（机械制造及其自动化专业论文）液压集成块虚拟设计平台的研究.pdf

摘要 液压集成块已经广泛的应用于液压系统中，它具有结构紧凑，元 件密度高，占据面积小，变化灵活方便，容易实现标准化等优点。但 液压集成块的设计是一项既复杂又容易出错的工作，长期以来一直困 扰着人们，尽管人们已经在这方面做了大量的工作，但随着液压技术 的不断发展，新的问题也不断地出现，使液压集成块的设计也越来越 复尔。这就引来了液压集成块设计的热潮。 液压集成块设计一般以液压元件空间布置为起点，以集成块块体 零件图的绘制为终点，中间经历孔系连通设计、孑l 系校验、孔系修改 的多次反复迭代过程，必要时还需上溯，直接修改液压元件的空间布 置，以达到最佳的集成块孔系结构，满足液压系统的连通要求的目的。 为了便于集成块孔系连通设计及孔系校核，提高工作效率，本系统增 加了液压原理图的绘制模块，为孔道连通和孔道校核的数据准备提供 良好的依据。本系统作者主要作了以下几方面的工作： l 、液压原理图绘制模块，完成液压原件图符库的建立，实现原 理图的连线设计，生成原理图集成部分元件间的连通信息，形成了集 成块孔道连通设计及孔道校核的依据； 2 、液压元件的空间布置模块，给出集成块中坐标系的使用约定， 完成液压元件底面尺寸连接数据及元件外形尺寸数据库的建立，给出 液压元件空问布置的原则和方法，利用“就近原则”给单个液压阀块 分配液压元件，液压元件布置好后，生成阀块孔道位置描述文件，并 依据液压元件外形尺寸数据库对元件空间布置进行干涉校验； 3 、孔道连通设计与校核模块，给出确定孔深的算法，给出孔道 连通设计的原则和方法：根据原理图生成的连通信息、元件空间布局 生成的孔道位置描述信息以及根据孔深算法生成的孔深信息进行孔 道连通设计，并以原理图生成的连通信息为依据，对已经连通的孔道 进行连通性校核和非连通性校核，并对孔道之间的最小壁厚和最小流 通面积进行校验： 4 、三维造型及显示模块，根据实体模型表示法一一c s g 法和实 体造型方法一集合运算法对液压集成块进行实体造型，给出集成块 内i l 道分类及集成块内孔道实体模型的建立方法，对液压集成块进行 、 三维动态显示，并可以有多样的视觉效果和观察方式 5 、数据输出模块，对校验无误、符合设计效果评价的设计，系 统给出符合国标或企业规范的集成块零件图和孑l 系表。 本系统以w i n d o w s 2 0 0 0 为开发平台，以a u t o d e s k 公司的 a u t o c a d 2 0 0 2 为支撑软件，以a u t o c a d 二次开发软件v b a ( v i s u a l b a s i cf o ra p p l i e a t i o n ) 为开发工具进行编写。 关键词：液压集成块、原理图、元件布置、孔道连通、孔系校验、实 体造型、v b a t h es t u d yo t 。v i r t u a ld e s i g np l a t f o r mo nh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k w i t ht h ea d v a n t a g e so fc o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g hc o m p o n e n td e n s i t y ， s m a l l - o c c u p i e da r e a ，a g i l ec h a n g e ，a n ds t a n d a r d i z a t i o n ，t h eh y d r a u l i c m a n i f o l db l o c k ( h m b ) h a sb e e ne x t e ns i v e l ya p p l i e dt ot h ed e s i g no ft h e h y d r a u l i cs y s l e m n e v e r t h e l e s si t sd e s i g nisac o m p l i c a t e dw o r k ，e a s yt o m a k e m is t a k e s ，a n dh a sb e e np e r p l e x i n gp e o p l e a l lt h e t i m e ，a l t h o u g h p e o p l eh a v ea l r e a d yd o n eal o t o fw o r ki nt h i sr e s p e c t a n df o l l o w i n g t h ec o n s t a n t d e v e l o p m e n to fh y d r a u l i ct e c h n o l o g y ，n e wp r o b l e m s a r e a p p e a r i n gc o n s t a n t l y ，s o t h e d e s i g n o fh m bb e c o m esm or ea n dm o r e c o m p l i c a t e da n dr