（机械设计及理论专业论文）液压集成块智能优化设计系统——算法与典型实用设计技术.pdf

摘要 液压传动与控制领域正越来越多地采用液压集成块配置，但现有的集成块设计方法 尚存在诸多不足之处。本文通过熟悉和消化国内外的研究成果，在原有的基础上继续研 究开发针对板式阀的液压集成块智能优化设计系统，探索集成块c a d 技术的理论与实 现方式，尝试解决设计方面的一些不足，提高集成块设计水平。 分析现有集成块设计的常用手段，对设计中的薄弱环节进行改进，提出了新的体积 缩减算法，使得集成块设计方案的阀块体体积尽可能减小，更能贴近实际使用。 开发m d t 环境下的集成块设计系统集成环境，实现集成块设计方案的三维显示、 优化进程的监控和人机交互式的方案修改。将集成块设计中元件外形干涉校核、孔道连 通及校核手段引入集成环境，使人机交互设计结果能得到及时的检验。 研究遗传算法的运行机制，根据集成块设计的特点改进遗传算法，提出新的遗传算 子的设计方式。采用不同的遗传算子及其组合进行实例设计，通过实验结果的对比得出 适合集成块设计的遗传算子和其他参数组合，为今后的优化设计提供参考。 探讨集成块人机交互设计辅助自动优化设计的设计手段，实现两种设计模式之间的 转换与信息通讯，达到人机交互设计结果影响或引导自动优化设计计算的目的，从而促 进集成块优化设计的进行，提高设计的效率和效果。 本系统基于m d t 开发平台，采用v i s u a lc + + 程序设计语言开发自动优化设计模块， 通过对遗传算法编程实现对集成块设计各个环节的包容；采用o b j e c t a r x 工具开发人机 交互设计模块，在m d t 环境下实现设计方案显示及方案调改等功能。将集成块自动优 化设计和人机交互设计两种模式集成在同一个环境中实现，并能动态交流，相互促进， 是对液压集成块c a d 技术研究的有益探索。 关键词：液压集成块；优化设计；实用设计技术；遗传算法；人机交互 a b s t r a c i ： h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k ( h m b ) s c h e m e s a r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nh y d r a u l i c d r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gf i e l d s b u tt h e r ea r es t i l lm a n ys h o r t a g e si nt h ew a yo fh m bd e s i g n n o w a d a y s a f t e rs t u d y i n g a n da b s o r b i n gt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa th o m e a n da b r o a d ，b a s e d o nt h ep r e v i o u sw o r k ，t h ei n t e l l i g e n to p t i m i z i n gd e s i g ns y s t e m sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t o h m bf o rb o a r dv a l v e si sc a r r i e do n t h ep a p e rt r i e se x p l o r i n gt h e o r i e sa n dr e a l i z a t i o n so f h m bc a d t e c h n i q u e s ，s o l v i n gs o m ep r o b l e m si nd e s i g np r o c e s s ，a n di m p r o v i n g t h ed e s i g n l e v e l b ya n a l y z i n gg e n e r a ld e s i g nt e c h n i q u e s ，t h ep a p e ri m p r o v e ss o m ew e a kp a r t s an e w v o l u m ec u t t i n ga l g o r i t h mi sb r o u g h tf o r w a r d t om a k eb l o c k ss m a l l e ra n dc l o s e rt oa c t u a lu s e d e v e l o ph m bd e s i g ni n t e g r a t e d e n v i r o n m e n ti nm d t a c h i e v ed e s i g n s c h e m e s t h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y , a u t o m a t i co p t i m i z i n gd e s i g np r o c e