湿式直排大气罗茨泵转子型线快速设计(论文).docx

1、0目录中文摘要 .1英文摘要 .21 引言 .31.1 本课题的目的、意义及主要内容 .32 快速设计 .52.1 机械产品快速设计平台的概念和体系结构 .52.1.1 快速设计平台的概念 .52.1.2 快速设计平台的体系结构 .63 罗茨泵型线设计 .73.1 罗茨泵真空泵 .73.2 圆弧渐开线转子型线 .93.3 转子型线组成、方程及绘制 .103.4 湿式直排大气罗茨泵参数分析和选择 .133.5 容积利用系数计算 .153.5 转子强度校核 .163.6 动态演示程序 .164 转子型线快速设计系统 .174.1 编写主控程序，控制型线设计的工作流程 .174.2 AutoCAD

2、菜单栏定制 .184.3 程序对话框设计 .184.3.1 获取用户新设计数据对话框 .184.3.2 获取用户圆整、转子直径数据对话框 .194.3.3 展示所有型线数据对话框 .194.3.4 确定方案对话框 .204.3.5 动态模拟对话框 .214.3.6 非法数据处理对话框 .215 结论 .226 谢辞 .23参考文献 .24附录 .251湿式直排大气罗茨泵转子型线快速设计摘 要：文章首先简单阐述了快速设计理论、快速设计方法、罗茨泵及罗茨泵常见的三种类型转子型线相关知识，并重点介绍了其中一种型线多圆弧-渐开线型线；然后详细介绍运用 Auto LISP 语言对 AutoCAD 进行二

3、次开发，实现菜单的自定义和系统定制，按照罗茨泵型线的传统设计过程实现湿式直排大气罗茨泵转子圆弧-渐开线型线的快速设计，运用 DCL 对话框控制语言编制相关对话框，使程序拥有友好的人机交互界面，并且使用逻辑判断程序将输入数据限制在合理的范围内，实现智能校核；最后介绍实现模拟所设计转子的啮合运动，初步观察转子啮合过程中是否存在干涉现象。本设计对实现缩短罗茨泵转子型线的设计、生产周期和提高设计精度具有一定意义。关键词：罗茨泵；转子型线；快速设计；系统定制2Abstract: At beginning of this paper rapid design techniques methods and

4、some knowledge about roots pump rotor is been introduced， and then more detail are discussed about the secondary development on AutoCAD by using Auto LISP language to achieve custom menu, system customization and rapid design of tooth profile of a wet Roots rotor with profile of arc-involute, a frie

5、ndly mutual interface by using DCL dialog control language, and intelligent checking on input data by using logic and determine program. Finally the present work introduced how to achieve simulating egging movement of the rotor and observing if the interference occurred between the rotors dynamic de

6、monstration. The present work has great significance to achieve rapid design of roots pump rotors, decrease product design and product cycle. Keywords: roots pump; profile; rapid design; system customization31 引言经济的飞速发展使产品的供应从需求大于供应变为供应大于需求，为用户提供了更多的选择余地，也使企业之间的竞争日益激烈。用户的需求各种各样的，这就使产品品种急剧增多、产品结构日趋复杂

7、、产品更新越来越快，从而使产品开发周期、产品的寿命周期日趋缩短 1。为了在市场的竞争中占据有利的位置，这就要求企业必须大大增强对市场的快速响应能力和新产品的开发能力。为了适应这一需求，1992 年 6 月的东京国际会议正式提出了并行工程技术，随之在此基础上发展成为以缩短产品设计周期为目的的快速设计方法与技术 2。模块化、系列化设计技术与方法作为快速设计技术与方法的一个重要组成部分，一提出就受到人们的大力关注。随着科技的发展，模块化这一设计思想已经被广泛应用于建筑、家具、电子、船舶等各个领域，如计算机软件的模块化设计及计算机硬件插板等就是这一设计思想的具体体现 3。1.1 本课题的目的、意义及主

8、要内容此次设计题目是湿式直排大气罗茨泵转子型线快速设计，目的是通过运用 Auto LISP 语言对 AutoCAD 进行二次开发，实现罗茨泵转子型线的快速设计，以克服传统的转子型线设计效率低下、周期长、设计手段落后等不足。本设计的意义是缩短罗茨泵转子型线设计周期，提高型线设计精度。本设计主要内容包括：1.定制用户菜单，实现系统的定制；2.数据录入校核与计算及人机交互界面的设计；3.实现输入数据的智能校核，防止非法数据输入。具体步骤如下：1.利用 AutoCAD 中自带的菜单编制功能定制用户菜单，实现系统定制。通过用户菜单可以快速地实现罗茨泵转子型线的设计，并对设计结果进行修改。用户能在Auto

