（机械制造及其自动化专业论文）基于动态油路特征的液压集成块设计方法研究.pdf

摘要 液压集成块作为集成式液压系统中的核心部件，其外部布局与内部油路连通 设计的复杂性，使其成为集成式液压系统设计中的瓶颈，也成为研究关注的焦点。 本文在分析液压集成块设计制造特点的基础上，提出动态油路特征概念并建立其 层次化模型；结合遗传算法，提出基于优化算法的液压集成块动态、油路特征拓扑 优化，开发液压集成块设计原型软件系统，并以实例进行验证。主要研究内容如 下： 1 回顾特征技术、液压集成块设计方法国内外研究现状及进展，在此基础 上提出本课题的磅究内容。 2 针对传统基于历史的参数化特征建模技术存在的问题，提出一种全新的特征 定义及建模方法一动态油路特征建模，并建立动态油路特征的层次化模型 及面向对象模型。 3 。 系统研究液压集成块油路拓扑优化方法，通过动态油路特征拓扑优化数学建 模，建立基于遗传算法的液压集成块油路拓扑优化过程，并构建油路连通方 案自动创建过程流程。 4 提出以连通方案自动创建为主，以入机交互方式修改为辅的油路方案设计策 略，并将其融入集成块设计过程。 5 基于上述理论及方法，开发基于动态油路特征的液压集成块设计软件系统， 并结合具体实例，阐述软件系统的应用过程并其验证其有效性。 关键词：液压集成块动态油路特征遗传算法拓扑可变 a b s t r a c t h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s ( h m b ) a r et h ek e yc o m p o n e n t so ft h ei n t e g r a t e d h y d r a u l i cs y s t e m ，t h ed e s i g no fw h i c hi st h eb o t t l e n e c kf o rt h ed e s i g no fi n t e g r a t e d h y d r a u l i cs y s t e mb e c a u s eo fc o m p l e x i t i e so fe x t e r n a ll a y o u to fh y d r a u l i cv a l v e sa n d i n t e r n a lc o n n e c t i o no fo i lr o u t e s i nt h i st h e s i s ，t h ec o n c e p to fd y n a m i cf l o wp a t h f e a t u r e ( d f p f ) i sp r o p o s e da n dh i e r a r c h i c a lm o d e li sc o n s t r u c t e d ，b a s e do na n a l y s i s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fh m b t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n o fd f p fo fh m bb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mi sp u tf o r w a r df u r t h e r f i n a l l yt h e p r o t o t y p es o f t w a r eo fh m bd e s i g ni sd e v e l o p e da n di t sf e a s i b i l i t yi si l l u s t r a t e d t h e m a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g nm e t h o d o l o g i e so fh m ba n df e a t u r et e c h n o l o g ya r er e v i e w e d ，b a s e do n w h i c h ，t h es t r u c t u r e sa n dm a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ep r e s e n t e d 2 t os o l v et h ep r o b l e m so fc o n v e n t i o n a lh i s t o r i c a lp a r a m e t r i c a lf e a t u r em o d e l t e c h n o l o g y , an o v e lf e a t u r em o d e l i n gm e t h o d m o d e l i n go fd y n a m i cf l o wp a t h f e a t u r e ( d f p f ) i sp r o v i d e d ，a n dh i e r a r c h i c a lm o d e la n do b je c t - o r i e n t e dm o d