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液压集成块孔系优化设计的 理论和方法研究 摘要 在液压集成块设计中，液压集成块的空间布局、孔道连通规划和孔道连通设 计是三个非常棘手的问题。大多数研究者都尽量避开这些问题，所以液压集成块 的设计问题大多停留在理论结构和局部功能( 校验、图纸输出等) 的完善研究上。 研究者一直没有找到这些问题的理论模型，往往依靠经验和大量的示例来引导设 计，而这些方法在复杂设计时显得无能为力。 本文在消化国内外有关液压集成块设计系统的基础上，深入地研究了目前液 压集成块设计中困扰研究者们非常棘手的关键问题。同时提出了新的理论基础和 设计方法，作出了以下创新： ( 1 1 提出液压集成块空间布局的解决策略。 r f 本文研究了通过遗传算法进行空间布局的智能设计。为液压集成块设计中液 压元件的布局问题提供了一条可行的理论路线，并在示例中得到可靠的验证。 此外，还提供了遗传算法无效时的解决方案基于规则的人机交互。应用 了一套三维空间可视化结果显示方法和交互修改界面的方法。不仅包括正常造 型、反转造型等常用造型样式，而且设计了阶梯剖造型、液压集成块液压阀布局 1 规划造型、动态效果等。扩+ ( 2 ) 提出液压集成块孔道连通规划的解决策略。 ，一 吁l 道连通规划在液压集成块空间布局和孔道连通设计之间起到呈上起下的 作用。 本文对孔道连通规划的理论和方法进行了详细的研究，应用了图论中的有向 图理论对孔道连通规划的数学模型成功地进行了描述，并分析了孔道连通规划中 的一些基本概念，如：连通关系的耦合性质、连通关系分解、孔道连通规划的基 于规则分解优化等。此外，还详细分析了孔道阶梯划分的原则和方法、孔道阶梯 的符号表示、孔道孔径参数设计等相关内容。； ( 3 ) 提出了液压集成块孔道连通设计的解决策略。 本文重点考虑了液压元件的多阶梯复杂孔道连通设计，对孔道连通设计的理 论模型和数据结构进行了详细的研究，并应用建立的新理论详细分析了各类工艺 孔的连通实例，建立了孔道连通设计优化的数学描述方法。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。为液压集成块孔道连通设计提供了新思路和新 方法。同时也应用了等步长搜索算法，树结构遍历算法等优化算法。此外，还对 孔道连通设计的原则和方法进行了收集和整理，列举了各类工艺孔的连通实例。， 本文通过对以上问题深入的研究，为液压集成块设计提供了新的思路和方 法。 论文最后使用v i s 砌c + + 6 o 和0 b j e c tm s d k 开发了液压集成块智能设 计系统，该系统已在依顿威格士液压( 上海) 有限公司投入使用，取得了良好的 效果。 关键词：液压集成块，液压集成块空间布局，孔道连通规划，孔道连通设计 有向图 r e s e a r c ho ft h e o r ya n d m e t h o d s o fh o l eo p t i m i z a t i o n d e s i g n o ft h eh y d r a u l i cm 【a n i f o l db l o c k ( t h eh m b ) a b s t r a c t d u r i n gi n t e l l i g e n td e s i g no f m eh m b ，也e s p a c el a y o u to f t h eh m b ，t l l e p l a n l l i n g o fh o i e s c o i l l l e c t i o na n dm ed e s i 驴o fh o i e s c o l l i l e c t i o na r ev e r yd i 箭c u ht t l r e e p r o b i e m s m o s td e s i g n e r se v a d e t 1 1 e s ep r o b l e m s s oa tp r e s e mt h eh m b d e s i 驴m o s t l y i so n l ya b o u tm e o r ) ，s t m c t u r ea n dp a r tm n c t i o n ( h o l e sc h e c 虹n g ，d r a w i n go u t p u n i n g ， a 1 1 ds oo n ) r c s e a r c h r e s e a r c h e r sh a v en o tf o u n dt h e o r ym o d e l so fm e s ep m b l e m s ， a l 、v a y sd e p e n do ne x p e r i e n c e s 柚dl a r g en 啪b e r so fd e m o n s t m t i o n st og u i d ed e s i g n t h e s em e m o d sa r ei