气体涡轮流量计的设计与制造本科学位论文

PAGEI目录1绪论 11.1引言 11.2涡轮流量计的特点 11.3气体涡轮流量计的应用场合 31.4发展前景 62涡轮流量计的工作及结构原理 72.1TWLQ型气体涡轮流量计的工作原理 72.2气体涡轮流量计的结构原理 82.2.1涡轮流量计的结构原理 82.2.2涡轮流量传感器的结构 93气体涡轮流量计叶轮的改进 213.1叶轮的叶型对加工的影响 213.2叶轮叶型结构参数的确定 224导流器与传感器的改进 264.1导流器的改进 264.2传感器的改进 294.2.1传感器的分类 294.2.2流体密度对传感器的影响 305TWLQ气体涡轮流量计中轴与轴承的改进 345.1涡轮轴的改进 345.2TWLQ气体涡轮流量计中轴承的结构改进 356气体涡轮流量计的安装使用和维护 386.1流量计的安装 386.1.1传感器的安装 386.1.2连接管道的安装 396.2选用 406.2.1传感器的选用 406.2.2流量指示积算仪 416.3使用注意事项 416.4维护和故障处理 42结论 44参考文献 45附录1：中英文翻译 46致谢 65PAGEPAGE121绪论1.1引言数千年前，人们为适应农业灌溉和水利的需要，就已开始关注着流量测量问题，古埃及出现了堰的雏形，而我国都江堰在那时也已经知道利用宝瓶口岩壁上所刻的“水则”，来观察水位，以进行控制[1]。到19世纪中叶，从节流式流量计开始，逐渐建立了近代流量计的理论基础。现代各类流量仪表也相继出现，如商用的水表，煤气表和文丘里管差压式流量计等。20世纪20-30年代，又出现了孔板和喷嘴差压式流量计，浮子流量计，融及时流量计以及宗法和稀释法等流量测量方法。20世纪50年代以后，随着电子技术,材料和加工技术的飞跃发展，以流程工业为先导的各工业部门和公用事业大量使用流量仪表，促使各种使用新颖的流量仪表相继问世和发展，如涡轮式，电磁式，超生式和涡街式流量计等。当代应用的流量仪表的主要品种，很多是这一阶段开发的。20世纪70年代后期又出现了科里奥利质量流量计。1.2涡轮流量计的特点流量计是一种速度式流量仪表。它是以动量守恒原理为基础的，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量而变化，最后从涡轮的转数求出流量值。在二次仪表进行计数和显示，可反映出瞬时流量和累积流量（或称总量），也可以转换成标准信号进行远传。通常将涡轮流量计的感知流体留宿的涡轮及组合（包括前后导流架，轴承，客体即前置放大器）统称为涡轮流量传感器，而将涡轮转速检出后的信号处理，转换部分称为二次仪表或显示仪表。涡轮流量计之所以能够广泛地应用于石油工业领域。是因为涡轮流量计比其他形式的流量计，如容积式流量计有更突出的优点，如涡轮流量计具有流量范围宽、结构紧凑、简单、使用寿命长等优点，更重要的是，涡轮流量计能够经受严重的脉动而引起的超出流量上限的流量，以及流量计不会因为液体中所夹带的固体物从而导致管路系统的阻塞，一般小颗粒物质经过流量计时也不会引起损坏。但是，容积式流量计就不能容忍液体中夹带固体颗粒，这不仅会使流量计发生故障，更严重的是，一旦流量计卡死不转，将导致液体的阻塞而引起系统过压的现象，因此我们相信，涡轮流量计将会在石油工业领域，以及其他领域得到越来越广泛的应用，到如今占据全球领先位置。我国开展内近代流量测量技术方面的工作比较晚，20世纪60年代才开始有了国产流量计，发展到现在已经形成了一个相当规模从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业，以逐步跻身世界领先水平。对于气体涡轮流量计的测量精度一般为0.25%R～1.5%R,对于液体涡轮流量计，它的测量精度一般为0.25%R～0.5%R,高精度型可达到0.15%R,特殊专用型为0.5%R～1%R。涡轮流量计的短期冲度型可达0.5%～0.2%。由于具有良好的重复性，因此其在贸易结算中被优先选用。涡轮流量计的输出信号为脉冲频率，因此适用于总量及瞬时流量的计量与控制，且易于远传。信号的抗干扰能力也较强。但是涡轮流量计难以长期保持校准，需要定期校验。流体的密度，黏度等物理性质对仪表特性有较大影响，来流的速度分布和旋转来流对流量计的特性也有较大影响。智能化气体涡轮流量计是集流量,温度,压力检测功能于一体,并能进行温度,压力,压缩因子自动补偿的新一代流量计广泛应用于企业生产和家庭生活中。最贴近人民生活的家用燃气表和家用水表大多是采用涡轮结构的流量计，涡轮流量计是石油,化工,电力,冶金,工业锅炉等工业,行业的燃气计量和城市天然气,燃气调压站及燃气贸易计量的理想仪表。涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。气体涡轮流量计的优点[2]:（1）高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计;（2）重复性好;1.３气体涡轮流量计的应用场合[3]涡轮流量计在以下一些测量对象上获得广泛应用:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国,涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸,压力从0.8~6.5MPa的气体涡轮流量计,它们已成为优良的天然气计量仪表。涡轮流量计是一种速度式仪表，它具有压力损失小，准确度高，起步流量低，抗震与抗脉动流性能好，范围度宽等容易维修的特点。气体涡轮流量计因其结构简单、线性好、精度高等特点而得以广泛应用。实际涡轮流量计在使用过程中受其结构参数及被测流体特性的影响，输入输出关系即特性曲线并非是理想直线，如图1-1所示（横坐标Q是体积流量；纵坐标K是流量系数）。图1-1涡轮流量计的流量特性图小流量区普遍存在着“驼峰”状非线性区，使涡轮流量计在小流量区测量误差较大。研究表明：涡轮流量计特性的影响因素很多，主要有被测流体介质粘性，涡轮流量计结构参数及来流速度分布等。对于来流速度分布的影响，实际应用中可控制流量计在安装管道中的位置（前后保持一定距离的直管道等措施），使来流速度分布相对均匀，因而本文引用理论计算与实际测量结果吻合较好的理论模型着重就流体介质粘性与流量计结构参数的综合影响进行探讨。天津第五机床厂生产的TWLQ型气体涡轮流量计，口径Ф50～Ф150mm,始动流量3.0m³/h,流量范围10～150m³/h,介质温度-30℃～+60℃，工况压力小于1.6Mpa，准确度为1.5级，外形如下图图1-2天津第五机床厂生产的TWLQ型气体涡轮流量计无锡求信集团公司生产的LWGQ气体型涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表配套可用于测量液体的流量和总量。如下图1-3所示。其广泛用于石油、化工、冶金、科研等领域的一般气体、天然气、煤气等气体计量、控制系统。

