是无论多么复杂的 设计，依据的理论方法是确定的，那么就提出了第二个问题：如何把这些理由有 。” 效地集成到通用的c a d 系统中，让系统不仅仅只是问你怎么去做还能够告诉你： 、” “应该怎么去做”从而把c a d 的功能延伸到专业理论领域中去 第三：装配方面日常的设计中，一个公司的产品复杂多变但有些成熟的系列 产品它的装配约束总有相似之处有的时候仅仅要求对结构做一下变化如果每次 都要从头到尾地装配一遍，那么显然在浪费时间所以如何利用已经存在的产品 、； 结构，快速地完成装配就有重要的意义其实质就是如何去集成那些结构定型，参 。 数关系明朗的已经系列化的产品到通用c a d 系统中，以快速完成新产品的装配。 1 4 2 ：二次开发解决这三个问题的重要意义 解决上面三个问题的实质在于：“把已经明确下来的具有特殊性的专业理论， 典型结构，系列化产品设计方法集成到通用c a d 软件中去”。 这样做的好处在于 第一：把这些重复性的工作交给了计算机，把设计人员从藿复劳动中解放出来， 让他们投入到大量的研究创新工作中去 第二：节省造型、计算的工作时间：可以显著地提高设计效率，提高设计的准 确性。 第三：二次开发相对于开发一个专用的c a d 系统要简单得多，可以用最小的 成本换取最大的收益。 1 4 3 ：本论文所要解决的另一个重要问题 前面所讲的二次开发意义是从c a d 应用角度出发，下面从液压缸的设计角 度来探讨一下本课题的意义。在1 4 2 小节中已经初步说明了二次开发对设计的 意义，这里做进一步的说明。u g n x l 0 二次开发的最大优势在于能够利用c 语 言进行编程，这样就提供了非常强大的数据处理功能，为设计理论的数值处理提 供了非常强大的处理工具，另一个优势在于强大的程序造型能力，u g o p e n a p i 函数几乎提供了对应于u g n x l 0 造型功能的所有函数。在二次开发过程中可以 有机地把这两个优势结合起来，这样对于设计精确符合理论数值的复杂曲面结构 上海大学硕士学位论文 提供了有力的设计手段。本系统就是利用了二次开发的这一特点成功地解决了缓 冲结构的设计问题。传统的三视图设计方法难以准确地表达设计形状，传统的 c a d 造型方法难以计算出所需要的数据，单纯的c 程序又难以完成造型。唯有 二次开发能够有效地从根本上解决这些问题，这是本文解决的另一个重要的问 题。提出了利用二次开发精确设计复杂结构的新思路 1 4 4 ：本课题的目的 基于上面的认识，我们在u g n x l 0 软件的基础上开发了液压缸参数化设计 系统。液压缸的结构具有规则性、设计理论具有通用性、产品具有系列性，非常 适用于参数化设计开发这一套系统的目的就是在对液压缸设计理论进行归纳的 基础上，把某些设计理论进一步深化并利用程序去解决以往难以解决的问题的基 础上，把液压缸的设计理论集成到软件中去，把典型的参数化结构集成到软件中 去把系列化产品设计方法集成到软件中去，利用集成的设计理论，集成的结构快 速完成新的液压缸设计利用集成的系列化产品，把某些产品的设计变成鼠标的指 指点点，利用c 语言的强大数据处理功能、u g o p e n a p i 提供的强大造型功能， 设计由于数据处理与造型分离，而导致传统方法难以设计的零件形状。就是要 求：对开发新产品具有辅助计算，辅助理论指导，辅助结构参考作用，对成型产 品设计具有自动化设计功能。