SolidWorks的液压阀块结构设计.docx
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SolidWorks的液压阀块结构设计
SolidWorks的液压阀块结构设计
3．1液压阀块的结构特点及设计
3．1．1液压阀块的结构特点
按照结构和用途划分，液压阀块有条形块（BarManifolds）、小板块（Subplates），盖板（Coverplates）、夹板（SandwichPlates）、阀安装底板（ValveAdaptors）、泵阀块（PumpManifolds）、逻辑阀块（LogicManifolds）、叠加阀块（AccumulatorManifolds）、专用阀块（SpecialtyManifolds）、集流排管和连接块（HeaderandJunctionBlocks）等多种形式[35][36]。
实际系统中的液压阀块是由阀块体以及其上安装的各种液压阀、管接头、附件等元件组成。
（1）SolidWorks阀块体
阀块体是集成式液压系统的关键部件，它既是其它液压元件的承装载体，又是它们油路连通的通道体。
阀块体一般都采用长方体外型，材料一般用铝或可锻铸铁。
阀块体上分布有及液压阀有关的安装孔、通油孔、连接螺钉孔、定位销孔，以及公共油孔、连接孔等，为保证孔道正确连通而不发生干涉有时还要设置工艺孔。
一般一个比较简单的阀块体上至少有40-60个孔，稍微复杂一点的就有上百个，这些孔道构成一个纵横交错的孔系网络。
阀块体上的孔道有光孔、阶梯孔、螺纹孔等多种形式，一般均为直孔，便于在普通钻床和数控机床上加工。
有时出于特殊的连通要求设置成斜孔，但很少采用。
（2）SolidWorks液压阀
液压阀一般为标准件，包括各类板式阀、插装阀、叠加阀等，由连接螺钉安装在阀块体上，实现液压回路的控制功能。
（3）SolidWorks管接头
管接头用于外部管路及阀块的连接。
各种阀和阀块体组成的液压回路，要对液压缸等执行机构进行控制，以及进油、回油、泄油等，必须及外部管路连接才能实现。
（4）其它附件
包括管道连接法兰、工艺孔堵塞、油路密封圈等附件。
3．1．2液压阀块的布局原则
阀块体外表面是阀类元件的安装基面，内部是孔道的布置空间。
阀块的六个面构成一个安装面的集合。
通常底面不安装元件，而是作为及油箱或其它阀块的叠加面。
在工程实际中，出于安装和操作方便的考虑，液压阀的安装角度通常采用直角。
液压阀块上六个表面的功用（仅供参考）：
（1）顶面和底面
液压阀块块体的顶面和底面为叠加接合面，表面布有公用压力油口P、公用回油口O、泄漏油口L、以及四个螺栓孔。
（2）前面、后面和右侧面
（a）右侧面：
安装经常调整的元件，有压力控制阀类，如溢流阀、减压阀、顺序阀等：
流量控制阀类，如节流阀、调速阀等。
（b）前面：
安装方向阀类，如电磁换向阀、单向阀等；当压力阀类和流量阀类在右侧面安装不下时，应安装在前面，以便调整。
（c）后面：
安装方向阀类等不调整的元件。
（3）左侧面
左侧面设有连接执行机构的输出油口，外测压点以及其他辅助油口，如蓄能器油孔、接备用压力继电器油孔等。
液压阀块块体的空间布局规划是根据液压系统原理图和布置图等的设计要求和设计人员的设计经验进行的。
经常性的原则如下：
（1）安装于液压阀块上的液压元件的尺寸不得相互干涉。
（2）阀块的几何尺寸主要考虑安装在阀块上的各元件的外型尺寸，使各元件之间有足够的装配空间。
液压元件之问的距离应大于5mm，换向阀上的电磁铁、压力阀上的先导阀以及压力表等可适当延伸到阀块安装平面以外，这样可减小阀块的体积。
但要注意外伸部分不要及其他零件相碰。
（3）在布局时，应考虑阀体的安装方向是否合理，应该使阀芯处于水平方向，防止阀芯的自重影响阀的灵敏度，特别是换向阀一定要水平布置。
（4）阀块公共油孔的形状和位置尺寸要根据系统的设计要求来确定。
而确定阀块上各元件的安装参数则应尽可能考虑使需要连通的孔道最好正交，使它们直接连通，减少不必要的工艺孔。
