（机械电子工程专业论文）气动系统计算机辅助设计的技术研究.pdf

硕士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 a b s t r a c t d e s i g no fa l l k i n d so fp n e u m a t i cs y s t e mi sb e c o m i n gc o n s t a n tm i s s i o nf a c e db y d e s i g n e ro fp r o d u c t i o ni n s t r u m e n t 。i ti sv e r yi m p o r t a n tt o r e s e a r c ha n dd e v e l o pv e r y e f f i c i e n ta n d a p p l i c a b l ec o m p u t e r a i d e dd e s i g ns o f t w a r ef o rd e s i g n e r o f p n e u m a t i cs y s t e m t oi m p r o v et h el e v e la n de f f i c i e n c yo f p n e u m a t i c s y s t e md e s i g n a f t e rt h ea n a l y s i so ff u n c t i o nr e q u i r e m e n to fc u r r e n tp n e u m a t i cs y s t e md e s i g na n d t r a i to f c u r r e n t2 dc a ds o f t w a r eo f p n e u m a t i c s y s t e m ，t h i sp a p e rf i n i s h e dt h r e ea s p e c to f r e s e a r c h ( 1 ) p n e u m a t i cs y s t e mc a ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o nt h a ti s v e r ya p p l i c a b l et o t h e c u r r e n ta n df u t u r ed e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n t 2 ds c h e m a t i cd i a g r a md e s i g ni si n t e g r a t e d w i t hc i r c u i ta n a l y s i sb yt h ec o n f i g u r a t i o n c o m p o n e n tm o u l d i n g 、衍t l l3 d p a r a m e t r i z a t i o n c o r n p o n e n tl i b r a r y , c a ds o l , w a r ew i t hd a t a b a s e ，a n di t i s a p p l i c a b l et od e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n to f r a p i dd e s i g no f 2 d s c h e m a t i cd i a g r a ma n dv i r t u a ld e s i g no f 3 d p n e u m a t i c s y s t e ms t r u c t u r e ( 2 ) s e v e r a l i t e mo fk e y t e c h n o l o g y a b o u t p n e u m a t i cs y s t e m c a ds o f t w a r e ： c o m p o s i n g o fp n e u m a t i c c o m p o n e n tp a r a m e t e r d a t a b a s ea n d p a r a m e t r i z a t i o n 3 d g e o m e t r ym o u l d i n gt e c h n o l o g y ；2 dd e s i g nt e c h n o l o g yo fp n e u m a t i cs c h e m a t i cd i a g r a m a n dc i r c u i t a n a l y s i st e c h n o l o g y ；3 d v i r t u a l d e s i g n a n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g y o f p n e u m a t i cs y s t e m d e s i g ne f f i c i e n c yi si m p r o v e dp r o m i n e n t l y , a n dt h e s et e c