c a d 应用到液压元件设计的历史应该说随着c a d 技术的引进就已经开始了，但是开发一套具有设计理论，结构参考的参数化设计 系统依然是崭新的课题。 总的来讲：本课题有两个目的：第一深入研究液压缸设计理论，对其进行归 纳，着重解决数据处理与结构设计有机结合问题，从而解决传统手段难以完成的 结构设计。第二是消除通用c a d 软件参数化设计应用于液压缸设计的不方便之 处，达到快速设计液压缸的目的。 圭塑查兰堡主兰垡堡苎 一一一 第二章：液压缸设计理论的进一步探讨 2 1 ：液压缸设计理论体系结构 液压缸设计是理论与经验的结合。我们根据液压缸的使用环境，使用要求， 设训液压缸。有的液压缸要求行程，有的要求速度，有的要求负载，有的要求是 上述要求的不同组合。但是无论要求什么。都是下面设计体系框图表明的各种制 约因素的平衡。 鋈 蓑 系 嚣 理 论 计 算 材 料 知 识 经 典 结 构 密 封 方 法 缓冲计算 功能计算- - q 油口尺寸 稳定性计算h 活塞直径 强度计算 缸筒连接计算 缸筒结构 缸盖结构 活塞结构 导向装置 活塞杆 缓冲装置 耳环结构 密封是液压缸的一个非常重 要的环节。是保证工作能力 的关键技术之一。 图表5 ：液压缸设计理论体系框图 对于材料这一 部分没有特别 的要求通常按 照一般的工业 标准选用 导向环 导向套 中隔圈 间歇式密封 活塞环密封 v 型密封圈 y 型密封圈 0 型密封圈 头部法兰厚度 缸体厚度 缸筒底部厚度 9 圭塑查堂塑主兰垡堡墨 液压缸的结构知识是进行参数化设计的基础而液压缸的设计理论是液压缸 结构设计的基本依据。是本系统所要集成的知识对象，也是本项目一个重点深入 研究的对象，这部分构成了液压缸参数化设计系统的全部理论基础。液压缸零部 件材料是知识集成过程中不得不考虑的因素因为不同的材料有不同的力学性能， 会对理论产生很严重的影响。液压缸与其它靠容积变化来工作的机械一样都是通 过密封的工作容积来传递力和运动，密封的好坏直接影响油缸的性能，设计密封 方法是油缸设计的重要环节。上图以设计液压缸时所要考虑的各种具体的要素为 出发点来考虑液压缸设计体系结构，上图的目的是让大家完整地了解液压缸设计 所要考虑的一些具体因素。下图是从另一个角度来评价液压缸的设计体系，它以 工作能力和工作性能为出发点来归类液压缸设计体系。 图表6 ：依据性能归类的设计体系图 强度、稳定性：是保证液压缸能够工作的一个基本前提。液压缸只要满足了 这些要求就可以驱动负载实现液压缸的基本功能。经过多年的发展这部分理论已 经非常成熟，这些强度，稳定性理论是本系统集成的重要对象。本系统对设计液 压缸必须考虑到的几个传统的强度，稳定性理论进行了细致的研究，对这些计算 方法进行了程序化处理。本章没有具体介绍这些设计理论，可以查阅相关手册， 这些设计理论的具体的程序化处理算法请看第五章系统实现与集成。 性能：是评价液压缸的最重要的指标。性能与液压的优化设计是近年来液压 缸研究的两大方向。优化设计主要考虑在满足使用要求的前提下如何让液压缸的 总体成本最低。性能研究则主要是探索如何提高液压缸的性能指标。本系统按照 我自己的理解把性能分成三个方面。第一，效率：效率是液压缸输出的能量( 表 1 0 一圭塑查堂堡主堂垡丝壅 现为驱动重物所作的功) 和输入能量的比值，一个好的液压缸一定要有高的效率， 液压缸的效率和液压油流经的截面形状有关，更重要的影响因素是液压缸密封。 