m p o s s i b l ed l 埘n gc o m p l e xa u t o m a t i cd e s i g n ht 1 1 i sp a p e r ，m e s ek e yq u e s t i o n sa r er e s e a r c h e d ，w h i c hp u z z l er e s e a r c h e r sd 血n g t h ed e s i g no ft h eh m b a tt h es 锄et i m e ，n e wt 1 1 e o 叮a 1 1 dd e s i g nm e t h o d sa r eg i v e n c r e a t i v ep o i m si sm e f o l l o w i n g ： 1 s t u d y i n g a n dg i v i n gm e t h o d s s o l v i n g t h es p a c ei a y o u to f t h eh m b t h e s p a c el a y o u to f t l eh m b i sr e s e a r c h e db a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) af e a s i b l em e t h o di sg i v e nf o rd e s i g no f t l l es p a c e l a y o u to f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ， a 1 1 di sv e r i f i e dw i t l ls o m e s a m p l e s f u r t h e 咖o r e ，i fg ai sj n v a | j d ，i n t e r 妇c eo fm a n m a c h j n ec o 姗咖j c a d o n b a s e do np l e n t ) ro fm l e sw i l ls t a rt oc o n 臼o is o m ep m c e s s t h i sc o m m u n i c a t i o n a p p i i e st l l em e t l l o do f3 dv i s u a ld i s p l a yt h a ti n c l u d e sn o 衄a lm o d e i i n g ，r e v e r s e m o d e l i n g ，m o d e i i n go f 1 a d d e rc 眦i n g ，m o d e l i n go ft l l es p a c ei a ) 吲no ft l l eh m b ， d y n 锄i ce f ! e 宅c t s ，a n ds oo n 2 s t u d y i n ga n dg i v i n gm e t h o d ss o l v i n gt h ep l a n n i n go fh o l e s c o n n e c t i o n o f t h eh m b t h e p o s i t i o no f m e p l 柚n i n go f h 0 1 e s c o n n e c t i o n i sb e t 、v e e nt h es p a c el a y o u t o ft h eh m ba n dm ed e s i 瓯o fh o l e s c o n n e c t i o no ft h eh m b f u n c t i o no ft h e p l a f l n j n go f h o l e s c o n n e c l i o ni sc o l l e c t i n gi n f 0 衄a t i o no ft 1 1 es p a c el a y o u to ft h e h m ba r l dm a k i n gm i si n f 0 册a t i o ni n t e g r a t e 、v i mr e q u i r e m e n to fm es c h e m a t i c d r a w i n g o ft h eh m b p a p e rd e s c r i b e sp r i n c i p l ea n dm e t h o do fp a r t i t i o no fh o l e s l a d d e r ；s y m b o l r e p r e s e n t a t i o no f h o i e s 1 a d d e ra i l dd e s i g i lo f h o l e s p e 怕咖a n c ep a r 锄e t e r ；p u t s f o n v a r dm a t l l e m a t i c