（机械电子工程专业论文）液压集成块智能优化设计系统——模型数据库与系统集成.pdf

摘要 液压系统采用液压元件集成配置，可以显著减少管路联接和接头，降低系统的复杂 性，增加现场添加和更改回路的柔性，具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、振动小、 利于实现典型液压系统的集成化和标准化等优点，因此广泛应用于机械、冶金、锻压、 航空、航天、船舶等各个行业。液压集成块作为集成式液压系统的关键零件，在当前的 液压生产企业中，其设计工作却仍处于相当落后的局面，大多数设计人员依靠经验和空 间想象能力进行可行方案的制定，无法达到自动决策和方案优化的目的。 大连理工大学液压教研室针对如何自动获得最优的布局布孔集成方案的问题，尝试 应用当今先进的遗传算法、模拟退火算法等智能优化算法解决此类复杂布局问题，并取 得了一些成果，实现了集成块自动优化设计。但该系统在元件库的结构与丰富性、设计 模块的集成性、对优化进程的控制以及人机交互等方面存在明显不足。本文研究工作以 已有成果为基础，对其不足之处进行针对性研究，完善和扩展其功能，较彻底地解决了 液压集成块自动优化设计这一难题。 通过对国内外同类研究现状和已有成果进行综述，明确目前液压集成块设计问题的 核心是其布局布孔集成方案的自动优化设计。全面总结集成块类零部件的结构特征和设 计、制造规律，分析集成块立体布局的空间关系，给出优化目标和约束条件，确定集成 块设计问题的数学模型。 深入剖析各个厂家生产的各类液压元件的属性及构成规律，提取对集成块设计有意 义的信息，并按照科学的分类方法建立了板式连接液压元件数据库与图形库。该液压元 件库为液压集成块智能优化设计系统提供了有力的支撑。 应用v c + + 6 0 开发环境、o b j e c t a r x 开发工具包和m c a da p i 开发技术，将集成 块设计中存在的六个典型环节的实现算法集总为一体，并将其嵌入到三维参数化造型软 件m d t 中，开发出基于m d t 的液压集成块智能优化设计系统f i m b d e s i g n e r 。最后通 过对一个典型的集成式液压系统实例进行完整的设计，取得了令人满意的效果，验证了 该系统的实用性。 关键词：液压集成块：智能优化算法；液压元件库；o b j e e t a r x l m d t a b s t r a c t i n t e g r a t e dh y d r a u l i cm a n i f o l ds y s t e m ( i h m s ) o f f e r sm a n ya d v a n t a g e si n c l u d i n gr e d u c e d c o n n e c t o r s s i z ea n dc o m p l e x i t y , a n de n ：h a n c e df l e x i b i l i t yf o ri n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e i t p r o v i d e sac l e a n e r , l e a k - f l e e ，l e s sv i b r a n ta n dm o r er e l i a b l e s o l u t i o nt od i f f i c u l tm a c h i n e c o n t r o ls y s t e mp r o b l e m s s oi ti s w i d e l yu s e di ns u c hf i e l d s a sm e c h a n i s m ，m e t a l l u r g y , f o r g i n g ，a v i a t i o n ，s p a c ef u g h t , s h i p p i n ga n ds oo n a st h ek e yc o m p o n e n to fi h s ，h y d r a u l i c m a n i f o l db l o c k ( h m b ) i ss t i l ld i f f i c u l tt ob ed e s i g n e di nf a c t o r i e sn o w a d a y s d e p e n d i n g o nt h e e x p e r i e n c e a n di m a g i n a t i o no f w o r k e r s a i m i n g a tt h ep r o b l e mo fh o wt oa t t a i nt h eo p t i m u m i n t e g r a t e dl a y o u ta n dc o n i l e c t i o n s c h e m e sa u t o m a t i c a l l y , ah m b d e s i g ns y s t e m w a sd e v e l o p e db yd u th y d r a u l i cs t a f fr o o m ， u s i n gi n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s s u c ha sg e n e t i c a l g o r i t h m a n ds i m u l a t e d a n n e a l i n ga 1 9 0 r i t h m , w h i c hh a ss o m ed i s a d v a n t a g e si n c l u d i n gt h es t r u c t u r ea n dc o n t e n to f t h e c