渦輪分子泵參數化設計軟件

2013-05-05 鐘亮 東北大學(xué)真空與流體工程研究中心

　　對幾種參數化設計方法進(jìn)行了比較, 根據渦輪分子泵的結構特點(diǎn), 開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)便實(shí)用的渦輪分子泵參數化設計軟件。該軟件具有智能設計、自主設計、三維造型、動(dòng)態(tài)模擬等功能, 對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、泵性能優(yōu)化等具有實(shí)際意義。

　　渦輪分子泵是以高速旋轉的轉子和定子互相配合來(lái)工作的。其定子和轉子是葉齒傾角方向相反的渦輪葉輪, 按照轉子—定子—轉子—定子—⋯⋯轉子組合在一起, 轉子高速旋轉, 定子固定于泵體上, 氣體分子從入口側流向出口側的正向傳輸幾率遠大于出口側流向入口側的反向傳輸幾率, 這樣氣體分子的凈流量表現為從入口到出口的宏觀(guān)流動(dòng),從而達到抽氣的目的。

　　人們對渦輪分子泵組合葉列抽氣性能優(yōu)化、制造工藝、潤滑系統和冷卻系統等方面已進(jìn)行了研究。如今參數化設計已經(jīng)深入到了許多產(chǎn)品的設計過(guò)程中, 而對渦輪分子泵的參數化設計卻鮮有提及。我們開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)便實(shí)用的渦輪分子泵參數化設計軟件。該軟件具有智能設計、自主設計、三維造型、動(dòng)態(tài)模擬等功能, 真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、泵性能優(yōu)化研究等方面具有實(shí)際意義。

1、參數化設計方法

　　參數化設計的關(guān)鍵在于輸入不同的參數時(shí), 程序將能進(jìn)行相應的計算和參數選擇, 并能繪制出相應的圖形。參數化設計的方法主要分為: ¹ 使用高級程序語(yǔ)言對操作系統提供的標準圖形接口函數進(jìn)行設計和開(kāi)發(fā), 制作出繪圖軟件來(lái), 這種方法適合于開(kāi)發(fā)商用、專(zhuān)業(yè)的大型參數化軟件, 其運行效率高,但開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、難度大, 需要具有一定的編程經(jīng)驗;º 使用現有的繪圖平臺, 根據其提供的開(kāi)放圖形庫函數進(jìn)行二次開(kāi)發(fā), 這種方法適合于開(kāi)發(fā)零件少的中小型參數化軟件, 其運行效率稍差, 但是其編程簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短。

　　由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展, 出現了各種各樣的程序開(kāi)發(fā)方法, 選擇適合自己并適合項目的方法是非常重要的, 只有適合的方法才能有效地縮短軟件開(kāi)發(fā)周期和完善軟件設計功能。參數化設計軟件的開(kāi)發(fā)有如下幾種方法。

　　(1) 開(kāi)發(fā)大型或商用參數化設計軟件方法使用C+ + 、C、Fo rt ran、java 等高級語(yǔ)言進(jìn)行圖形庫的開(kāi)發(fā)( 推薦使用C + + 面向對象程序設計語(yǔ)言) , 圖形庫函數包括: Bo rland C+ + 提供的BGI 圖形接口, UNIX 系統提供的Xlib 庫接口, SGI 提供的Open GL 圖形接口( UNIX、Window s NT 、DOS 等操作系統都集成了Open GL) 。利用這些接口函數可以很方便地設計出二維、三維圖形。特別是使用Open GL 庫函數可以很方便實(shí)現實(shí)時(shí)三維變換。

　　(2) 二次開(kāi)發(fā)方法：所謂二次開(kāi)發(fā), 就是使用某種高級語(yǔ)言或開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)與繪圖軟件( 如AutoCAD、S olidWor ks) 連接的接口程序, 通過(guò)接口程序對數據進(jìn)行處理, 按照繪圖軟件的繪圖標準向繪圖軟件的外部接口發(fā)出繪圖命令, 繪圖軟件對輸入的命令進(jìn)行處理并繪制出二維或三維圖形。其缺點(diǎn)是不能離開(kāi)相應的繪圖軟件。二次開(kāi)發(fā)主要包括以下三種類(lèi)型。

　　a、使用繪圖軟件提供的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境其中包括最常用的二次開(kāi)發(fā)軟件Auto CAD本身提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境: VBA、Auto Lisp、Visual Lisp等 ; SolidWorks 也提供了VBA 開(kāi)發(fā)環(huán)境; Pro/ E提供了C 語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)方法; UG 也有自己的program 開(kāi)發(fā)方法; MDT 提供了VBA 開(kāi)發(fā)環(huán)境等等。這種方式程序設計簡(jiǎn)單, 但編程環(huán)境的功能不強。

　　b、使用VB 等外部編程環(huán)境對繪圖軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)像AutoCAD、SolidWor ks 這些軟件的圖形庫函數對外部程序都是開(kāi)放的, 外部程序可以對其進(jìn)行調用, 控制其繪圖環(huán)境進(jìn)行繪圖, 這種方法開(kāi)發(fā)出來(lái)的應用程序界面友好、控件豐富、設計靈活, 并可制作安裝程序和幫助文件, 另外這種方式可以很容易與數據庫連接, 使軟件更完善更系統, 其一般方法是在VB 的工程中引用AutoCAD、SolidWorks 的圖形庫, 可以實(shí)現自動(dòng)運行AutoCAD、SolidWorks并能對其繪圖命令直接調用。其優(yōu)點(diǎn)是: 可充分利用編程環(huán)境所提供的各種功能。另外, AutoCAD 還提供一種運行效率最高的二次開(kāi)發(fā)方法, 即使用ObjectARX , 它是使用ObjectARX插件在VisualC+ + 中的MFC 編程, 生成一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫文件, 其缺點(diǎn)是它只能編譯出一種加載程序, 而不能編譯成一個(gè)可執行文件。

　　c、使用高級語(yǔ)言對圖形接口文件進(jìn)行設計，使用高級語(yǔ)言編寫(xiě)DXF 等圖形交換文件, 在繪圖軟件中可以將其轉化為圖形。這種方法比較繁瑣。