（5）由于每个元件都有两个以上的通油孔道，这些孔道又要及其它元件的孔道以及阀块体上的公共油孔相连通，有时直接连通是不可能的，为此必须设计必要的工艺孔。
阀块的孔道设计就是确定孔道连通时所需增加工艺孔的数量、工艺孔的类型和位置尺寸以及阀块上孔
道的孔径和孔深。
（6）不通孔道之间的最小壁厚必须进行强度校核。
（7）要注意液压元件在阀块上的固定螺孔不要及油道相碰，其最小壁厚也应进行强度校核等等。
根据以上原则，液压阀块布局的优化方法如下：
（1）如果在液压阀块某面上的液压元件的数量不超过4个，则分别布置液压元件在4个角附近，不一定在角上．这样可以保证在两个边附近进行工艺孔设计。
（2）如果在液压阀块某面上的液压元件的数量不超过8个，则除了分别布置液压元件在4个角附近以外，其它液压元件可根据情况分别布置在4个边附近。
这样可以保证在一个到两个边附近进行工艺孔设计。
（3）如果液压阀块某面上的液压元件的数量超过8个以上，可以考虑使用智能方法进行优化设计。
由于一般情况下，液压阀块包含的液压元件总和不会超过10个以上，所以分配到各个面上的液压元件数量不会超过lO个，一般在3到5个左右。
由于在一般液压阀块设计中很少涉及到大量的液压元件布置，所以根据前两条的规则可以满足系统设计的基本要求。
3．1．3液压阀块的设计思路
集成块单元回路图实质上是液压系统原理的一个等效转换，它是设计块式集成液压控制装置的基础，也是设计集成块的依据。
阀块图纸上要有相应的原理图，原理图除反映油路的连通性外，还要标出所用元件的规格型号、油口的名称及孔径，以便液压阀块的设计。
设计阀块前．首先要读通原理图，然后确定哪一部分油路可以集成。
每个块体上包括的元件数量应适中。
阀块体尺寸应考虑两个侧面所安装的元件类型及外形尺寸，以及保证块体内油道孔间的最小允许壁厚的原则下，力求结构紧凑、体积小、重量轻。
3．2基于特征的液压阀块的交互设计
3．2．1SolidWorks阀块的特征分析
特征是设计者对涉及对象的功能、形状、结构、制造、装配、检验、管理及使用信息及其关系等具有确切的工程含义的深层次抽象的描述，是产品描述信息的集合[37][38]。
不同的应用领域和不同的对象，特征的抽象和分类方法有所不同。
在机械产品中，将构成零件的特征分为以下几大类：
辅助特征、几何特征等。
（1）辅助特征
辅助特征是进行基于特征的零件实体建模设计的辅助工具，并不是所设计实体模型的组成部分。
在实体建模时，如何恰当地使用辅助特征来顺利完成实体建模，具有很大的技巧性。
在实体模型的特征创建完毕后，辅助特征可被隐藏或重新显示。
辅助特征主要包括：
工作平面、工作轴、工作点、构造特征和特征管理设计树。
工作平面又称工作基准面，是辅助创建草图及其特征和执行特征操作终止的工作平面。
是一个无限边界的平坦面，因实体建模的设计必须在某一平面上完成二维草图绘制后，进行特征操作。
所以，工作平面主要作用是确定草图平面，同时也可以作为特征操作的终止参数平面和创建其他工作平面的中间媒体。
（2）几何特征
几何特征是构成零件实体模型的基本要素，是基于特征的实体建模的含义所在，是创建基体特征和进行细节特征操作的主要部分。
根据创建方式不同，将几何特征分为草图特征和直接生成特征。
草图特征是由二维轮廓线或横断面进行拉伸、旋转、扫描和放样形成的特征，因此草图特征又分为拉伸特征、旋转特征、扫描和放样特征。
直接生成特征是直接参数地创建在实体模型上的特征，是系统或设计者已定义好的参数化特征，在建模时，只需进行特征定位和输入参数化尺寸值即可形成的特征。
阀块的特征可以知道，有最基本的基体特征，其余就是孔道及沉槽，整体设计特征如下图所示：
3．2．2基于特征的SolidWorksAPI对象
在对SolidWorks进行二次开发时，首先要建立SolidWorks的连接，创建SolidWorks的应用对象：
这两个函数创建了一个新的工作区，使能够进行建模和装配。