s sm o n i t o r i n ga n ds c h e m e s m o d i f i c a t i o nv i ah u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h et o o l sf o rc o m p o n e n t ss h a p ei n t e r f e r e n c e c h e c k i n gu p ，h o l e sc o n n e c t i n ga n dt h e i rs e c u r i t ye x a m i n i n ga r ei m p o r t e dt o t h ei n t e g r a t e d e n v i r o n m e n tt oc h e c ku ph u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nr e s u l ti nt i m e s t u d yg e n e t i ca l g o r i t h r n ( g a ) o p e r a t i n gm e c h a n i s m ，i m p r o v e g aa n d p r e s e n t n e w a r i t h m e t i co p e r a t o r su p o nh m b d e s i g nc h a r a c t e r i s t i c s s e l e c t d i f f e r e n to p e r a t o r sa n dt h e i r c o m b i n a t i o n st od e s i g nf lm a n i f o l db l o c ki n s t a n c e a f t e rc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n td a t a , s o m e g aa r i t h m e t i co p e r a t o r sa n do t h e rp a r a m e t e r s l a tmh m b d e s i g na r eg a i n e da n dc a l l b e r e c o m m e n d e di nf u t u r e d i s c u s st h em e a n st h a th u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nd e s i g na s s i s t sa u t o m a t i co p t i m i z i n g d e s i g n r e a l i z et h et w od e s i g nm o d es w i t c h i n ga n d t h e i rc o m m u n i c a t i n g a f f e c t e do rg u i d e d b yh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nd e s i g nr e s u l t s ，t h eo p t i m i z i n gd e s i g np r o c e s si s a c c e l e r a t e d ， t h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n de f f e c ta r ei m p r o v e d t h es y s t e mi s d e v e l o p e db a s e do nm d tp l a t f o m t h ea u t o m a t i co p t i m i z i n gd e s i g n m o d u l ei sd e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，w h i c he m b o d i e sh m bd e s i g n p o r t i o n sb yg ap r o g r a m m i n g t h eh u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o nd e s i g nm o d u l ei sd e v e l o p e d u s i n go b j e c t a r xt o o l s ，w h i c h r e a l i z e ss c h e m e sd i s p l a ya n dm o d i f i c a t i o n ，e t c ，i nm d t e n v i r o n m e n t i n t e g r a t i n gt w om o d e s _ a u t o l n a t i co p t i m i z i n gd e s i g na n