e s u l t si n ar e s e a r c hu p s u r g e t h e d e s i g n o fh m b b e g i n s w i t ht h e l a y o u t o f h y d r a u l i c c o m p o n e n t s ，e n d sw i t ht h eo u t p u to fi t se n g i n e e r i n gd r a w i n g ，i n c l u d e s t h ed e s i g no fh o l es y s t e m ，c h e c ko fh o l es y s t e ma n dm o d i f i c a t i o n ，a n d e v e nt h em o d i f i c a t i o no ft h el a y o u to fh y d r a u l i cc o m p o n e n t st og e tt h e b e s ts t r u c t u r eo ft h eh o l es y s t e mo fh m ba n ds a t is f y t h e d e s i g no f c o n n e c t i o no t 。h y d r a u l i cs y s t e m i no r d e rt om a k ei tc o n v e n i e n tf o rt h e d e s i g na n dc h e c ko fi t s h o l es y s t e m ，i m p r o v ew o r k i n ge f f i c i e n c y ，t h i s s y s t e m a d d st h e d r a w i n g m o d u l eo ft h e h y d r a u l i cp r i n c i p l ep i c t u r e ， o f f e r sag o o db a s i sf o r t h ed a t ao fh o l e s y s t e mt o b ec o n n e c t e da n d c h e c k e d i nt h i s s y s t e m ，t h e a u t h o rh a s m a i n l y m a d et h e f o l l o w i n g w o r k ： 1 t h em o d u l eo fh y d r a u l i cp r i n c i p l ep i c t u r e ，f i n i s h i n gt h eg r a p h i c s l i b r a r yo fh y d r a u l i cc o m p o n e n t ，r e a l i z i n gt h el i n e c o n n e c t i o nd e s i g no f t h e p r i n c i p l ep i c t u r e ，p r o d u c i n g t h e p r i n c i p l ep i c t u r e a n dt h e i n f o r m a t i o no fc o n n e c t i n ga m o n gt h ec o m p o n e n t s ，a n df o r m i n gt h eb a s i s o ft h ec h e c ka n dd e s i g no fh m bh o l ep a s s a g es y s t e m ； 2 t h em o d u l eo f s p a c el a y o u t o ft h e h y d r a u l i cc o m p o n e n t ，i t p r o v i d e s t h ec o n t r a c to fu s i n gt h ec o or d i n a t i o ns y s t e m ，f i n i s h e st h e d a t a b a s eo ft h eb o t t o ms ur f a c ec o n n e c t i o na n de x t e r n a l d i n l e ns i o no f h y d r a u l i c c o m p o n e n t ，p r o v i d e st h es p a c el a y o u t o ft h e p r i n c i p l e a n d m e t h o do ft h e h y d r a u l i cc o m p o n e n t ，a c c o r d i n gt o ”a p p r o a c h i n g p r i n c i p l e ”，d i s t r i b u t e s t h e h y d r a u l i cc o r n p o n e n t f o r e v e r yh y d r a