“选择”可以说是在使用SolidWorks时用得最多的一个命令，有很多命令在使用时都要选择操作对象，通过调用ModelDoc对象中的SelectBylD函数来实现：
ModelDoc．SelectBylD（objectName，objectType，x，y，z）
这个函数在应用时需要输入五个参数：
objectName
表示要选择对象的名称，该名称是SolidWorks在创建对象时按先后顺序自动命名的，如基准面l、基准面2、Arcl、Line3、D1@草图1@Partl．SLDPRT：
objectType要输入对象的类型，如PLANE（面）、SKETCHSEGMENT（草图上的对象如直线、圆弧等）、DIMENSION（尺寸标注）；x，y，Z是平面上任一点的坐标值。
在所选平面上插入草图，调用ModelDoc中的InscrtSketch函数：
ModelDoc．InsertSketeh（）
画直线调用ModelDoe对象中的CreateLine2函数：
ModelDoc．CreateLine2（xStart,yStart,zStart，xEnd，yEnd，zEnd）[ConstructionGeometry=True]
xStart、yStaa、zStart、rend、yEnd、zEnd分别是直线的起点和终点坐标；ConstruetionGeometry=True时表示画中心辅助线。
画矩形调用ModelDoc中的SketchRectangle函数：
Part．SketchRectangle（vall，val2，zl，val3，val4，z2，val5）
vail和val2分别是左上角的X值和Y值，val3和val4分别是右上角的X值和Y值，z1和z2分别是左上角和左下角的Z值。
画圆调用ModelDoc·对象中的CreateCircle2函数：
ModeIDoc．CteateCirele2（xg，yc，zc，xp，yp，zp）
xc、yc、zc、xp、yp、zp分别是圆心和圆上一点的坐标值。
基本实体建模命令：
拉伸调用PanDoc中的FeatureExtrusion函数：
PartDoc．FeatureExtrusion（sd，flip，dir,tl，t2，dl，d2，dchkl，dchk2，ddirl，ddir2，dangl，dang2，offsetReverse1，ffsetReverse2）
sd为TRUE时表示单向拉伸为FALSE时双向拉伸，以0、l表示；dir为TRUE时表示正向拉伸。
为真时有效；dir为TRUE时表示反向拉伸，为真时有效；tl、t2表示终止类型。
可取下列值：
0（给定深度）、1（贯穿）、2（为贯穿下一个）、3（成形到一顶点）、4（成形到一面）、5（到离指定面指定的距离）、6（两侧对称）；dl、d2表示拉伸的深度；ddirl、ddir2为TRUE时表示带拔模角拉伸；dangl、dan92为TRUE时表示向内拔模，为FALSE是向外拔模；offsetRe2verseI，offsetReverse2控制到离指定面指定的距离，在t1、t2为5时有效。
其中d2、dchk2、ddir2、dang2、offsetReverse2在双向拉伸时有效。
切除拉伸调用PartDoc中的FeatureCut函数：
Part．FeatureManager．FeatureCut（sd，flip，dir,tl，t2，dl，d2，dchkl，dchk2，ddirl，ddir2，dangl，dan92，off．Revea1，offsetReverse2；keeppieceindex，normalcut）
sd为TRUE时表示单向拉伸，为FALSE时双向拉伸，以0、1表示；flip为TRUE时表示切除轮廓外的材料；dir为TRUE时表示反向拉伸，为真时有效；t1、t2表示终止类型，可取下列值：