9、CAD 中方便快速地调用设计程序，实现罗茨泵转子型线的快速设计。2.利用 AutoCAD 内嵌的 DCL 对话框设计语言设计出合理的人机交互界面，使用Auto LISP 语言编制程序。同时设定用户输入参数的类别，包括转速、转子长度与大径之比、压力角、抽速、齿顶圆与节圆之比等，使用户按照罗茨泵的实际设计过程输入数据进行设计，确保设计结果符合实际情况。并对计算结果进行强度校核，设计完4成后绘出转子型线图。3. 使用逻辑判断程序将输入数据限制在合理的范围内，实现智能校核，防止用户输入的数据超出适用范围而致使程序出错，同时在对话框的下方给用户相应提示，使用户能够根据提示对输入数据进行修改。52 快速设

10、计快速设计技术是当前市场在对产品瞬变性、多样化等需求形势下提出并发展起来的，产品投放市场时间日益成为决定产品竞争力的重要因素，当前国际市场需求快速变化的特点和新世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展 4。目前，国内外针对快速设计的系列化模块化技术、并行设计技术、快速原型技术 5、6 、基于模块模板的广义模块化设计技术 7、知识工程 KBE(knowledge based engineering)8与智能设计 9、大规模定制设计 10和虚拟制造技术等发展均较为迅速。快速设计的实施需要建立适用于企业产品特点的应用软件。如果产品结构是整体式时，很难提取多种产品中的共性因素，新产品设

11、计是从零开始，这样，即使采用CAD 技术，其提高的效率也是有限的，只有当产品系列的构成是建立在以组合模块为主的基础上，并建立起模块图形数据库时，才可能充分发挥出 CAD 的优势，达到提高新产品设计质量 ，缩短研制、设计周期的目的。模块概念是在产品生产和设计中逐步形成的，模块能够用来组合成不同的产品，促进设计二次利用，节省设计成本 11。因此，建立企业的模块化产品系统，是实施快速设计的基础。如何将设计经验、技巧转化为知识并与集成到设计系统是制造业研究的重要课题之一。随着知识工程和专家系统技术的发展，可将环境资源、设计经验和设计过程的信息用于产品模块建模。通过使用专家设计经验、人工智能技术和模块化

12、产品设计过程及环境的知识，为实现模块化产品设计的自动化和生产的自动化提供了有力的支持。使用 CAD、CAE、KBE 软件结合其他软件可以对各种不同的企业及工厂建立典型产品的模块化设计专家系统(expert system) 12，实现更高层次的设计知识重用，可缩短产品开发的时间，促进产品创新。2.1 机械产品快速设计平台的概念和体系结构快速设计是在产品的概念设计阶段，针对市场和顾客需求，运用面向具体产品专用设计知识和设计工具，快速制定可用于制造的方案，快速付诸实施。2.1.1 快速设计平台的概念快速设计平台是指一组软件接口或设计工具构成的通用结构并用来高效率地开发6和生成一系列的专用设计系统。设

13、计平台的目的是建立适用于企业各自特点的应用软件，它是以建立企业的模块化产品系统为基础的产品，系统的构成是建立在以模块(通用部件)组合为主的基础上13，通过提取多种产品的共性因素，建立参数化模块图形库，应用模块化设计方法，使设计过程规范化和科学化，提高设计的快速响应速度和自动化程度，以达到提高产品设计质量、缩短研制和设计周期的目的 14。快速设计应用平台是一个支持复杂信息环境下工程设计应用集成、应用开发和系统运行的软件平台。因此，以平台为基础，建立起适用于企业特点的应用软件系统，是建立快速设计系统，加快应用软件开发速度的有效途径。2.1.2 快速设计平台的体系结构通过以上分析，建立快速设计平台的

14、软件体系结构以产品设计知识的集成处理和重复利用为核心，以产品的模块化为基础，用于支持特定机械产品快速开发。它包括以下 3 个主模块:设计知识处理和利用模块系统采用面向对象的知识表的模式来管理知识库和数据库，使设计人员无须关心数据的存取，系统通过知识获取界面或应用程序接口 API 将知识和各种产品数据变成系统所规定的模式，形成统一的变量化集成产品模型 ，存入数据库和知识库。系统存储产品模型 ，包含了非几何和几何信息，以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则 15。系统提供框架推理、规则推理、实例推理和模板推理等各种知识利用方法。过程控制向导模块通过提供标准化的设计过程流程，引导与控制设计的进行