dh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n d e s i g n i no n e e n v i r o n m e n t ，r e a l i z i n g t h e i r d y n a m i c c o n m a u n i c a t i o na n d c o o p e r a t i o n a r eu s e f u le x p l o r a t i o no fh m bc a d t e c h n i q u e s k e yw o r d s ：h y d r a u f i c m a n i f o l db l o c k ；o p t i m i z i n gd e s i g n ；p r a c t i c a ld e s i g nt e c h n i q u e s ； g e n e t i c a l g o r i t h m ；h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n i l 液豫集成块智能优化设汁系统算法j 典型实用改汁技术 l 绪论 1 1 概述 液压传动与控制技术在国民经济各个领域应用广泛，随着液压技术的发展，液压系 统设计与制造的复杂性也越来越高。一个液压系统由若干液压元件组成，这些液压元件 根据控制要求连接起来组成一个完整的液压系统。液压元件问主要有管式、板式、集成 块式等几种连接方式。 如图1 1 所示，液压集成块( h y d r a u l i cm m l i f o l db l o c k - - h m b ) 是预先钻有多个孔 的阀块体，其外部安装有各种液压元件，如液压阀、管接头、压力表等，其内部的孔道 与元件孔道相连通，构成液压集成回路( h y d r a u l i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，实现系统控制要 求。液压系统使用集成块有如一f j l 点好处【i 叫： 减少阀和管路安装的劳动量。用户可以利用这种技术升级现有的设备。 减小液压系统的尺寸，降低其重量。 一能在靠近传动装置的狭小空间内实现更多功能。 减少管路连接，降低泄漏的可能性。 减少暴露的管路安装，降低环境中可能对它们造成的破坏。 一管路连接变少，系统压降和生热减少，系统效率提高。 在不破坏外部管路连接的情况下可以很快移走并替换元件，提高系统适应性。 图11 液压集成块照片 f i g 1 ip h o t o so fh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s 总结上述特点可知，液压集成块具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、占地面积 小、易于实现标准化等优点，因此在各类液压系统中获得广泛的应用。 液压集成块作为各类板式阀、插装阀及其它附件的承装载体，由于液压系统组成的 非标准性和各个元件之间相互连通关系的多样性，形成集成块外部是各种不规则液压元 坚垦叁塑堡塑堡垡些堡茎墨竺二= 苎鲨量叁型壅旦垦兰垫苤一 件在各面上的紧凑布局，内部是十分密集、复杂的孔道构成孔系网络，因此设计起来费 时费力且容易出错1 5 j 。 在集成块安装布局中，各种元件尽可能紧凑、均匀地分布在集成块体各面，既要方 便安装，又要便于调试，还要满足一定的约束条件。元件布局方案与孔系网络连通要求 一起成为孔道设计的起始条件。元件间通过内部孔道连通，如果无法直接连通则需要设 置工艺孔。复杂液压系统的集成块块体上的孔数能达数十乃至上百个，且多呈纵横交错 的形式，如果存在干涉，必须将处于同一阀上的孔组做整体移动，因此常常出现顾此失 彼、难以两全的情况。同时，设计时还必须满足非连通孔道间安全壁厚和连通孔道相交 处通流截面等设计品质要求。这些问题导致传统的人工布局、孔道连通及校核异常困难， 即使采用一般的c a d 方法也难以确保设计质量。 集成块的生产制造属于单件小批量定制生产模式，在设计阶段投入的时间和精力过 多导致整个产品开发过程工作效率极低，因此亟待采取有效的计算机辅助方法来准确而 快捷地解决集成块安装布局与孔道设计这一难题，这已经成为国内外众多研发机构和人 员关注的焦点和难点。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 1 国外研究现状 国外从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，迄今开发出的各类液压c a d 软件已有数十种。 德国汉堡技术大学设计技术第一研究室的d f g 研究计划开发了液压集成块专用 c a d 设计系统1 6 】。通过设计知识和计算程序的应用，该系统有效地支持使用者进行液压 集成块设计，其决定性的技术是面向对象的建模核心的应用。该系统对液压元件进行面 向对象的产品建模，拥有产品模型的建立与管理、液压油路图的输入、元件布置定位、 孔系生成等操作，能进行集成块设计的相关计算，包括压力损失计算、孔道干涉智能校 验、最小壁厚计算等。 