e l a r e b u i l t 3 t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o do ff l o wp a t ho fh m b i ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd f p ft o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o ni s g i v e n a n dt h e p r o c e s so ft o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o nb a s e do ng e n e r i ca l g o r i t h mi sp r o v i d e d ，s o t h a tt h e c o n n e c t i o np l a no ff l o wp a t hc a nb ea u t o m a t i c a l l yc o n s t r u c t e d 4 t h ed e s i g nt a c t i co fc o n n e c t i o np l a no ff l o wp a t hi si n t r o d u c e d w h i c hi sm a i n l y a u t o m a t i c a l l yb u i l t ，a sw e l l a se d i t e db yd e s i g n e ri nt h em a n n e ro fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e i ti sm i x e di n t ot h ed e s i g np r o c e s so fh m 瞎 5 o nb a s i so fa b o v et h e o r ya n dm e t h o d o l o g i e s ，t h ep r o t o t y p es o f t w a r eo fh m b d e s i g nb a s e do nd f p fi sd e v e l o p e d a n di t sf e a s i b i l i t yi si l l u s t r a t e dw i t ha n e x a m p l e k e y w o r d s ：n y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s ，d y n a m i cf l o wp a t hf e a t u r e ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，t o p o l o g i c a lc h a n g e a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究戒采，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其德人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舷 签字同期：2 口。g 年岁月- 2 l t r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗基茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采需影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供套阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密盛适用本授权澄明) 学位论文作者签名：王俊强 导师签名： 签字同期：力妒孑年岁月甜闩 签字同期汐b 僻3 - 月二寥日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，由于计算机技术、自动控制及新工艺、新材料等不断应用于液压传 动，液压系统的水平有了很大提高。其中，液压集成系统已成为液压系统的发展 趋势【l 】。而液压集成块作为液压集成系统的关键元件，由于结构紧凑、泄漏少、 安装维护方便等优点受到了极大重视。 液压集成块是集成式液压系统中主要而关键的零件，是集成式液压系统的中 枢，其在集成式液压系统中的功能是将集成式液压系统中的控制阀用“整体管路” 组合起来，并通过法兰、管接头及管路，连接动力元件一液压泵，执行元件一 液压马达、液压缸，以及油箱、蓄能器等附件。液压集成块、控制元件、动力元 件、执行元件，与液压油箱、过滤装置、加热冷却装置、蓄能器及其它附件等构 成一个完整的液压系统，实现系统的控制要求与功能【2 】。 由于液压系统组成的非标准性和液压元件及其连通关系的多样性，液压集成 块外部是各种不规则承装元件在各安装表面上的紧凑布局，内部是密集、复杂、 纵横交错的油路孔系网络，设计起来颇为费时费力而又极易出错。