液压集成块CAD关键技术研究综述

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东方电气集团东方电机有限公司 作者:王文静

  对集成块CAD发展的背景、应用优势、研究现状进行了阐述;综述了液压集成块CAD系统开发中涉及到的原理图信息获取、孔道校核、孔道设计优化等关键技术,指出了CAD系统尚存在的问题,并对其研究前景进行了展望。

  液压集成块是液压系统中的关键部件,随着液压系统复杂程度的增加,集成块的设计难度越来越大。长期以来,集成块的设计主要依赖于设计者的设计经验和空间想象力,需要长时间的注意力高度集中,否则很容易出现设计失误。因此,使用计算机辅助设计方法来简化设计过程就引起了国内外液压学术界的极大关注,并取得了不少成果。

  液压集成块CAD 系统本质上是通过优化算法自动完成孔道设计,结果要能正确反映液压原理图的设计要求。因此CAD 系统的主要工作就是如何找到最优的布局布孔集成设计方案。

  在目前的集成块CAD 系统研究中主要分为两个方向,一是在基于现有成熟CAD 软件和液压阀数据库基础上,通过人工交互方式来完成设计过程;二是在底层独立开发新的系统,系统支持液压原理图的绘制并自动从中获取节点信息,并根据设计算法自动完成孔道设计,这也是目前主流商业软件的开发路线。前者要求设计人员完成较多的计算机交互操作,确定液压元件布局,并人工进行孔道设计。后者只要求设计人员提供辅助信息支持,主要设计工作由系统自动完成,比较有代表性的研究有冯毅、田树军等开发的HMBIVD系统。

  总的说来,集成块CAD 系统的关键技术包括以下几个方面:孔道连接信息获取(基于液压原理图)、孔道干涉校核,最小壁厚检查、孔道智能优化设计等。本文将对上述各项技术进行综述,并在此基础上,分析目前集成块CAD 系统存在的不足以及发展趋势。

1、关键技术

  1.1、基于液压原理图的信息获取

  液压原理图是集成块孔道连通设计的依据,是CAD 系统的支撑基础。因此液压集成块设计的第一个步骤就是绘制液压原理图,如图1 如示。为了达到自动设计的要求,要考虑将原理图进行信息分解、提炼,并存储成固定数据格式的文件,文件应包括元件定位信息、连接信息及阀块尺寸信息等。

  早期学者提出一种利用ADS (AutoCAD Development System)获取原理图的方法。设计者首先通过辅助工具完成液压原理图的绘制,然后运行ADS应用程序,通过油路搜索和油口递归识别算法提取集成块CAD 系统后续操作所需信息。

  李利等在AutoCAD 平台上运用ObjectARX 工具开发了智能集成块原理图设计系统。系统使用图块方法建立了液压元件图库。采用编号法对液压阀进行区分,并借助机器人无碰轨迹规划算法来完成原理图的布线工作。原理图绘制完成后系统自动生成记录连通信息的数据库文件,并供后续工作调用。

原理图绘制

图1 原理图绘制

  上述两种方法只适用于AutoCAD 平台,不利于集成块CAD 系统的跨平台开发实现。但其开发思路是值得借鉴的。目前很多商业集成块软件均设计有基于自身平台的原理图绘制模块。

  1.2、孔道干涉校核

  在集成块设计中,阀块体内部有几十乃至上百个孔道,是包括通油孔、工艺孔、螺纹孔和销孔等的复杂孔道网络,因此孔道间的干涉校核及最小壁厚的检查就显得尤为重要。目前这方面的算法已经比较成熟。孔道校核可以通过将孔道简化为包络圆柱体,并逐一比较孔道之间以及孔道与各面之间的空间位置关系来验证。对于斜孔的干涉校核,熊壮等提出可以首先计算斜孔轴线间距离d,并与孔半径之和比较,如d 大于孔半径之和,则两孔不相通,否则将两孔分别投影到设定的XOY、YOZ、XOZ 坐标面上,利用最小包围盒及线段求交方法判断投影是否重合,只要有一个面上的投影没有重合部分就表示两孔不相通。

  于玲等针对插装式复杂阶梯孔系的校核问题,提出了对阶梯孔进行分段处理的算法,将每一段简化为包络圆柱体,同时引入条件式校核规则,忽略同一线网、阀组内的孔道校核,有效地缩短了校核时间。

  1.3、孔道连接

  集成块的孔道连接是集成块设计的重点,需要根据液压原理图中各油口间连通关系及液压元件装配关系来设计方案,确定连通孔道的位置和深度,以及必要时增加工艺孔。许多学者在这一关键技术上进行了大量的研究。