o m p o n e n tl i b r a r y , i n t e g r a t i o n o fe a c hm o d u l e ，t h ec o n t r o lo nd e s i g np r o c e s sa n d m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n b a s e do nt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，an e w h m b d e s i g ns y s t e m i sd e v e l o p e di nt h i sp 印e rt op e r f e c ta n de i l h a n c et h eo l ds y s t e m ，w h i c hs o l v e st h ed i 珩c u l t p r o b l e m o f l i m ba u t o m a t i cd e s i g nr e l a t i v e l yd r a s t i c a l l y s u m m a r i z i n g t h er e s e a r c hf i n d i n g sa th o m ea n da b r o a d , i ti sp o i n t e do u tt h a tt h ec o r eo f h m b d e s i g n i st h ep r o b l e mo fa u t o m a t i cd e s i g no f i n t e g r a t e dl a y o u ta n d c o n n e c t i o ns c h e m e s o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h es t r u c a w a lf e a t u r e so fh m ba n dr u l e so fi t sd e s i g na n d m a n u f a c t u r ea n da n a l y z i n gt h es p a t i a lr e l a t i o n s h i pi n3 dl a y o u to fh m b ，t h eo p t i m i z a t i o n o b j e c t s a n dc o n s t r a i n t sa r e p u t f o r w a r d t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e lo fh m bd e s i g ni s r e p r e s e n t e d o nt h eb a s i so f a n a l y z i n g t h ea t t r i b u t ea n ds t r u c t m - eo f h y d r a u l i cc o m p o n e n t sp r o d u c e d b y d i f f e r e n tf a c t o r ya n d a b s t r a c t i n g i t sd e s i g ni n f o r m a t i o n , h y d r a u l i cc o m p o n e n td a t a b a s ea n d g r a p h i c sl i b r a r y a r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt os c i e n t i f i cc l a s s i f i c a t i o ni nt h i sp a p e r , w h i c h p r o v i d eg r e a ts u p p o r t f o rt h ei n t e l l i g e n to p t i m i z e d d e s i g n o f l i m b ah m b i n t e l l i g e n to p t i m a ld e s i g ns y s t e mb a s e do nm d t s o f t w a r ei s d e v e l o p e db y i n t e g r a t i n gt h ea l g o r i t h mo fs i xt y p i c a lp a r t si n v o l v e di nh m bd e s i g n ，u s i n gv i s u a lc + + ， o b j e e t a r xd e v e l o p m e n t t o o l k i ta n dm c a da p i i nt h ee n d ，at y p i c a l h si sd c s i 雕du s i n g t h es y s t e ma n dt h es a t i s f y i n gr e s u l t sh a v et e s t i f i e dt h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h i ss y s t e m k e yw o r d s ：h y d r a u l i c m a n i f o l db l o c k ，i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，h y d r a u l i c c o m p o n e n tl i b r a r y ，o b j e c t a r x ，m d t i i 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 1 绪论 摘要：首先介绍液压集成块的工程背景，指出集成块安装布局与, l i l t s 计的难点所在。