德国亚琛工业大学( t e c h n i c a lu n i v o f a a c h e n ，g e t ) 研制的在a t m c l a s s i cm o d e l 7 8 7 0 计算机上用于设计液压控制阀块的程序包h y k o n 。该程序包由一组液压元件数据 集和用于设计和布局的程序集组成，通过对话交互布置液压元件，具有自动设计孔道、 校核孔道、输出符合d i n 标准的阀块视图和任意剖视图等功能。 英国巴斯大学( u n i v o fb a t h ，e n g ) 借鉴印刷电路板和集成电路的设计思想在 p d p i l 2 3 计算机上研制了v o l e 程序，可绘制液压阀块等元件的立体模型图，包括复合 剖面图和孔道实体图等，设计人员可以用来校核所设计的阀块油路连通情况。 芬兰坦佩雷理工大学( t a m p e r eu n i v o ft e c h n o l o g y ，f i n ) 在t t p l 0 0 0 a 7 0 0 小型机 上借助于a g p 三维图形软件开发出用于插装阀块设计的k y b l o 软件包，可做到孔道设 计与干涉校验同步进行，可以修改孔径、移动孔位，还具有孔表信息输出、刀具选择和 刀具轨迹定义及n c 代码生成等功能。 液压集成块智能优化设计系统算法与典型实用设计技术 法国g r e n o b l e 机械学院的c h a m b o n 和t o l l e n a e r e 将人工智能和c a d 技术相结合来 解决集成块的元件布局和孔道设计问题。 以色列理工学院( i s r a e lh l s t o f t e c h n o l o g y ) 研制的c a d s s4 x 专用软件提供实体、 线框、表面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。 澳门大学( u n i v o f m a c a u ) 的w o n gp k p j 和香港理工大学( h o n gk o n gp o l y t e c h n i c u n i v ) 的c h u e nc ，w 瞪1 等运用面向对象方法构造集成块模型并采用特征技术来组织和管 理集成块c a d c a p p c a m 产品信息，可以方便地定义和修改元件与回路；在a u t o c a d 上开发的原型软件可以根据一些设计规则进行元件布局，并在李氏迷宫算法的基础上研 究了三维路径连通算法。 与此同时，一些国际知名的大液压公司如美国e a t o nc o r p 、p a r k e rh a n n i f i nc o r p 、 v e s t i n c 、m o o g l t d 、加拿大a p o l l o m a c h i n e r y l t d 、意大利a t o s 公司、德国b o s c h r e x r o t h c o r p 等，也广泛开展了液压集成块c a d c a m 技术的研究与应用。其中在专用设计软件 开发方面比较突出的有v e s t 公司、e a t o n 公司等。 v e s t 公司开发了液压集成块设计从原理图一集成块一装配体的一整套解决方案： s d t o o l s ( s c h e m a t i c d e s i g nt o o l s ) 和h y d m w ( h y d r a u l i cc i r c u i td e s i g n ) 软件应用“快 捷目录”技术方便准确地绘制液压原理图；a d t o o l s ( a s s e m b l y d e s i g n t o o l s ) 是一个2 d 装配绘图软件：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 d d e s i g nt o o l s ) 软件基于嵌入 式规则进行孔道连通和校核：a a t o o l s ( a u t o m a t e da s s e m b l yt o o l s ) 软件根据原理图和 集成块设计信息动态生成3 d 装配图以及2 d 正交视图。 e a t o n 公司开发的v i c k e r sl i b r a r yo f s i c v ( s c r e wi nc a r t r i d g ev a l v e s ) 软件是一个包 含一千多种元件的符号库，帮助专业工程师在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，并把设计数据与加工指令n c 代码相连接，具有 c a d c a m 一体化的特征。 2 国内研究现状 国内液压c a d 技术研发工作起步较晚，但迄今已有很大发展，并取得了很多有特 色的研究成果。 