0（给定深度）、l（贯穿）、2（为贯穿下一个）、3（成形到一顶点）、4（成形到一面）、5（到离指定面指定的距离）、6（两侧对称）；dl，d2表示切割的深度；ddirl、dd砬为TRUE时表示带拔模角拉伸；dangl、dan92为TRUE时表示向内拔模，为FALSE是向外拔模；offsetRe2versel，offsetReverse2控制到离指定面指定的距离，在tl、t2为5时有效。
其中d2、dchk2、ddir2、dan92、offsetReverse2在双向拉伸时有效。
NormalCut正常切除时为TRUE，否则为FALSE。
．2．3阀块特征的SolidWorks参数化设计
基于特征参数化建模技术是将特征设计方法及参数化技术有机的结合起来，从而实现对多种设计方式（自顶而下或自底而上等）和设计形式（原始设计、相似设计和衍生设计等）的支持[39]。
这种理念的提出，改变了传统CAD系统完全靠设计者指出零件几何图素的位置这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单位的新语义实体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。
对于一个特征来说其构成的几何图索之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给特征指定不同的参数值来实现[40]。
对零件的修改就可转化为对构成零件特征参数的修改，使得用户不用直接参及修改零件几何图素位置关系的工作，大大方便了零件的设计及后期修改。
本设计主要采用特征参数化技术。
系统首先对阀块进行特征分析，然后进行确定特征建立的次序，将特征归纳为参数的表达形式；最后利用Solidworks进行建模，在程序中进行参数设置，实现参数化驱动。
利用SolidWorks类型库的支持对该系统的模块进行二次开发。
草图特征和螺纹孔定位销孔采用基于特征的全参数造型技术，用户可以方便地利用特征造型技术新建零件实体，也可通过SolidWorks系统所提供的特征树等功能对己有零件实体进行编辑和修改。
采用VB开发参数化建模和造型实质上是在更深的层次中应用SolidWorks，即直接利用VB程序对SolidWorks的内部特征函数进行调用从而实现特征的生成、修改、编辑、保存等操作。
创建基体特征的时候采用人机交互的形式建立模型，设置合理的设计变量，再通过VB程序驱动设计变量实现模型的更新。
首先根据液压系统原理图和布置图等的要求，初步确定液压阀块的大小。
在SolidWorks中设计阀块的基体特征，阀块的基体是一个长方体，考虑到后期孔道特征的在各个面的创建，需要在长方体上增加辅助特征，即三个工作基准面：
后视基准面，左视基准面和下视基准面，由于面的命名没有什么规律，很多时候是程序自动来命名的，这样，不方便使用SelectbyID来选择，也不能使用坐标值来选择一个面，那样做更加糟糕，所以创建了三个辅助平面，对面进行布尔的判断。
然后，根据液压阀块在总装图中的位置初步确定液压阀块主油路孔和各元件在阀块体上的位置，在选择的基准面上确定一点，插入草图，并且实现螺纹孔和定位销孔的特征实现，将所用的每一个元件的底板草图尺寸从建立的相应的数据库中调出，驱动草图特征在选择面上的生成。
随着设计系统的增加，相应的各类液压阀的底板草图尺寸在数据库中的模板也会增加，但每次增加的数量会相应的减少。
这样，就创建了如图3．2所示的阀块上的草图特征及及参数无关的螺栓孔和定位销孔的特征。
3．3孔道连通设计
3．3．1孔道设计的原则
液压阀块的六个构造基面上都分布有各种类型的孔道。
阀块孔道连通设计过程就是根据装配关系设计方案和原理图的要求，确定各类孔道的孔深，以实现预定的控制要求[38][39]。
阀块孔道设计必须满足以下要求：
（1）满足用户要求，如尺寸限制、油孔位置、方位面等用户的特殊需求。
（2）满足原理图中对孔道连通关系的要求，该通的孔应保证连接畅通，并满足规定的通流面积要求，不该连通的孔不通，并满足壁厚要求。
为保证阀块设计的质量，在阀块孔道设计中必须遵循以下准则：