通过对 国内外研究现状进行综述，明确集成块设计的核。问题是其外部布局和内部布孔集成方案的自动优 化设计。借鉴国内外的研究成果，着眼于集成块设计问题的有效解决，通过对已有成果的熟悉与掌 握，指出其不足之处和改进方向，确定了本文的工作内容。 1 1 液压集成块设计问题的工程背景 液压传动与控制技术在国民经济各部门的广泛应用，推动着液压技术的飞速发展， 液压系统设计与制造的复杂性也越来越高。液压系统采用液压元件集成配置( 如图1 1 所示) ，可以显著减少管路联接和接头，降低系统的复杂性，增加现场添加和更改回路 的柔性，具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、振动小、利于实现典型液压系统的集 成化和标准化等优点，因此应用日益广泛1 1 2 1 。 图i 1 集成式液压系统图1 2 液压集成回路 f i g 1 1i n t e g r a t e d h y d r a u l i c m a n i f o l ds y s t e m sf i g 1 2 h y d r a u l i c i n t e g r a t e d c i r c u i t 集成式液压系统( i n t e g r a t e dh y d r a u l i cm a n i f o l ds y s t e m s - - - i h m s ) 的主要单元是液 压集成块( h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s - - - h m b ) ，它是一个或多个特别的预先钻有多个孔 的阀块体。其上安装有各种液压元件，如液压阀、管接头、压力表等，其内部的孑l 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 ) ( 如图1 2 所示) ，实 现系统控制要求。 图1 3 液压集成块 f i g 1 3h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s 图1 4 集成块孔道网络 f i g 1 4h m b h o l e s n e t w o r k 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 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，因液压系统组成的非 标准性和所承装阀体及其相互连通关系的多样性所致，其外部是各种不规则承装元件在 各面上的紧凑布局( 如图1 3 所示) ，其内部孔道构成十分密集、复杂的孔系网络( 如图 1 4 所示) ，设计起来颁为费时费力而又极易出错。 在集成块安装布局中，各种元件尽可能紧凑、均匀地分布在阀块体各面，既要方便 安装、调试，又要符合美学要求，而且，布局方案与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，无法直接连通的需设置工艺孔。集成块体上的孔数通 常达数十乃至上百个，且多呈纵横交错的形式，一旦发生干涉，必须将处于同一元件上 的孔组做整体移动，“牵一发而动全身”，故常出现顾此失彼的情况。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的要求。这些问题 不仅导致传统的人工布局、孔道连通及校核异常困难，即使采用般的c a d 方法亦难 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，在设计阶段投入的大量时间和精 力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设计方法来准 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 液压集成块设计问题研究综述 1 2 1 国外研究现状 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，迄今开发出的各类液压c a d 软件已有数十种。在液压阀块类零件设计方 面的研发工作主要有： 德国亚琛工业大学( t e c h n i c a lu n i vo fa a c h e n ，g e r ) 在b a c k e 教授的领导下，于 1 9 8 3 年研制出在a t m - c l a s s i cm o d e l7 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 【j j 。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 vo 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h j ，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 vo f t e c h n o l o g y ，f i n ) 在h 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 软件包口l ，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。 英国m m md a t a v i s i o n ( u k ) l t d 公司的c o o p e r 开发的e u c l i d 系统，研究了c a e 技 术在液压集成块的设计和制造上的应用 6 1 。 