h n o r o g i e s a d a p t e dt od e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to f3 d d e s i g nr e d u c ed e s i g nm i s p l a y , s h o r t e ns y s t e m d e v e l o p m e n tc y c l e ( 3 ) ap r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e d ，a n dap n e u m a t i cs y s t e mc a ds o f h v a r e a r c h i t e c t u r et h a ti sa p p l i c a b l et o3 dv i r t u a ld e s i g ni sc o n s t r u c t e d b y t h e p r o t o t y p es y s t e m i ti si n d i c t e dt h r o u g hs y s t e mr u n n i n gt h a tt h e s et e c h n o l o g i e sa r ev e r ye f f i c i e n ta n d p r a c t i c a l ，a n do f f e rt e c h n i c a lr e f e r e n c ef o rt h ec o n s u m m a t i o no f p n e u m a t i cs y s t e mc a d t e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to f c o m m e r c i a lp n e u m a t i c s y s t e m c a ds o f t w a r e k e y w o r d s ：p n e u m a t i c s y s t e m ；c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ；p a r a m e t r i z a t i o n d e s i g n ； p n e u m a t i cs c h e m a t i c d i a g r a m ；s i m u l a t i o n i j 里主垒兰墨垫至堡生苎垫塑墅垒笪塑塑查堡壅 1 绪论 1 。1 课题研究背景 1 1 1 气动技术的发展及气动系统设计技术 气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程 自动化的门技术，它是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。 人类以空气作为传递能量的工作介质，可以追溯到几千年的历史。但现代气动 技术狙1 业生产中的实际应用，却是最近几十年的事。5 0 年代末，出现了射流逻辑 ，c 什。随后出现了各种可动的气动逻辑元件，开始把数字技术和逻辑代数等控制引 进7i 动领域。这刊赋予了气动技术以新的内容，使气动技术具有传动和控制两方面 的综合含义，从而促进了气动技术的迅猛发展，以适应工业生产中日益增长的需要 川。 气压传动的动力介质来自于自然界取之不尽的空气，环境污染小，工程实现容 易，所以气压传动是一种易于推广普及的工业自动化应用技术i 】。近年来，随着自 动化生产的普及程度日渐提高，气动元件的应用范围已由早期只局限于般基础工 业扩展到其它许多产业项目如：机械、化工、电子、纺织、包装、印刷、轻工、汽 车等制造行业，尤其在各种自动化生产装各和生产线中得到了广泛的应用，极大的 提高了制造业的生产效率和产品质量。气动技术已经引起了世界各国产业界的普遍 重视。气动行业已经成为工业国家发展速度最快的行业之一【2 】。 随着气动技术的飞速发展，气动元件产品的种类越来越多，型号和项目也随之 不断的增加，功能也越来越全仅s m c 气动产品便具有超过8 0 0 0 种基本元件、 4 7 0 ，0 0 0 种类别口剐。如此丰富的气动元件种类以及千变万化的市场需求，对气动系 统设计人员提出了新的挑战。如何能够更快速、更有效、更精确的完成气动系统的 设计，如何从众多的气动元件产品型号中选择最合适的气动元件，如何对设计好的 系统进行位置、运动、干涉检验，就成了个迫切需要解决的关键技术问题 5 1 。 目前设计人员在画液压、气动系统原理图时，大部分都采用二维的c a d 软件【6 1 如：a u t o c a d ，s o l i d e d g e 及s o l i d w o r k s 的二维草图功能等，这些软件大多只提供了 一些通用的绘图功能，这就使得设计人员必须重复的绘制些气缸、阀、仪表等元 件符号。另外还有一些典型控制回路如：卸荷回路、增压回路等，这些回路在不同 里主垒兰墨垫至堡生苎垫塑墅垒笪塑塑查堡壅 1 绪论 1 。1 课题研究背景 1 1 1 气动技术的发展及气动系统设计技术 气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程 自动化的门技术，它是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。 