涡轮分子泵参数化设计软件
对几种参数化设计方法进行了比较, 根据涡轮分子泵的结构特点, 开发了简便实用的涡轮分子泵参数化设计软件。该软件具有智能设计、自主设计、三维造型、动态模拟等功能, 对产品开发、泵性能优化等具有实际意义。
涡轮分子泵是以高速旋转的转子和定子互相配合来工作的。其定子和转子是叶齿倾角方向相反的涡轮叶轮, 按照转子—定子—转子—定子—⋯⋯转子组合在一起, 转子高速旋转, 定子固定于泵体上, 气体分子从入口侧流向出口侧的正向传输几率远大于出口侧流向入口侧的反向传输几率, 这样气体分子的净流量表现为从入口到出口的宏观流动,从而达到抽气的目的。
人们对涡轮分子泵组合叶列抽气性能优化、制造工艺、润滑系统和冷却系统等方面已进行了研究。如今参数化设计已经深入到了许多产品的设计过程中, 而对涡轮分子泵的参数化设计却鲜有提及。我们开发了简便实用的涡轮分子泵参数化设计软件。该软件具有智能设计、自主设计、三维造型、动态模拟等功能, 真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对产品开发、泵性能优化研究等方面具有实际意义。
1、参数化设计方法
参数化设计的关键在于输入不同的参数时, 程序将能进行相应的计算和参数选择, 并能绘制出相应的图形。参数化设计的方法主要分为: ¹ 使用高级程序语言对操作系统提供的标准图形接口函数进行设计和开发, 制作出绘图软件来, 这种方法适合于开发商用、专业的大型参数化软件, 其运行效率高,但开发周期长、难度大, 需要具有一定的编程经验;º 使用现有的绘图平台, 根据其提供的开放图形库函数进行二次开发, 这种方法适合于开发零件少的中小型参数化软件, 其运行效率稍差, 但是其编程简单、开发周期短。
由于计算机技术的飞速发展, 出现了各种各样的程序开发方法, 选择适合自己并适合项目的方法是非常重要的, 只有适合的方法才能有效地缩短软件开发周期和完善软件设计功能。参数化设计软件的开发有如下几种方法。
(1) 开发大型或商用参数化设计软件方法使用C+ + 、C、Fo rt ran、java 等高级语言进行图形库的开发( 推荐使用C + + 面向对象程序设计语言) , 图形库函数包括: Bo rland C+ + 提供的BGI 图形接口, UNIX 系统提供的Xlib 库接口, SGI 提供的Open GL 图形接口( UNIX、Window s NT 、DOS 等操作系统都集成了Open GL) 。利用这些接口函数可以很方便地设计出二维、三维图形。特别是使用Open GL 库函数可以很方便实现实时三维变换。
(2) 二次开发方法：所谓二次开发, 就是使用某种高级语言或开发环境编写与绘图软件( 如AutoCAD、S olidWor ks) 连接的接口程序, 通过接口程序对数据进行处理, 按照绘图软件的绘图标准向绘图软件的外部接口发出绘图命令, 绘图软件对输入的命令进行处理并绘制出二维或三维图形。其缺点是不能离开相应的绘图软件。二次开发主要包括以下三种类型。
a、使用绘图软件提供的二次开发环境其中包括最常用的二次开发软件Auto CAD本身提供的开发环境: VBA、Auto Lisp、Visual Lisp等 ; SolidWorks 也提供了VBA 开发环境; Pro/ E提供了C 语言的二次开发方法; UG 也有自己的program 开发方法; MDT 提供了VBA 开发环境等等。这种方式程序设计简单, 但编程环境的功能不强。