u l i c b l o c k ，c r e a t e s i t s d e s c r i p t i o n f i l eo ft h eh o l e s y s t e mp o s i t i o n ，a n d c a r r i e so u tt h ec o m p o n e n tl a y o u ta n di n t e r f e r i n gc h e c k - u pa c c o r d i n gt o h y d r a u l i cc o d qp o n e n te x t e r n a ld i m e n s i o nd a t a b a s e 3 t h em o d u l eo fc or m e c t i o n d e s i g n a n d i n t e r f e r i n gc h e c k u p ， p r o v i d i n ga l g o r i t h m o f c o u n t i n g h o l e d e p t h ，t h ep r i n c i p l e a n dt h e m e t h o do ft i h e d e s i g n o fh o l e s y s t e m ；b a s e d o nt h ec o n n e c t i o n i n f o r m a t i o nf r o mt h e p r i n c i p l ep i c t u r e ，t h e h o l e p o s i t i o nd e s c r i p t i o n i n f o r m a t i o np r o mt h ec o m p o n e n tl a y o u t ，a n dt h eh o l ed e p t hi n f o r m a t i o n c r e a t e db yt he , h o l ed e p t ha l g o r i t h m ，t h es y s t e mc a r r i e so u tt h ed e s i g no f h o l ec o n n e c t i o n t h e nc h e c k su pt h ec o n n e c t i o nr e l a t i o n0 fh o l ep a s s a g e f u r t h e r m o r et h es y s t e mc a r r i e so u tt h ec h e c k - u pf o rt h et h i n n e s tw a l l t h i c k n e s sa n dt h em i n i m u mf 1 0 wa r e a 4t h em o d u l eo ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ，a c c o r d i n gt ot h es o l i d m o d e l i n gr e i ) r e s e n t a t i v e m e t h o d - - c s gm e t h o da n ds o l i d m o d e l i n g o p e r a t i o nm e t h o d 一一b o o l e a no p e r a t i o nm e t h o d ，t h es y s t e mc a r r i e s o u t s o l i dm o d e lf o rh m b p r o v i d e st h ec l a s s i f i c a t i o no ft h eh o l ep a s s a g e so f h m ba n dt h e i rb u i l d i n gm e t h o d ，t h e yc a nb ed y n a m i c a l l ya p p e a r e dw i t h t h r e e d i m e n s i o n w a y , a n d t h e r ec a nb ev a r i o u sv i s u a le f f e c ta n d o b s e r v a t i o nw a y ； 5 ，t h em o d u l eo ft h ed a t ae x p o r t ，f o rt h ee r r o r l e s sa n ds a t i s f i e d d e s i g n a f t e rc h e c ka n de v a l u a t i o n ，t h e s y s t e mp r o v i d e st h eh m bp a r t d r a w i n g st h a ta c c o r dw i t ht h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do re n t e r p r i s en o r m ， a n