人类以空气作为传递能量的工作介质，可以追溯到几千年的历史。但现代气动 技术狙1 业生产中的实际应用，却是最近几十年的事。5 0 年代末，出现了射流逻辑 ，c 什。随后出现了各种可动的气动逻辑元件，开始把数字技术和逻辑代数等控制引 进7i 动领域。这刊赋予了气动技术以新的内容，使气动技术具有传动和控制两方面 的综合含义，从而促进了气动技术的迅猛发展，以适应工业生产中日益增长的需要 川。 气压传动的动力介质来自于自然界取之不尽的空气，环境污染小，工程实现容 易，所以气压传动是一种易于推广普及的工业自动化应用技术i 】。近年来，随着自 动化生产的普及程度日渐提高，气动元件的应用范围已由早期只局限于般基础工 业扩展到其它许多产业项目如：机械、化工、电子、纺织、包装、印刷、轻工、汽 车等制造行业，尤其在各种自动化生产装各和生产线中得到了广泛的应用，极大的 提高了制造业的生产效率和产品质量。气动技术已经引起了世界各国产业界的普遍 重视。气动行业已经成为工业国家发展速度最快的行业之一【2 】。 随着气动技术的飞速发展，气动元件产品的种类越来越多，型号和项目也随之 不断的增加，功能也越来越全仅s m c 气动产品便具有超过8 0 0 0 种基本元件、 4 7 0 ，0 0 0 种类别口剐。如此丰富的气动元件种类以及千变万化的市场需求，对气动系 统设计人员提出了新的挑战。如何能够更快速、更有效、更精确的完成气动系统的 设计，如何从众多的气动元件产品型号中选择最合适的气动元件，如何对设计好的 系统进行位置、运动、干涉检验，就成了个迫切需要解决的关键技术问题 5 1 。 目前设计人员在画液压、气动系统原理图时，大部分都采用二维的c a d 软件【6 1 如：a u t o c a d ，s o l i d e d g e 及s o l i d w o r k s 的二维草图功能等，这些软件大多只提供了 一些通用的绘图功能，这就使得设计人员必须重复的绘制些气缸、阀、仪表等元 件符号。另外还有一些典型控制回路如：卸荷回路、增压回路等，这些回路在不同 硕士论文气动系统计算机辅助设计的技巷髟! 壅 的气动系统里实现的功能大致相同，所以这些典型回路的原理图也大致相同。而一 般的气动控制系统会重复使用多个这样的典型回路，如果让用户逐一重复绘制这些 回路的话，这就会带来了一种浪费。 现代计算机辅助技术的迅猛发展为人们在各行各业更有效、更精确地进行产品 设计、生产经营管理提供了良好的条件。同样在气动技术领域里面也不例外u j 。我 - f f j 可以提供一种气动系统计算机辅助设计工具，它将气缸、阀等各种气动元件的符 号存储起来形成元件符号库，把各种气动控制典型回路存储起来形成回路库m j 。这 样，当用户绘制原理图，可以直接从元件符号库中选择需要的元件符号，而不需要 重复绘制这些符号；当用户绘制典型回路时，只需从回路库中选择已有回路，然后 作少量修改甚至不作修改，就可以完成回路的绘制。 同时气动系统计算机辅助设计并不仅仅满足于原理图的绘制，它还要实现原理 图自动识别，回路缺陷分析，系统参数的设计计算，气动元件的选型以及气动系统 装配的三维仿真等技术【9 ，】0 】。同时由于元件的设计和选型需要随时调用或查看相关 产品的技术参数和尺寸，这就需要一个气动元件数据库，由此就引出了气动元件参 数化数据库的研究j 。 系统参数的设计计算也就是对气压传动系统的设计计算，往往从解决它的控制 方案丌始，确立系统采用何种气动回路，采用何种控制方式，系统的工作节拍怎样。 这些设计中往往是根据用户和设备功能的实际要求来确定的，因此控制方案的确定 往往带有特殊性。在气压动力学问题中研究的往往是一个个完成某一具体功能的子 回路。无论是使执行元件在预定的时间内完成预定运动规律的动作，还是使执行元 件以规定的速度规律运行完指定的行程，都需要通过综合计算选择执行元件和管道 系统的参数，然后从元件的产品样本中选择整个系统的元件。这一过程是任何气压 传动系统设计都不可回避的，通过计算机辅助技术来帮助设计人员简化这一个过程 是具有很大的现实意义的。 另外气压传动系统的有效应用，在很大程度上依赖于利用一套好的综合分析的 计算方法，即正确的选择传动系统参数以满足预定的动态特性要求。如果没有一套 适于工程设计使用的、好的计算方法，工程师在设计时只能依赖主观的想法和经验。 为了保证要求的快速性，避免动作时间过长，在选择气缸直径和管道系统的元件尺 寸时，往往宁愿留有较大裕量，致使系统和整个机器尺寸过大，增大了体积和重量， 不但使制造成本增大，而且会使机器在整个使用寿命期间的耗气量增大，造成能源 的浪费，使机器运行费用增加。气动系统计算机辅助设计的任务之一就是要建立一 套好的计算和设计方法，以便利用这套计算和设计方法研制出新的、高性能的机器 传动系统和控制系统【l ”。 硕士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 1 1 2 气动系统计算机辅助设计的研究现状 计算机辅助设计( c a d ) 近2 0 年来得到飞速发展，c a d 技术大大地提高了计 算及绘图效率。在绘图方面，从系统图、装配图到整个外貌图都可以用计算机软件 绘出。对系统设计来说，除能方便地根据设计要求绘出系统图外，还能演示系统在 各种不同参数输入时输出的动态特性，检查各种控制策略的效果，以便选择合理的 系统参数。 