国外压缩机的CAD和CAM概况

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发表于 2002-5-16 11:46 |只看该作者 |倒序浏览

国外压缩机的CAD和CAM概况

彭宝成　赵志光　宋金瓯　杨会龙　闫月琴

摘　要：介绍了国外压缩机行业应用计算机辅助设计和计算机辅助制造的基本概况。
关键词：计算机；压缩机；软件；辅助设计；辅助制造

　　CAD/CAM系统是将计算机辅助设计和计算机辅助制造连接起来，使CAD中得到的输出数据可以代替工艺图提供给CAM作为机械加工的输入数据，使设计中所做的工作在加工中不再重复。这门新兴学科随着计算机软、硬件的日趋完善，以其高效、优质在机械行业中显示出强大的生命力。CAD／CAM技术的应用，在经济效益上已取得令人瞩目的成就。据有关资料统计［1，2］采用CAD可以使机械产品设计周期缩短65%～85%，工艺周期缩短80%～90%，降低基建费用10%～30%，改善技术指标10%～25%。同时，CAD与CAM结合后，实现了产品设计、制造一体化，可以无需图样即可出产品，从而改善了机械设计必须用图纸来完成的传统作法。美国国家科学基金会的生产中心曾这样评价：CAD/CAM是自电子技术发明以来，比其他技术具有更大的潜力，又能更快地提高生产的技术。美国密执安大学组成一个由美、英、日共105人参加的CAD/CAM专家组，历时几个月，对CAD/CAM的发展进行的调查结果是：1990年，美、日两国有50%的机械制图已被计算机绘图取代，已有78%的通用数控机床(NC)被计算机数控(CNC)和直接数控(DNC)设备或系统代替，已有50%的机械加工和装配工艺过程的设计由计算机辅助工艺过程设计(CAPP)来完成。

1　压缩机CAD系统应用软件

　　在计算机上采用数学模型研究压缩机并进行数值试验称为数学模拟，或者说模拟就是对被研究过程基元现象的模仿。模拟的目的在于揭示压缩机工作过程的热力、动力现象的真正本质，以获得高经济性、高可靠性的压缩机。就活塞式压缩机而言，由最初的单独模拟气阀的工作过程，进而模拟管道的气流脉动，从而为减少进气、排气过程的能量损失和提高压缩机工作的可靠性铺平了道路，这些模拟程序均已被用于产品设计中。19世纪60年代中期开始模拟压缩机工作全过程，不仅考虑了气阀和气流脉动，还考虑了实际气体的性质、过程中的热交换、气阀的泄漏、运动部件的机械摩擦等方面的影响，通过模拟可预测压缩机实际工作状态，从而节省了昂贵的实验室试验或现场试验工作，并可将产品中存在的问题消灭在设计阶段。在活塞式压缩机结构设计中，采用有限元分析法预测气缸、活塞、曲轴、连杆等主要零部件的强度，并进行改进设计。对于回转式压缩机工作过程的模拟，包括螺杆型线的计算，最佳孔口位置的确定、泄漏计算、喷液的模拟及机械摩擦损失模拟等。对喷油的单螺杆、双螺杆压缩机已有了进行性能分析的通用计算机程序。80年代发展起来的涡旋压缩机的计算机模拟，发展之快令人瞩目，由涡旋盘几何尺寸及型线计算至动力学分析、轴承设计及喷液或干运转的热力特性模拟，均已用于产品设计与试验研究中。目前较完善的经验设计软件是德国Borsig公司工艺用压缩机设计程序，它包括热力、动力计算及曲轴扭振分析(KOL)、管壳式冷却器换热计算优化设计、管路气流脉动模拟计算等。
　　压缩机的优化设计目前多为局部优化，诸如热力、动力学参数的优化、结构参数的优化、零部件结构和强度的优化、冷却器优化、气阀设计优化、活塞环优化以及产品成本的优化等。它们之间既有各自独立的内容，又相互制约。1976年美国普渡国际压缩机会议上J.Hamilton发表的关于滑片压缩机优化设计的论文，选取了13个与目标函数有关的设计参数作为优化设计变量，优化结果使机器效率提高5%；1990年普渡国际压缩机会议上韩国金星公司的M.Choi等人对滚动活塞式压缩机储能器进行了优化设计；日本Daikin研究所T.Maekawa对制冷用转子压缩机的孔口和转子高度进行优化，以获得较高的能效比；乌克兰敖德萨低温和能源工程研究所的V.I.Milovanov通过动力学分析对滚动活塞式压缩机的几何参数进行优化等。对整机的优化设计，目前尚属起步阶段。各国研究者正致力于优化设计数学模型的改进，如考虑运行费用、初始投资、贷款利息、资金增值、重量、寿命等因素，以实现压缩机整机效益的最优化。
　　计算机辅助设计的一个重要内容是CAD图形系统，它除了硬件配置外，还必须配置成套的软件才能有效地工作。软件系统分为三个层次：最核心一层是操作系统，中间一层是高级语言、图形支撑软件、数据管理系统和通讯软件，最外层是各专业应用软件。图形支撑软件中的图形基本功能软件提供图形处理和编辑功能，并包含有驱动图形输入与输出的设备和程序，是交互式图形系统的基础软件。数据库用于存储图形或非图形数据。通讯软件解决工作站之间及工作站与主机之间的信息交换。
　　图形支撑软件种类很多。适用于个人微机的著名交互式绘图软件有AutoCAD、Cadkey、Cadplane等，这些软件均带有二维、三维绘图功能。其中应用最普遍的是美国Autodesk公司AutoCAD软件，它的版本更新速度极快，目前已有了AutoCADR14版本，并配有AutoLISP语言，亦可与C语言配合使用，功能更加齐全，非常适用于应用软件的开发利用。