sm o d e l ( d i r e c t i o nd i a g r 锄) ；r e l a 廿o nc o u p l i n gp r o p e n i e s ， r e l a t i o nd e c o m p o s i t i o n ，a n ds oo n 3 s t u d y i n ga n dg i v i n gm e t h o d ss o l v i n gt h ed e s i g no fh o l e s c o n n e c t i o no f m e h m b t h ed e s i g no fh o l e s c o n n e c t i o no ft h eh m b l l s e so p t i m i z a t i o nr e s u l to f m ep l 蛐i n go fh o l e s c o r m e c t i o no f l eh m b t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l to ft l l e 口l 疵n go fh o l e s c o 肌e c t i o ni sl i s to fo p t i m i z a t i o nr e l a t i o no f o n et oo n e t h e d e s i 鲫o f h o l e s c o 如e c t i o no f t h eh m b 咖d i e s s o m ei t e mo p t i i n i z a t i o ni i ll i s t i i l p a p e r i ti sd e s c 曲e dt 1 1 a tp r i n c i p l ea n dm e t h o do f 坞d e s i 印o fh 0 1 e s c o 肌e c t i o n ， r e l a t i o ni l l s t a n c e so fa l ll 【i n do f t e c m ch o l e ni se m p h 鹤i z e dt l l a th o l e s d e s i g no f m u h i l a d d e r so ft l y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，锄di ti sp u tf o ，a r dt 1 1 a tt l l e o r ym o d e l a n dd a t as 订u c n l r eo ft l l ed e s i g no fh o l e s c o 皿e c t i o n ni sa p p l i e dt 1 1 a tn e w m e m o dt o 锄a l y z er e l a t i o ni i l s t a l l c e so fa l l 虹n d0 ft e c h n i ch o l e i ti ss e tu pt l l a t m a m e m a t i c sd e s c r i p t i o nm e m o do fh o l e s d e s i g n ni si i l t r o d u c e dm a th o wt o c h o o s ed e s i g 皿v a r i a b l e s ，h o wt od e c i d eo b j e c tf t i o n ，ni s a n a l y z e dt 1 1 a t c o n s 们i nc o n d i t i o no f h o l ed e s i g n ni se m p h 鹪i z e dt l l a ti n t e l l i g e n td e s i 弘o f p a m o p t i m i z a t i o n 、i t hg a a n d i ti sp r o v i d e dt h a tn e wi d e a sa n dn e wm e t l l o df o rm e d e s i g i lo f h o l e s c o l l l l e c t i o n ni sa p p l i e dt 1 1 a ts 锄es t e p1 e n g ms e a r c ha l g o r i m m ， n es 饥l c t u r es e a r c h i n g ，a 1 1 ds of o n t l 1 1 1t 1 1 ee n d ，m ea u t l l o ra p p l i e sv i s u a lc + + 6 oa n do b j e c ta r x s d kt om a l ( et 1 1 e h m b i n t e l l i g e n td e s i 萨s y s t e m t l l i ss y s t