在流体动力领域中，计算机辅助设计得到广泛地应用，从元件选型、动态特性 仿真到系统设计，计算机辅助设计都扮演了举足轻重的角色。 在国外，流体动力领域中应用比较多的有以下几类软件： ( 1 ) 产品电子样本各生产商为向用户推广产品及方便用户对产品的使用和维 护而丌发制作，是制造商市场推广活动的一部分。通常软件中包含有大量的可以是 多媒体形式的产品信息，如图片介绍、原理讲解、安装及使用维护说明、订货信息 等。这类软件一般都由生产商免费发放或由用户在因特网中下载。不少软件同其产 品一样，有自己的特色或是独有功能。如s m c 的产品样本手册派克汉尼汾公 司的管件电子样本带有屏幕传真功能，而英德诺曼公司出品的过滤器电子样 本可以在不同测试参数下对过滤器的工作过程进行模拟演示。 ( 2 ) 元件设计与选型软件此类软件的种类很多，应用也十分广泛，主要供专 业人员和技术人员对某种元件或产品进行设计与选型。不少软件是流体产品生产商 自行丌发和研制的，针对性强，因而呈现出不同的设计风格。软件涉及到的元件类 型有执行器、蓄能器、插装阀、过滤器、空气压缩机、真空元件、油路块、管件、 逻辑气动件、密封件、行走设备液压件、软管、气泵、流体电控元件等。 ( 3 ) c a d 平台软件 是针对a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 等通用c a d 软件进行开发的软件，主要用于二维图形绘制，以便于专业设计人员在c a d 软件 上进行图形数据的进一步处理或是不同专业设计图的整合以及较大型工程项目的设 计管理与协调。相比c a d 软件而言，这类软件在某些专业的图形绘制方面操作更 简单、绘图效率更高，因而对c a d 软件在应用和功能方面是一个有益的补充；另 一方面，为了充分利用通用a u t o c a d 软件内含的强大功能和资源，某些软件还保 留了a u t o c a d 的命令条，设计者不用退出平台软件即可利用a u t o c a d 软件进行设 计，或者采用链接机制将平台软件的本地文件和a u t o c a d 的真版d w g 文件进行链 接，使设计者对a u t o c a d 设计数据所作的任何改动都能够自动进入平台软件的场 景，而且在乎台软件上开发的某些独特功能也能在a u t o c a d 中得以应用和延伸， 借助于这种方式，所有的图形对象都只需绘制一次。具体的软件种类方面，系统设 硕士论文 气动系统计算机辅助设计的技术研究 计和元件设计类软件都有，尤其是各种执行器、阀类、油路块、管件、元件图形符 号、气动系统设计等方面的软件。如p n e u m a t i cc i r c u i td e s i g n ( 气动回路设计) 、 c a d s y m ( c a d 流体符号大全) 、h y d r a u s o f t ( l 例伺服模拟) 等等。 ( 4 ) 建模、仿真软件建模、仿真软件作为计算机辅助设计中预测、评估系统 性能的重要手段，一直受到各国研究者的青睐。基于不同理论、建立在不同方法之 上、应用于不同领域的仿真软件层出不穷，令人眼花缭乱。 从通用性来看，仿真软件可分为通用仿真软件和专用仿真软件两大类。前者可 适用于各个领域，提供通用的建模方法和通用的仿真算法，用户使用时，必须将本 专业中的实际模型转化为软件要求的形式。它们的特点是通用性强，可用于大型的、 复杂的系统仿真。这类软件中杰出的代表有m a t l a b 中的仿真工具箱s i m u l i n k 、v i s u a l s o l u t i o n s 公司推出的v i s s i m 以及荷兰t w e n t e 工业大学推出的2 0 一s i r e 等。专门用于 液j 氏t 动领域的仿真软件中最著名的代表是德国亚琛工业大学推出的d s h ( d i g i t a l s i m u l a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m ) 软件和同本的b g s p ( b o n dg r a p hs i m u l a t i o n p r o g r a m ) 软件【1 2 】。 从建模理论和方法来分，在液压气动领域中常用的有面向结构简图、方块图、 键合图以及直接面向系统原理图的仿真。特别值得提的是基于键合图的仿真方法 和软件在液压、气动领域中应用，为流体动力系统的仿真找到了理想的工具。应用 键合图理论的仿真软件中，著名的有2 0 一s i r e ，e a s s y 5 等等。 在国内，液压气动行业在计算机辅助设计方面起步比较晚，自主开发的c a d 软件比较单，推广应用不是很广。但是，近l o 几年来，国内在引进、消化吸收国 外优秀软件的过程中，特别是在液压领域也做了许多工作。 浙江大学流体传动及控制研究室在8 0 年代从德国引进了d s h 软件，他们在软 件的本地化、改进算法以及软件的推广使用方面做了大量的工作，发表了一系列的 论文。西安二炮工程学院的高钦和研究了d s h 仿真模型的计算机生成问题。利用 a u t o c a d 图形功能建立d s h 构件图形库，以图形库为基础，在a u t o c a d 下实现待 仿真液压系统原理图的生成。