一体化涡轮流量计结构为防爆设计，可以显示流量总量，瞬时流量和流量满度百分比。电池采用长效锂电池，单功能积算表电池使用寿命可达5年以上，多功能显示表电池使用寿命也可达到24个月以上。一体化表头可以显示的流量单位众多，有立方米，加仑，升，标准立方米，标准升等，可以设定固定压力、温度参数对气体进行补偿，对压力和温度参数变化不大的场合，可使用该仪表进行固定补偿积算。图1－3无锡求新公司生产的LWGQ气体涡轮传感器浙江苍南仪表有限公司LWQ型气体涡轮流量计其特点及结构参数如下：特点：

(1)测量范围宽，下限流速低于0.5m/s，压力损失小，叶轮抗冲击能力强。

(2)具有较高的抗电磁干扰和抗振动能力，采用全密封隔离保护自润滑轴承，性能可靠工作寿命长。

(3)采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。(4)仪表系数可由按键在线设置，并可显示在LCD屏上，LCD屏直观清晰，可靠性高。

(5)采用EEPROM对累积流量、仪表系数进行掉电保护，保护时间大于10年。

(6)可在被测气体稳定的压力状态下进行压力补偿。各类参数如下：流量计规格，基本参数和性能指标（见表一）准确度：1.0级、1.5级；

使用条件：1环境温度-20℃～50℃;

2相对温度：5%～95%;

3被测介质温度：-20℃～80℃;

4大气压力：86Kpa～106Kpa;

5防爆等级：ibⅡBT4.表-1LWQ-A系列气体涡轮流量传感器LWQ-B系列气体涡轮流量计1.4发展前景[5]气体涡轮流量计是一种速度式仪表，它具有精度高，重复性好，结构简单，运动部件少，耐高压，测量范围宽，体积小，重量轻，压力损失小，流通能力大（同样口径可通过的流量大），维修方便等优点，且可适应高温，高压和低温流体的测量需要，用于封闭管道中测量低粘度气体的体积流量和总量。在城市天然气计量，输配气管网天然气计量，石油、化工、电力工业和民用等锅炉燃气计量，燃气调压站计量中得到了广泛的应用。2涡轮流量计的工作及结构原理2.1TWLQ型气体涡轮流量计的工作原理[3]气体涡轮流量计是将涡轮置于被测流体中，当气体进入流量计时，在特殊结构整流器的作用下得到整流并加速，在一定流量范围内涡轮的角速度和流量成正比。利用电磁感应原理感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号，该信号经前置放大器放大，整形后将得到实际流量，并显示在LCD屏上；如果同温度压力传感器检测到的信号一起输入智能流量积算仪进行运算处理，将得到标准状况下的流量，并显示于LCD屏上。如下图2-1所示2.2气体涡轮流量计的结构原理叶轮式流量计是一种速度式流量计，主要有涡轮流量计、分流旋翼流量计、水表和叶轮风速计等。涡轮流量计时叶轮式流量计的主要品种，在国际上已有近半个世纪的工业应用历史，我国从60年代开始生产，已形成全系列化仪表。它利用置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成比例关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量大小，是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表。涡轮流量计有涡轮流量传感器和流量显示仪表组成，可实现瞬时流量和累积流量的计量。传感器输出与流量成正比的脉冲频率信号，该信号通过传输线路远离传送仪表，便于累计和显示。此外传感器输出的脉冲频率信号可以单独与计算机配套使用，有计算机代替流量显示仪表实现密度或温度、压力补偿，显示质量流量或气体体积流量。本类仪表适用于流体总量的测量。如今，涡轮流量计已在石油、化工、科研、国防和计量等各部门中获得广泛应用。2.2.1涡轮流量计的结构原理[4]气体涡轮流量传感器的结构如下图2—2所示。它主要由仪表壳体1，前后导向架组件2和4，叶轮组件3和信号检测放大器6组成。当被测流体通过涡轮流量传感器时，流体通过导流器冲击涡轮叶片，由于涡轮的叶片与流体流向间有一倾角，流体的冲击力对涡轮产生转动力矩，使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动。实践表明，在一定的流量范围内，对于一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流量成正比。所以，可以通过测量涡轮的旋转角速度来测量流量。涡轮的旋转角速度一般都是通过安装在传感器壳体外面的信号检测放大器用磁电感应的原理来测量转换的。当涡轮转动时，涡轮上由YL401制成的螺旋形叶片依次接近和离开处于管壁外的磁电感应线圈，周期性地改变感应线圈磁回路的磁阻，是通过线圈的磁通量发生周期性的变化而产生与流量成正比的脉冲电信号。此脉冲信号经信号检测放大器放大整形后送至显示仪表（或计算机）显示流体流量或总量。在某一流量范围和一定粘度范围内，涡轮流量及输出的信号脉冲频率f与通过涡轮流量计的体积流量成正比。即:(2-1)（2-2a）V=（2-2b）2.2.2涡轮流量传感器的结构(1)涡轮流量传感器的结构组成如前所述，涡轮流量传感器的结构主要由仪表壳体，导流器，叶轮（涡轮），轴承和信号检测放大器等组成。如下图2-2所示：(2)流量计中各零部件的作用1）仪表壳体仪表壳体一般采用不导磁不锈钢或硬质合金制成，对于大口径传感器亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构。壳体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体内装有导流器，叶轮，轴，轴承，壳体外壁安装有信号检测放大器。2）导流器导流器通常也选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作，安装在传感器进出口处，对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用，避免流体扰动对叶轮的影响。3）涡轮亦称叶轮，一般由高导磁性材料制成（如2Crl3或Cr17Ni2等），是传感器的检测部件。它的作用是把流体动能转换成机械能。叶轮由直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率。4）轴与轴承通常选用不锈钢（如2Cr13，4Cr13，Cr17Ni2或1Cr18Ni9Ti等）或硬质合金制作，他们组成一对运动副，支承和保证叶轮自由旋转。它需有足够的刚度，强度和硬度，耐磨性，耐腐性等。它决定着传感器的可靠性和使用寿命。传感器失效通常由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题。5)信号检测放大器国内常用信号检测放大器一般采用变磁阻式，它由永久磁钢，导磁棒，线圈等组成。它的作用是把涡轮的机械转动信号转换成电脉冲信号输出。由于永久磁钢对高导磁材料制成的叶片有吸引力而产生磁阻力矩，对于小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。一般，线圈感应得到的信号较小，许配上千只放大器放大，整形输出幅值较大的电脉冲信号，当线圈输出信号有效值在10mV以上的也可直接配用流量计算机。