2　计算机辅助制造系统

　　1)CAM系统的类型
　　CAM分为两类：1类是直接应用于制造过程的监视和控制，另1类是提供管理生产活动所需的数据和信息，如数据编程，制定工艺规程、成本核算、生产与库存控制等以支持工厂的制造活动。根据控制内容的深广度不同，CAM系统又分为：计算机数字控制(CNC)、适应控制(AC)、柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)。柔性制造系统FMS是以数控机床、加工中心机床及辅助设备为基础，与柔性制造的自动化运输储存系统结合，利用DNC与CNC或CNC与CNC等多种形式的分级控制形成一个由物质流与信息流相结合的完整生产线。美国BORG WARNER冷冻机公司的TR137FMS系统，由意大利COMAU公司开发，包括四台加工中心，一台数控机床，一个带工业机器人的清洗机，一条自驱式滚道作为物流系统。它用于加工85种不同压缩机的机体和缸盖，年产量约4万件，经济效益很高。柔性自动线多以三坐标数控加工中心为核心构成具有柔性的自动线。它与刚性自动线相比具有能适应多品种加工的优点，是一种适应大、中批量加工任务的柔性制造系统。
　　CIMS采用的是计算机分级控制，通常由三级计算机组成。其中第3级是专用小型计算机，直接控制生产设备(如数控机床)以及与制造有关的各个子作业，它能及时输出各种加工设备所需的信息，并对各台设备加工反馈回来的信息加以分析、运算、再输出控制信息。第2级计算机一般是一台较大型的计算机，称为主机，用它来对上述小型计算机发布命令、收集或分配数据，执行监控，担任上下两极计算机的通讯及文件管理与数据转换等工作。第1级为中央计算机，为超大型计算机，它担任整个系统的生产、技术、财会方面的管理工作，收集处理来自主机的信息，并从总的管理角度控制各个第2级主机，从产品订货、设计、制造到发货的生产全过程通过各级计算机有机地结合起来，从而形成计算机集成制造系统。CIMS是今后一段时间内加工业的奋斗目标。
　　2)计算机辅助制造中的软件系统
　　CAM硬件包括数控机床、检测装置、数字计算机等。CAM软件是指一个计算机编程系统的信息网络，其功能是用来进行监控、处理和最终控制作业信息和CAM硬件。系统软件由5部分组成：数据库、工艺设计软件、生产调度软件、加工控制软件、质量控制软件。
　　数据库是CAM系统中的数据总存储处，系统在执行控制、计划调度和分析中所需的数据全部存放在数据库中，这些数据可由计算机高速存取，根据需要随时由相应的程序调用数据库中的数据进行计算、编程等。工艺设计的核心是CAPP程序，它从数据库中取得数据和切削率数据，再由操作者的输入得知制作说明，就可得出生产数据和所需的NC零件程序，这些数据经后置处理后，存放在数据库中供加工、控制使用。生产过程管理由生产调度程序控制，它从数据库中取得生产数据和零件程序，并在运行过程中不断从现场取得生产情况的反馈信息，最终确定每台机械的加工负荷，以维持最佳化的调度。程序同时发出有关刀具、装卸时间、加工时间等辅助信息给操作者，并将加工实况记录于数据库中。加工控制的核心为加工控制程序，后者由基础级的微型计算机执行，也可由上级机经通讯线直接执行。在生产调度程序支配下，取得NC零件加工程序以及必要的辅助加工信息，CNC机床在加工控制程序的控制下进行加工，加工状态信息反馈到调度程序以实现最佳调度，而加工过程及机械状况的信息则反馈到数据库中作为监控数据存入。质量控制程序使用数据库中产品或零件质量说明以及由操作者经交互式终端送来的质量要求和由测量机送来的零件质量信息，同时执行两个功能：1是提供被加工零件的精度实况，并在数据库中记录下来；2是判断质量是否合格，如果精度达不到要求，即刻向加工控制及调度发出信息。
　　目前，CAM的研究内容主要有：计算机辅助编制工艺规程CAPP；几何建模；工作车间控制；超APT能力之外的NC处理及雕刻面系统；专家系统和人工智能。

3　结束语

　　CAD和CAM在国外压缩机制造业的应用已日趋普及。CAD/CAM的迅速发展，给机械制造行业注入了强大生机。目前，随着计算机功能的迅速提高，使CAD/CAM系统的可视化、集成化、智能化、网络化成为可能。那时CAD/CAM的应用将十分方便和普及。