大连理工大学的刘能宏、田树军等人在借鉴键合图建 模仿真软件的基础上，自主开发了通用的键合图仿真软件s 1 m - i ，并在此基础上就 液压领域的许多实际问题做了研究，发表了许多研究论文。 利用计算机辅助来设计气压传动系统是最近几年才开始研究的。随着信息技术 的飞速发展，计算机技术已广泛应用于气动元件和系统的设计、制造、试验、管理 以及营销等各个环节，即气动c a d ，c a m c a p p 。高速发展的自动化技术不仅促进 了气动技术的不断发展，也促进了计算机技术在气动行业中的应用与日俱增。计算 机技术在世界各国的气动行业得到了普及和广泛应用。美、德、日等国气动工业， 广泛的应用c a d 、c a m 等计算机技术，并不断地根据企业产品、生产和经营的实 4 堡主堕苎皇垫墨竺盐笺塑塑壁堡生塑垫查型窒 一 际，开发自己的专用软件，大大的缩短了产品的设计和制造周期，扩大了信息流通， 加强了经营管理，基本上实现了人、财物和产、供、销的有机结合，取得了很好的 经济效益。如世界上著名的几家气动公司，日本的s m c 公司、德国的f e s t o 公司、 英国的诺冠公司等，他们在不断推出高性能的气动元件同时，也认识到教会用户正 确设计气动回路，合理选择产品型号是竞争的重要策略。从用户角度来看，他们也 迫切需要一种工具软件能够根据自己的使用要求，自动为用户制定系统集成方案， 自动为用户选出所需的气动元件。基于这种供求双方的需要，各大公司都组织力量， 投入人力、物力研究开发气压传动系统计算机辅助设计软件。虽然目前仍没有十分 完善的软件推出，但各公司都基本上构造了自己软件的总体框架，并在某些功能上 已经可以实用化了。 同本s m c 公司开发的m o d e lc h o i c e 软件可以根据用户提出的气缸的行程、全 行程时间等基本设计条件，自动计算选出气缸、调速阀、换向阀、管接头等气动元 件，还能仿真系统的动态性能，其内嵌的s m c 气动元件样本数据库已经包括了公 司大部分的气动产品。f e s t o 公司开发的f u l i d s i m p 软件，可以根据内嵌的气动图 形符号，连成气动系统原理图，并对构造的系统动作进行仿真，f u l i d s i m p 在演示 回路控制效果时的可视化也是很成功的。德国曼内斯曼力士乐气动公司开发的气动 回路图的计算机辅助模拟软件，充分考虑了影响气动系统性能的影响因素，如元件 的流量特性，阀的启闭时间，摩擦力的影响，负载特性等。另外它还内嵌了一个曼 内斯曼力士乐气动公司的气动元件数据库。借助于这套模拟程序，可以在设计阶段 即可对系统的可行性和经济性得出结论。因此，可以明显地减少费时费力和费用昂 贵的试验。诺冠公司则在气压传动系统和p l c 的控制模拟与应用方面走在了前列 【i2 1 。 国内目前在气压传动系统的计算机辅助设计方面的研究十分有限。如洛阳工学 院韩建海等人在国家自然科学基金资助项目“气动程控回路的计算机辅助设计”的 研究中，以状态式逻辑设计法为基础，实现气动程控回路的计算机辅助设计。哈工 大气动技术中心在气动系统的仿真软件开发方面做了一系列研究工作。他们将键合 图理论引入到气动系统的建模与仿真中，采用双通道伪键合图技术，建立气动系统 的模型。采用最新的计算机技术，开发了w i n d o w s 环境下，面向气动原理图的仿真 软件p n e u s i m 。 随着气动技术的迅速发展，要求气动系统设计人员能够更快速、更高效地设计 出高质量的气动系统。这就需要气动系统c a d 软件能够提供原理图回路智能分析、 气动系统设计选型及优化、三维参数化元件数据库、三维虚拟设计及仿真等计算机 辅助设计功能。其中回路智能分析功能，能让设计人员更方便的设计出正确的原理 图；设计选型及优化功能，能使设计人员设计出更高质量的气动系统；三维虚拟设 婴主堡兰皇垫墨篓盐蔓垫塑些垦生塑垫查里壅一 计及仿真能在设计早期进行装配、运动、干涉等检验，及早发现设计缺陷。 完成这些功能，具有以下这些意义： ( 1 ) 将会使气动系统设计者从繁重的手工设计、选型、绘图的重复劳动中解放 出来，缩短设计的工期，同时节约了大量的试验和测试费用。 ( 2 ) 对于气动厂商来说，无疑也是一个福音，他们不仅能为用户提供气动元件， 还能为用户提供系统集成方案，提高用户的信任度，从而增强了竞争的实力。 ( 3 ) 采用计算机辅助设计，可以使设计的方案更加优化，选用尺寸较小的元件， 减少空气的消耗，从而减少能源的浪费。 ( 4 ) 采用三维虚拟设计及仿真可以在设计早期发现一些设计上的缺陷，如：位 置干涉等。 我国为更好地满足国民经济各工业部门发展的配套需要，缩短与世界工业先进 国家的差距，必须首先加大气动产品的开发力度，提高产品水平，为此气动c a d ， c a m 等计算机技术的实际应用具有重要作用。气压传动领域的计算机辅助设计研 究正成为气动领域研究的前沿热门课题之一，其实际应用价值很大。然而国内在这 一领域的研究还有许多空白，距国外的研究还有相当大的差距。而本文正是针对这 些差距和不足而展开工作的。 1 2 本课题主要研究内容 本论文的研究目标是进行气动系统计算机辅助设计的若干关键技术研究。其中 包括气动元件参数化数据库，气动系统原理图绘制，气压传动系统优化设计，气动 元件的选型，气动系统三维虚拟设计及仿真等技术研究。为以后的气动系统计算机 辅助设计软件的开发打下了基础。 总的说来，本论文包含以下具体研究内容； ( 1 ) 气动元件参数化数据库的设计 本气动元件数据库主要涵盖了日本s m c 公司的8 0 0 0 多种基本元件，4 7 0 0 0 0 种 项别的气动元件。