密封是一个涉及面非常广的理论问题，涉及到密封材料、液压油的极性、流体力 学等相当广的学科。本系统没有对这一部分进行深入的研究，研究密封所需的理 论远远超出单纯机械、力学学科范围。第二，运动的准确性：在启动与缓冲之间 要求液压缸活塞运动速度满足期望的速度值并仅有微小的波动，这点对于一般 的液压缸来讲只要进、出油口设计得合理，就能实现。第三，末端的加速性能： 末端加速性能对于重载液压缸是一个非常重要的指标，对于液压缸本身来讲，末 端加速好坏直接影响到柱塞对缸筒，缸底等末端零件的冲击、直接影响到其它相 关零件惯性负载的大小。完成本项目过程中在传统理论基础上对缓冲设计理论进 行了深入的研究，提出了缓冲截面形状理论计算方法以及利用u g n x l 0 设计缓 冲截面的方法。下面将就上面所讲的内容进行详细地论述。 2 2 ；强度和稳定性理论概述 强度和稳定性理论主要涉及到活塞杆的稳定性计算理论、缸筒的强度计算理 论、连接强度计算理论。传统的设计理论都非常成熟，所以本系统采用传统的计 算方法。具体的内容可以参考相关的设计计算手册，这里不进行说明。 2 3 ：影响活塞末端加速性能的缓冲装置的设计理论进一步探讨 2 3 1 ：缓冲的意义 当液压缸所驱动的负载质量较大，移动速度较高时，由于系统具有的动量大， 以致在行程终了时，活塞与缸盖发生撞击，造成液压冲击与噪声。同时还会影响 与之相关部件的动负载，形成附加的较大的惯性载荷，这种情况下延长冲击时间， 降低冲击速度具有重要意义。缓冲的目的除了保证末端的加速特性还有一个考 虑，解决末端冲击问题”。对于重载高速液压缸缓冲具有更突出的意义。 2 3 2 ：缓冲原理 缓冲装置的结构形式非常多，但是工作原理都是当活塞行程快到终点雨接近 缸盖时，增大液压缸回油压力，使回油腔中产生足够大的缓冲压力，形成活塞两 侧压差，从而产生运动阻力，阻止活塞与缸盖撞击，减小其它部件的附加动载荷。 设计缓冲装置也就是确定缓冲截面纵断面边缘曲线( 如下图所示黑色部分上下边 缘) 方程。并想办法用c a d 软件把它的结构设计出来。也可用弹簧来缓冲但是 上海大学硕士学位论文 难以控制加速特性下图为缓冲原理图 黑色部分为柱塞音i 面形状 说明：当黑色缓冲装置末端向右移动进入 缓冲腔时，由于环形截流的原因导致活塞 右侧的油压突然增大，从而产生一个向左 的推力，达到缓冲效果。不同的缓冲形状 产生不同的缓冲效果，根据计算当环形的内外径差不大时如果缓冲柱塞剖面采用 理想抛物线形状则能达到恒定加速度效果。 图表7 ：缓冲原理图 2 3 3 ：公式推倒与计算假设 a ：计算假设后续的公式推导都是在下面五条假设基础上进行的。 ( 1 ) 油液不可压缩 ( 2 ) 节流系数c 。恒定 ( 3 ) 流动状态是紊流 ( 4 ) 缓冲过程液压缸供油口压力不变 ( 5 ) 密封件摩擦阻力相对于惯性力很小，可以略去不计( 解析方法) b ：一般设计计算方法 目前大部分液压缸缓冲装置都采用横节流型缓冲装置，设计时多采用平均 值代替精确值的近似计算方法，或采用能量法。这些计算方法为后面的变节流型 缓冲装置计算方法提供了基本理论依据。下面先简单地介绍一下能量法的计算公 式( 能量方法考虑了摩擦能) 作用于活塞的液压能：e ， 由惯性力产生的活塞和负载的动能瓦 作用于相反方向的摩擦能e ， 缓冲腔内的平均压力为 p 。