da l s op r o 、，i d e st h eh o l er e l a t i o nt a b l eo fe v e r yh m b t h i ss y s t e mr e g a r d sw i n d o w s 2 0 0 0a st h ed e v e l o p i n gp l a t f o r m ， a u t o c a d 2 0 0 2o fa u t o d e s kc o m p a n ya st h es u p p o r ts o f t w a r e ，v b a ( v i s u a l b as i cf or a p p l i c a t i o n ) o fa u t o c a da s t h es e c o n dd e v e l o p i n g t 0 0 1 s u nz h i j u n ( m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db y c h e n b i n g b i n g k e y w o r d ：h y d r a u l i c m a n i f o l d b l o c k ，p r i n c i p l ep i c t u r e ，l a y o u t c o n n e c t i o n ，c h e c k u p ，h o l es y s t e m ，s o l i dm o d e l i n g ，v b a 东华大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 液压集成块概述 随着液压工业的发展，液压技术在工业自动化领域的应用越来越广 泛，液压系统也变得越来越复杂化、多样化。对复杂的液压系统，若采 用大量的管接头和管子连接，易造成管道污染，引起系统故障，还会因 振动和冲击引起泄漏，降低效率，并且还会增大系统的体积：若采用液 压集成块，债液压系统象电子系统那样把元件集成化、单元化，则可减 少系统的能量损失，系统结构紧凑，便于安装，符合节能、节材、优化 设计的原则。 所谓液压集成块，就是将一个液压系统中的控制阀用“整体管路”结 合起来。集成块可按照液压系统的分类进行制造，使液压系统的集成块 系列化、标准化1 1 。 液压集成块一般分为两大类，一种是非标准化的集成块，集成块的 每个面可以放多个液压元件，液压集成块的大小由所安装的液压元件的 安装面尺寸决定，如图1 一l 所示。一种是标准化的集成块，集成块的每 一个面只能放一个液压元件，每个块体的上下表面用于和其余块体相连 接，左表面用于驱动油路连接，其余三个面用于液压元件的连接；标准 化的液压集成块的大小是标准化的，一般分为大型、中型、小型三种， 中型尺寸长、宽、高分别为1 3 0 m m 、1 2 0 r a m 、9 2 m m ，如图i 。2 所示。 图1 1 非标准化液压集成块 东华大学硕士学位论文第一章绪论 ? 叠- ： r 。必c f v ”二 j 甓 j o ”j 。 ： 、t 图1 2 中型标准化液压集成块 使用液压集成块的优点可以概括为以下几点1 2 ： 紧凑； 可由用户设计，灵活性大： 集成块可以连续铸造，效率高； 油路集成，便于维护： 本系统程序开发以中型标准液压集成块为主，但需要说明的是，本 文所提出的有关设计原则与方法对所有集成块设计均有效。 1 2 液压集成块c a d 研究现状 总的来说，国外工业发达国家开展液压c a d 、c a m 工作较早，从7 0 年代就开始研究和探索利用计算机进行液压系统和液压元件的计算机辅 助设计，从8 0 年代开始研究将c a d 、c a m 技术应用于液压领域，但公开 推出的软件并不多，尤其是液压集成块设计方面的软件比较少。国内从 8 0 年代开始研究液压集成块c a d 技术，9 0 年代形成一股热潮，开发的软 件、发表的文章比较多。国内研究液压集成块比较有影响的几家单位是： 上海交通大学、浙江大学、大连理工大学、华中科技大学、北京自动化 研究所等。以下作一简单介绍： 国外情况 1 、1 9 8 2 年，德国阿亨工业大学在b a c k e 教授的领导下，研制出了用 于设计液压控制阀块的程序包h y k o n 。该软件包的硬件环境为a t m 东华大学硕士学位论文第一章绪论 c l a ss icm o d e l7 8 7 0 计算机。其功能具有自动设计阀块上的孔道( 包括 斜孔) ，并校验孔道，能输出符合d i n 标准的阀块视图和任意剖面图等 。 2 、1 9 8 3 年，美国一家公司用p r i m e 7 5 0 工作站建立了阀块的三维模 型与投影。 3 、1 9 8 3 年，英国巴斯大学在p e p l l 2 3 计算机上，研制了v o i ，e 程序， 可以绘制液压阀块等元件的立体模型图，包括复合剖面图、孔道实体图 等，设计人员可以用来校验所设计的阀块油路的连接情况【”。 4 、1 9 8 5 年，芬兰坦佩雷工业大学在h p i o o o a 7 0 0 小型机上开发出用 于插装阀块设计的c a d 软件孔道自动设计与干涉校验同时进行，可以 修改孔径、移动孔位、线框模型消隐、孔表信息数据输出、刀具选择、 刀具轨迹定义和n c 代码生成功能【6 1 7 1 。 