e mh 雒b e e nl l s e di ns h a l l 曲a iv i c k e r sa 1 1 d g e t sw e l l e f 艳c t k e y w o r d ：t l l eh y d m u l i cm a n i f o i db l o c k ，也es p a c el a y o u to fm e h 【b ，龇 p l a n n i n go f h o l e s c o 衄e c t i o n ，t 1 1 ed e s i 弘o f h o l e s c o l l i l e c t i o n ，d i r e c t i o nd i a 鲫n 第一章绪论 本章分析了国内外关于液压集成块设计的研究现状，指出了目前液压集成块c a d 系统 中存在的问题和本文选题的意义确定了本文研究的主要内容和结构 随着国民经济的发展，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，若采用大量管接头和管子连接，易引起系 统故障，还会因振动和冲击引起泄漏。降低效率，并且会增大系统的体积；若采用液压集 成块，则可减少液压系统的能量损失，使系统结构紧凑，便于施工安装，符合节能、节材、 优化设计的原则。 液压集成块作用是将一个液压系统中的控制阀用“整体管路”组合起来。液压集成块 可按照液压系统的分类进行设计制造，使液压系统的液压集成块系列化、标准化“】。 液压集成块优点可概括为以下几点【2 】： 1 结构紧凑； 2 非标。可由用户自设计。灵活性大： 3 液压集成块可批量制造，效率高： 4 油路集成，便于维护。 目前，液压集成块设计仍然是被研究的重点和难点，有一些关键的问题还需要进一步 的研究。 1 1 国内外研究现状 本章列举了一些在液压集成块设计方面起到重要推动作用的研究成果，其它研究者的 成果详见参考目录。 1 1 1 国外研究现状 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 h “c l s i cm o d e l7 8 7 0 计算机。 其功能有自动设计阀块上的孔道( 包括斜孔) ，并校验孔道，所输出的阀块视图、 任意剖面图等符合d i n 标准d 】。 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“j 。 3 】9 8 3 年，英国巴斯大学在p d p i l 2 3 计算机上，研制了v o l 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通情况】。 4 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、孔表信息输出、刀具轨迹定义及n c 代码生成s ”。 5 1 9 8 9 年，德国h a r n b u 曜- h a r b u 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 j c s 造型器进行三维阀块的设计n j 。 6 1 9 9 1 年，法国g r e n o b i e 大学把a i 思想引入集成块设计中，指出液压集成块的设 计问题既是一个空间部署( s p a c j n g p j a n n i n g ) 问题，以满足液压元件安装的需要， 又是一个路线设计( r o u t f n gp m b l e m ) 问题，以设计晟佳的孔道，为此把人工智能 中的空间部署理论应用于集成块的设计中，在a p p i em a c i n t o s hi i 机上开发了一 ，1 7 b 套基于产生式规则的智能设计系统”1 1 9 9 8 年，美国s t ( n u a le n g e r i n gs e r v i c e s1 切m ) 公司利用a m o c a d 的 a r x 开发环境研制了m t o o 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 r 的a c c e 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一些不足n ”。 此外1 9 9 1 年法国的t 0 l l e n r em 和1 9 9 6 年香港理工的w 抽gp k 曾先后在国际刊 物上发表过一些与液压集成块设计相关的文章【l l ，【l ”。 1 1 2 国内研究现状 1 在钟廷修教授的领导下，从八十年代初，上海交通大学流体传动与控制教研室就 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 d3 7 0 c 、c v c 4 o 等 实用软件，这些软件已在上海液压气动总公司等十几家单位使用，最近我们又和 上海7 0 4 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 绍上海交通大学在液压集成块研究方面的成果。 