  阮春红等提出了基于李氏迷宫算法的孔道自动布局设计方法。李氏迷宫算法首先对集成块进行三维网格划分,孔道路径从最小细分单元网格延伸。这种算法在多层线路板的自动布线中已得到了成功应用。然而,这种方法会导致工艺孔的大量增加、不适当的网格大小选取会导致空间利用率很低,从而令设计质量得不到保证。在路径布线中可以考虑加入方向优先(即尽量在同一方向上扩展)的控制策略。

  周惠友等在基于工艺孔与连通孔道不在同一平面或对面的特性,利用树图方式提出了集成块孔道路径设计的理论模型,并给出了孔道连接设计的树形数据结构及路径的最小代价搜索法,适合于复杂阶梯孔系孔道的设计。但该方法模型是建立在工艺孔连接孔道基础上的,没有考虑到油孔对齐直联的特殊状况,有待于进一步的完善。

  后期的研究主要是以工艺孔数目最少及连通路径最短为优化目标。田树军等提出一种基于顺序优化的集成块孔道连通设计方法,即在实时孔道干涉校核下,对单条线网内部多个两端线网的连通顺序和多条线网之间的布线顺序进行优化。文献将单线网连通和多线网连通的总体优化设计归结为一个带约束的多目标函数优化问题,并采用线性加权法构造了相应的评价函数,进而求解该评价函数的最优解。在多线网孔道连通设计中,采用模拟退火算法进行布线顺序的求解。

  1.4、孔道优化

  孔道优化实际上在孔道连通算法支撑下的三维空间中液压元件布局方案的自动寻优,是一种复杂的带性能约束的立体空间布局问题,在数学上归结为组合优化问题。可以通过选择设计变量,确定目标函数和约束条件,再利用智能优化算法进行求解。

  目前在孔道网络优化中应用最广是遗传算法和模拟退火算法。遗传算法的编码技术和遗传操作比较简单,优化不受限制性条件的约束,具有稳定、收敛、高效等优点,但局部寻优能力差。模拟退火算法具有描述简单、使用灵活、运用广泛、运行效率高和较少受初始条件限制等优点,但优化时间过长。徐峰涛等利用遗传算法较强的全局搜索能力与模拟退火算法良好的局部搜索能力发挥优势互补,将两种算法整合运用,同时引入工程设计经验,实现人、机在算法层面的有机结合,使系统成功应用于涉及板式阀、插装阀、叠加阀混用的复杂型液压集成块设计。

  针对使用智能算法进行优化设计导致的设计关联性差,设计结果修改困难等缺陷,高卫国等创新性地提出了一种基于多智能体的智能优化方法。设计系统引入了元件智能体、油路智能体和控制智能体。元件智能体可实现元件布局的优化调整,油路智能体可进行连

  通油路的自动创建、内部有效性验证和关联更新,控制智能体用于协调元件智能体与油路智能体间的设计活动及冲突消解方案决策等。三类智能体之间的通信采用黑板模式,利于状态信息共享,通过三者的交互协调从而实现液压集成块动态关联的智能设计。

2、存在的不足及发展趋势

  液压集成块CAD 技术作为计算机技术在液压设计领域的具体应用,已经取得了长足的进步,涌现出一大批例如SecoMAN、HMB2007、i -design、OLEO -Z、MDTools 等集成块商业设计软件,有效地提高了设计效果,且交互可视,操作方便,设计结果如图2 如示。

集成块软件设计可视化

图2 集成块软件设计可视化

  当然现有的液压设计软件仍存在一些不足和有待发展之处,例如开发的CAD 系统元件数据库较简单、交互操作过于复杂、智能决策水平较低、对设计后续加工环节支持不足等。因此,集成块CAD 系统设计的发展趋势应至少包括以下几个方面:

  (1)系统能提供强大的原理图绘制功能及良好的交互界面,建立包括液压元件阀、接头、堵头、螺塞等的完整数据库;

  (2)系统智能决策水平更高,自动优化功能更强。用户可以调整控制参数、更换优化算法,从而指导寻优,控制优化过程;

  (3)结合虚拟设计技术,系统能提供具有沉浸感的设计环境,用户可以对设计过程进行多角度观察分析,查看孔道网络各部分的连通情况,进行有针对性地调整,还可以随时修改优化模型;

  (4)能够方便输出集成块工程图及NC 代码,实现CAD 系统与CAM 系统的无缝连接。

3、结论

  液压集成块CAD 技术的发展融合了多学科优化技术,其发展趋势必将是多种智能优化方法相互混合、相互取长补短为主,与网络技术、信息融合技术、虚拟现实技术等相互融合,对液压集成块布局布孔进行综合优化和评价。本文对集成块CAD 关键技术进行了详细阐述,为该领域后续深入研究提供了详实的资料,可供相关领域研究人员提供参考。

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