其中不仅包括了气动元件的各种参数，而且还包括了二维工程图、 三维造型、三维元件仿真动画等文件。其中三维造型实现了元件参数化技术。 ( 2 ) 气动系统原理图设计环境的开发 原理图设计环境主要实现了标准的w i n d o w s 原理图编辑环境，其中包括元件符 号库、回路库等技术。另外还实现了多标准的元件符号。 ( 3 ) 气压动力系统设计及三维虚拟设计的技术研究 气压动力系统设计的主要研究对象是气动回路。其中包括回路缺陷的智能分析， 气动回路主参数的设计计算，以及回路元件的型号选型。最后进行气动系统的三维 婴主堡兰皇垫墨篓盐蔓垫塑些垦生塑垫查里壅一 计及仿真能在设计早期进行装配、运动、干涉等检验，及早发现设计缺陷。 完成这些功能，具有以下这些意义： ( 1 ) 将会使气动系统设计者从繁重的手工设计、选型、绘图的重复劳动中解放 出来，缩短设计的工期，同时节约了大量的试验和测试费用。 ( 2 ) 对于气动厂商来说，无疑也是一个福音，他们不仅能为用户提供气动元件， 还能为用户提供系统集成方案，提高用户的信任度，从而增强了竞争的实力。 ( 3 ) 采用计算机辅助设计，可以使设计的方案更加优化，选用尺寸较小的元件， 减少空气的消耗，从而减少能源的浪费。 ( 4 ) 采用三维虚拟设计及仿真可以在设计早期发现一些设计上的缺陷，如：位 置干涉等。 我国为更好地满足国民经济各工业部门发展的配套需要，缩短与世界工业先进 国家的差距，必须首先加大气动产品的开发力度，提高产品水平，为此气动c a d ， c a m 等计算机技术的实际应用具有重要作用。气压传动领域的计算机辅助设计研 究正成为气动领域研究的前沿热门课题之一，其实际应用价值很大。然而国内在这 一领域的研究还有许多空白，距国外的研究还有相当大的差距。而本文正是针对这 些差距和不足而展开工作的。 1 2 本课题主要研究内容 本论文的研究目标是进行气动系统计算机辅助设计的若干关键技术研究。其中 包括气动元件参数化数据库，气动系统原理图绘制，气压传动系统优化设计，气动 元件的选型，气动系统三维虚拟设计及仿真等技术研究。为以后的气动系统计算机 辅助设计软件的开发打下了基础。 总的说来，本论文包含以下具体研究内容； ( 1 ) 气动元件参数化数据库的设计 本气动元件数据库主要涵盖了日本s m c 公司的8 0 0 0 多种基本元件，4 7 0 0 0 0 种 项别的气动元件。其中不仅包括了气动元件的各种参数，而且还包括了二维工程图、 三维造型、三维元件仿真动画等文件。其中三维造型实现了元件参数化技术。 ( 2 ) 气动系统原理图设计环境的开发 原理图设计环境主要实现了标准的w i n d o w s 原理图编辑环境，其中包括元件符 号库、回路库等技术。另外还实现了多标准的元件符号。 ( 3 ) 气压动力系统设计及三维虚拟设计的技术研究 气压动力系统设计的主要研究对象是气动回路。其中包括回路缺陷的智能分析， 气动回路主参数的设计计算，以及回路元件的型号选型。最后进行气动系统的三维 顾士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 虚拟设计及仿真，对气动系统中各元件的位置、运动、干涉进行检验。 7 硕士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 2 气动系统c a d 软件的功能分析及体系结构设计 2 1 系统的功能需求分析 本课题研究的目的是为广大的气动系统工作者提供一个集气动元件参数化数据 库、气动系统原理图绘制、气压传动系统优化设计、气动元件选型、系统三维虚拟 及仿真为一体的气动系统计算机辅助工具。 用户要进行气动系统设计，首先是气动系统原理图的绘制，为了避免设计人员 重复绘制元件符号和典型回路，原理图绘制模块实现了元件符号库技术和典型回路 库技术。这样用户可以方便的从元件符号库中选择元件然后拖动至图形绘制区，或 者从典型回路库中选择回路拖动至原理图中。另外设计人员可以方便的在元件符号 之间连线，连线类型由系统识别无需用户输入。用户还可以方便的进行元件的移动、 修改、删除、旋转、放大、缩小等常规的w i n d o w s 编辑操作。 在绘制好原理图之后，用户就可以开始原理图识别以及回路缺陷分析。系统可 以从一系列元件符号和连线中识别出各种回路，然后自动创建一系列的回路信息。 对识别出来的回路系统将作更进一步回路缺陷分析，以提示用户进行回路错误的修 改。 随后用户开始气动系统的设计，设计人员只需要输入一些基本的设计要求如： 行程、负载等，然后由系统自动通过一定的算法计算出该气动系统的主参数以及其 它相关参数。在元件型号选型时，系统将可以有两种选型途径，第一是自动选型系 统将按照一些默认要求，自动查询气动元件数据库，完成选型。第二是用户可以输 入一些特殊选型要求，然后完成精确的元件选型。两种方法虽然途径不同但基本的 选型原理相同。 无论是自动选型还是手动选型都需要一个气动元件产品数据库，它必需尽可能 多的涵盖各种类型的气动元件型号。数据库里面的元件信息必需尽可能的完全，信 息种类必需包括：元件及各零件的参数、二维工程图、元件三维造型、三维仿真动 画等。由于同一系列各型号之间的差异很小，往往是只是行程和缸径的数值变化， 所以元件三维造型可以实现参数化。 