a 11 9 8 5 年，张海平1 3 1 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。 m1 9 8 7 年，展建军【“进一步研究了液压插装阀的c a d 技术，并对液压插装 阀的c a m 技术也进行了研究，体现在： 1 ) 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。 2 ) 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，与生产设备直接联系。 c ) 1 9 9 1 年，许新桥“ 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。 d ) 1 9 9 6 年，黄宏成“日把孔系校验分为直孔和斜孔两种情况，直孔校验模型不 仅考虑了顶锥，对于任何两直孔都能提出安全、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，把两7 l 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。 e ) 1 9 9 6 年，马友骥【1 7 1 针对集成块的特征，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，提供了三维 的设计环境。 d1 9 9 7 年，乔进友、金忠孝在a u t u c a d1 2 o 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 8 l 。 2 g 11 9 9 9 年，金忠孝博士m 1 提出用人工智能中的多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 的完整的理论体系，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 i s a u ic + + 5 o 和o b i e c ta r xs d k 开发了多智能体液压集成块设计 系统，该系统已在上海7 0 4 所和美国v i c k e r s ( 威格士) 上海分公司投入使用， 取得了良好的效果。 团1 9 9 9 年，黄山禾”1 开发了一个交互式液压集成块二维设计环境，向设计者 提供了一个集成块的平面设计环境，用来模拟现实的平面设计，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、孔系 修改、阀块的三维造型、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：1 ) 成组孔管理模块；2 ) 液压元件的布置、编辑模块：3 ) 连通关 系的输入、编辑模块：4 ) 三维造型、三维视图模块：5 ) 孔道数据管理模块。 系统在a u t o c a d1 4 o 平台上，用s u a lc + + 5 o 和o b j e c ta r xs d x 编写。 i )目前，本文作者正在为上海c k e r s ( 威格士) 公司开发新一代以螺纹插装阀等 复杂孔系为主的液压集成块设计系统。 2 1 9 8 9 年，浙江大学流体传动和控制研究所在路甬祥教授的领导下，研制成功了插 装阀液压系统设计f p t c c a d 系统。该系统由液压系统原理图生成模块、液压系 统总装图生成模块、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 i s p 语 言对绘图软件进行二次开发采用变参数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 9 9 8 年1 2 月又推出了液压集成块c a d 软件系统( v b c a d ) ，该软件包括液压系统原理图绘制模块、液压阀块设计模块、孔系校核模 块、工程图纸输出模块等。对液压集成块设计进行了发展，使用了从二维到三维 的设计思想2 ”。 3 1 9 9 3 年，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、计算机辅助工艺规程设计子系统、计算机辅 助集成块数控编程子系统、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。在计算机辅助集成块设计 子系统中，将插装阀孔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 】。 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c a d 软件系统， - 3 5 6 7 8 该系统的特点是【“”】： 舢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。 