Pro/E软件在真空装置管路系统设计中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业理化工程研究院 作者:刘元

  本文阐述了利用Pro/E 软件设计真空装置管路系统的方法。对于简单的管路系统可采用普通的画法来设计。针对比较复杂的管路系统,可采用Pro/E 软件的管道模块来设计,此方法布线方式灵活、多样、便捷,大大提高了设计工作的效率。

  一套真空装置能够正常使用,不仅要有一套真空获得系统,还需要其他的辅助配套系统,例如冷却水系统和压缩空气系统等。真空装置的真空获得系统主要由主抽泵、前级抽气机组以及连接它们的管路和各种阀门组成。根据使用要求和场地条件,前级抽气机组和辅助配套系统一般会离真空装置比较近,管路长度比较短,便于安装调试、操作使用以及后续的保养维修。但是对于一些有特殊使用要求,或因场地条件限制无法把前级机组和辅助配套系统就近安装的真空装置,其管路系统的布置则需要根据装置自身的使用要求及场地条件来设计。

  以往的管路设计都是使用CAD制图,根据制图标准绘制管线示意图和阀门管件,管路的实际施工安装,大部分还是要现场放样、制作,管线图作为参考,实际尺寸与图纸尺寸存在较大误差,工作效率较低。自从三维设计软件成为主流设计软件后,我们所设计的任何零部件和装置,包括管路系统,都可以用三维形式来体现,从而能够更加直观地表现出空间立体效果,设计效率得到大幅提高。

1、Pro/E 软件简介

  Pro/E 是美国PTC 公司开发的一套三维设计软件,是一个参数化、基于特征的实体造型系统,并且具有单一数据库功能,是新一代的产品造型系统。Pro/E 是一套从设计、分析到制造的机械设计集成软件解决方案。它的模块众多,主要包含:实体模型,产品装配,工程图制作,模具设计,管路设计,钣金设计,铸造设计,NC 数控加工,逆向工程,焊接设计,运动机构仿真,有限元分析等模块功能, 是当今世界上应用最为广泛的高端CAD/CAE/CAM 软件之一。由于它强大的功能、全参数化的设计,被广泛用于机械、汽车、航天、电子家用电器和工程机械等行业中。本篇文章主要介绍在Pro/E 5.0 的软件平台下,利用管路模块对真空装置的管路系统进行设计建模。

2、管路系统的建模方法及特点

  管路系统的建模方法主要有三种,分别是轨迹扫描法、管道特征法和管道模块法。

  2.1、轨迹扫描法

  轨迹扫描法是利用零件的扫描特征来建模。根据要求在草绘平面上绘出管路的走向轨迹,包括转弯的角度和半径,然后绘制管路的截面,最后扫描成型。当管路是空间三维走向时,则需要建前一段管路的法向平面,并指定此法向平面为草绘平面,随后继续绘制管路走向。若接下来管路的走向垂直于当前的草绘平面,则需要绘制当前平面的垂直平面作为下一段管路的草绘平面。因此,轨迹扫描法更适用于简单的二维方向管路。若用于在三维空间内走向较为复杂的管路,则需要建立很多草绘平面,特别是在管路方向相反的情况下,还需要修改草绘平面的位置,方案修改相对繁琐。

  2.2、管道特征法

  管道特征法是利用零件的高级特征———管道特征来建模。通过空间建立的点,把管线一段一段地连接起来,然后给出管路的外径和壁厚,最终形成实体管路。此方法重点在于建立用于连接管线的特征点,特征点的建立可以选取空间内已有的点,也可以根据尺寸要求新建特征点,若新建特征点则需要建立一些辅助平面和辅助轴。因此,对于一些空间走向比较复杂的管路来说,建立特征点的过程会相对复杂一些,所以此方法比较适用于连接特征点比较明确,空间走向相对简单的管路建模。管道特征法和轨迹扫描法在编辑修改上都较为繁琐。