图2-2TWLQ系列气体涡轮流量计结构图下图a）采用稳流二极管作负载，采用复合管射极输出形式；图b）采用负反馈电路以提高仪表的稳定性，它们都具有温度稳定性好，放大系数高，负载能力强等特点。a)b)图2-3为常用的两种前置放大器电器原理图3气体涡轮流量计叶轮的改进3.1叶轮的叶型对加工的影响[8]叶轮由叶片和轮毂组成，叶片由轮毂、前缘与后缘过渡区域组成。下图（3-3a）叶轮是各类流量计的核心部件，被广泛应用于机械工业领域，其加工质量对产品的性能有决定性影响。由于叶轮叶片的形状是由机械中最难加工的复杂曲面所构成的，因此，叶轮的加工长期以来一直是困扰广大科技人员的技术难题，倍受各国工业界的关注。各工业发达国家先后研制出了多种加工方法，如：铸造成型后修光法、石蜡精密铸造法、电火花加工法、三坐标仿形铣削法等。但这些早期的加工方法，不仅加工效率较低，而且精度也难以保证。直到多轴数控加工技术被应用到叶轮的加工中，才得到了跨越性发展。数控加工叶身型面，在国内来说，这是近几年的事。自八十年代以来，数控技术逐步进入国内机械制造领域，从简易数控机床到多轴联动的数控机床的诞生，丰富了机械零件加工方法的选择范围。但国内数控机床发展的起步阶段，优先对象是通用性较大的各类铣床和车床，国内针对叶片叶身型面加工的数控机床还没有研制，为要高质量、高效率和高柔性的用于叶身型面加工，只得从境外引进少量的四轴联动的加工中心。对叶轮型面加工提出总的加工方案,如叶片数控技术用于空间曲面的加工，与其它加工方法相比有着极大的优越性，并特别适用于当今世界制造业的发展方向——多品种小批量生产。我们在原有的叶轮基础上进行叶轮的设计与更新，数控加工方面均采用了粗加工和精加工，生产实践显示出了众多的优越性，如简化生产准备工作，缩短试制周期，加快品种变换，提高型面加工质量，减少生产面积等。3.2叶轮叶型结构参数的确定[9]叶轮由支架中轴承支撑，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质，流量范围，使用要求等设计。叶轮的动态平衡也很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。叶轮结构参数设计包括叶片倾角θ，叶片的顶端与外壳内壁的间隙δ，叶片根茎和顶径的流通截面，叶片重叠度p以及叶片数量N等设计。这些参数直接影响流量计的特性，选择的合理就可以提高仪表的测量范围和准确度，并延长使用年限。根据大量实验及理论分析，比较合理的结构参数为：叶片倾角（对气体）,（对液体）叶片重叠度（P表示轴线长度上两相邻叶片相互重叠的程度）。叶片顶隙:当mm时，；当mm时，。叶片数N：可以按照对输出信号的频率要求以及加工制造的可能性来考虑。根据流量计口径大小不同而异，液体小口径（mm）为片。大口径（mm）一般为10片以上，气体小口径（mm）为片。 而对本文研究的侧重点来看是φ50系列的气体涡轮流量计，选用螺旋形型叶片的叶轮且选用材料为铝合金（YL401）。在第二章中，本文已经涉及到过如何进行叶轮的各方面的参数选择，叶轮按照设计要求为叶片数z=12～20，叶片倾角α=30°～45°,重叠度为1～1.2，叶片与内机壳间隙为0.5mm。为提高流量计的灵敏度，可适当增加叶片数。图3-1气体涡轮流量计中的叶轮进出口速度三角形图因为在本章中，选择叶轮的结构角为θ=45º，所以在叶轮进出口速度三角形中，由第小流量，使用时的最大流量不得高于该口径允许测量的最大流量。从测量精确度和使用寿命两方面考虑，一般认为在断续使用的场合，按实际使用时的最大流量的1.3倍选择传感器口径。连续使用的场合，按实际使用时的最大流量的1.4倍选择传感器口径。至于在恶劣工况条件下使用，则使用时的最大流量应该为该口径允许最大流量的40%。如果传感器口径与流程管道通经不一致时，则应以异径接管和等径直管改装管道。一般情况下，传感器流量范围下限附近误差稍大，通常将实际最小流量的0.8倍作为选用传感器流量范围下限值，使保证有一定的余量。6.2.2流量指示积算仪应水平放置或水平安装在仪表屏上，安装高度应以及具有腐蚀性的流体测量以及需要连续使用的场合。1）安装流量指示积算仪应水平放置或水平安装在仪表屏上，安装高度应以读数和操作方便为准，一般为1.5m左右。2）接线a流量指示积算仪所用电源为220v，50Hz交流，按接线端子板规定的“相”，“中”，“接地”三接线点与交流电源相连.电源三接线点不得相混使用，其他任何引线不要随便接入。b接线端子板上“输入”部分是指流量指示积算仪工作信号输入的诸接线点：“信号”端子介传感器经信号检测放大器放大后的输出；“接地”端子接传感器信号检测放大器公共地线（不接壳）；“—E”端子引出提供传感器信号检测放大器工作电源（一般为—12V）。c0～10mA直流电流输出部分共四个接点，供引出0～10mA直流电流信号，可配调节器和记录仪等。根据不同的负载可选择使用，负载的地线接在“”端子上。d标准频率（10～100kHz）输出部分是指石英晶体振荡器震荡频率经运算后的输出，可作简易信号源使用。6.3使用注意事项1）未安装旁路管道的流量传感器，应先以中等开度开启流量传感器上游阀，然后缓慢开启下游阀，然后缓慢开启下游阀。以较小的流量运行一段时间，然后全开上游阀，再开大下游阀开度，调节到所需的正常流量。2）对于装有旁路管道的流量传感器，先全开旁路管门阀，以中等开度开启流量传感器上游阀，再缓慢开启下游阀，关小旁路阀，全关旁路阀，最后调节下游阀开度到所需的流量。3）对于低温和高温流体，在流通前要排净管道中的水分，同流时先以很小流量运行15min，再逐渐上升至正常流量。停流时也要缓慢进行，使管道温度和环境温度逐渐接近。4）启闭阀门应尽可能平缓，如采用自动控制阀门的启闭，最好采用“两端开启，两端关闭”的方式，以防止流体突然冲击叶轮甚至发生水锤现象损坏叶轮。6.4维护和故障处理(1）维护为保证气体涡轮流量计长期正常工作，必须经常检查传感器，显示仪表以及辅助设备的运行状况，做好维护工作，出现异常时应及时排除。1）定期对传感器进行拆洗，检查和复校；设有润滑油或清洗液，维护叶轮良好运行。如叶轮出现异常声音，应及时卸下检查传感器内部零件。轴承和轴严重磨损时，应进行更换且重新标定。2）检查显示仪表工作状况，评估显示仪表读数，如怀疑有不正常现象应及时检查。3）保持过滤畅通，过滤器被杂质堵塞，可以从其入口，出口处压力表读数差的增大来判断，并及时清除，否则堵塞严重会降低流量。定期排放消气器中从液体逸出的气体。传感器从管道上拆下暂时不用时，应用轻质油清洗干净并在两端加盖防护，以防锈蚀或杂质进入仪表内。（2）故障现象，原因及处理方法涡轮流量计常见的故障现象，原因及处理方法见下表6-2所示。表6—2故障分析与处理故障现象故障原因处理方法1，通电后无流量时有流量输出信号a.输入屏蔽或输出不良，引入电磁干扰改善屏蔽与接地，排除电磁干扰b.传感器靠近传感源或管道震动远离干扰源安装，采取防震措施c.节制阀关闭不严泄露检修或更换阀2，通电通流后无流量输出信号a.感应线圈断线或焊点脱焊更换感应线圈或重焊b.前置放大电路元件损坏检查并更换元器件c.