气动系统设计的最后一步是三维虚拟设计及仿真，通过三维虚拟设计，可以在 计算机中构造出目标系统的三维模型，然后进行三维仿真，对系统的位置、运动、 干涉等进行检验，可以在设计早期发现系统中的设计缺陷。三维虚拟设计及仿真主 要是由用户在s o l i d w o r k s 软件环境里面进行。 硕士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 2 气动系统c a d 软件的功能分析及体系结构设计 2 1 系统的功能需求分析 本课题研究的目的是为广大的气动系统工作者提供一个集气动元件参数化数据 库、气动系统原理图绘制、气压传动系统优化设计、气动元件选型、系统三维虚拟 及仿真为一体的气动系统计算机辅助工具。 用户要进行气动系统设计，首先是气动系统原理图的绘制，为了避免设计人员 重复绘制元件符号和典型回路，原理图绘制模块实现了元件符号库技术和典型回路 库技术。这样用户可以方便的从元件符号库中选择元件然后拖动至图形绘制区，或 者从典型回路库中选择回路拖动至原理图中。另外设计人员可以方便的在元件符号 之间连线，连线类型由系统识别无需用户输入。用户还可以方便的进行元件的移动、 修改、删除、旋转、放大、缩小等常规的w i n d o w s 编辑操作。 在绘制好原理图之后，用户就可以开始原理图识别以及回路缺陷分析。系统可 以从一系列元件符号和连线中识别出各种回路，然后自动创建一系列的回路信息。 对识别出来的回路系统将作更进一步回路缺陷分析，以提示用户进行回路错误的修 改。 随后用户开始气动系统的设计，设计人员只需要输入一些基本的设计要求如： 行程、负载等，然后由系统自动通过一定的算法计算出该气动系统的主参数以及其 它相关参数。在元件型号选型时，系统将可以有两种选型途径，第一是自动选型系 统将按照一些默认要求，自动查询气动元件数据库，完成选型。第二是用户可以输 入一些特殊选型要求，然后完成精确的元件选型。两种方法虽然途径不同但基本的 选型原理相同。 无论是自动选型还是手动选型都需要一个气动元件产品数据库，它必需尽可能 多的涵盖各种类型的气动元件型号。数据库里面的元件信息必需尽可能的完全，信 息种类必需包括：元件及各零件的参数、二维工程图、元件三维造型、三维仿真动 画等。由于同一系列各型号之间的差异很小，往往是只是行程和缸径的数值变化， 所以元件三维造型可以实现参数化。 气动系统设计的最后一步是三维虚拟设计及仿真，通过三维虚拟设计，可以在 计算机中构造出目标系统的三维模型，然后进行三维仿真，对系统的位置、运动、 干涉等进行检验，可以在设计早期发现系统中的设计缺陷。三维虚拟设计及仿真主 要是由用户在s o l i d w o r k s 软件环境里面进行。 硕士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 综上所述本气动系统c a d 软件有以下五大功能需求： ( 1 ) 气动元件参数化数据库 随着气动元件产品的种类越来越多，型号和项目也随着不断增加，功能越来越 全，对于气动系统设计人员来说，完全靠翻阅样本手册，显然不能满足不断变化的 设计需求。气动元件产品样本数据库主要提供了一个能涵盖s m c 所有的产品信息， 这些信息包括元件型号参数、性能参数、尺寸参数以及二维工程图形、三维模型、 三维仿真动画等，其中三维模型实现了元件参数化技术。把这些信息有机的组合在 一起，从而建立一个，可共享的元件产品样本数据库。设计人员既可以通过客户端 访问数据库，也可以通过c a d 设计软件直接访问公共的数据端口。 ( 2 ) 气动系统原理图绘制 气动系统原理图在气动系统的设计、控制、性能分析和元件选型中起着重要的 作用，是设计气动系统的有力工具。原理图绘制模块首先提供了一种快速、方便的 气动系统原理图的绘制方法。用户仅通过鼠标的点击和拖动即可完成原理图的绘制。 对绘制好的原理图，可以方便地进行编辑修改。 ( 3 ) 气压传动系统的优化设计 根据一些基本参数( 如系统的供气压力、工作行程、全行程时间、负载状况等) ， 按照元件尺寸最小和系统能量消耗最少，自动匹配出气缸、调速阀、换向阀、管道 的参数。 ( 4 ) 气动元件的选型 本气动c a d 软件将实现一种基于c l i e n t s e r v e r 的元件选型环境，将样本信息放 在服务器上，用户通过与服务器相连的客户机选型。在客户机的用户可以通过自动、 手动两种途径选型。 ( 5 ) 气动系统三维虚拟设计及仿真 系统提供了一个三维虚拟设计环境，可以建立目标系统的三维模型，然后进行 三维仿真，对系统的位置、运动、干涉等进行检验。该系统的三维虚拟设计及仿真 环境，采用s o l i d w o k s 作为支撑软件，气动系统中的所使用的气缸等元件均是从数 据库中直接获得同时打包成一个装配工程文件夹，其中连接件是由气动系统设计人 员绘制的。 硕士论义气动系统计算机辅助设计的技术研究 2 2 系统体系结构 2 2 1 气动c a d 软件总体结构 本气动c a d 软件可分为四大模块“气动元件参数化数据库”，“气动系统 原理图绘制”，“气压传动系统的优化设计和选型”，“系统三维虚拟设计及仿真”。本 软件的四大模块以气动元件数据库为基础，气动系统原理图为中心，参数的输入和 中间数据的交换都通过原理图来进行。设计的要求通过人机对话的形式录入。设计、 选型、三维虚拟设计及仿真的结果最后都将体现在原理图上。