  2.3、管道模块法

  管路模块法是利用Pro/E 软件的管道模块来建模。其功能非常强大,主要分为规范化创建管路和非规范化创建管路。规范化创建管路主要适用于工业大型管路系统设计或大型工业管网的建立。此方法需要前期建立主类别文件、管接头库文件和工程数据库文件等数据库文件,前期数据库建立得越详细对于后期的系统建立越方便。通过设置管路的Config 文件并结合RSD 布线系统的使用还可以实现自动化创建管路。非规范化创建管路主要是指机械管路设计或是设备、装置配套系统的管路设计。此方法主要是将管路系统作为整个机械系统的一个组件来设计。首先要建立与管路系统相关联的部件的模型,然后建立管路中所需要的各种管接头或管件的模型,包括阀门、弯头、法兰、密封圈等,常用的管接头或管件可以建立标准件库方便调用,第三步定义管线的规格参数,第四步绘制管线同时插入所需要的管接头,最后生成管路实体。管路系统以组件的形式装配到总系统中,进行查看或编辑,根据需要查看管路信息,最终生成工程图投入加工。此次真空装置管路系统的设计就是采用非规范化创建管路的建模方法。

3、应用实例

  3.1、背景介绍

  根据科研工作的需要,我们设计加工了一套容积为45m3 的真空装置,配备了5 台K-900C 的油扩散泵作为主抽泵,工作真空度要求达到1.3×10-3 Pa。为了装置能够正常使用,需要设计一套管路系统与之匹配。通常我们使用的真空装置管路系统主要包括真空管路系统,冷却循环水系统,工艺排风系统和压缩空气系统。由于工作场地面积有限,同时考虑到空间布局的紧凑性和工艺使用要求,装置需要靠一侧墙壁放置,装置后侧扩散泵出口法兰的边缘距墙壁只有400 mm,四大系统的运行机组放置在另外的辅助间。我们要在装置与辅助机组之间,设计布置各个系统的管路。由于空间有限,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为必须通过Pro/E 软件进行模拟装配,给出精确的尺寸,方便施工人员安装。

  3.2、管路系统设计流程

管路系统设计流程图

图1 管路系统设计流程图

  此流程最重要的部分是管路方案设计和管路参数计算,在设计过程中利用Pro/E 的参数化建模功能结合管路参数的计算结果调整修改设计方案,形成最终的方案。

  3.3、管路建模方法

  第一步,创建总装配体,命名并保存。第二步,建立已有真空装置和工作场地的模型,可将零部件很多的真空装置进行收缩包络,收缩包络是多个零件表面的集合体,用于管道零部件的安装和定位。将它们作为默认组件装入总装配体。

Pro/E软件在真空装置管路系统设计中的应用

图2 真空装置布局示意图 图3 真空装置局部尺寸示意图

  第三步,根据工艺使用要求建立管道零部件的模型,包括各种阀门、过渡接管、波纹管、法兰、密封圈、三通等。在零件和各管道接口上创建坐系,坐标系要求在管道中心线上,与外端面留有偏距,偏距用来确定管子的确切终止位置,坐标系Z轴朝向接头外侧(管子的进入位置)。

创建坐标系的真空阀门示意图

图4 创建坐标系的真空阀门示意图

  第四步,创建管道装配体,四个系统可分别命名并保存。在管道装配体中装配与真空装置连接的第一个零部件———过渡接管(五个过渡接管对应五个油扩散泵)。

创建管道装配体示意图

图5 创建管道装配体示意图

  第五步,定义管路参数,包括管路材料、截面形状、外径壁厚、折弯半径、折弯角度等,根据管路的尺寸规格可以建立管线库,以备使用。第六步,管道布线,首先设置起点,然后根据方案绘制管线,通过指定坐标系相对偏移进行布线,可以手工拖动或输入具体值,此方法对于后期的方案修改十分便利。

  第七步,在需要的位置插入三通、法兰等管件,最后生成管路实体。将四个分系统装配体装入总装配体中。

Pro/E软件在真空装置管路系统设计中的应用

图6 绘制管线示意图 图7 最终方案示意图

  四套系统中,冷却循环水系统的管路较短,并且是由五节管路连接到一起的,所以此部分建模是利用管道特征法完成的。方案最终确定后再进行细节设计,出加工图。因为此次设计的管路系统在安装过程中很多都是高空作业,并且空间狭小,施工人员需要完全按照图纸进行零部件加工和现场装调。

4、结论

  利用Pro/E 软件的管道模块完成真空装置管路系统的设计,大大提高了设计工作的效率,尤其在方案设计阶段,编辑修改起来十分便利。Pro/E 软件的管道模块的特点:1. 方便定义管理多种管线;2.布线方法灵活、多样、便捷;3.便于提取管路信息;4. 可建立不同种类的管件库,便于随时调用;5.适用于管路较为复杂的装配设计。

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