叶轮被杂物或脏物卡死拆下叶轮进行清洗或更换，更换后须重新标定 结论本文对TWLQ型气体涡轮流量计的工作原理进行了详细的介绍，并着重对口径为Ф50系列的气体涡轮流量计内部结构进行了分析，其中包括了对流量计中涡轮轴，支撑轴承，叶轮，后导流器进行了结构的分析及重新设计。针对原产品在燃气市场中使用时存在的问题，其最大特点在于特性曲线与温度压力有关，气体压力损失在550-1400pa之间不等，不确定度可达1%-2%。针对这些不足之处，本文在产品的工作与结构原理中，通过特性分析了解到引起上述不足的因素，为后文对该产品的结构进行重新设计打下铺垫。其总结如下:1、叶轮的叶形是由机械中最难加工的复杂曲面组成的，要根据流体性质，流量范围，使用要求等设计，选择合适的叶片参数有利于流量计性能的更好发挥。2、在原有的结构基础之上重新选择密度更小的且摩擦系数更小的材料20Cr，使叶轮在转动过程中受的摩擦阻力矩降到最小。本次结构改进后存在的问题：1、改进后TWLQ系列气体涡轮流量计的内部零件，目前只是停留在理论的设计计算阶段，还没有应用到实际的场合中去.2、改进后的产品结构所选用的材料在性能上有很大的提高，但是不太符合经济性要求。3、下一步将通过与五机床技术人员的共同合作，进行该系列流量计内部零件的实际加工并组装成产品，经过反复试验，投入到燃气市场中。参考文献[1]蔡武昌应启嘎编著新型流量检测仪表北京：化学工业出版社2006年1月[2]杨根生林辉喻编著流量测量仪表北京：机械工业出版社1986年9月[3]天津仪表集团有限公司无锡求信集团有限公司浙江苍南仪表有限公司等的涡轮流量计使用说明书[4]梁国伟蔡武昌主编流量测量技术及仪表北京：机械工业出版社2002年6月[5]方沂主编数控机床编程与操作北京：国防工业出版社2006年8月附录1：中英文翻译CADCAMandApplicationsABriefHistoryofCADBeforewepresentthebasicsofCAD,itisappropriatetogiveabriefhistory.CADisaproductofthecomputerera.Itoriginatedfromearl,computergraphicsystemstothedevelopmentofinteractivecomputergraphics.TwosuchsystemsincludetheSageProjectattheMassachusettsInstituteofTechnology(MIT)andSketchpad.TheSageProjectwasaimedatdevelopingCRTdisplaysandoperatingsystems.SketchpadwasdevelopedundertheSageProject.ACRTdisplayandlightpeninputwereusedtointeractwiththesystem.ThiscoincidentallyhapnoteisthatanX-YplotterhasthesamebasicstructureasaNCdrillingmachineexceptthatapenissubstitutedforthetoolonNCspindle.Inthebeginning,CADsystemswerenomorethangraphicseditorwithsomebuilt-indesignSymbols.Thegeometryavailabletotheuserwaslimitedtolines,circulararcs,andthecombinationofthetwo.Thedevelopmentoffree-formcurvesandsurfaces,suchasCoon`spatch,Bezier`spatch.andB-spline,enablesaCADsystemtobeusedforsophisticatedcurvesandsurfacedesign.Three-dimensionalCADsystemallowadesignertomoveintothethirdDimension.Becauseathree-dimensionalmodelcontainsenoughinformationforNCcutter-pathProgramming,thelinkagebetweenCADandNCcanbedeveloped.SocalledturnkeyCAD/CAMsystemsweredevelopedbasedonthisconceptandbecamepopularinthe1970sand1980s.The1970smarkedthebeginningofanewerainCAD-theinventionofthree-dimensionalsolidmodeling.Inthepast,three-dimensional,wire-flamemodelsrepresentedanobjectonlybyitsboundingedges.Theyareambiguousinthesensethatseveralinterpretationsmightbepossibleforasinglemodel.Thereisalsonowaytofindthevolumetricinformationofamodel.Solidmodelscontaincompleteinformation;therefore,notonlycantheybeusedtoproduceengineeringdrawing,butengineeringanalysiscanbeperformedonthesamemodelaswell-Later.manycommercialsystemsandresearchsystemswecessaryforsolidmodeling,manysolidmodelersnowrunonPCs,andtheplatformhasbecomelessofanissue.Withthestandardgraphicsuserinterface(GUI),CADsystemscanbeportedeasilyfromonecomputertoanother,MostmajorCADsystemsareabletorunonavarietyofplatforms.Thereislittledifferencebetweenmainframe,workstation,andPC-basedCADsystems.TheArchitectureofCADACADsystemconsistsofthreemajorparts:(1)Hardwarecomputerandinput/output(I/O)devices.(2)Operatingsystemsoftware.