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室于1 9 8 9 年研制成功插装阀液压系统设计 f p t c c a d s 系统，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，研究液压集成块的三维参数化设计方法，开发了液压集成块c a d 软件v b - - c a d ，并给出“两步校核”的孔道干涉检查算法1 9 , 1 0 1 ； 上海交通大学于1 9 8 6 年开始研究插装阀c a d 软件，编写了校核插装阀孑l 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【”1 ；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1 1 2 , 1 3 】，具有集成块体及 孔道数据输入与编辑、孔道校验、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。 华中科技大学应用专家系统和逻辑设计方法于1 9 8 7 年开发了h y s s d 液压原理图逻 辑设计软件包；近年来根据模块化设计和再设计工程的思想进行了液压集成块 液压集成块智能优化设计系统算法与典型实用设计技术 c a d c a m 系统h c a d 的开发，针对液压集成块内部孔系的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i 1 4 , 1 5 。 广东工业大学开发的h g m c 软件系统实现了液压集成块从方案选择、元件布置、 外形干涉校验、孔道连通校核、工程图纸输出以及设计效果评价全过程的智能化、自动 化设计，并采用成组技术进行液压集成块c a d c a m 的信息编码设计【i ”i 。 安徽工学院采用人工智能原理用宏l i s p 语言开发的液压集成块孔道设计专家系统 h i b d 可自动完成从液压原理图输入到集成块工程零件图输出的全部工作【l 。 此外，北京科技大学【2 0 】、天津理工学院、华东冶金学院吲、南昌航空工业学院吲、 北京机械工业自动化研究所、北京机床研究所、大连液压件研究所1 2 、榆次液压件厂【2 5 】 等单位也都对液压集成块的设计和制造技术进行了各具特色的研究。 大连理工大学是国内较早_ 歼展液压c a d 研究开发的单位之一，于1 9 9 0 年开发出了 面向集成式液压系统的y c a d j 软件包，包括原理图设计、阀体结构设计及阀体零件图 和阀组装配图绘制等模块，采用人工智能技术实现自动设计工艺孔。在此基础上，又陆 续推出了专门面向液压集成块的m b c a d a m l 2 6 】和面向插装阀块的c v c a d a m 2 7 1 两个软 件，解决了液压阀块孔道校核和连通设计问题，并且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 的开发与研究提供了一个统一的信息模型。文献 2 8 】总结液压集成块设计特点，提出液 压集成块c a d 中的核心问题是“集成块外部布局和内部布孔的集成方案的自动优化设 计，是在孔道自动连通算法支撑下的三维空间中布局方案的自动寻优设计。这是一神复 杂的带性能约束的立体空间布局问题，在数学上可以归结为大规模组合最优化。”将集成 块设计分为六个环节，总结设计要求和设计约束，给出集成块设计的评价目标函数，提 出使用智能优化算法求解集成块的设计问题。以上工作为本项目的研究开发奠定了良好 的基础。 1 2 2 研究中尚存在的问题 液压集成块的优化设计是一个大型的优化问题，以前的多数研究是人机交互式的设 计方法，也有集成块的自动设计手段，这些工作解决了许多关键的问题，但仍然存在一 些不足，总结如下： 1 以前的研究工作虽然涉及到集成块设计的各个环节，但其中一些只是做了初步的针 对性工作，不能有效的与其他环节相互配合使用，还有一些尚待完善，如体积缩减 设计算法等。因此需要在现有的研究基础上进一步深入，改进或提出新的解决方案。 2 文献 2 8 将集成块的设计总结为多目标函数优化问题，使用遗传算法进行优化计算， 但是，标准遗传算法或者通用型的遗传算法针对集成块设计的具体问题，如编码方 式、遗传算子、控制参数搭配等方面，往往效果不佳。因此，如何根据集成块设计 问题的特点，有针对性的改进标准遗传算法，切实改善遗传算法在集成块优化设计 这个专业领域中的实际使用效果，是研究中需要考虑的重点。 3 集成块自动优化设计在很大程度上减轻了设计人员的劳动量和劳动强度，但鉴于集 成块的设计规则库尚不够完善，算法本身有可能对一些设计问题效果不佳，人机交 液压集成块智能优化设计系统算法与典型实用设计技术 互设计在这种情况下可以起到辅助作用。如何将集成块自动优化设计与人机交互设 计结合起来，取长补短，提高设计的效率，并使设计方案更加趋于合理化，也是研 究中需要探索的问题。 1 3 研究的目的和内容 本课题来源于辽宁省自然科学基金项目( 2 0 0 2 2 1 3 2 ) “基于虚拟设计技术的液压集成 块c a d 关键技术研究”和国家自然科学基金项目( 5 0 3 7 5 0 2 3 ) “基于智能优化和虚拟发 计的液压集成块c a d 方法研究”。 本文旨在通过消化吸收国内外有关集成块设计的研究成果，开发针对板式阀的液压 集成块智能优化设计系统，完善集成块设计中一些典型技术环节，根据集成块设计特点 对优化算法进行实用化改进，通过实例设计实验得出适合于集成块设计的优化参数组合， 用于今后的设计当中，引入人机交互设计，将其与优化算法结合起来，使得人机交互设 计能够辅助和促进集成块优化设计的进程，提高其设计效率，改善其设计效果。 