= 半 缓冲腔内的最大压力为 。= p 。+ 象 上面的两个公式构成了能量方法的两个基本公式，对于如何具体应用这里不 去深入探讨，只是简单介绍。 f 面着重介绍解析计算方法 ( 1 ) ：缓冲压力一般计算公式： 在缓冲制动情况下，液压缸活塞运动方程式为： 爿i p l 1 0 6 4 2 p 2 1 0 6 矗一4 只1 0 6 = 一旦口 g 在一般情况下，出口压力p ：= o 由此可得缓冲压力见计算公式 锄+ ( 里口矗) 。1 0 一s p ，= 参数说明： n ：缓冲腔内的缓冲压力 爿：缓冲腔内有效作用面积 p ：进口压力 4 ：工作腔内活塞有效作用面积 a ，：出油口油压的有效作用面积 尺：折算到活塞上的一切外部载荷，其作用方向与活塞的运动方向一致时 取“+ ”号否则取“”。 g ：折算到活塞杆上的一切运动部分的重量 g ：重力加速度 d ：活塞的减速度 ( 2 ) ：恒节流缓冲装置计算方法，常用的恒截流缓冲装置可以归类于下面两 类。这些计算方法构成了变截流缓冲装置的设计理论基础。 节流阀的情况：在缓冲压力计算公式中带入平均减速度口m2 等，其中屯 上海大学硕士学位论文 为缓冲行程，日。为平均加速度，为活塞开始缓冲时的移动速度。考虑到液压 缸出 压力通常为0 ，利用活塞运动方程式即得平均缓冲压力 爿1 p l s 。+ ( o 5 里u 。2 r s 。) 1 0 ，6 占 a s 。 ( m p a ) 。最高缓冲压力发生在缓冲装置刚进 入缓冲区的瞬i 、r j ，假定此时的加速度为平均加速度的两倍，得到的最高缓冲压力 a i p l s 。+ ( 鱼睇r s o ) 1 0 一 为：p 。 a s ： ( m p a ) 。上两式中的缓冲腔内压力主要是 通过节流阀实现的，这个压力不能超过液压缸允许的最大压力。 采用环形缝隙截流情况： 根据流体力学中缝隙压差流量公式可得下面的计算公式 j = q 卅= 从环形缝隙中流过的平均体积流量 “：液压油的动力黏度 d 。：环形缝隙的平均直径，计算时常取缓冲缝隙的外径 s 。：缓冲总长度 因为活塞的平均减速度= 害，所以缓冲时间为= 鲁= 等，所以平均 体积流量吼，= 等= t a o o ，依据以上几个公式可以推导出环形缝隙的计算公式 为 f i = j 警x l o 一2 ( m ) 依据经验计算值的可用范围为：6 0 ，1 0 研m v ， c ：精确设计计算方法 变缓冲节流面设计方法。这里提出了一种恒定加速度缓冲截面设计计算与 tt n h r y ln 诰刮芹法。 酰燃度计算公姚扩簧( m l s2 ) , 所以缓冲时间龇= 等， a l p l s 。+ ( o 5 竺u 。2 r s 。) 1 0 6 缓冲压力为p 。= 夤r 一( r a p d ) 。在此过程中，把活塞刚 开始进入缓冲时刻作为计时零点。则，时刻活塞的缓冲速度和缓冲位移分别为： 旷甜刨。一茜缓冲位移为难j 峭砘卜考2 s ：，时刻活塞的缓冲位移。由上面两式和缓冲时间的边界条件f 可得速 摩与付移亨间的关系： 。，时刻活塞缓冲腔排出的油液流量q 为 删。譬 a 为缓冲截面的有效作用面积。此流量都经过缓冲装置的节流面积爿流出， 由小孔流量公式可知：q = c e a j i 警- ，式中4 ，为缓冲装置的节流面积a 卸为 缓冲缝隙的前后压差，p 为油液的密度。综合以上公式可以得到瞬间的节流面积 公式。 爿：墨竺