b、使用VB 等外部编程环境对绘图软件进行二次开发像AutoCAD、SolidWor ks 这些软件的图形库函数对外部程序都是开放的, 外部程序可以对其进行调用, 控制其绘图环境进行绘图, 这种方法开发出来的应用程序界面友好、控件丰富、设计灵活, 并可制作安装程序和帮助文件, 另外这种方式可以很容易与数据库连接, 使软件更完善更系统, 其一般方法是在VB 的工程中引用AutoCAD、SolidWorks 的图形库, 可以实现自动运行AutoCAD、SolidWorks并能对其绘图命令直接调用。其优点是: 可充分利用编程环境所提供的各种功能。另外, AutoCAD 还提供一种运行效率最高的二次开发方法, 即使用ObjectARX , 它是使用ObjectARX插件在VisualC+ + 中的MFC 编程, 生成一个动态链接库文件, 其缺点是它只能编译出一种加载程序, 而不能编译成一个可执行文件。
c、使用高级语言对图形接口文件进行设计，使用高级语言编写DXF 等图形交换文件, 在绘图软件中可以将其转化为图形。这种方法比较繁琐。
综上所述, 较复杂的方法是使用C + + 进行设计, 最简便、最理想的方法是使用VB 对AutoCAD进行二次开发。因为涡轮分子泵零件相对较少, 尺寸不大, 我们开发的涡轮分子泵参数化设计软件选择使用VB 对AutoCAD 的二次开发。
2、软件设计目标
在今天的机械行业中, 国际发展的趋势是从三维模型开始, 再到二维, 然后参与制造, 这与以往的从二维开始再应用于制造之中不同, 从三维开始可以很容易的实现参数化, 在生产过程中很容易实现柔性制造, 因为在如今的制造业中, 随着用户要求的不断变化, 交货时间的限制, 市场竞争的日益激烈,企业在生产中实现柔性制造是非常重要的。进行CIMS 改造的企业在设计、制造、管理都实现了计算机化, 其人员和财力方面也精简不少。
我们研究涡轮分子泵的柔性设计, 可以将数据计算和绘图通过高级语言编写相应的应用程序, 只需输入不同参数便可以运行出不同的结果, 计算和绘图过程自动完成。通过修改某一参数就可直接改动所有设计, 显而易见, 这不仅大大提高了设计效率, 而且可以直观地观察到设计产品的最终效果。本软件可以通过设定涡轮分子泵的几个主要参数, 经设计计算最终确定泵的其它参数, 然后通过程序自动生成涡轮分子泵的三维模型, 并可生成二维图纸, 也可进行剖视, 动态模拟观察, 并为软件制作了一个较完善的帮助文件。
3、参数选择
软件设计的关键是正确选择参数, 参数包括设计参数和性能参数。图1 为涡轮分子泵组合叶列的抽气模型, 其中N j J 为从j 到J 的入射分子数。涡轮分子泵的设计中涉及很多参数的设定和选择, 其中最主要的设计参数是: 主轴转速N , 入口直径D, 叶列的几何参数( 包括叶齿的叶倾角A, 节弦比s0 , 速度比c, 叶齿厚度b, 叶齿长度l 等) , 叶列级数n 等;主要性能参数为: 最大压缩比K max , 抽速s 等。它们的关系如下。
图1 组合叶列抽气模型
5、设计效果渲染
在产品设计后期一定会对产品进行广告设计和包装设计, 我们选择AutoCAD 的另一个原因是它的图形可以输出为多种类型, 其中我们需要的是3ds 类型, 同时, 3ds max 也可以导入AutoCAD 的dwg 格式的文件。众所周知, 3ds max 是三维渲染和三维动画最为流行的软件之一, 其效果逼真, 场景真实, 是理想的渲染和动画制作软件。我们将绘制的三维模型在3ds max 中进行渲染, 输出产品的立体效果图, 可以制作产品推广的动画广告。对于输出的效果图, 使用Pho to shop 图形处理软件, 可以生成最后具有商业效果的广告宣传图片。
6、结束语
本软件的开发选择了简便的开发方法, 这便于开发人员能够很快掌握, 为以后进一步的参数化软件设计和开发奠定基础。在此基础上, 软件的进一步开发可包括建立与调用涡轮分子泵的零部件标准化数据库, 加入牵引分子泵、复合分子泵的参数化设计等, 可以选择Visual C+ + 或Borland C+ + 等设计程序, 开发运行效率高、用户界面好、可视化效果更好的参数化设计软件。
我们开发的参数化设计软件不仅可以用于涡轮分子泵的设计、涡轮分子泵抽气性能优化研究和教学演示, 同时对相关产品参数化设计软件开发也有借鉴作用。