本文研究内容主要有以下几个方面： 1 体积缩减算法的改进 液压集成块设计初始阶段需要事先给定其阀块体的初始体积。为了便于元件的布局 和设计时观察的方便，一般给定较大的初始体积，随着设计进程的深入，元件布局逐渐 趋于合理化，工艺孔的数目减少，集成块上孔道总数也随之减少，这时，集成块块体上 便出现一些“空白”区域，如果重新选择集成块，按照现有布局方案摆放，一方面工作 量比较大，另外体积的缩小将不利于进一步的设计和观察。相同布局的集成块设计方案， 其体积的大小只会影响孔道连接时路径的长短，对于工艺孔数目和孔道布置影响不大。 因此，可以选择较大的初始体积设计集成块，在设计比较满意的时候，再除去多余的部 分，这样有利于更好的调整集成块设计方案。原有的体积缩减算法“挤压法”只能 对集成块外围的体积进行缩减，而对于元件与元件之间的多余体积无法处理。 本文在“挤压法”的基础上，提出了新的体积缩减算法“削减法”，从三个坐标 方向分别削减集成块的体积，能够处理集成块上各个部位的多余体积，并且削减过程中 保持工艺孔数目不会增加，孔道连接的路径长度最短。 2 设计方案在交互设计环境下的显示 设计人员评判集成块设计结果往往是通过对设计方案的总体观察进行的，如果设计 结果仅以数据方式存在，既不直观，也难以判断设计结果的优劣。在优化计算的同时， 将当前的最优方案即时显示出来，可以让设计人员了解到设计进行的程度。同时，本系 统引入人机交互设计作为优化计算的辅助手段，也需要实现两种设计模式的转换和信息 通讯。从这两方面来说都要求将程序中的现有设计方案显示到交互设计环境中。 本文通过分析和比较自动优化设计程序中设定的集成块各个安装面上的坐标系与交 互环境下各安装面默认的坐标系，得出二者互相转化的关系，使自动优化设计程序中的 方案能正确的显示在交互环境中。同理，也可将在交互环境下调整好的设计方案的编码 信息正确传递给自动优化设计程序。 液压集成块智能优化设计系统算法与典型实用设计技术 3 设计模式的转换与信息通讯技术 文献 2 8 】开发的集成块设计程序是单一的自动优化设计计算程序，不能在计算当中 暂停和重新启动，设计过程只能根据预先设定的终止条件停止计算。本系统引入人机交 互设计辅助自动优化计算的策略，如果两种设计模式分别进行，则无法进行动态转换， 就不能在优化计算效果不佳时及时干预其进程，采用人机交互设计可引导或改善最优解 的搜索情况。因此，必须将二者有效结合起来，能随时暂停自动优化设计计算，转入人 机交互设计，在交互设计完成后再次转换到自动优化设计计算模式，利用人机交互设计 的结果促进优化计算的进行。 本文借助s u a lc + + 中多线程编程技术，将原有的优化设计计算过程改造成为多线 程计算，使得自动优化计算能暂停和重新启动。自动优化计算重新启动后，需要将人机 交互设计结果有效的利用到优化计算中，这时优化计算进程和方案替换同时对计算数据 进行写操作，为了防止因数据破坏而导致的程序崩溃，需要使用多线程中同步类操作， 协调程序的数据写操作不破坏优化设计系统的进程，从而安全的完成两种设计模式问的 信息通讯。 4 遗传算法实用化改进及其在集成块优化设计中的应用 遗传算法是一种对大规模组合优化问题比较有效的算法，标准遗传算法或通用型遗 传算法可以普遍用于各类的优化问题，但是在一些特定的领域内效果不够理想。液压集 成块的设计约束比较多，并且其约束不规则，标准遗传算法在设计中的局限性比较大， 利用集成块的设计特点来改进遗传算法，可以带来比较明显的效果。虽然将遗传算法与 集成块设计这个特定领域的知识结合起来，丧失了它的通用性，但这种方式有效的利用 了它的专业设计知识，能切实提升遗传算法的优化效果。 本文根据集成块设计的特点，将布局方案改变的物理意义与遗传算法中的交叉、变 异算予相类比，提出针对集成块设计的交叉和变异算子，并通过集成块设计实例检验新 遗传算子的效果，从而得出对集成块设计比较有效的遗传算子和遗传算法参数组合，作 为今后集成块优化设计时优先采用的参数，促进设计的效率和效果。 5 检验系统的优化设计效果 当前的研究开发完成后，系统具有自动优化设计和人机交互设计两方面的功能。通 过集成块方案的实例设计，比较独立的自动优化设计与加入人机交互辅助的优化设计结 果，用以检验系统各个模块的效果和系统的综合性能，最后对获得的最优方案进行体积 缩减得到最终设计方案和相关的数据。 6 液压集成块智能优化设计系统算法与典型实用设计技术 2液压集成块智能优化设计系统概述 2 1 系统开发平台介绍 1 c + + 语言简介 c + + 是一种通用的程序设计语言，除了一些小细节之外，c + + 是c 程序设计的一个 超集1 2 。c + + 提供了c 所提供的各种功能，还为定义新类型提供了灵活而有效的功能。 程序员可以通过定义新类型，使这些类型与应用中的概念紧密对应，从而把一个应用划 分成许多容易管理的片段。这种程序构造技术通常被称为“数据抽象”。某些用户定义类 型的对象包含着类型的信息，这种对象就可以方便而安全的用在那种对象类型无法在编 译时确定的环境中。使用这种类型的对象的程序通常被称为是基于对象的。如果用得好， 这些技术可以产生出更短、更容易理解，而且也更容易管理的程序。 c + + 里最关键的概念是类。一个类就是一个用户定义类型。类提供了对数据的隐藏， 数据的初始化保证，用户定义类型的隐式类型转换，动态类型识别，用户控制的存储管 理，以及重载运算符的机制等。