法国g r e n o b l e 机械学院的c h a m b o n l 7 和t o l l e n a e r e l 8 1 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；一项专家两个小时才能完成的设计，在a p p l e 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 m a c i n t o s hi i 计算机上应用该系统只需1 0 分钟。 以色列理工学院( i s r a e li n 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【9 j 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，可以节省8 0 的设计时间。 澳门大学( u n i vo fm a c a u ) 的w o n g ，e k 1 1 也“1 和香港理工大学( h o n gk o n g p o l y t e c h n i cu n i v ) 的c h u e n ，c w i l 2 l 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 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 n c o r p 、p a r k e r h a n n i f i n c o r p 、 v e s ti n c 、m o o gl t d 、加拿大a p o l l om a c h i n e r yl t d ，、意大利a t o s 公司、德国b o s c hr 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【1 副： s d t o o l s ( s c h e m a t i c d e s i g n t 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 t d 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 yd e s i g nt 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 dd 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 fs i c v ( s c r e w i nc a r t r i d g ev a l v e s ) 软件”刮是一 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。 i 2 2 国内研究现状 国内液压c a d 技术研发工作虽大约晚起步1 0 年，但迄今已有很大发展，2 0 年来 紧密跟踪国外先进技术，取得了一些具有我国特色的研究成果。 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室在路甬祥、陈鹰教授的领导下，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【1 5 】，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 6 , 1 7 , 1 9 ； 上海交通大学于1 9 8 6 年开始研究插装阀c a d 软件l l ，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1 2 ，具有三维 c a d 的设计环境，能自动完成- - i $ 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；于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 2 l “j ，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、孑l 系表 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 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【2 6 j ：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 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【2 7 , 2 8 , 2 9 】。 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【3 0 ，3 “。 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【3 。 此外，北京科技大学、天津理工学院、华东冶金学院、南昌航空工业学院和北京机 械工业自动化研究所、北京机床研究所、大连液压件研究所、榆次液压件厂等单位也都 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开展液压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 3 3 , 3 4 , 3 5 j ，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。该软件在国 内多家液压件厂得到应用，被国内同行公认为应用推广情况较好的液压c a d 软件。