m 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装阀块孔道a 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。 c 1 插装阀块设计中图形与数据可以自动转换。借助于a f o c a d 高级造型扩展 功能生成阀块体逼真三维图、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。 d 1 根据设计结果，绘制插装阀块零件图和装配图。 勘可输出c a d 与c a p p 接口的数据文件。 1 9 9 6 年，北京自动化研究所在3 8 6 或2 8 6 微机( 含协处理器) 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 验、阀块工程图纸生成和设计及校验结果输出等五部分组成n “。 a ) 交互式阀块设计模块，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校验程序。 b ) 孔道输入模块，用c 语言编成，输入分单孔输入和组孔输入。 c 1 孔道校验模块，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 孔) ，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，当两孔连通时，给出两孔轴心线段间的最短连线距离。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时，可以按网格逐点进行布 尔运算以求精确解。还可进行指定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。 d )阀块工程图纸生成模块，在a u t o c a d 基础上开发，可给出阀块的施工图纸， 标注全部加工尺寸。不画任何剖面和剖视图。 e ) 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，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。 1 9 9 3 年，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，判断闽块的通断情况，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、连接孔的布局工作 【2 i 】【2 9 j 。 1 9 9 6 年，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， 使连通关系包含在树结构中，提高了程序的效率d ”。 1 9 9 4 年，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。孔模型由圆柱和1 2 0 0 顶角的圆锥组 4 成，在这个数学模型中，没考虑到二通插装阀、螺纹插装阀、斜孔等异形孔，适 用的范围有限】【3 ”。 1 1 3 液压集成块智能c d 现状 液压智能c a d 的研究，较多地集中在液压系统的研究，液压集成块智能c a d 研究相 对较少。基本情况如下： 1 r c h m b o n 【3 3 1 把人工智能的思想引入液压集成块的设计，他认为液压集成块的 设计问题既是一个空间布局( s p a c e p i 柚i n 曲问题，以满足液压元件安装的需要，也 是一个路线设计( m m i n gp m b l e m ) 问题，以设计最佳的孔道。其结构如图1 一l 所 示： 图1 1r c h 帅b o n 的液压集成块智能设计方法 f i 晷l - l r c h a m b o n si c a do f t h eh m b 该系统用产生式规则表示设计知识，采用传统的人工智能体的方法，问题的求解 效率有限，在系统复杂的情况下，很难获得满意的解。 2 1 9 8 9 年浙江大学陈鹰【2 0 】。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问题，其实是一个基于规则的智能c a d 系统，受当时 条件的限制现已基本上不符合实际的使用要求。1 9 9 3 年赵长春“2 1 开发了用于 注射机液压系统阀块设计的软件c v s b s ，使用的液压元件比较简单，很难处理 复杂的液压集成块的设计，而且没有考虑到如何布置以及布置后的调整问题。 3 1 9 9 3 年大连理工大学l ，用产生式规则的方法，以b a s i c 、g c l i s p 和a u t l i s p 语 言为主要程序设计语言，采用正向推理机制，开发了一套专家系统j c k s j 。该系 统也是采用传统的人工智能的方法，很难处理复杂集成块的设计情况，而且设计 完全由计算机自动实现，问题的求解效率比较低。 