因而如何能够 准确快捷地解决液压集成块布局和油路设计这一难题，已成为国内外众多科研机 构和人员关注的焦点。 1 1 液压集成块设计研究现状 国际上从2 0 世纪7 0 年代初就开始研究和探索利用计算机进行液压系统和元 件的辅助设计工作，时至今日已涌现出了大批研究成果。现从分别3 d 设计、优 化设计和设计校核三个方面加以介绍。 1 1 1 液压集成块3 d 设计 上海交通大学钟廷修教授等自1 9 8 6 年开始研究插装阀c a d 软件【3 】，编写了 校核插装阀孔道的程序；9 0 年代相继在工作站和p c 机上开发出面向插装阀的 c v c a d 软件【4 】，具有三维c a d 的设计环境，能自动完成二通插装阀集成系统 液压原理图及其对应的集成装置装配图、零件图的绘制工作，并实现了c a d 和 c a p p 间的非几何加工信息连接：1 9 9 7 年在a u t o c a d 上二次开发出面向集成块 的h m b c a d 软件并不断完善【5 一，具有集成块体及孔道数据输入与编辑、孔道 第一章绪论 校验、三维造型、自动绘制装配图、零件图、孔系表输出等多项功能，已经在一 些单位得到实际应用。 浙江大学在路甬祥、陈鹰教授的带领下，于19 8 9 年开发了插装阀液压系统 设计f p t c c a d s 系引9 1 ，建立了变参型数据图形库，具有液压原理图、系统总 装图、零件图、准三维模型和插装阀块等的自动生成功能。后又采用特征对象化 的设计思想，提出对象化特征连接的概念 1 0 - 1 2 】。 1 9 9 0 年，以色列理工学院( i s r a e li n s t o ft e c h n o l o g y ) 研制出c a d s s4 x 专用 软件【1 3 1 ，可以提供线框、表面和实体三种模型来表达集成块和孔道，根据人工设 计的孔道坐标表快捷地生成集成块各向视图，帮助使用者设计出满意的原型。 1 1 2 液压集成块优化设计 大连理工大学于1 9 9 4 年开发出了面向集成式液压系统的j k c a d a m 软件包 1 4 - 1 6 1 ，包括原理图设计、阀体结构设计、阀体零件图和阀组装配图绘制、以及 m b c a p p 、m b c n c 和m b s i m u 等模块，并采用人工智能技术实现自动设计工 艺孔。此后又推出了面向液压集成块的m b c a d a m 1 7 - 1 9 软件，面向插装阀块的 v b c a d a v 1 1 2 0 , 2 1 1 软件和面向叠加阀的c a d s h 软件 2 2 1 ，解决了不同类型液压阀块 的孔道校核和连通设计问题，并提出了一套集成阀块类零件特征的定义、分类和 框架表达方法，建立了基于特征的零件产品模型，为c a d c a m 集成系统的开 发和研究提供了一个统一的信息模型，并对液压集成块虚拟设计的建模技术进行 了研究【2 3 1 。近年来田树军等 2 4 - 3 0 对液压集成块的智能优化设计进行了深入研究， 指出液压集成块设计的关键是液压元件布局和孔道连通的集成优化设计问题，并 提出了用遗传算法、模拟退火算法及人机结合的智能虚拟设计模式进行液压集成 块的优化设计。 1 9 9 6 2 0 0 2 年，香港理工大学( h o n gk o n gp o l y t e c h n i cu n i v ) 的c ，w c h e u n 等 3 1 - 3 2 运用面向对象方法构造液压集成块模型，并采用特征技术来组织和管理液压 集成块的c a d c a p p c a m 产品信息，可以方便地定义和修改液压元件和回路； 在a u t o c a d 上开发了原型软件系统，引入知识工程，可以根据预先设定的规则 进行液压元件布局，并在李氏迷宫算法的基础上研究了三维路径的连通算法。 2 0 0 1 年，新加坡南洋理工大学( n a n y a n gt e c h n o l o g i c a lu n i v ) 的s c f o k 3 3 等 采用特征技术进行液压系统的虚拟原型设计，将液压元件的信息分为行为信息、 结构信息和产品信息，并将其附属于液压元件的虚拟原型。 2 0 0 1 年上海交通大学周惠友【3 4 0 5 】等提出应用虚拟设计技术进行液压集成块 设计的新趋势，将遗传算法引入液压元件布局设计和孔道连通优化设计中，并用 有向图描述孔道连通规划的数学模型。 第一章绪论 1 1 3 液压集成块设计校核 1 9 8 2 年，德国亚琛工业大学( a a c h e nu n i v o f t e c h n o l o g y ) 研制出了用于设计 液压控制阀块的程序包h y k o n 3 6 j 。该程序包由一组液压元件数据集和用于设 计、布局的程序集组成，通过对话方式交互布置液压元件，可以自动设计和校验 阀块上的孔道，输出符合d i n 标准的阀块视图和任意剖面图。 1 9 8 5 年，芬兰t e m p e r e 大学在h p l 0 0 0 a 7 0 0 小型机上开发出用于设计插装 阀块的c a d 软件h y b l o ，该软件可以同时进行孔道自动设计和干涉校验，同 时可以实现孔径修改、孔位调整、线框模型消隐、孔表信息输出、刀具轨迹定义 及n c 代码生成等功能 3 7 , 3 8 。 ， 美国v e s t 公司开发了包括液压原理图_ 集成块一装配体在内的一整套液压 集成块设计的解决方案：s d t o o l s ( s c h e m a t i cd e s i g nt o o l s ) 和h y d r a w ( h y d r a u l i c c i r c u i td e s i g n ) 软件应用“快捷e t 录”技术方便准确地绘制液压原理图；又在 a u t o c a d 上开发的m d t o o l s ( m a n i f o l dd e s i g nt o o l s ) 系列软件基于嵌入式规则进 行孔道连通和校核【3 9 】。 e a t o n 公司开发的v i c k e r sl i b r a r yo fs l c v ( s c r e wi nc a r t r i d g ev a l v e s ) 软件j 是一个包含一千多种元件的符号库，可以帮助设计者在a u t o c a d 上进行泵、马 达、阀和集成块的方案设计及零部件工程图设计。并将设计数据于加工指令n c 代码相连接，具有c a d c a m 一体化的特征。 华中理工大学19 9 8 2 0 01 年根据模块化设计和再设计工程的思想进行了液压 集成块c a d c a m 系统的开发，研究了液压集成块的工艺设计问题，针对液压 集成块内部孔系和连通设计及其通断性校验、液压集成块孔系加工的路径规划等 问题进行了研究，从而提高了液压集成块的设计、加工效率和质量4 引。 此外，天津大学研究了液压集成块的设计过程模型、液压集成块广义装配模 型，提出基于广义装配的设计过程建模方法；针对液压集成块特点，提出了动态 油路特征概念，开发了液压集成块设计软件系统畔】。 i i 4 遗传算法在液压集成块设计中的应用 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 作为智能优化算法的一种，因其能有效解决 多目标、多约束、多峰值的复杂问题而得到广泛应用。它是模拟生物在自然环境 中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。如图1 1 所示， 它将问题的求解表示成染色体的“适者生存”过程，通过对当前群体施加选择、 交叉、变异等一系列遗传操作产生新一代群体，逐步使群体进化到包含或接近最 优解的状态。 第一章绪论 图1 1 遗传算法运算流程 g a 能有效求解n p c 类型的组合优化问题和非线性多模型多目标函数优化 问题，防止组合爆炸。近年来采用遗传算法求解带性能约束布局问题成为一个重 要趋势。遗传算法的主要特点 4 5 - 4 7 1 ： ( 1 ) g a 与传统的优化方法的主要区别是：g a 同时搜索解空间中的许多点，而 不是从一个单点上进行寻优，可以有效地防止搜索过程收敛于局部最优解， 从而求得全局最优解。 ( 2 ) g a 应用范围广泛：它仅需要一个适应值函数。即问题本身所具有的目标函 数的限制极少；既可连续又可离散，也不要求可微，不要求其他先决条件和 辅助信息；既可以是数学表达式等显函数，又可以是映射矩阵。 ( 3 ) g a 使用概率规则而不是确定性规则指导搜索。因而能搜索离散的有噪声的 高峰值复杂空间，适用于大规模复杂优化问题，并且其结果是确定的。 遗传算法的特点使得它较适合应用于液压集成块优化设计问题： 代宝k t 4 8 】等根据液压集成块设计的特点将遗传算法与液压集成块设计知识 结合，采用不同的遗传算子及其组合，对液压集成块进行了自动优化设计。根据 液压元件的布局特点设计了相应的交叉算子和变异算子，并通过一系列实验测 试，得出适于液压集成块自动优化设计的若干参数组合。 李利【4 9 】等应用混合智能优化算法进行液压集成块自动优化设计，提出一种基 于小生境的遗传退火混合优化算法一n g s a 算法，对智能优化理论进行了探索， 同时也为解决液压集成块布局布孔优化问题提供了有效的技术支撑。 第一章绪论 刘万辉 3 0 1 等针对遗传算法在求解该组合优化问题时局部搜索能力不强的情 况，将模拟退火算法与之结合，针对液压集成块布局问题设计了多参数级联的编 码方法，并加入记忆装置，构造了一种具有记忆功能的混合遗传一模拟退火算法。 1 2 特征技术 特征技术由于将功能及各种丰富的工程信息关联到几何模型，因此被广泛应 用于产品建模过程中。特征模型的基本实体是特征，其定义为产品形状方面的描 述。 1 2 1 特征的定义及分类 特征的功能是工程环境中能运用几何和功能信息进行产品零件制造的关键 要素，是集成环境中高层语义信息的载体和基本传输单元【5 0 】。可作如下定义【5 1 】： 特征是为了某种应用目的预先构想的模型，能够抽象地描述产品上感兴趣的几何 形状及其工程语义。从工程应用的领域出发，将特征分为设计特征、工艺特征、 加工特征、质量特征、检测特征及分析特征。 1 2 2 基于特征的参数化建模及其发展过程 基于特征的参数化建模系统底层几何数据多数采用b r e p 模型，特征语义通 过b r e p 模型中的顶点、棱边、表面等底层几何模型局部实体间的拓扑信息予以 表达。 近年来，随着基于特征的建模应用越来越广泛，其局限性日益凸显。如： ( 1 ) 在进行特征操作时，底层几何拓扑易发生变化，并导致特征的语义改变，设 计意图不能有效保证； ( 2 ) 表达复杂设计意图时，使用叠加特征或组合特征。