（1）孔道深度的数值不包括孔尖的深度，是指孔道主体部分（圆柱体）的深度；
（2）连通孔道应尽量直通，不能直通的孔道，应保证工艺孔位置安排合理、工艺孔数目最少、几何尺寸最小且加工简单；
（3）相交两孔应至少包容小孔半径，垂直相交两孔孔深至少达到另一孔中心线，对面相交两孔相交部分深度应至少达到两孔最小半径值。
对于不能直接相连的待通孔，需要设计工艺孔。
而工艺孔的设计，不仅要满足于连通两待通孔，还应使油流通畅、能满足一定的通流面积。
所以在设计工艺孔位置、尺寸时除了遵循以上准则外，还应遵守以
下规范：
（1）工艺孔位置应保证至少通过小孔的一半；
（2）工艺孔的半径等于小孔的半径Rg=Min（Rl，R2）。
3．3．2孔道连通设计
孔道连通设计的实质就是实现阀块上任意两条孔道的连通。
分析两孔道的相对位置关系是孔道连通设计的关键，它决定了孔道设计的连通方法、工艺孔数目和工艺孔设计的情况等[40]。
阀块上两孔道间的位置关系有以下几种情况：
（1）两孔道位于同一平面（简称两孔同面）
对于两孔同面的孔道连通设计比较简单直观，下面来重点研究一下两孔对面和两孔临面的情况。
设液压阀块的长宽高分别为L，w，H。
设待连通的两个孔的坐标分别为
（2）两孔道位于相对平面（简称两孔对面）
两孔位于相对平面的时候，分为两种情况：
前视基准面及基准面l（后视基准面）；右视基准面和基准面2（左视基准面）。
先研究第一种情况，当两点在前视基准面及基准面1上的时候，此时工艺孔需要打两个，孔心分别为
：
其中x是根据底板尺寸和位置自主确定的。
（3）两孔道位于相邻平面（简称两孔邻面）两孔位于相邻平面的时候，分为四种情况，两孔在右视基准面及基准面1，两孔在基准面3及基准面l，两孔在右视基准面及前视基准面，两孔在基准面3及前视基准面这里只列出第一种情况，其他以此类推。
两孔在右视基准面及基准面1的时候，此时需要打一个工艺孔，工艺孔的坐标是
3．4辅助功能的开发
3．4．1坐标转换
在VisualBasic的编程语言里对SolidWorks进行二次开发的语言所需要的坐标有些是空间坐标，而数据库里的坐标都是基于二维平面图而建立的。
为了要实现目标，必须进行坐标转换以获得草图的坐标的时候程序是由两部分组成，一部分是获得草图点空间坐标，一部分是获得草图点的空间坐标的坐标，另一部分是获得草图点的空间坐标，转换的时候要注意坐标的符合度和符号。
在转换前视图的时候，二维坐标和三维坐标的是一致的，这个时候的三维坐标的x坐标和Y坐标即为二维坐标，而Z坐标则是三维坐标的z坐标；而转换后视图的时候，及前视图相比不同的，三维坐标的X坐标则为二维横坐标的负值。
转换左视图的时候三维坐标的X不变，而三维坐标的Y则为二维坐标的Y坐标，而三维坐标的Z坐标则是二维的x坐标；而右视图的时候，及左视图不同的，三维坐标的z坐标则是二维坐标x坐标的负值。
转化下视图的时候三维坐标的Y坐标不变，而三维坐标的X坐标为二维坐标的X坐标，Z坐标则是二维坐标的Y坐标；转换上视图的时候，及下视图相比不同的三维坐标的Z坐标为二维坐标Y的负值。
有了这个转换，可以更好地进行二次开发。
在程序里提供了即时测量点的空阈及草图坐标的程序。
3．4．2外壳透明及清除特征颜色
在检查孔的通断的时候如果零件的表面是透明的，那么再改变孔的颜色，就很容易观察孔的连通情况，为此调用Component2：
：
RemoveMaterialProperty。
设置透明值为0．7。
这样只要选择了零件或零件上的一点或零件上的一面，按下按钮，零件外壳就变为透明，再按按钮零件外壳就会回复原样。
把表面变为透明后如果把孔特征变为彩色那么很直观地就观测到了孔的干涉情况。
在观察完后需要把阀块状态恢复到模型颜色，为此系统还设计另一个恢复特征颜色为模型颜色的设置。
也调用了Component2：
：
RemoveMaterialProperty对象。
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