保存原理图，也就保 存了所有的设计参数、仿真参数、选型结果。下一次打开此原理图，也就调入了本 次设计的全部信息，而不必从头再来。 本软件的体系结构如图2 2 1 所示。 图2 2 1 气动系统三维c a d 软件体系结构 其中回路规则库和设计知识库分别在动力系统设计模块中的回路识别和设计计 算中使用。回路规则库保存了大量的回路匹配信息，使回路识别和回路缺陷分析成 为了可能。另外设计知识库保存了很多的设计经验，为设计出更高效、更轻便的气 动系统提供了保障。 0 硕土论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 2 2 2 系统设计流程 本气动c a d 软件的设计流程与传统的设计流程有所不同，本软件设计流程如 图2 2 2 所示。 图2 2 2 气动c a d 软件设计流程 顾士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 首先由用户输入设计参数，然后由软件自动画出气动原理图。紧接着用户手工 调整气动原理图，输入一些元件初始设计参数之后，系统自动识别原理图，建立设 计模型，然后判断模型是否正确，如果模型不正确，则回到手工调整气动原理图， 重新调整模型。否则执行求解模型，自动查询元件数据库，优化设计结果，三维虚 拟设计及仿真等步骤，如果设计结果满足设计要求，则输出设计结果，更新原理图 完成设计过程，否则，调整模型参数，重新回到求解模型，继续进行系统设计。 2 3 气动c a d 软件的特点 总的说来本气动c a d 软件有以下几大特点： ( 1 ) 气动元件数据库的参数化以及元件三维造型的变形 由于气动元件的产品种类很多，仅s m c 公司就有8 0 0 0 多种系列，4 7 0 0 0 0 种型 号i 4 j ，如果为每一个型号都绘制相应的三维造型，那么无论是工作量还是数据存储 量都是巨大的。为了解决这个问题，我们采用了参数化技术，一个系列只画一种型 号，其它型号通过这个型号的变化得到。这是本软件的一大特色，本文将在3 1 3 节( 气动元件的参数化设计) 和3 1 4 节( 主程序与参数化数据库的连接) 中详细介 绍这一技术。 ( 2 ) 元件符号的绘制算法库 本设计软件中的气动元件符号并不是象以往一些软件预先在a u t o c a d 里面画 好，然后以图形的格式在程序中引用，而是在程序中预先存储了各种元件的画法( 绘 制算法) ，当你点击图标系统自动调用这些算法，瞬间完成元件的绘制。同时它还支 持多标准的元件符号算法库【8 】。本文将在3 2 节气动系统原理图设计中详细阐述这 一特点。 ( 3 ) 气动回路的缺陷分析 气动回路缺陷分析是本气动系统c a d 软件的又一大特点。通过回路缺陷分析， 可以为用户提供一个更智能化的设计环境。本文在3 3 1 节( 气压回路自动识别及回 路缺陷智能分析) 中详细描述了该技术。 ( 4 ) 基于c l i e n t s e r v e r 的网络多用户选型 本气动c a d 软件中使用的气动元件数据库是采用s q ls e r v e r 平台开发的，它 是一个基于c l i e n t s e r v e r 的网络数据库，这样可以使多个用户同时使用一个公共数 据库，从而实现数据库共享和信息集成。本文在3 1 6 节( 气动元件数据库软件的开 发环境) 中详细描述了该技术。 ( 5 ) 系统的三维虚拟设计及仿真 三维虚拟设计可以让用户构造目标系统的三维模型，然后进行三维仿真，检验 顾士论文气动系统计算机辅助设计的技术研究 首先由用户输入设计参数，然后由软件自动画出气动原理图。紧接着用户手工 调整气动原理图，输入一些元件初始设计参数之后，系统自动识别原理图，建立设 计模型，然后判断模型是否正确，如果模型不正确，则回到手工调整气动原理图， 重新调整模型。否则执行求解模型，自动查询元件数据库，优化设计结果，三维虚 拟设计及仿真等步骤，如果设计结果满足设计要求，则输出设计结果，更新原理图 完成设计过程，否则，调整模型参数，重新回到求解模型，继续进行系统设计。 2 3 气动c a d 软件的特点 总的说来本气动c a d 软件有以下几大特点： ( 1 ) 气动元件数据库的参数化以及元件三维造型的变形 由于气动元件的产品种类很多，仅s m c 公司就有8 0 0 0 多种系列，4 7 0 0 0 0 种型 号i 4 j ，如果为每一个型号都绘制相应的三维造型，那么无论是工作量还是数据存储 量都是巨大的。为了解决这个问题，我们采用了参数化技术，一个系列只画一种型 号，其它型号通过这个型号的变化得到。这是本软件的一大特色，本文将在3 1 3 节( 气动元件的参数化设计) 和3 1 4 节( 主程序与参数化数据库的连接) 中详细介 绍这一技术。 ( 2 ) 元件符号的绘制算法库 本设计软件中的气动元件符号并不是象以往一些软件预先在a u t o c a d 里面画 好，然后以图形的格式在程序中引用，而是在程序中预先存储了各种元件的画法( 绘 制算法) ，当你点击图标系统自动调用这些算法，瞬间完成元件的绘制。同时它还支 持多标准的元件符号算法库【8 】。本文将在3 2 节气动系统原理图设计中详细阐述这 一特点。 ( 3 ) 气动回路的缺陷分析 气动回路缺陷分析是本气动系统c a d 软件的又一大特点。通过回路缺陷分析， 可以为用户提供一个更智能化的设计环境。本文在3