(3)ApplicationsoftwareCADpackage.Hardwareisusedtosupportthesoftwarefunctions.AwiderangeofhardwareisusedinCADsystems.TheoperatingsystemsoftwareistheinterfacebetweentheCADapplicationsoftwareandthehardware.ItsupervisestheoperationofthehardwareandProvidesbasicfunctionssuchascreatingandremovingoperationtasks,ontrollingtheprogressoftasks,allocatinghardwareresourcesamongtasks,andprovidingaccesstosoftwareresourcessuchasfiles,editors,compilers,andutilityprograms.ItisimportantnotonlyforCADsoftware,butalsofornon-CADsoftware.TheapplicationsoftwareistheheartofaCADsystem.Itconsistsofprogramsthatdo2-Dand3-Dmodeling.Draftingandengineeringanalysis.ThefunctionalityofaCADsystemisbuiltintotheapplicationsoftware.ItistheapplicationsoftwarethatmakesoneCADpackagedifferentformanother.Applicationsoftwareisusuallyoperating-system-dependent.TotransportaCADsystemrunninginoneoperatingsystemtoanotheroperatingsystemisnotastrivialasrecompilingthesoftware.Therefore,attentionmustbegiventotheoperatingsystemaswell.ComputerAidedDesignComputeraideddesigngivesthedesignertheabilitytoexperimentwithseveralpossibleSolutions.Usuallysomeformsofdesignanalysiscalculationsneedtobedoneandmanyprogramshavebeenwrittenforthistask.Thecomputerprovidesthedesignerwithapowerfultoolforanalyzingproposeddesignsandforpreparingformaldrawingsofthefinaldesign.Two-dimensionaldrawingisoneareainwhichcomputermethodscanoffersignificant,quantifiablecostadvantagesovertraditionalpaperandpenmethods,butaCADsystemisnotjustanelectronicdrawingboard.Computerdrawingsystemsenabledesignerstoproducefastaccuratedrawingsandeasilymodifythem.DraughtproductivityrisesdramaticallyTwo-DimensionalDrawingsCADmakespossiblemultiview2Ddrawings,withanendlesspossibilityofviewsinarangeofscalesfrommicronstometers.ItgivesthemechanicaldesignertheabilitytomagnifyeventhesmallestofcomponentstoascertainiftheassembledcomponentsfitproperlyandeventodesignprogramstoidentifyautomaticallypotentialproblemsinCADassembly.Partswithdifferentcharacteristicssuchasmovableorstationary,canbeassigneddifferentcolorsonthedisplay.Partscanbedimensionedwithautomaticdimensioningchanges,allowingforexpedientengineeringdesignchanges.Three-DimensionalDrawingsDesignershaveevenmorefreedomwiththeadventof3Dmodeling.Theycancreate3Dpartsandmanipulatetheminendlessvariationstoachievethedesiredresults.Throughfiniteelementanalysis(FEA),stressescanbeappliedtoacomputermodelandtheresultsgraphicallydisplayed,givingthedesignerquickfeedbackonanyinherentproblemsinadesignbeforethecreationofaphysicalprototype.3Dmodelscanbecreatedinwire-flame,insurfacesorinsolidform.Inwire-frame,linesandarcsformedgesthatgeneratethemodel(Fig,8-la).Theresultisa3Dformthatcanbeviewedfromanylocationbutisstillonlyaskeletalform.Creatingasurfacestretchesaskinovertheskeleton(Fig,8-lb).Oncethisisdone,themodelcanberenderedsothatitappearsmoretangible.SurfacemodelsarecommonlyusedinthecreationofsheetmetaldevelopmentsthatcanbeunfoldedforManufacture.Solidmodelsarethemostcomplexlevelofmodelingandwhiletheprogramstocreatethemhavebeenavailableforsometimeonlargemainframecomputers,itisonlyrecentlythatmicrocomputershavereachedalevelofpowerthatallowstherunningofthesophisticatedalgorithmsneededtocreatesolidmodels,Thecomputerthinksthesolidmodelisasolidmasssoitcanbe”drilled,””±machined,”or”welded”asifitwereanactualphysicalpart.Itcanbemadeoutofanymaterialandcantakeonthatmaterial`scharacteristics,therebyallowingcalculationsofmasstobemade.CAD`sBenefitsThebenefitsofcomputeruseindraftinganddesigntasksareimpressive:increasedspeed,greateraccuracy,reductionofhardcopystoragespaceaswellasbetterrecall,enhancedcommunicationcapabilities,improvedqualityandeasiermodification.SpeedApersonalcomputerusedinindustrycanperformataskatanaveragerateof33millionoperationspersecond;newercomputersareevenfaster.Thisisanimportantfeatwhenusingittocalculatetheamountofdeflectionofacomponent,whentheoreticalphysicalforcesareappliedtoit,throughfiniteelementanalysis(FEA)orwhendisplayinganentirecityplanonamonitor,bothofwhicharetime-consumingandcalculation-intensivetasks.AutoCADsoftwarecanduplicateanygeometryasmanytimesasrequiredandcanalsoperformcrosshatchinganddimensioningautomaticallyandequallyasfast.AccuracyBecausethecomputer`sdataisstoredinanelectronicform,itcanbesenttoavarietyofLocations.Thefirstobviouslocationisthemonitor.Thecomputercandisplaythedataonthescreenindifferentformssuchasgraphics,easilyconvertingthedataintoreadabledrawings.Thedatacanalsobesenttoaplottertoproducethefamiliarpaperdrawing,viaadirectlinktoacomputer-aidedmanufacturing(CAM)machineorviatelephonetoanywherearoundtheglobe.Younolongerhavetomaildrawings,riskingdamageandloss;theycannowbeattheirdestinationinstantlyviathetelecommunicationsnetwork.QualityThecomputeralwaysretainsthedataintheforminwhichitwasfirstcreated.Itcanrepeatthesameoutputofdatacontinuouslywithoutregardtofatigue.Lineswillalwaysbecrispandclear,withuniformlineweight,andtextwillalwaysbelegible.Thecomputerdoesn`talteritsoutputqualitybecauseofawildweekendoralatenightwatchingthegame.ModificationThecomputerdataisstoredinaformatthatallowseasymodificationtoanyfacetofadrawingandgivesinstantfeedbacktotheuser.Whensomethingisdrawnonce,itneverhastobedrawnagainbecausetheobjectinquestioncanbeduplicated,stretched,sized,andchangedinmanywayswithouthavingtoberedrawn.ExceptfortheinitialcosttopurchaseaCADworkstation,CAD`sonlydisadvantageisasmallonebecauseitcanbesoeasilyovercome.Becausethedrawingisstoredinanelectronicformatandnotapaperformat,itispossibletoeraseadrawingfileeasily.That`swhyitisessentialtotrainyourselfingoodCADpracticestoavoidanaccidentalerasure.And-althoughanounceofpreventiontrulyisworthapoundofcure,thereareevenwaysofunerasingfilesthatareusuallySuccessfulifyoufollowthecorrectprocedures.Sorelax!ComputerAidedManufacturingWhenadesignhasfrozen,manufacturingcanbegin.Computershaveanimportantroletoplayinmanyaspectsofproduction.Numericallycontrolled(NC)machinetoolsneedapartprogramtodefinethecomponentsbeingmade;computertechniquesexisttoassist,andinsomecasesvirtuallyautomatethegenerationofpartprograms.Modemshipbuildingfabricatesstructuresfromweldedsteelplatesthatarecutfromalargesteelsheet.Computer-controlledflamecuttersareoftenusedforthistaskandthecomputerisusedtocalculatetheoptimumlayoutofthecomponentstominimizewastemetal.Numericallycontrolledpipe-bendingmachinesareabletooperatedirectlyfrompartprogramsgeneratedbypipe-routingsoftware.Printedcircuitboardassemblycanalsobeimprovedbycomputermethods.Qualityismaintainedbycomputer-controlledautomatictestequipmentthatdiagnosesfaultsinaparticularboardandrejectsdefectiveboardsfromtheassemblyline.ComputersareusedextensivelytoplottheartworkusedtoetchprintedcircuitboardsandalsotoproducepartprogramsforNCdrillingmachines.Oneofthemostimportantmanufacturingfunctionisstockandproductioncontrol.Iftheoriginaldesignisdoneonacomputer,obtaininglistsofmaterialrequirementsisstraightforward.Standardcomputerdataprocessingmethodsareemployedtoorganizetheworkflowandordercomponentswhenrequired.ComputerAidedPartProgrammingPartprogrammingsoftwareisusedtoeaseprogrammingforCNCmachineswhenacomplexpartgeometryrequirescalculationofalargenumberoftoolpositions.PartprogrammingsoftwareisusuallyincorporatedintoafamilyofCAM(ComputerAidedManufacturing)software.SomeCAMsoftwareisassociatedwithCAD(ComputerAidedDesign)softwareintoCAD/CAMstations.ThentheCAMsoftwarecanusetheCADfilesasasourceofdata,whichspeedsuptheprogrammingprocess.Partprogrammingsoftwareisuser-friendly,meaningtheprogrammerdoesnothavetoknowthecomputerprogramminglanguageoritsoperatingsystem.Itusesscreenmenustoleadtheuserthroughtheprogrammingprocess.Datacanbeenteredviathekeyboard,themouse,orthefunctionKeys.Experiencedprogrammerscanusebuilt-inmacrocapabilitiesandadvancedtechniquessuchasafamilyofpartstobecomeevenmoreproductive.ilt-insoftwarewithcommunicationscapability.Goodpartprogrammingsoftwareiscapableof:(1)Establishingthemachiningparametersandtoolingforaparticularmachineorjob.(2)Definingthegeometryandtoolpath.(3)Codegeneration-enablingtheprogrammertodefinewhatcodeistobegeneratedandhowitisoutputtothemachines.(4)Communicationenablingtheprogrammertousestandardcommunicationsprotocolsorcreatehisorherown.NCCutter-PathVerificationBeforeapartismachined,thepartprogramneedstobeverified.Thepurposesofverificationareorkpiece．Adrycutcandetectgrossprogrammingmistakes,butnotthedetailedgeometricones．Anotherapproachistoactuallymachineaprototype．Typically,aprototypepartismachinedinwax,machiningplastic,wood,foam,orsomeothersoftmaterial．Theactualgeometryisthenmeasuredandcomparedwiththedesignspecification．Becausematerialpropertyiscriticalindeterminingthecuttingcondition，thisapproachcanverifyonlythegeometry．WhenapartprogramisgeneratedusingaCAD-basedsystem,agraphicoutputofthecutterpathmaybeproducedbythesoftware．Byvisualinspection，cutter-pathabnormalitiesmaybedetected．Figure9-2showssuchanapproachinacommercialCAD／CAMsystem．Inanadvancedsystem，asolidmodelmaybeusedtogeneratearealisticpictureoftheworkpiece，toolandthefinishedpart．Real-timesimulationofthecuttingprocesscanbedisplayedonscreen．However,mostsimulationsarepurelygeometry-based,wherethecuttingconditionisnotconsidered．ComputerAidedProcessPlanningRecentdevelopmentsincomputer-aidedprocessplanninghavefocusedoneliminatingtheprocessplannerfromtheentireplanningfunction．