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 3 6 3 9 和面向插装阀块的 c v c a d a m 4 0 a l , 4 2 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，更进一步对液压集成 块虚拟设计的建模技术进行了研究一。 1 2 3 研究基础 从上面的介绍中可以看出，目前国内外研究的各种液压集成块c a d 技术和应用软 件已经在原理图绘制、孔道校核、实体造型、工程图输出、甚至c a d c a m 集成等方面 达到了较高的水平，有效地提高了设计质量和工作效率，其中不少成果在一些企业已经 得到应用并产生了良好的效益。 但是，液压集成块c a d 中真正的核心问墨如何才能自动地得到量优的布局布 孔集成设计方案，却始终未能得到良好的解决，这已经成为该领域的“瓶颈”。可以说， 迄今国内外所做的大量研究都是围绕着这一核心问题进行的前置和后续性工作，而在集 成块的布局布孔设计方面，更多地是依靠人工凭经验所施加的交互性辅助技术来完成。 面对孔道干涉，以往的c a d 手段还不能自动确定移位方向和尺度进行自动寻优设计， 而是由人工凭直觉或经验确定调改方案，其本质上是一种“试凑”的方法。虽然有针对 布局策略和布孔算法做的研究工作，但也是把两者孤立开来分别处理，且重心放在孔道 连通和校核算法的研究上。即使能获得一个可行的设计方案，也无法保证其性能指标达 到最优。 从本质上讲，集成块设计问题的前提是承装元件的布局，结果是孑l 道的连通设计， 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 因为布孔是以布局方案为基础的，而布局方案需要连通结果进行评价。因此，研究的重 点应放在立体空间的布局优化上来。尽管人工智能为布局方案设计开辟了一条思路，但 其有限的规则库决定了它只能提供有限的解决方案，而且无法兼顾其后的布孔结果，这 对于一个复杂集成系统的优化设计来说是远远不够的。 根据上面的分析可以看出，对于液压集成块这类特殊丽典型的零部件，现有的c a d 方法尚不能十分有效地处理和解决其设计过程中的关键性技术难点问题。大连理工大学 液压教研室对上述问题做了针对性研究，取得了如下研究成果【4 4 l ： 1 提出液压集成块设计问题的核心是其布局布孔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液压元件布局方案的自动寻优，并针对此类问题 指出从立体布局的角度研究集成块设计的核心问题是解决该问题的有效方向。 2 提出液压集成块自动优化设计所要解决的问题是其多个布局布孔集成方案的自 动寻优问题。在此基础上，分析集成块立体布局的空间关系，给出优化目标和约束条件。 提出应用智能优化算法进行集成块自动优化设计的技术路线。 3 对集成块设计中存在的孔道校核、线网连通设计、孔道网络优化设计、元件外 形干涉校核、体积缩减、装配关系设计等六个典型环节进行分析，给出各自的数学模型， 在此基础上，研究各环节具体的实现算法。 4 应用v i s u a lc + + 6 。0 和o b j e c t a r x 开发工具包，开发出具有较高智能化的集成 块优化设计软件系统的三大模块：原理图智能设计模块h m b p l o t 、布局布孔自动优化 设计模块h m b c a d 和装配显示模块h m b v i e w 。结合动态特性仿真软件p b g s i m ，构 成了一套完整的具备性能保证的液压集成块优化设计系统。 上述研究成果虽然实现了液压集成块布局布孔集成方案的总体优化设计，并开发出 了具有较高智能化的集成块优化设计软件系统，能够对集成块进行完整的设计，但其仍 存在不足之处，主要有以下几个方面： 第一，该系统中存储元件信息的公用数据库结构不够完善，元件信息的检索和提取 不方便，而且无法对数据库进行扩充。 第二，该系统各个功能模块相互独立，必须首先由优化设计模块h m b c a d 计算出 数据结果，然后才能应用装配显示模块h m b v i e w 观察设计结果，无法在优化计算的 过程中实时观察设计中间结果的有关数据和块体的装配显示。 第三，该系统在优化计算开始后无法进行暂停、继续等控制。只能待程序运行到满 足预先设定的停止条件才能结束，灵活性不强。 第四，该系统缺乏对设计过程进行人工指导性介入的能力。 因此，建立分类多层次的元件数据库与图形库、合理规划库结构、充实数据库的信 息、丰富图形库的内容以及开发数据库的扩充接口是非常必要的，这将为集成块自动优 化设计提供强有力的支撑：如能将原系统相互独立的各设计模块集成为专门的液压集成 块设计程序，改进原系统无法控制优化进程及无法进行人工干预的不足，则可为提高集 成块设计水平和质量、缩短集成块设计周期提供有力的技术保障：若能将程序嵌入到目 前广泛使用的计算机辅助设计软件中，既可以降低开发成本，又容易被广大设计人员所 接受，增加系统的实用性。 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 1 3 课题的研究内容 本课题来源于辽宁省科学技术基金项目“基于虚拟设计技术的液压集成块c a d 关 键技术研究”( 2 0 0 2 2 1 3 2 ) 和国家自然科学基金项目“基于智能优化和虚拟设计的液压 集成块c a d 方法研究”( 5 0 3 7 5 0 2 3 ) 。 本课题的主要研究内容包括： 1 ) 通过对国内外同类研究现状和成果进行综述，总结集成块类零部件的结构特征 和设计、制造规律，了解当前的设计水平，指出集成块设计的问题和难点所在；通过对 已有研究基础的熟悉和掌握，发现其不足之处，制定对其进行完善和扩展的设计方案。 2 ) 对于液压集成块而言，安装在块体上的各种元件的相关数据是自动优化设计的 基础性信息，则结构完善、内容丰富且方便适用的元件库是对智能优化设计系统的基础 性支撑。