c + + 保持了c 高效处理硬件基本对象( 位、字节、字、 地址等) 的能力。这就使用户定义类型能够载相当高的效率水平上实现。c + + 及其标准 库是为了可移植性而设计的，当前的实现能够载大多数支持c 的系统上运行。 2 m d t 环境介绍【j 驯 a u t o c a d 软件长期以来拥有广大的用户群，很多人已经习惯于a u t o c a d 二维工作 环境，并且在其基础上开发了大量的设计资源。m d t ( a u t o c a dm e c h a n i c a ld e s k t o d ) 是在a u t o c a d 基础上开发的通用三维机械c a d 平台，主要包括机械c a d 参数化特征 造型、曲面造型和装配造型三大部分。m d t 具有良好的二次开发工具和编程接口。 a u t o c a d 运行扩展( a r xa u t oc a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) ，开发环境是a u t o c a d 的种 新的二次开发手段，是以c + + 为基础的面向对象的开发环境和应用程序接口。a p i a u t o d e s km e c h a n i c a l a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，即机械c a d 应用程序开发工具， 是由一系列接口函数构成的，增强和扩展了a r x 开发环境。m d ta p i 提供了参数化特 征编辑和高层建模技术，具有统一的对象引用机制，通过o b j e c tk e y s 技术与a r x 类库 交互作用，为程序员提供了通用的接口函数，简化了编程。m d t 的零件造型支持基于设 计特征的参数化实体造型，方便了三维实体的造型工作。 m d t 基于a u t o c a d 环境，因此其数据运行机制是建立在a u t o c a d 基础之上的。 图2 1 列出了a u t o c a d 数据库的主要部件，其基本的数据库对象是实体、符号表和词典。 实体是在a u t o c a d 图内部表示图的一种特殊数据库对象，线、圆、弧、文本、实心体、 区域、符合线和椭圆都是实体，用户可以在屏幕上看见实体并能对其进行操作。 当新建一对象时，该对象被加入到数据库相应的容器对象中。实体对象被加入到块 表的记录中，符号表记录被加入到符号表中，所有用户自定义的非图形对象被加入到命 名对象词典中，用户定义的对象被其它对象所拥有。 塑堕叁盛垫塑堂垡些塑盐墨竺二苎鲨兰些翌壅里堡笪垫查一 a u t o c a d 数据库至少包括一下对象： 9 个符号表( 包括块表和层表) 。块表中包括了两个记录，b p , m o d e ls p a c e 及 , p a p e rs p a c e ；层表中包括一个记录，即0 层a 命名的对象词典。当a u t o c a d 数据库建立后，词典就包括了组词典及m l i n e 风格 词典。 圈2 1 组成a u t o c a d 数据库的主要部件 f i g 2 1m a i nc o m p o n e n t so f a u t o c a d d a t a b a s e 3 o b j e c t a r x 简介3 2 1 a u t o c a d 软件采用开放式体系结构，允许用户利用其提供的一系列开发环境和工具 扩充的功能，设计各种应用程序。o b j e c t a r x 是a u t o c a d 系统的第三代开发环境和工 具。它以v c + + 为开发环境和应用程序接口。a r x 应用程序实质是动态链接库，它与 a u l o c a d 在同一地址空间运行，能够直接利用a u t o c a d 的内核代码，直接访问a u t o c a d 的数据库、图形系统及几何造型核心，在运行期间实时扩展a u t o c a d 具有的类及其功 能，建立与a u t o c a d 本身的固有命令操作方式相同的新命令。 与a u t o c a d 以前的开发工具、环境a u t o l i s p 、a d s 相比，a r x 速度更快、运行更 稳定更简单。而且，开发a r x 应用程序还可以利用w i n d o w s 资源、m f c 类库和先进的 v i s u a lc + + 可视化编程语言。a r x 开发工具包( s d k ) 包括以下几个库：a c r x l i b r a r y ， a c e d l i b r a r y ，a c d bl i b r a r y ，a c g il i b r a r y ，a e g el i b r a r y 。本文阐述的人机交互设计模 块即利用o b j e c t a r x 开发三维交互调整系统，使之在a u t o c a d 平台上实现阀、集成块 的显示和方案调整。 具体的说，采用o b j e c t a r x 2 0 0 0 进行开发，可以方便的完成以下任务。 ( 1 ) 直接访问a u t o c a d 图形数据库 a u t o c a d 图形数据库，实际上存为磁盘文件后也就是a u t o c a d 的图形文件，它包 含了各种对象，如图形实体、符号表、词典等。