特征几何在b r e p 模型中 交互影响，不符合公理设计的独立性原则，产生特征的语义及有效性维护困 难，算法复杂等问题。 针对上述问题，w f b r o n s v o o r t 等【5 2 】提出了一种用c e l l u l a r 模型描述特征几 何模型的方法。c e l l u l a r 模型是产品几何形状的一种非流型几何描述方法，由相 互邻接到任意形状的体单元组成；特征单元在形状上可分解为一组细胞体单元， 每一特征面由一组细胞面单元组成。基于c e l l u l a r 模型的特征信息修改和重新计 算与特征的创建顺序无关。在c e l l u l a r 模型基础上，提出了一种在所有建模操作 第一章绪论 过程中，可以完整定义和保持特征语义的语义特征建模方法，并对特征类的定义、 特征模型的结构和功能、保持模型有效性的机制进行了系统阐述。 h i l d e r i c ka v a nd e rm e i d e n 等【5 3 】通过将3 d 模型中的距离和角度约束点分解 为三角形或四边形顶点，然后计算其距离和角度的允许赋值范围，实现在基于特 征的参数化c a d 系统中几何约束参数值在允许的合理范围内进行设计修改。 孙东光等【5 4 】在分析传统的基于历史流管理的特征造型系统的缺陷和不足基 础上，提出了语义特征模型的分层体系结构，其特征的几何模型采用b r e p 模型 和c e l l u l a r 模型混合表达，并建立了特征操作的过程模型。 h i l d e r i c ka v a nd e rm e i d e n 等【”】提出了一种面向公开对象族的拓扑约束求解 方法。通过约束完全定义几何及拓扑，使得对象族的语义得以完整地定义和保持。 陈正鸣等t 5 6 】针对特征模型的有效性维护问题，对特征的有效性条件进行了深 入分析，提出了一种基于扩展属性邻接图( e x t e n d e da t t r i b u t e da d j a c e n c yg r a p h ， e a a g ) 的特征有效性表示方法，特别是提出了基于局部特征识别的特征有效性维 护新方法。该方法不仅能够自动判别特征的有效性是否被破坏，而且能确定导致 特征无效的原因和遭破坏后特征的状态，从而能够根据用户的意图自动维持特征 模型的有效性。 此外，对于一些典型的设计而言，设计对象自身存在多拓扑构型问题，拓扑 结构由于约束不同而发生变化，传统的特征技术难于在一个特征中预先定义所有 实例的拓扑构型。另外，当设计或工程约束发生变化时，要求特征设计对象的拓 扑构型自适应设计约束的变化。特征自身的拓扑结构动态可变性是目前特征技术 研究尚未涉足的研究领域。 对设计初期阶段的支持。传统的特征技术在信息的抽象层次和几何形状的概 略表示方面尚不能满足方案设计的需要，目前特征技术还难于应用于概念方案设 计，为早期的设计提供有效的计算机辅助支持。 1 3 优化设计研究现状 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些 可变的设计变量，使产品的指标和性能达到更高的目标，就是优化设计p7 | 。 优化设计的原则是最优设计，设计手段是计算机及计算程序，设计方法采用 最优化方法。同时也可使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使之 有更多的精力从事创造性设计，并大大提高设计效率。一般说来，对于工程设计 问题，所涉及的因素愈多，问题愈复杂，优化设计结果所取得效益就愈大【弱j 。 第一章绪论 朱灯林等【5 9 】建立了结构拓扑优化设计的发展过程和主要的数学模型，描述了 优化准则法、序列线性规划法和移动渐进线法三种常用的优化算法，举例说明了 拓扑优化设计在静态结构、动态特性和柔性机构设计中的应用；程贤福等【删介绍 了稳健优化设计的基本概念和方法，综述了它的研究现状，分析了各种稳健设计 方法的特点，指出了稳健优化设计的发展趋势；钟毅芳等【6 l 】介绍了多学科协同设 计优化( m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ) ，它是一种通过充分探索和利用工 程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。其主要思想是 在复杂系统设计的整个过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科( 子系 统) 的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程。其目的是通过充 分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解。 1 4 课题提出及主要研究内容 液压集成块是液压系统的关键零件， 计和液压集成块内部油路连通设计组成； 块的设计成为是一个复杂的过程。 由液压元件在液压集成块表面的布局设 由于二者相互影响、制约，使液压集成 本课题对液压集成块油孔连通设计问题进行了研究。在分析集成块设计特点 后，基于动态特征技术，提出了动态油路特征面向对象模型，并基于此提出了基 于优化算法的液压集成块动态油路拓扑结构建模，进而开发了液压集成块动态油 路设计及优化软件工具系统。