本文将深入剖析各个厂家生产的各类液压元件的属性及构成规律，提取对集成 块设计有意义的信息，如元件的外形尺寸、底板孔系数据及其他附加信息等。并按照科 学的分类方法建立面向液压集成块智能优化设计系统的板式连接液压元件库。所建立的 液压元件库包括两部分：用于存储元件外形尺寸、底板孔系数据等信息的元件数据库和 用于集成块装配显示的元件三维图形库。 3 ) 针对原系统模块不能集总一体及功能不够完善的不足之处，本文将应用v c + 十 开发环境、o b j e c t a r x 开发工具包和m c a da p i 开发技术，将集成块设计中存在的孔 道校核、线网连通设计、孔道网络优化设计、元件外形干涉校核、体积缩减、装配关系 设计等六个典型环节的实现算法集成为专门的液压集成块设计程序，并将其嵌入到目前 广泛使用的三维参数化造型软件m d t ( a u t o c a dm e c h a n i c a ld e s k t o p ) 中，在m d t 原 有功能的基础上开发液压集成块智能优化设计系统，实现集成块最佳布局布孔集成方案 的自动生成，并可以在设计过程中进行人机交互控制、设计结果的实时显示、设计方案 的人工调改以及设计结果的输出等。 6 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 2 液压集成块设计基础 摘要：从介绍液压集成块的结构特点和设计准则入手，指出集成块优化设计问题是布局布孔集 成方案的自动优化设计。在此基础上，分析集成块立体布局的空间关系，给出优化目标和约束条件， 确定集成块设计问题的数学优化模型。最后，简述自动优化设计涉及的关键环节及其算法实现思想。 2 1 液压集成块结构特点及其设计准则 2 1 1 液压集成块结构特点 按照结构和用途划分，液压集成块有条形块( b a rm a n i f o l d s ) 、小板块( s u b p l a t e s ) 、 盖板( c o v e r p l a t e s ) 、夹板( s a n d w i c hp l a t e s ) 、阀安装底板( v a l v ea d a p t o r s ) 、泵集成块 ( p u m pm a n i f o l d s ) 、逻辑阀块( l o g i cm a n i f o l d s ) 、叠加阀块( a c c u m u l a t o rm a n i f o l d s ) 、 专用阀块( s p e c i a l t ym a n i f o l d s ) 、集流排管和连接块( h e a d e r a n dj u n c t i o n b l o c k s ) 等多 种形式，如图2 1 所示。实际系统中的液压集成块是由阀块体以及其上安装的各种液压 阀、管接头、附件等元件组成，如图2 2 所示。 b a tm a n i f o l d s s u b # a t e *c o v e q ) l a t e s s a n d w i c hp l a t e sv a l v e a d a p t o r s p u m pm a n i f o l d sl o 辩m a 艏f o l d r , a c c u m u l a t m a n i f o l d s 辨c l a l l y 啪n 蹦d sh d e ra n dj u n 棚e nb l o c k s a 阀块体 图2 1 液压集成块结构类型 f i g 2 ，1s t r u c t u r et y p e so f h m b b 装配图 图2 2 液压集成块典型实例 f i g 2 2t y p i c a li n s t a n c eo f l i m b 7 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 1 阀块体 阀块体是集成式液压系统的关键部件，它既是其它液压元件的承装载体，又是它们 油路连通的通道体。阀块体一般都采用长方体外型，材料一般用铝或可锻铸铁。 阀块体上分布有与液压阀有关的安装孔、通油孔、连接螺钉孔、定位销孔，以及公 共油孔、连接孔等，为保证孔道正确连通而不发生干涉有时还要设置工艺孔。一般一个 比较简单的阀块体上至少有4 0 6 0 个孔，稍微复杂一点的就有上百个，这些孑l 道构成 一个纵横交错的孔系网络。阀块体上的孔道有光孔、阶梯孔、螺纹孔等多种形式，一般 均为直孔，便于在普通钻床和数控机床上加工。有时出于特殊的连通要求设置成斜孔， 但很少采用。 2 液压阀 液压阀一般为标准件，包括各类板式阀、插装阀、叠加阀等，由连接螺钉安装在阀 块体上，实现液压回路的控制功能。 3 管接头 管接头用于外部管路与集成块的连接。各种阀和阀块体组成的液压回路，要对液压 缸等执行机构进行控制，以及进油、回油、泄油等，必须与外部管路连接才能实现。 4 其它附件 包括管道连接法兰、工艺孔堵塞、油路密封圈等附件。 2 1 2 液压集成块设计过程 图2 3 液压集成块生产过程 f i g 2 3p r o d u c t i o np r o c e d u r eo f h m b 液压集成块生产的全生命周期包括如图2 - 3 所示的六个过程：原理图设计、集成块 设计、核准、制造、检查、安装。其中最关键的是设计过程，可以分为装配关系设计和 连通关系设计两个阶段 4 5 4 6 】。设计的初始条件是从原理图得到的连通要求。 1 装配关系设计布局( l a y o u t ) 装配关系设计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h 管接1 7 ：1 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： 1 1 结构紧凑，体积尽可能小； 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 2 ) 承装元件要有足够的安装调试空间； 3 ) 布局应为连通关系设计创造有利条件； 4 ) 满足用户对装配关系的一些特殊要求。 