Computer-aidedprocessplanningcanreducesomeofthedecisionmakingrequiredduringaplaningprocess．Ithasthefollowingadvantages：(1)Itcanreducetheskillrequiredofaplanner．(2)Itcanreduceprocess-planningtime．(3)Itcanreducebothprocess-planningandmanufacturingcosts．Procrssplanningisthecriticalbridgebetweendesignandmanufacturing.Designinformantioncanbetranslatedintomanufacturinglanguageonlythroughprocessplanning.Today,bothcomputer-aideddesign(CAD)andmanufacturing(CAM)havebeenimplemented.Integrating,orbridging,thesefunctionrequiresautomatedprocessplanning.GroupTechnologyAnynewcomponentdesignneedsitsownuniqueidentificationnumber,usuallythedrawingnhdrawingnumberisallocatedbyacodingsystemandeachdigithasmeaning.Ifthecodenumberisknown,manyofthecomponentfeaturescanbededucedwithoutreferencetothedrawing.MaterialsRequirementPlanningEssentiallythisisthesimpleideaofcombiningthemasterproductionschedulewithbillsofmaterialstodetermineexactlytheamountofrawmaterialscomponents,etc.,needed.Thisamountiscomparedwithcurrentstocksandusedtocalculateordersfornewmaterials.Theinformationisthencombinedwithpriorityplanningtoensurethatcorrectordersgooutinthecorrectsequence.Materialsrequirementplanning(MRP)techniqueshavebeenavailableforsometime,butwiththeadventofcomputersmuchmore,accurateinformationtyinstock,unitofmeasure(feetoftubing,numberofscrews,etc.)minimumstocklevel,leadtimeofpurchasedormanufacturedin-house.RoboticsRobotsaremechanicalarmscontrolledbycomputerprograms.Changingtheprogramchangesthesetsequenceofmovements.Thearmsarearticulatedandtherearetwobasictypesofjoints,revoluteandprismatic.Revolutejointsinvolverotationaboutanaxisandprismaticjointsinvolveaslideofsomekind,motioninastraightline(Fig.9-5).Eachjointhasitsownservomotor,velocityandpositiontransducerandisalsocalledadegreeoffreedom.Differenttoolsorendeffectorscanbeattachedtotheendofthearmfordifferentapplications;forexample,mechanicalassembly,paintsprayingandwelding.ComputerIntegratedManufacturingToday`Sindustrycompeteisinatrulyinternationalmarketplace.Efficienttransportationnetworkshavecreateda”worldmarket”inwhichweparticipateonadailybasis.Foranomersbyallowinglast-minuteengineering-designchangeswithoutaffectingshippingschedulesoralteringproductquality.MostmanufacturingcompanieslooktowardCAD,CAMandCIMtoprovidethisflexibilityintheirmanufacturingsystem.Today,theuseofcomputersinmanufacturingiscommon.Manufacturingsystemarebeingdesignedthatnotonlyprocesspartsautomatically,butalsomovethepartsformmachinetomachineandsequencetheorderingofoperationsinthesystem.FlexibleManufacturingSystemsAflexibtemanufacturingsystem,orFMSastheyaremorecommonlyknown,isareprogrammablemanufacturingsystemcapableofproducingavarietyofproductsautomatically.SinceHenryFordfirstintroducedandmodernizedthetransferline,wehavebeenabletoperformavarietyofmanufacturingoperationsautomatically.However,alteringthesesystemstoaccommodateevenminorchangesintheproducthasbeenquitetaxing.Wholemachinesmighthavetobeintroducedtothesystemwhileothermachinedorcomponentsaremodifiedorretiredtoaccommodatesmallchangesinaproduct.Intoday`scompetitivemarke