4 1 9 9 6 年安徽工学院”2 1 用宏l i s p 语言设计了液压集成块孔道设计专家系统h i b d ， 该系统用状态空间表示设计问题，基于黑板结构，按“设计一评价一再设计”的 控制策略，本质上也是一个产生式专家系统。h i b d 模仿人类专家的设计思想， 按布孔的一般顺序，由二孔、三孔、四孔、五孔逐步将空间孔系布通。多孔连通 需要优化孔的面号，考虑待布孔和目标孔加深的次序以及孔道校核等问题。该系 5 一 兰= 兰堕堡一 统没有考虑孔道的布置和调整问题，设计完全由计算机自动进行，没有考虑到用 户的特殊需求。应用也受到限制。 1 1 4 总结 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 当前主要集中在液压集成块的孔道校验c a d 上。往往孔道校验都是针对相对简 单的液压元件的孔道。对于复杂的孔道( 如螺纹插装阀的多阶梯孔道) 需要校验 孔道的各个不同部分( 本文称阶梯) 的连通情况就研究的比较少。对孔道路径规 划和孔道路径设计研究得更少。 2 在液压集成块的智能c a d 研究方面，目前都是一些传统的简单的基于知识工程 的方法，如产生式规则，单一的黑板控制结构等。对于一些随机或组合问题的解 决无能为力。 3 没有考虑在液压集成块设计中空间布局的调整问题，即便考虑了，也只是采用简 单的人机交互方式，没有智能性，所以调整的时候，修改工作量巨大，一旦要设 计的液压集成块复杂，要布置的元件多，这种纯交互方式的修改会变得非常困难。 4 不能非常有效地处理斜孔的问题。 5 在设计系统时，没有考虑到孔道连通设计及液压集成块液压阀空间布局的优化问 题。 6 没有考虑一个孔在连通时的特殊情况。例如，连通设计时，有的孔必须固定在某 个位置，而有的孔则可以按需要调整。如果所有的孔一视同仁，将导致设计的结 果和实际脱节，从而失去意义。 从以上几点分析得出：液压集成块的研究目前多集中在局部功能设计或对设计结果的 后处理校验。液压集成块设计的各个部分之间是相辅相成的，单独考虑某个部分的设 计，都是不周全的。因此，液压集成块设计应该从全局考虑。 1 2本文选题意义 目前，国内外的液压集成块的c a d 技术，主要集中在两个方面：后处理校验和 自动设计( 智能设计) 。 校验是在已经有液压集成块设计草图的条件下，通过计算机来检查草图设计的对与错， 它完全不涉及到液压集成块的设计过程，也无法帮助用户如何设计，校验结果如果是错的， 那么得完全由设计者自己来修改，计算机无法修改。不能够在设计阶段解决校验问题，给 后续工怍带来不断的麻烦。 智能设计则恰恰相反，如文m l 所示，设计完全由计算机来进行，用户只能对计算机 设计的结果进行判断。我们知道，计算机只能完成一些可编程的设计工作，它依赖于精确 的数学模型和完善的算法，缺乏综合分析能力，液压集成块的设计是人的创造力与环境条 件交互作用的物化过程，是一种智能行为。在设计方案的确定、分析模型的建立、主要参 数的决策、几何结构设计、评价选优等设计环节中，有相当多的工作是不能建立起精确的 数学模型并用数值计算的方法求解的，需要设计人员发挥自己的创造性，应用多学科知识 和实践经验，分析推理、运筹决策、综合评价，才能取得合理的结果。所以完全依靠程序 进行的自动设计，效率是比较低的。 在液压集成块自动设计中，液压元件的空间布局、孔道连通规划和孔道连通设计都是 - 6 上海交通大学博士学位论文 非常棘手的问题。大多的研究者都尽量避开这些问题，所以集成块的自动设计问题大多停 留在理论结构( 专家系统、多智能体分布式设计等) 、局部功能( 校验、图纸输出等) 完善 的研究上。为什么这些问题非常棘手? 我们一直没有找到这些问题的理论模型，往往依靠 经验和大量的示例来引导设计，而这些方法在复杂的自动设计时显得无能为力。 对这些问题的理论和方法的研究为液压集成块复杂孔道设计提供理论依据；为人们进 行液压集成块复杂孔系设计提供参考和帮助；随着这些研究的深入，相信有一天液压集成 块设计将变得越来越容易。 1 3 本文研究内容 本文深入地研究了液压集成块空间布局、孔道连通规划和孔道连通设计问题。详细分 析了问题的理论模型建立方法，提出了用遗传算法解决设计中的自动推理问题，并取得了 满意的效果，在实践中得到了认证。 为了实现这种智能策略，本文采用演化设计、传统的基于规则的人机交互、问题状态 空间法以及问题归约法等，把液压集成块设计的主要过程有机地联系起来，解决了液压集 成块设计中的关键问题。具体地说，本文主要研究以下三个问题： 1 液压集成块空间布局 液压集成块空间布局是液压集成块设计过程的第一步，目前这一步可以说完全是 由人工来完成的。同时空间布局是在一个三维的空间里进行的，既要考虑到连通的难 易性、可靠性，又要考虑到液压集成块的安装情况，所以在空间布局的时候，要求设 计者在三维空间做各种各样的计算。如连通区域的大小，是否薄壁，连通是否充分等。 尤其在布置的液压元件比较多的情况下，很容易出错。从这个意义上讲，液压集成块 空间布局决定了整个液压集成块的设计能否成功，如果液压集成块设计失败，首先要 考虑的因素是调整液压元件的空间布局，开局的好坏对于液压集成块整体设计起到至 关重要的地位。