5 、1 9 8 9 年，德国h a m b u r g h a r b e r g 技术大学( t v h h ) 基于p r o r e n 支撑软件以及基于a i c s 造型器进行三维阀块的设计【8 1 。 6 、19 9 1 年，法国g r e n o b l e 大学把a i 思想引入集成块的设计，指出 液压集成块的设计问题即是一个空间部署问题，以满足液压元件安装的 需要，也是一个线路设计问题，以设计最佳的孔道。为此，把人工智能 中的空间部! 署理论应用于集成块设计，在a p p l em a c i n t o s h l i 上开发 了一套基于产生式规则的智能设计系统 5 1 。 7 、1 9 9 6 年，香港理工的w x i a n g 等人进一步完善了液压集成块在 c a d 、c a m 、c a p p 、c n c 等方面的研究，使得液压集成块在c a d 、c a m 、c a p p 、 c n c 等方面的研究更加成熟起来1 9 1 。 8 、到1 9 9 8 年，美国v e s t 公司利用a u t o c a d 的a r x 开发环境研制 了m d t 0 0 l 软件，该软件已基本具备基于特征进行参数修改的功能，而 且采用m i c r o s o f t 的a c c e s s 数据库工具。不过在斜孔设计、修改的方 便性与效率，以及孔系校核的完善性等方面仍有些不足【1 。 国内研究现状： 1 、上海交通大学在钟廷修教授的领导下，从8 0 年代初就开始液压 集成块c a d 技术的研究，相继开发了诸如h m c a d 3 7 0 c 、c v c4 0 等实用 软件，这些软件己在上海液压气动总公司等十几家单位使用，最近交大 东华大学硕士学位论文第一章绪论 又同上海7 0 4 研究所合作，进行新一代液压集成块的智能c a d 系统的开 发。以下简单介绍上海交大集成块研究的成果。 1 ) 1 9 8 5 年，张海平【”i 开发了插装阀体复杂孔系的c a d 软件系统， 该系统使用p a s c a l 语言，校验结果可直接输出在屏幕上，也可通过打 印机输出，并且可以在绘图仪上直接输出图纸。在该系统中，可对多阶 梯直孔、多阶梯空间斜孔进行校核，并为此建立了一个统一的数学模型。 设计时采用交互方式。 2 ) l9 8 7 年，展建军【陀1 进一步研究了液压插装阀的c a d 技术，并对 液压插装阀c a m 技术进行了研究，体现在： 在原有的基础上，将a u t o c a d 系统引入，作为软件二维图形处理 的支撑系统，使阀块的二维设计处于一个功能齐全的环境。 在3 2 位机上开发了一个以三维实体造型技术为核心的阀块c a d 软件。增加了孔系加工的数控程序生成功能，使得设计完成后， 就能获取加工指令，与生产发生直接联系。 3 ) 1 9 9 1 年，许新桥1 13 1 用c 语言在原有的基础上，重新改写原来的 程序，根据用户的使用情况，修改了以前软件的一些不足之处，采用窗 口、菜单、对话框等集成方式，可以用鼠标进行操作，而且全部采用中 文环境，用户界面友好。还可利用a u t o c a d 的a m e 进行三维造型。 4 ) 19 9 6 年，黄宏成【1 4 1 把孔系校验分成直孔和斜孔两种情况，直孔 校验模型不仅考虑了顶锥，对于任何两直孔提出安全、连通或危险警告 三种判断，而且可以计算出流通面积或最小壁厚。斜孔校验模型从高等 数学多元函数极限和空间几何着手，把两孔简化成两直线段，来校验孔 道的干涉情况。在a u t o c a d 的基础上，根据c s g 法，利用a m e 软件，通 过从三维到二维的途径，把校验过的孔系文件在计算机上以工程图纸形 式自动生成。 5 ) 1 9 9 6 年，马友翼”1 针对阀块体的特征，从底层开始开发，采用 实体造型的方法对液压阀块进行仿真设计，在屏幕上输出逼真的造型图 形，在微机上提供了一个三维的设计环境。 6 ) 1 9 9 7 年，乔进友、金忠孝在a u t o c a dr 12 上用c 语言开发了一 个阀块校验软件，软件具有文件管理模块、集成块体及孔道信息输入模 东华大学硕士学位论文第一章绪论 块、孔道连通性校验、三维实体造型及系统输出模块。中船公司第7 0 4 研究所应用此软件进行液压集成块设计1 6 l 。 7 ) 1 9 9 9 年，金忠孝博士【” 提出用人工智能体理论来解决传统的专 家系统中问题求解方法单一的缺点，并建立了液压集成块多智能体设计 系统的完整理论体系，该理论体系包括面向对象的液压集成块孔道建 模、知识库的建立、液压集成块智能体的设计和实现及基于约束的协同 策略四个部分。最后使用v is u a lc + + 5 0 和o b j e c ta r xs d k 开发了多 智能体液压集成块设计系统，该系统已在中船7 0 4 研究所和美国 v ic k e r s ( 威格士) 上海分公司投入使用，取得了良好的效果。 8 ) 1 9 9 9 年，黄山禾 17 1 开发了一个交互式液压集成块二维设计环境， 使设计者可以方便快速地进行设计。