图1 2 为本论文的体系结构。 主要研究内容包括： 第一章绪论 8 x 之乡 第二章动态油路特征及建模方法 | 第三章基于优化算法的液压集成 块动态油路特征拓扑优化 之夕 第四章软件系统开发及应用实例 图1 2 论文体系结构 第一章绪论 1 在查阅大量文献的基础上，对液压集成块的国内外研究进展、应用现状，特 征技术及其研究现状，优化设计理论等方面进行了归纳和总结。并在此基础 上提出了本课题的研究内容。 2 对液压集成块设计过程和特点作了分析，针对传统基于历史的参数化特征建 模技术存在的问题，提出了动态油路特征技术，并将其分解为四个层次化模 型，即：语义层、几何层、拓扑层和参数层等；构建了动态油路特征面向对 象模型。 3 建立了动态油路特征的数学模型。将遗传算法应用于液压集成块油路连通过 程，详细阐述了油路自动连通方案创建过程流程；提出以连通方案自动创建 为主，以人机交互方式修改为辅的油路方案设计策略。 4 在以上理论、方法和关键技术研究的基础上，针对液压集成块油路连通设计 特点，开发基于动态油路特征的液压集成块设计软件系统。介绍了系统开发 及运行环境、开发工具、总体结构及各功能模块，并结合实例说明软件系统 的功能和应用过程。 第二章动态油路特征及建模方法 第二章动态油路特征及建模方法 基于特征的模型的实体是特征，其定义为产品形状方面的描述。基于特征的 模型普遍采用边界表示法。然而由于边界表示法不易保证特征语义，自身拓扑不 可变等使其在液压集成块设计中的应用受到限制，因此，本章主要研究一种新的 特征定义及建模方法一动态特征建模，并将其应用于动态油路特征建模。 2 1 液压集成块设计过程及特点 液压集成块是在其上安装各种液压元件并在其内部按照液压原理图要求实 现元件之间油路连通的复杂功能块体【6 2 】，它在结构上可表述为内部包含了众多孔 道的长方体。液压集成块的使用简化了液压系统的安装，使系统的结构更加紧凑， 调试更加方便，同时也有利于降低制造成本，以较小的体积实现复杂的功能，因 而广泛应用于液压系统中 2 1 。 2 1 1 液压集成块设计过程 液压集成块的设计过程主要可分为液压集成块布局设计、液压集成块油路连 通设计、干涉校核和壁厚校核等阶段。 1 ) 液压集成块布局设计 在液压元件的布局设计中，确定阀块体的总体尺寸，液压元件的安装面、安 装位置和安装角度等。具体设计要求有； 液压集成块体积最小； 液压元件有足够的安装调试空间，元件间不发生干涉； 满足一些特殊要求，如：某液压元件必须安装在液压集成块某个表面； 某元件必须以某一角度安装等。 2 ) 液压集成块油路连通设计 液压集成块油路连通设计是指按照系统原理图的要求，在液压集成块布局的 基础上，确定油孔面矢量、坐标和深度等，以及必需的工艺孔的参数，将油路连 通起来。连通设计要求有： 油路百分之百连通： 第二章动态油路特征及建模方法 工艺孔数量最少； 单个油孔长度最短； 油路总长度最短； 连通油孔保证一定的通流面积： 不连通的油孔之间满足一定的壁厚要求等。 3 ) 干涉校核和壁厚校核 油路连通设计完成后，还要对液压集成块进行干涉校核和壁厚校核。 液压元件模型之间不能相互干涉，利用三维c a d 软件的模型干涉检查和最 小距离测量工具可实现液压元件布局干涉的校核。 在保证液压集成块油路连通关系的正确无误后，还需要保证各连通油路之 间、油路与辅助孔之间具有合适的壁厚，以保证不会被压力油击穿，破坏油路的 连通状态。 4 ) 液压集成块设计过程实例 图2 1 为单作用顶升油缸控制回路液压原理图，包括5 个液压阀、3 个进回 油口和1 个工作油口；图中实线表示主油路，虚线表示控制油路及泄漏回油路。 4 泄漏 图2 - 1单作用顶升油缸控制回路液压原理图 图2 2 为液压集成块布局设计中间结果，在油路设计过程中仍可调整其布局。 第二章动态油路特征及建模方法 图2 4 液雎集成块装配模型爆炸图 第二章动态油路特征及建模方法 2 1 2 液压集成块设计特点 液压集成块的设计可以说是一个大循环，它由液压集成块的布局和液压集成 块油孔连通两个小循环构成。其特点如下： ( 1 ) 两个循环内部分别进行各自的最优求解，整个设计过程是一个双层反复迭代 的过程( 如图2 - 5 所示) 。 ( 2 ) 而这两个循环又是相互制约的，液压元件布局影响油孔连通，油孔连通不满 足要求时又要修改液压元件的布局。 所以液压集成块的设计的目标应是集成块布局和油路连通的综合评价。 图2 - 5 液压集成块设计过程 2 2 动态油路特征及其层次化模型 特征技术由于将功能及各种丰富的工程信息关联到几何模型，因此被广泛应 用于产品建模过程中f 6 3 1 。目前，基于特征的参数化造型系统底层几何数据普遍采 用边界表示法( b o u l l d a 叮r e p r e s e n t a t i o n , b r e p ) ，造型系统的实质是将特征建模操 第二章动态油路特征及建模方法 作过程的历史存储于b r e p 模型中。当前的基于特征的参数化造型系统存在的主 要问题如下： ( 1 ) 采用传统的特征技术，进行特征操作时，易使底层几何拓扑发生变化，致使 特征的语义改变，难以维护导致工程语义及有效性； ( 2 ) 设计对象自身存在多拓扑构型时，采用传统的特征技术，特征自身的拓扑结 构不能动态可变： ( 3 ) 传统的基于特征设计的本质是基于静态参数化模板的特征描述方法，它缺乏 参数的柔性扩展及重新配置机制，驱动参数不具备可扩展性。 ( 4 ) 传统的特征技术在信息的抽象层次和几何形状的概略表示方面尚不能满足 方案设计的需要】，目前特征技术还难于应用于概念方案设计，为早期的设 计提供有效的计算机辅助支持。 集成块油路特征 功能语义 阀l _ p 4 l ，阀2 一p 4 l ， 连通 临时体l ( 参数) 几何层 临时体2 ( 参数) 拓扑层 o o 驱动参数层 动态特征的演化 语义验证机制 约束求解 拓扑优化 更 动态添加的工 集成块油路特征 功能语义 阀l - p 孔，阀z - p 孔， 连通 临时体l ( 参数) 临时体2 ( 参数) 几何层 工艺孔临时体( 参 数) 拓扑层o o o 驱动参数层 图2 - 6 动态油路特征建模 针对上述问题，本课题提出一种新的特征定义及建模方法一动态特征建模 思想。如图2 - 6 所示，用层次化方法描述研究油路动态特征，包括语义层、几何 层、拓扑层及驱动参数知识层的建模方法及技术。使用基于动态参数化模板的特 第二章动态油路特征及建模方法 征描述方法，能够保证特征语义，维护工程语义及有效性；实现特征自身的拓扑 结构动态可变性等。 2 2 1 语义层 在设计过程中，用户定义的约束通常能更好地表达设计意图，因此可用用户 定义的约束描述特征语义。一旦用户指定了约束，在模型编辑及约束求解过程中 必须保持。对于一个液压集成块设计工程，一般由一个液压集成块零件和若干个 液压元件( 液压阀及连接附件) 组成。液压集成块油路在功能上实现液压元件油口 之间的连通，并满足原理图连通性、流量以及压力的要求。因此其功能语义可用 式( 2 1 ) ( 2 4 ) 描述： h m b = 徊，_ ，匕，k 最舢= 娩肌。，哆，置胁。j 墨咖= ”p b p a t h 2 , ，p b p a 嘶j p b p a t h ，= p c q ，p c h 2 ，p c h p ，t h 。，t h 2 ，玛j 其中： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) h m b 液压集成块设计工程集合； b 液压集成块零件； k液压元件； 哆肿 液压元件杉的油口集合； 足础 液压集成块的油路集合； b 砒 第i 条油路的油孔集合； 尸c 工作油孔； t h s 工艺孔。 完整的液压集成块的油路动态特征语义需要满足油孔集合唯一性、工作油孔 关联油口唯一性、油路内部油孔完全连通性、油路之间无连通性等规则，如下： ( 1 ) 油孔集合唯一性：任意一个油孔( 包括工作油孔和工艺孔) 都只能属于唯一油 路，即v o h f 吃枷，则v 鲫j 仨，其中i j ； ( 2 ) 工作油孔关联油口唯一性：任意一个工作油孔都只能与唯一油口关联，即 v p c h i ，j 唯一t 删哆胛，使得p q 与哆删保持关联； ( 3 ) 油路内部油孔完全连通性：油路内部所有的油孔都必须直接或间接连通； ( 4 ) 油路之间无连通性：分属不同油路的油孔之间不能被直接或间接连通。 第二章动态油路特征及建模方法 2 2 2 几何层 在几何表示方面，动态油路特征采用基于临时体模型和b r e p 模型混合的建 模方法。其中临时体模型用于特征语义描述，并用于油路特征方案的显示、语义 及拓扑验证，b r e p 模型则用于存储特征的结果模型。临时体为运用三维c a d 软件的实体造型技术创建并存在于内存中，在图形界面上实时显示的实体，其优 点是可快速地显示或隐藏，修改和编辑非常便捷。目前的c a d 系统中，孔通常 用孔特征描述。与孔特征相比，应用临时体，如圆柱及锥体描述油路中的孔。如 图2 7 所示，具有如下优点： ( 1 ) 在c a d 环境中，重定位及修改圆柱体需要更少的步骤，速度更快，效率更 高； ( 2 ) 在油路设计中，应用圆柱体表达油孔，方便计算及校核。如连通性可通过实 体之间的布尔运算实现，壁厚检查可通过实体间的距离计算完成； ( 3 ) 可单独控制实体的隐藏及显示，对于孔特征，必须通过压缩实现隐藏。 孔4 ( r h 4 ) 2 2 3 拓扑层 油孔4 ( 工艺 图2 7 油路连通的临时体模型 在拓扑表示层面，可以将动态油路特征表示为实体邻接图和邻接矩阵： 1 ) 实体邻接图( s o l i da d j a c e n c yg r a p h ) 第二章动态油路特征及建模方法 基于图的方法被广泛用于从c a d 实体模型中识别特征，如面邻接图【6 5 】( f a c e a d j a c e n c yg r a p h , f a g ) 。图的结点表示面对象，图的边表示面之间相互邻接的棱 线。 f a g 适用于表达流行实体几何，由于流行实体几何的每一条边连接两个面， 因此不能表达非流行实体几何。针对集成块油路油孔采用实体几何，即临时体描 述，本文中实体邻接图( s o l i da d j a c e n c yg r a p h , s a g ) 用于表达油路油孔的拓扑， 并用于油路语义验证及拓扑优化。在s a g 图中，结点可表达描述油路油孔的临 时体；图的边描述临时体之间的连接关系，如果两个结点即临时体相交，则结点 之间存在边，否则无边。