o b j e e t a r x 提供了直接操作图形数据库 的类( 即a c d b 库) 。用户也可以通过类派生，生成和自己添加自己的图形对象。 ( 2 ) 与a u t o c a d 编辑器方便交互 8 液压集成块智能优化设计系统算法与典型实用设计技术 o b j e c t a r x 向a u t o c a d 注册命令与a u t o c a d 本身的命令没有任何差别，可以在其 它的应用程序中调用。另外它还提供了向a u t o c a d 消息循环注册钩子函数( h o o k f u n c t i o n ) 的接口，可以监测、捕获和处理a u t o c a d 的消息。 ( 3 ) 利用强大的m f c 类库 o b j e c t a r x 应用程序可以与m f c 库进行动态链接或静态链按，以利用m f c 的功能 ( 尤其是消息处理、图形界面的功能) 。除此之外，o b j e c t a r x 2 0 0 0 本身也提供了a c u i m f c 对话框类。 ( 4 ) 建立复杂的应用程序 o b j e c t a r x 支持复杂应用程序的开发，可以为应用程序提供通知( n o t i f i c a t i o n ) 、事 务管理( t r a n s a c t i o nm a n a g e m e n t ) 、协议扩展( p r o t o c o le x t e n s i o n ) 以及代理对象支持等。 ( 5 ) 与其它编程接口配合使用 o b j e c t a r x 应用程序可与气体程序( 如v i s u a ll i s p 、a c t i v e x 和c o m ) 开发界面通 信，也可以通过实体与u r l s 关联、与i n t e m e t 链接，并且可以从网络( w w w ) 上装载 和保存图形文件。 2 2 液压集成块设计过程 液压集成块的设计过程可以分为装配关系设计和连通关系设计两个阶段。设计的初 始条件即连通要求是从原理图得到的。 装配关系设计即液压元件布局( l a y o u t ) 设计，它是确定阀块体的总体尺寸、液压 阀的安装面安装位置安装角度、公共油口管接口控制油口以及其它特殊油口的设计过 程。装配关系设计要求： 结构紧凑，体积尽可能小； 承装元件要有足够的安装调试空间； 布局应为连通关系设计创造有利条件； 满足用户对装配关系的一些特殊要求。 集成块的连通关系设计即集成块内部布孑l ( c o n n e c t i o n ) 设计，它是指按照系统原 理图的要求，在装配关系设计的基础上，确定连通孔道的深度，以及必要时设置的工艺 孔的位置和深度。连通关系设计要求： 保证百分之百实现液压原理图的连通关系； 工艺孔数目尽量少，连通路径长度尽量短： 相通孔道要保证一定的通流面积，不相通的孔道之间要满足一定的壁厚要求。 集成块的布局和布孔是相辅相成而又相互制约的，设计中应两者兼顾。如果布局合 理，n t l 道连通方便，工艺孔数目少；否则孔道间很容易发生干涉，工艺孔数目多，甚 至无法保证正确连通，此时需要调整布线顺序或者重新进行布局方案设计。布局方案为 孔道连通创造初始条件，同时连通设计也对布局方案给出量化评价，为布局方案调改提 供依据。液压集成块设计中，布局设计和布孔设计是相互影响、不可分割的两个阶段； 集成块优化设计问题是布局布孔集成方案的寻优问题，其目标函数应是对布局结果和布 孔结果的综合评价。 液压集成块智能优化设计系统算法与典型实用设计技术 2 3 数学优化模型 长期以来，人们对集成块设计问题局限在具体问题的定性分析上，缺乏对该问题进 行统一的数学描述，从而影响了问题的系统研究。文献 2 8 采用面向对象方法定义与该 问题有关的特征变量的示性表达式，给出优化目标和约束条件，进而确立集成块设计问 题完整的数学优化模型。这为提出集成块优化设计的技术路线，并进一步实现集成块总 体方案的优化奠定良好的理论基础。 2 3 1 设计变量 1 基本概念 ( 1 ) 集成块空间关系 阀块体外表面是阀类元件的安装基面，内部是孔道的布置空间，所以应首先确定统 一的集成块空间和各表面平面坐标系。图2 2 表示了集成块的空间坐标系o x y z 、六个 面上的相对坐标系x o y ( o 点为最靠近相对坐标系图标的长方体的端点) 。六个面构成一 个安装面的集合f a c e = 前、后、左、右、上、下 。通常底面不安装元件，而是作为与 油箱或其它集成块的叠加面。在工程实际中，出于安装和操作方便的考虑，液压阀的安 装角度通常采用直角，构成一个安装角度集合a n g l e = - 0 。，9 0 。，1 8 0 。，2 7 0 。1 。 左 图2 2 集成块空间和平面坐标系 图2 3 液压阀位置关系示意图 f i g 2 2s p a t i a la n dp l a n er e f e r e n c ef r a m eo f m a n i f o l db l o c k s f i g 2 3v a l v e s p o s i t i o nr e l a t i o n s h i p ( 2 ) 阀类元件 液压阀的安裟底板通常为长方形，其外形虽不规则，但考虑到阀的