集成块平面设计环境，具有交互式 孔系布置、孑l 系修改、阀块三维造型、多样的视觉效果和观察方式、孔 道在图上的位置与数据的对应性和三维视图与二维视图的一致性等特 征。集成块平面设计环境包括五个模块：a 成组孔管理模块；b 液压元 件的布置、编辑模块；c 连通关系的输入、编辑模块；d 三维造型、三 维视图模块；e 孔道数据管理模块。系统在a u t o c a dr 1 4 平台上，用 v is u a lc + 4 5 0 和o b j e c ta r xs d k 编写。 9 ) 2 0 0 1 年，乔进友博士【1 8 】针对液压集成块设计的三大棘手问题一 一空间布局、孔道连通规划和孔道连通设计，提出了新的理论基础和设 计方法，作出以下创新：a 提出液压集成块空间布局的解决策略即通过 遗传算法进行空间布局的智能设计，并提供了遗传算法无效时的解决方 案一一基于规则的人机交互；b 提出液压集成块孔道连通规划的解决策 略即应用图论中的有向图理论对孔道连通规划的数学模型成功地进行 描述；c 提出液压集成块孔道连通设计的解决策略即利用新理论建立 孔道连通设计优化的数学模型，分析了选择设计变量，确定目标函数的 方法，以及孔道连通设计的约束条件。重点研究通过遗传算法进行孔道 连通优化的智能设计。针对上述理论方法，使用v is u a lc + + 6 0 和 o bj e c ta r xs d k 开发了液压集成块智能设计系统，并已在依顿威格士 ( 上海) 有限公司投入使用。 1 0 ) 2 0 0 1 年，周惠友博士【1 9 1 又提出了以树形结构为液压集成块路 东华大学硕十学位论文第一章绪论 径优化设计的理论模型，并用树结构作为理论模型的数据结构，通过实 例，验证了理论模型的简化和数据结构及优化解搜索方法的正确性，为 液压集成块复杂孔道设计提供了理论依据。 2 、浙江大学流体传动与控制研究所在路甬祥教授的领导下，于 1 9 8 9 年研制成功了插装阀液压系统设诗f p t c c a b 系统。该系统由液 压系统原理图生成模块、液压系统总装图模块、准三维立体模型生成模 块、插装阀设计模块等五部分组成。在三维插装阀液压系统阀块c a d 系统中，以a u t o c a d 为基础软件，利用l is p 语言对绘图软件进行二次 开发，采用变参型技术建立三维阀块立体构筑工具库，以实现阀块的三 维显示，利用“知识基嵌入”方法解决了从立体图转化成工程零件图过 程中判断推理难点1 2 0 。 3 、大连理工大学对液压集成块的c a d 、c a p p 、c a m 开发了集成化软 件包，设计了七个子系统，它们分别是：计算机辅助集成块设计子系统、 集成块三维图形显示及十字剖面显示子系统、计算机动画模拟集成块数 控加工子系统、数控加工机床与计算机接口通讯程序设计子系统以及编 辑子系统。；生计算机辅助集成块设计子系统中，将插装阀孑l 道设计和校 核问题归结为插装阀阀块内部任意两孔道同面、对面、邻面等三种情况 分别进行分析和处理。在孔道设计中，采用了优化设计思想，使用了分 层序列法、穷举法、搜索法等优化方法。在孔道校核中，采用将插装阀 块内任意两孔位置及其相互关系以两孔同面、两孔对面、两孔邻面为基 础分解成平行、垂直和相交等情况分别进行处理。设计的结果可以以三 维实体图形显示在屏幕上，该软件系统不能处理斜孔问题，不能处理用 户自定义的插装阀孔，不能由用户指定插装阀中不得连通的部位。由于 在孔道的自动设计中无法处理斜孔问题，当孔道设计比较复杂时，随着 工艺孔个数的大量增加，阀块将变得很复杂【2 ”5 1 。 4 、首钢液压机械厂和大连理工大学联合开发了二通插装阀块三维 g a d 软件系统，该系统特点是2 6 】【2 7 】： 1 ) 用交互式设计方法拟定插装阀块设计方案并实现了交互式调 整插装阀块设计方案。 2 ) 用交互式和自动式设计插装阀块孔道，并实现了交互式调整插 东华大学硕士学位论文第一章绪论 装阀块孔道。对设计完毕的插装阀块进行孔道校核，校核结果以文本或 图形方式显示于屏幕上。 3 ) 插装阀块设计中图形与数据可以自动转换。借助于a u t o c a d 高 级造型扩展功能生成阀块体逼真三位图、浓淡渲染图、消隐视图及位置 任意剖面图。可自动输出插装阀块方案参数和孔道数据文件，根据插装 阀块方案参数和孔道数据又可以自动生成插装阀块三维立体图形。 4 ) 根据设计结果，绘制插装阀块零件图和装配图。 5 ) 可输出c a d 与c a p p 接口的数据文件。 5 、北京自动化研究所在3 8 6 或2 8 6 微机( 含协处理机) 上开发了 液压集成块c a d 软件，该软件由五个模块组成，即交互式阀块设计、孔 道信息输入、孔道校核、阀块工程图纸生成和设计及校验结果输出等五 部分 2 6 1 。 1 ) 交! i 式阀块设计模块，以a u t o c a d 为基础，由安装面图库、数 据库、a u t 0 1 i s p 设计程序以及高级语言的接口组成。用户通过屏幕菜 单调用进行阀块外形设计。在进行安装面设计时，用户通过图文并茂的 菜单选择目标，只需输入一个基准点，其它相关信息则可自动通过数据 库调入。在进行孔道的设计时，可以在不同的视图上显示其位置和深度， 以提示孔与孔之间的连通关系。设计结束后，可将全部信息输出给孔道 检验程序。 