15、，控制所有的信息流，实现快速设计流程的管理。它能有效地管理产品的所有过程，包括从概念设计到产品模型的定型中所有的项目管理和任务分配等。系统集成总线模块和开放式 API 系统靠应用程序接口 API 以及集成总(CORBA/DCOM标准等) 16与各种应用程序相连接，API 的作用是要实现每个应用程序跟中心数据模型的映射，即应用程序通过 API 跟系统内核心产品数据模型进行数据交换。应用程序包括参数化几何建模、产品构型设计、参数化有限元分析、优化设计及其它各类以构件为基础的专用工具集。通过模块化产品构型设计实现模块模板的选择、实例化以及模块的组合、基于参数化有限元分析专用程序库和基于参数化模块库的

16、模块拼装产品分析程序的生成与运行。因此，快速设计平台可将设计活动所需的各种应用程序和工具集成起来，形成丰7富的设计功能，在设计过程中形成和使用统一的产品模型 17。3 罗茨泵型线设计3.1 罗茨泵 真空泵罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而来的。根据罗茨真空泵工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵。罗茨泵(roots-type pump) 是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将

17、罗茨泵串联使用。罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间 v0 内，再经排气口排出。由于吸气后 v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 但当转子顶部转过排气口边缘，v 0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间 v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。罗茨泵在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为 1 的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。如图 3-1 为罗茨泵转子由

18、0转到 180的抽气过程。在 0位置时（图中 a），下转子从泵入口封入 v0体积的气体。当转到 45位置时（图中 b），该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。当转到 90位置时（图中 c），下转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，上转子也从泵入口封入 v0体积的气体。当转子继续转到 135时（图中 d），上转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。180（图 e）位置和 0位置是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个 v0体积的气体。罗茨泵的转子有四叶螺旋形的，也有双叶直齿形的。它横截面的外轮廓线称为转子的型线(或齿型)。工作时两个转子靠传动比为 1 的齿轮来带

19、动，其转子间表面不接触，但其间隙要保持一定，这样转子的型线必须做成共轭曲线，即满足齿廓啮合基本定律的一对齿廓曲线，称为共扼曲线。也就是只要给出一条曲线，就可做出一条与之相应的曲线。这样，转子型线可做出很多对来，均能满足运动要求。但实际上选用齿8型时还要考虑如下几个条件:应满足泵有最好的工作性能，为增加抽速，容积利用系数要尽可能大，也就是说转子所占的面积要小。有良好几何对称性，保证运转平稳，无噪音，互换性好。要保证齿型具有足够的强度。容易制造，易得到较高的精度。实际上能满足这些要求的转子齿形常用的有三种:即圆弧线齿形、渐开线齿形和摆线齿形。目前国内外的罗茨泵多采用前二种型线，而少用摆线。型线设计

20、分两个步骤:1)理论型线设计，保证两转子在旋转的各个位置上始终相互啮合。2)实际型线是在理论型线的基础上作出来的，它保证在运转中两转子永远保持一定的间隙没有理论型线的设计，就不会得出正确的齿型，而工程上只有正确的实际型线，才能保证泵的可靠运行。几种常见的转子型线的特点a 摆线型:这是一种在国外使用比较广泛的型线，英国的 HOLmes 公司和日本宇野组铁工所，早期也都用过此型线。但是这种型线的面积利用系数比较低，因此现在一般已不用这种型线了。b 大圆弧齿顶渐开线型:渐开线型较之摆线型有了很大的改善。与其他叶型相比，当其它参数相同时，该叶型具有较大的排气量和较高的容积效率，而且渐开线也易于加工。大

21、圆弧齿顶渐开线型是渐开线型的改进版。它在七十年代末从日本进口的转子图 3.1 罗茨泵运行原理9实物上陆续的出现。这种改进了的渐开线型，由于增加了齿顶圆弧与齿根圆弧，啮合后的密封效果肯定比普通渐开线型(齿顶和齿根均存在空刀槽，啮合时的密封效果较差)要好得多，故在法国 Hibon 公司新开发的转子型线中也应用了大圆弧齿顶形式。c 包络线型:包络线型包括圆包络线型，直线包络线型，和偏心圆包络线型。圆包络线型是利用一转子不动另一转子转动形成包络线的方法绘出型线的。直线包络线型比较少见。过去曾用于小型罗茨流量计上，近来为获得高真空，在小型三级高真空罗茨泵上有新的发展。这种型线腰部较粗，能保证足够的强度，但面积利用系数较低。在七十年代末，经过改进，出现了偏心圆包络线型，并获得一定的应用。法国 Hibon 公司 78 年来我国北京展销时曾展出一台小型的罗茨鼓风机，其以偏心圆包络型线设计方法设计的转子受到关注，并被引入中国 19。当具有相同的转子直径 D 和转子中心距 A 时，偏心圆包络线法和圆包络线法绘出的型线相比，节圆外偏心圆比圆弧瘦，节圆内则稍肥。3.2 圆弧 渐开线转子型线本次设计采用大圆弧齿顶渐开线型该叶型具有较大的排气量和较高的容积效率，图 3.2 转子型线及参数