在动态油路特征中，将其应用于油孔的连通表达。图 2 7 的实体邻接图如图2 8 所示。 图2 - 8 油路连通实体邻接图 2 ) 邻接矩阵 对于一个包含n 个油孔的油路，其连通关系可用一个力x ，z 的邻接矩阵来描 述，其中“1 ”表示其行与列所对应的油孔直接连通( 两油路临时体布尔交不为 空) 。一条油路连通性的判定方法可用广度优先搜索算法或深度优先搜索算法来 实现。图2 8 的邻接矩阵可表示为表2 1 ： 表2 - 1油路连通图的邻接矩阵 41_l_i_i_i_i_i-_j h o 0 o l 0 o 1 o o th o 1 l o o o o o o 玎h o o l o 1 o o o 1 th l o l o o o o o o t 珏o o o o o o 1 o o 4 珏o o o 0 o o o o 1 b o o o o o l l l o 配o o o o o o o 1 o n o o o o o l o o o 小m m小m唧眦邶哪 第二章动态油路特征及建模方法 2 2 4 参数层 动态油路特征模型的参数层用来存储油路驱动参数，用于记录油路动态特 征的参数信息。驱动参数临时保存油路信息，与几何层、拓扑层实时关联，可 以随几何层、拓扑层的改变而改变，并形成最终油路信息。 2 3 动态油路特征面向对象模型 2 3 1 面向对象方法描述 面向对象方法的基本思想，是从现实世界中客观存在的事物( a p 对象) 出发来 构造软件体系，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式。面向对象方法 强调直接以问题域( 现实世界) 中的事物为中心来思考问题，认识问题，并根据这 些事物的本质特征，把它们抽象为系统中的对象，作为系统的基本构成单位【6 6 | 。 面向对象方法是一种运用对象、类、继承、封装、聚合、消息传递和多态性 等概念来构造系统的软件开发方法。 2 3 2 动态油路特征面向对象模型 基于以上介绍，结合液压集成块自身特点，可以建立液压集成块特征面向对 象模型，对象之间的关联关系如图2 - 9 所示。 其中，动态油路对象模型一f 1 0 wp a t h 作为中间数据结构，如图2 1 0 所示， 用于存储油路特征的语义临时体几何、油路拓扑及参数等油路设计过程数据；临 时体对象一t e m pb o d y 用于动态显示油路设计结果，同时可实时构建并更新实体 邻接图( s a g ) 。 第二章动态油路特征及建模方法 图2 - 9 液压集成块装配设计对象模型 1 8 第二章动态油路特征及建模方法 2 4 本章小结 图2 一1 0 液压集成块油路设计对象模型 本章在分析液压集成块设计过程及特点基础上，介绍了动态油路特征及其层 次化模型技术。详细阐述了动态油路特征及其层次化模型，即：语义层，几何层， 拓扑层和参数层等的含义；并构建了动态油路特征的面向对象模型。 第三章基于优化算法的液压集成块动态油路特征拓扑优化 第三章基于优化算法的液压集成块动态油路特征拓扑优化 液压集成块动态油路特征建模是液压集成块油路设计过程中的关键活动。本 章对油路连通特点进行了研究，提出动态油路特征的矩阵化描述的数学模型；将 遗传算法应用于液压集成块油路拓扑优化过程，并给出了油路自动连通方案创建 过程流程；提出基于连通关系自动创建油路连通方案和交互式修改油路连通 方案的设计策略，并将其融入到集成块设计过程。 3 1 油路设计需求信息一液压阀及油口对象模型 目前可用于集成式液压系统的液压阀主要包括板式阀、二通插装阀、叠加阀 和螺纹插装阀等四类结构形式。根据以上液压阀类型可将对应油口分为底面油 口、底面中心油口和侧油口等三种类型。由于叠加阀的油口特征与板式阀的油口 特征相同，因此可将叠加阀视为板式阀对待。表3 1 为板式阀、螺纹插装阀和二 通插装阀的结构及其油口特征。 表3 1 元件类型及油口特征 元件 类型 模型示例底榭安装孔油口特征油口参考几何 忿 t h y p h p t 板式 他c d 豸a 喇黼面槲嘶件 旧9 。p 少u 油口油口的圆柱面； 阀 n b a x i l f、1 一a f 。：、。 竺。 m ( i 贬1 ) 个侧油 元件油口中心线 一b ( s h )n 。 一 一 一，。 与元件底部端面 一p ( p a 父恳世互删0 1 ) 个交点位置的3 一d 多7 眇 厩面中心油口 草图点 螺纹 i 吲 插装 ，冀勃 怎当 阀 豳 = 爿 第三章基于优化算法的液压集成块动态油路特征拓扑优化 3 2 液压集成块油路设计数学模型 液压集成块油路设计是液压集成块设计过程中的关键活动之一，它与液压集 成块布局设计一起，决定着液压集成块设计的成败及水平。本节主要介绍油路设 计中的油路组成、动态油路特征表达和基于动态油路特征的数学模型。 3 2 1 液压集成块表面矢量定义 将液压集成块的坐标系定义为直角坐标系，原点位于液压集成块一角。则液 压集成块上的每个表面的面矢量都可以用三个参数( x ，y ，z ) 来确定。其中x ，y ， z 的值可以是1 ，0 ，1 。 图3 1 所示为液压集成块坐标系和六个表面的命名。定义液压集成块的长宽 高分别为：( 沿x 向) ，职沿y 向) ，坝沿z 向) ，则表3 2 为液压集成块各表面矢 量、坐标系方向及其所在方向上的坐标值。 图3 - 1