2 连通关系设计布孔( c o n n e c t i o n ) 集成块的连通关系设计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： 1 ) 保证百分之百实现液压原理图的连通关系； 2 ) 工艺孔数目尽量少，连通路径长度尽量短； 3 1 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： 4 ) 满足某些阀的动态特性要求。 2 1 3 液压集成块设计问题特点 1 布局与布孔的关系 集成块的布局和布孔是相辅相成而又相互制约的，设计中应互相兼顾。如果布局合 理，则孔道连通方便，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。 所以说，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。 2 自动优化设计 目前的集成块设计将布局和布孔孤立开来分阶段处理更多地依靠人工凭经验所 施加的交互性辅助技术来完成，以期能获得一个可行的设计方案。对于复杂的工程问题， 即使在可视化程度较高的c a d 软件环境中，交互调整设计方案也是十分困难的事情， 何况无法保证综合设计指标最优化。 图2 4 自动优化设计流程 f i g 2 4p r o c e d u r eo f a u t o m a t i co p t i m a ld e s i g n 既然布局设计和布孔设计在集成块的设计中是紧密联系、不可分割的，因此只有把 两者结合起来，才能很好地完成集成块的优化设计。这样，就形成集成块设计的两个迭 9 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 代循环，小循环是在孔道连通设计内部调整布线顺序；大循环是不断调整布局方案后进 行布孔计算。因此，必须采取一种具有智能性的优化策略，完成液压阀在阀块体上的布 局定位、实时校核下的孔道自动连通、连通方案的目标评价和布局方案的自动调改等设 计内容和步骤( 如图2 4 所示) 的自动实施，最终生成集成块布局布孔优化方案。 2 2 集成块设计数学模型 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 4 4 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 题的完整的数学优化模型。 2 2 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 一的集成块立体空间坐标系。图2 5 表示了集成块的绝对坐标系9 一x y z 、六个面以及 各面上的相对坐标系x o y ( 0 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 = f 0 。，9 0 。，1 8 0 。，2 7 0 。 。 左 图2 5 集成块空【司关系不意图 f i g 2 5s p a t i a lr e l a t i o no f l i m b 2 ) 阀类元件 液压阀的安装底板通常为长方形，其外形虽不规则，但考虑到阀的安装和操作空间， 也可将其外形近似为长方体，这在工程实际中是合理的、必需的，在计算中也大大简化 了建模的复杂性。图2 6 表示了液压阀底板和外形的位置关系，a 、b 、a 、b 分别为底 板和外形长方形的长和宽：x 、y 是底板和外形中心点。和o 的位置偏差，x 、y 是底板 1 0 液压集成块智能优化设计系统一模型数据库与系统集成 上孔道相对于o 点的坐标。对于标准的液压阀，这些变量都是固定的，只要确定安装基 点即o 点的位置就可以计算出液压阀的其它数值，从而进行连通设计、安装位置检查和 外形干涉校核。 图2 6 液压阀位置关系示意图 f i g 2 6p o s i t i o nr e l a t i o no f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s 注：由于液压阀具有典型性，后面一律用阀类元件指代所有的集成块承装元件。 3 ) 线网、端孔、工艺孔 相互连通的孔道构成一条线网，其中包括与阀孔直接连通的孔道( 称作端孔) 和为 达到连通要求而人为增加的工艺孔，连通两个端孔的线网叫做两端线网，连通三个或三 个以上端孔的线网叫做多端线网。一条线网中所有孔道深度之和。叫做线网长度。孔道 对象包括基面、位置和深度等信息，端孔的基面、位置信息由布局决定，工艺孔的信息 在连通设计过程中确定。 引入线网概念，为描述集成块孔道的连通关系和进行孔道之间的干涉检验及完成对 干涉孔的修改等提供了方便有效的工具：还可以结合集成块各孔道间的位置关系规律， 判断是否需要进行干涉检验，从而避免了不必要的计算或重复判断。 4 ) 布线顺序 对于集成块孔道网络设计，如果按照既定的顺序对一个个线网进行连通设计，很有 可能因为已经连通的线网对后来需连通的线网产生干涉，导致后者无法布通，或者出现 虽然布通但不是最短路径的情况。这类结果的产生主要是因为布线顺序不合理。如图2 7 ( a ) 所示实例( 阴影区块表示障碍) ，在图( b ) 中，先布线网a 后布b ，则b 无法布通： 而按图( c ) 所示，先布b 后布a ，则两条线网都可布通。 图2 7 布线顺序对连通结果的影响实例一 f i g 2 7a f f e c t i o nt oc o n n e c t i o nr e s u l tc a u s e db yc o