　　綜上所述, 較復雜的方法是使用C + + 進(jìn)行設計, 最簡(jiǎn)便、最理想的方法是使用VB 對AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。因為渦輪分子泵零件相對較少, 尺寸不大, 我們開(kāi)發(fā)的渦輪分子泵參數化設計軟件選擇使用VB 對AutoCAD 的二次開(kāi)發(fā)。

2、軟件設計目標

　　在今天的機械行業(yè)中, 國際發(fā)展的趨勢是從三維模型開(kāi)始, 再到二維, 然后參與制造, 這與以往的從二維開(kāi)始再應用于制造之中不同, 從三維開(kāi)始可以很容易的實(shí)現參數化, 在生產(chǎn)過(guò)程中很容易實(shí)現柔性制造, 因為在如今的制造業(yè)中, 隨著(zhù)用戶(hù)要求的不斷變化, 交貨時(shí)間的限制, 市場(chǎng)競爭的日益激烈,企業(yè)在生產(chǎn)中實(shí)現柔性制造是非常重要的。進(jìn)行CIMS 改造的企業(yè)在設計、制造、管理都實(shí)現了計算機化, 其人員和財力方面也精簡(jiǎn)不少。

　　我們研究渦輪分子泵的柔性設計, 可以將數據計算和繪圖通過(guò)高級語(yǔ)言編寫(xiě)相應的應用程序, 只需輸入不同參數便可以運行出不同的結果, 計算和繪圖過(guò)程自動(dòng)完成。通過(guò)修改某一參數就可直接改動(dòng)所有設計, 顯而易見(jiàn), 這不僅大大提高了設計效率, 而且可以直觀(guān)地觀(guān)察到設計產(chǎn)品的最終效果。本軟件可以通過(guò)設定渦輪分子泵的幾個(gè)主要參數, 經(jīng)設計計算最終確定泵的其它參數, 然后通過(guò)程序自動(dòng)生成渦輪分子泵的三維模型, 并可生成二維圖紙, 也可進(jìn)行剖視, 動(dòng)態(tài)模擬觀(guān)察, 并為軟件制作了一個(gè)較完善的幫助文件。

3、參數選擇

　　軟件設計的關(guān)鍵是正確選擇參數, 參數包括設計參數和性能參數。圖1 為渦輪分子泵組合葉列的抽氣模型, 其中N j J 為從j 到J 的入射分子數。渦輪分子泵的設計中涉及很多參數的設定和選擇, 其中最主要的設計參數是: 主軸轉速N , 入口直徑D, 葉列的幾何參數( 包括葉齒的葉傾角A, 節弦比s0 , 速度比c, 葉齒厚度b, 葉齒長(cháng)度l 等) , 葉列級數n 等;主要性能參數為: 最大壓縮比K max , 抽速s 等。它們的關(guān)系如下。

渦輪分子泵組合葉列抽氣模型

圖1　組合葉列抽氣模型

5、設計效果渲染

　　在產(chǎn)品設計后期一定會(huì )對產(chǎn)品進(jìn)行廣告設計和包裝設計, 我們選擇AutoCAD 的另一個(gè)原因是它的圖形可以輸出為多種類(lèi)型, 其中我們需要的是3ds 類(lèi)型, 同時(shí), 3ds max 也可以導入AutoCAD 的dwg 格式的文件。眾所周知, 3ds max 是三維渲染和三維動(dòng)畫(huà)最為流行的軟件之一, 其效果逼真, 場(chǎng)景真實(shí), 是理想的渲染和動(dòng)畫(huà)制作軟件。我們將繪制的三維模型在3ds max 中進(jìn)行渲染, 輸出產(chǎn)品的立體效果圖, 可以制作產(chǎn)品推廣的動(dòng)畫(huà)廣告。對于輸出的效果圖, 使用Pho to shop 圖形處理軟件, 可以生成最后具有商業(yè)效果的廣告宣傳圖片。

6、結束語(yǔ)

　　本軟件的開(kāi)發(fā)選擇了簡(jiǎn)便的開(kāi)發(fā)方法, 這便于開(kāi)發(fā)人員能夠很快掌握, 為以后進(jìn)一步的參數化軟件設計和開(kāi)發(fā)奠定基礎。在此基礎上, 軟件的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)可包括建立與調用渦輪分子泵的零部件標準化數據庫, 加入牽引分子泵、復合分子泵的參數化設計等, 可以選擇Visual C+ + 或Borland C+ + 等設計程序, 開(kāi)發(fā)運行效率高、用戶(hù)界面好、可視化效果更好的參數化設計軟件。

　　我們開(kāi)發(fā)的參數化設計軟件不僅可以用于渦輪分子泵的設計、渦輪分子泵抽氣性能優(yōu)化研究和教學(xué)演示, 同時(shí)對相關(guān)產(chǎn)品參數化設計軟件開(kāi)發(fā)也有借鑒作用。