所以空间布局得好，也就成功了一半。 本文研究了一种基于遗传算法的智能空间布局策略，液压集成块设计者只要设定 液压元件布置时的一些初始条件及约束，程序就能自动调整布置孔的位置，使它们处 于最佳的连通位置。如果遗传算法失效，可以使用传统的基于规则的入机交互方式， 来弥补遗传算法的不足。 2 孔道连通规划 原理图中复杂的液压元件和液压元件之间的关系和液压集成块空间布局的结果结 合在一起形成位置连通关系。孔道连通规划目的是分解位置连通关系成为一对一的孔 道连通优化列表，为孔道连通设计提供优化参数。因此，孔道连通规划在液压集成块 空间布局和孔道连通设计之间起到呈上起下的作用。孔道连通规划收集液压集成块空 间布局的有关信息和液压集成块原理图的要求结合在一起，形成孔道优化的基本内容。 本文对孔道连通规划进行了深入研究，提出了孔道连通规划的数学模型有向 图；研究了孔道连通规划的优化方法和步骤：首次把孔道连通规划同连通关系联系起 来，探讨了液压元件的耦合程度问题，为孔道连通规划的修改提供了评价参数。 3 孔道连通设计 在孔道连通规划结果优化成一对一孔道连通列表的条件下，孔道连通设计把对 一孔道连通起来。孔道连通的时候，要以原理图为依据连通应该连通的孔道，同时还 要考虑连通优化问题t 例如什么样的孔道最好直接连通，什么样的孔道可以用工艺孔 7 兰二童堡笙 来连通等；什么孔道应先连通，什么孔道可以后连通等。连通的优先级别在分解连通 关系时得以确定。这些问题，在国内外的液压集成块设计软件中几乎没有全面考虑到。 本文首次研究了孔道连通设计的理论模型和数据结构，该理论模型经过理论和实 际的分析和验证，完全符合实际的情况；研究了遗传算法在孔道连通设计中的应用， 实现了两孔道连通优化问题。获得了满意的结果。 尽管智能设计是研究者们不断追求的目标但在设计中基于规则的人机交互是不可避 免的。因此，基于规则的人机交互也是液压集成块设计的重要的组成部分。 1 4本文结构 全文结构如图1 2 所示。 图1 2 全文结构图 f i g 1 - 2 t h e p a p e r ，ss t n i c t u r e 第一章绪论。本章介绍了液压集成块c a d 的研究现状，指出了目前液压集成块c a d 系统中存在的问题。以及这些问题的解决对液压集成块设计人员、液压工业带来的益处， 提出了本文研究的意义、主要内容和创新之处。 第二章液压集成块设计的智能理论基础。本章通过对现阶段人工智能理论方面的研究 介绍了智能理论在液压集成块设计中的应用，特别详细阐述了演化计算的核心思想和广阔 的应用前景。介绍了传统智能理论在液压集成块设计的具体应用。 第三章液压集成块空间布局。本章讲解了液压集成块空间布局中所涉及到的优化策略， 以及空间布局的原则和方法。采用演化推理的新思路和新方法进行了研究并取得了满意的 结果，并对液压集成块三维实体参数化造型方法进行了详细的阐述。 第四章液压集成块孔道连通规划。本章讲解了液压集成块孔道连通规划中所涉及到的 理论和方法。详细阐述了孔道连通规划优化的核心问题、解决方法以及所包含的策略。 8 圭塑奎望盔堂堡圭堂堡丝皇一 第五章液压集成块孔道连通设计。本章详细讲解了液压集成块孔道连通设计中所涉及 到的理论模型及数据结构，优化数学模型和一些优化算法。首次提出了孔道连通设计中在 一定条件下搜索解的方法，以及结构的简化和实现。 第六章原形系统开发。本章详细讲解了液压集成块设计软件的设计开发方法和实现。 第七章总结与展望。本章为全文的总结。 9 第二章液压集成块设计的智能理论基础 本章介绍了液压集成块设计中所涉及到的智能理论，详细阐述了遗传算法的核心思想 和广阔的应用前景，以及基于规则的产生式系统，状态空间法、问题归约法等问题求解方 法 2 - 1智能理论的研究现状驾1 人工智能的发展过程表明：人工智能是有史以来最艰难的科学之一。进入8 0 年代以来， 一方面在知识表示、常识推理、机器学习、分布式人工智能以及智能机器体系结构等基础 研究方面取得了令人鼓舞的进展，联结主义在人工神经网络研究方面也取得了可喜的成果： 另一方面，人工智能也受到了来自日本第五代计算机研制未能达到预期目标的冲击。这表 明传统人工智能所依赖的理论和方法还不能满足人们的期望。这一严酷的事实不得不引起 人工智能学术界的注意。于是，人们又重新考虑人工智能研究所遵循的原则，对人工智能 的基础进行反思。 在实际智能系统的研制过程中，人们经过对传统人工智能的反思，认识到智能系统的 研究应该走综合集成的道路。综合集成观点认为，智能系统是一个具有社会性的人与机器 亲密合作的巨型系统。某些智能系统研究不成功的原因是它所包含的常识知识太少，系统 处理知识的能力又太弱。因此智能系统的研制从方法论、基础理论到实现技术均产生了深 刻的变化。系统的知识数量再也不是1 0 5 数量级，而是以1 0 7 1 0 。为目标；系统的设计方 式及系统体系，再也不是“自力”型的孤立系统，而是社会型的分布系统；系统的维护上 再不遵守智能系统的一致性假设，而是强调解决矛盾的能力；研制所追求的目标，再不强 调系统的自主性，而是强调人的作用。 综合集