2 ) 孔道输入模块，用c 语言编成，输入分单孔输入和组孔输入。 3 ) 孔道校核模块，用c 语言编成，可校验各种直孔和空间斜孔( 包 括平头孔和锥孑l ) ，在校验时，若两孔的实际壁厚小于所要求的壁厚时， 程序给出实际壁厚值，当两孔通时，给出两孔轴心线段的最短连线距离。 在孔道建模时，对实际情况不作任何简化。在出现危险通断关系日、j ，可 以按网格逐点进行布尔运算以求精确解。还可以单孔与全部孔道的校 验，可生成阀块中所有孔道的通断关系表并给出通断关系是否正确的信 息。 4 ) 阀块： 程图纸生成模块，在a u t o c a d 基础上开发，可给出阀块 的旋工图纸，标注全部加工尺寸。不画任何剖面和剖视图。 5 ) 设计与校验结果信息输出模块，可输出阀块的全部设计结果， 东华大学硕士学位论文第一章绪论 全部连通孔的信息，全部危险孔的信息，不正确通断关系孔道信息。 6 、北京联合大学建材轻工学院借助于产品模型的建立和软件的二 维图形处理功能，运用参数化绘图技术，通过阀块的六面视图，判断阀 块的通断情况，借助于调整子系统，可对阀块各面上的元件进行修改， 可对屏幕上的二维几何模型进行显示和编辑，从而完成板式元件的布 局、公共孔的布局和连接孔的布局工作 2 8 1 1 2 吼。 7 、东南大学在液压集成块的设计中，用数据结构中的树来描述液 压系统图，睫连通关系包含在树结构中，提高了程序的效率 30 1 。如图l 一3 所示的液压系统图可以用如下结构来描述液压系统中的各元件： s t r u c tt u o d e c h a r s i ：元件符号 i n td a t a ：元件数据 s t r u c tt u o d e * f c h il d ：孩子指针 s t r u c tt u o d e 十n e x t b ：兄弟指针 、 v 2 。 1 r t r n i 7 一 l 二i ! l = ：；：3 。二、j v 3 一。 卜 l 要 厂：_ 二 ! p u m p 。，n t 一一 d v 4 一 v l 。t 。， l l l v 4 ：p u m p f _ ! v 2 - 一一v 3 i 二一l j 图1 3 液压系统图树结构描述 8 、安徽工学院从计算几何理论上讨论了三维空间孔道的精确校核 问题。通过建立两孔的空间曲面方程，然后联立求解曲面方程，得到交 点，最后判断交点是否在两孔上，若在，则相交，否则不相交。孔模型 东华大学硕士学位论文第章绪论 由圆柱和1 2 0 度顶角的圆锥组成，在这个数学模型中，没有考虑到二通 插装阀、螺纹插装阀、斜孔等异形孔，适用的范围有限 3 1 1 1 3 2 i 。 9 、其它单位在液压集成块的c a d 技术上，基本同上述方法相同。 纵观当前国内外液压集成块的计算机辅助设计的成果，可以得出如下结 论： 1 ) 主要集中在液压集成块的校验c a 2 , 上。 2 ) 校验：集中在孔道的校验，对连通关系的校验研究的很少。 3 ) 原理图描述部分研究的人很少。 4 ) 孔道网络优化未实现全局优化。 5 ) 没有考虑一个孔在连通时的特殊情况。例如，在连通殴计的时候， 有的孔必须在固定的某个位置，而有的孔可以按需要调整，如果所有孔 都一视同仁，将导致自动设计的结果和实际脱节，从而失去意义1 6 】。 6 ) 等等。 针对上述情况，本文在2 ) 、3 ) 、5 ) 问题上作了初步研究，给出了 令人满意的解决方案。 1 3 本文选题意义 液压集成块具有结构紧凑、元件密度高、占据面积小、变化灵活方 便、容易实现标准化等优点。在液压系统设计中，由于用集成块的安装 方式代替管路，实现元件间的连接，可以大幅度地减少系统装配工作量， 减少泄漏机会及系统所占空间，并提高系统效率，所以使液压集成块成 为液压系统中常用连接方式之一。但作为连接元件的液压集成块，由于 内部孔道繁多、空间纵横交错，加之孔间还有干涉限制，存在着设计工 作量大、空间想象困难、干涉现象不易一一顾全、图纸表现不直观，无 论是设计，还是校验，都要花费较多的时间。而且特别容易发生错误， 往往是在集成块加工的最后工序一钻孔时才发现错误，这时再采取补 救措施更改设计，不但困难较大，而且拖延了生产周期，有时还不得不 报废，浪费了大量的人力和物力。为了解决上述问题，清晰的观察到集 成块的设计过程，将错误消灭在设计阶段，缩短设计周期，减少人力物 力的浪费，有必要对集成块设计软件进行研究。 东华大学硕士学伯：论文第一章绪论 1 4 本文研究内容 本课题主要涉及液压原理图的描述、元件布局、孔道布置、连通 校验、虚拟环境中的三维显示等操作的内容，设计流程图如下图卜4 。 从图中可以看出设计内容如下： l 、液压原理图的输入，液压原理图是液压集成块设计的主要依据。 要实现集成块的设计，首先需要将原理图所包含的有关信息“斗算机 化”。人工设计时，要根据原理图中所包含的元件型号和数量，初步确 定块体的数量、元件分配方式等。采用计算机设计则要将上述信息用 相应的描述文件来表示。具体过程是建立液压元件图符库、工程数据 库，编程连接液压元件图符间的连线，并根据原理图，从工程数据库 选择液压元件并确定其安装面，根据元件之间的连接关系，初步确定 各元件在集成块表面的安装位置。 2 、孔道设计及连通校核，孔道设计及连通校核是液压集成块设计 的核心内容，也是本课题设计的重点。设计过程是首先根据原理图描 述文件在集成块各面上安装液压元件，放置元件时，通过查询外形尺 寸数据库中所选元件的外形尺寸，即时进行外形干涉校验，直至满足 有关的外形条件。元件安装完毕后，根据描述文件中各元件之间的连 接关系，实现孔道布置，若孔道不能直接相通，则增加工艺孔以实现 原理图的连通关系。上述过程完成后，进行连通校核。经过“设计一 一校核一一调整设计一一再校核”的反复过程，输出最终的孔系表描 述文件，从而为输出零件图提供数据。连通校核主要包括应连通关系 校验和不连通关系校验两方面内容。应连通关系校验指校验设计的孔 道是否满足液压系统图上的连通要求，有没有应该连通但没有连通的 孔道；不连通关系校验，校验设计的孔道是否满足液压系统图上的不 连通要求，即对于不该连通的孔是否被人为地连通了，而且要保证最 小安全壁厚。 3 、设计效果评价，集成块设计成功的一般标淮是：孔道连通关系 符合液压系统原理图要求，元件之间无干涉，工艺孔少。孔道连通充 分，无危险薄壁等。在输出工程图纸之前应对设计结果进行评价，并 根据评价结果，考虑是否再次修改或重新进行设计。在设计中途，也 东华大学硕士学位论文第一章绪论 可对设计情况进行评价。该部分主要包括以下内容 1 ) 孔道连通关系是否符合液压原理图的要求，存在哪些差别 2 ) 液压元件外形有无干涉，干涉元件数占元件总数的百分比为 多少； 3 ) 工艺孔占孔道总数的百分比为多少 4 ) 哪些孔道之间的连通有可能不充分。总数的百分比为多少； 5 ) 哪些孔道之间存在危险薄壁( 壁厚小于l m m ) ，占孔道总数的百 分比为多少。 圈1 4 液压集成块设计流程 东华大学硕士学位论文第二章液压集成块虚拟设计平台总体设计 第二章液压集成块虚拟设计平台总体设计 液压集成块虚拟设计系统的总体设计主要包括了系统设计的基本思 想，系统功能模块划分，软硬件开发环境的选择，二次开发工具的选择 等。 2 1 系统设计的基本思路 应用软件是直接被用户使用的软件，因此应具有良好的界面，迂过 用户界面，厍户不必去了解许多关于计算机软硬件方面的知识，只要根 据屏幕提示便能方便的完成所需设计。根据软件工程的指导思想，一个 良好的c a d 应用软件的用户界面应满足以下几方面的要求1 33 ：( 1 ) 使用 方便，提供的用户界面以方便用户使用为原则，无需对用户做过多的培 i j i | 工作，用户就可以自如的使用该软件。( 2 ) 记忆最少，一个好的应用软 件应使用户尽量少记忆各种操作规则，专门名词和特殊符号；设计过程 也应尽量符合设计人员的设计习惯。( 3 ) 灵活的提示信息，应用软件运行 时，应能给出简单易懂的提示信息，使用户的工作能够顺利进行。f 4 1 良 好的交互方式，用户使用计算机设计时，应使其感到计算机所进行的信 息交换是十分自然的，与人们的日常工作习惯相符合。( 5 ) 良好的出错处 理，能及时给出出错信息并提出纠正建议。 交互式c a d 就是设计人员利用交互图形显示系统的功能，在屏幕上 利用图形处理系统的功能，以人机交互的方式进行设计。交互式c a d 应 用软件的开发通常包括数据库、图形库和程序库的建立以及人机交互主 控程序等的开发1 3 4 1 。交互式c a d 的开发工作就是利用系统提供的硬、 软件资源进行二次开发，提高交互设计速度。 作为液压集成块虚拟设计系统，应具有设计计算( 如孔径计算、校 验计算等) 、数据存取及绘图功能，而且在需要进行考察及判断时，能反 应出设计者的意图，因此系统可采用人机交互对话的方式。系统应具有 通用性、灵活性，要使用先进的、精确的计算方法，尽量减少由于简化 和假设而引起的偏差，并可以进一步完善和扩展。数据的输入要有标准 化的输入方式和格式，应尽可能使用户容易了解和掌握软件使用。在输 入方面，建立存储有足够信息的标准数据库，并可以随时增补或替换， 编入准确的数据估算方法，以减少用户对数据的输入。在输出功能力面， 东华人学硕十学位论文第二章液压集成块虚拟设计平台总体设计 可输出用户输入的数据及计算结果，并能在需要时打印出完整信息，可 将计算结果送入绘图部分，实现计算机自动绘图。 2 2 系统功能的模块划分 为达到模拟出一个从液压原理图绘制、液压元件布置到连通关系的 确定、孔道校验、修改孔道数据到孔系表输出这样一个液压集成块设计 韵环境，虚拟系统应具备有以下特征： 1 ) 孔道位置可以修改； 2 ) 建立虚拟阀块( 即阀块的三维造型) ； 3 ) 多样的视觉效果和观察方式： 4 ) 孔道在图上的位置和数据的对应性： 5 ) 孔道之间该连通的连通，不该连通的不连通： 6 ) 三维视图和二维视图的一致性。 基于上述特征，将液压集成块虚拟设计环境分成以下几个模块： 1 ) 液压原理图绘制模块； 2 ) 液压元件布置、编辑模块； 3 ) 孔道布置数据输入、编辑模块； 4 ) 孔道连通校核模块： 5 ) 三维造型和视图显示模块； 6 ) 数据输出模块。 2 2 1 液压原理图绘制模块 液压集成块设计的第一个步骤就是绘制液压原理图，生成集成部分 的原理图连通信息，形成集成块孔道连通设计及孔道校核的依据。实现 液压集成块原理图的描述，主要就是获取集成块上阀的类型、型号以及 集成块上阀与阀之间油口的连通关系、公共油口与阀口之间的连通关系