液压集成块CAD关键技术研究综述.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N O ． O 9 ． 2 0 1 4 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 4 ．0 9 ． 0 0 2 液压集成块 C AD关键技术研究综述 王文静 东方电气集 团 东方 电机有限公司 ， 四川 德阳6 1 8 0 0 0 摘要 对集成块 C A D发 展的背景 、 应用优势 、 研究现状进行 了阐述 ； 综述了液压集成 块 C A D系统 开发中涉及 到的原理 图信息 获取 、 孔道校核 、 孔道设计 优化等关键技术 ， 指 出了 C A D系统尚存 在的问题 ， 并对其研究前景进行 了展望 。 关键词 液压集成块 ； C AD系统 ； 关键 技术 中图分类号 T H1 3 7 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 9 0 0 0 3 0 4 S ur v e y o n Ke y CAD Te c h n i q u e s o f Hy d r a u l i c M a n i f o l d WA NG We n - rin g D o n g f a n g E l e c t r i c Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ，D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r e x p o u n d s t h e b a c k g r o u n d ， a p p l i c a t i o n a d v a n t a g e s a n d r e s e a r c h s t a t u s o f C AD d e v e l o p me n t f o r Ma n i f o l d ， s u mma r i z e s s o me k e y t e c h n i q u e s o f CAD s y s t e m． T h e k e y t e c h n i q u e s c o n s i s t s o f g e t t i n g a s s e mb l y a n d c o n n e c t i o n i n f o r ma ti o n f r o m h y d r a u l i c p o we r c i r c u i t ， c h e c k i n g h o l e i n t e r f e r e n c e ， p a th c o n n e c t i o n ， o p ti mi z a ti o n o f r o u t i n g d e s i g n ， e t a1． Th e c u r r e n t d e f i c i t s a n d t h e f u t u r e r e s e a r c h t r e n d s are d i s c u s s e d a n d a n a l y z e d b a s e d o n t h e s u e y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c ma n i f o l d； C AD s y s t e m； k e y t e c h n i q u e s O 引言 液压集成块是液压系统中的关键部件 ．随着液压 系统复杂程度的增加 ， 集成块的设计难度越来越大 。长 期以来 ．集成块的设计主要依赖于设计者 的设计经验 和空间想象力 ， 需要长时 间的注意力高度集中 ， 否则很 容易 出现设计失误。因此 ， 使用计算机辅助设计方法来 简化设 计过程 就引起 了 国内外 液压学术 界 的极大关 注 ． 并取得了不少成果[ 1 - 2 ] 。 液压集 成块 C A D系统 本质上是通过优 化算法 自 动完成孑 L 道设计 ．结果要能正确反映液压原理图的设 计要求。因此 C A D系统的主要工作就是如何找到最优 的布局布孔集成设计方案 在 目前 的集成块 C A D系统研 究 中主要 分为两个 方 向． 一是在基于现有成熟 C AD软件和液压 阀数据库 基础上 ， 通过人工交互方式来完成设计过程[ 5 - 9 ] 二是在 底层独立开发新 的系统 ．系统支持液压原理图的绘制 并 自动从 中获取节点信 息 ．并根据设计算法 自动完成 孔道设计 ， 这也是 目前主流商业软件的开发路线 。前者 要求设计人员完成较多 的计算机交互操作 ．确定液压 元件布局 ． 并人工进行孔道设计 。后者只要求设计人员 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 1 1 5 作者简介 王文静 1 9 8 5 一 ， 男 ， 江西吉安 人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事设 备 及液压技术方 面的工作。 提供辅助信息支持 。 主要设计工作 由系统 自动完成 。 比 较有代表性 的研究有冯毅 、田树军等开发 的 HMB I V D 系统【 o l 。 总的说来 ． 集成块 C A D系统 的关键技术包括 以下 几个方 面 孔道连接信息获取 基于液压原理图 、 孔道 干涉校核 。 最小壁厚检查 、 孔道智能优化设计等。本文 将对上述各项技术进行综述 ． 并在此基础上 。 分析 目前 集成块 C AD系统存在 的不足 以及发展趋势 。 1 关键技术 1 ． 1 基于液压原理图的信息获取 液压 原 理 图是集 成块 孔 道连 通设 计 的依 据 。 是 C A D系统的支撑基础 。因此液压集成块设计的第一个 步骤就是绘制液压原理图 ， 如图 1 如示。为了达到 自动 设计 的要 求 ． 要考 虑将原理 图进行信息分解 、 提炼 ， 并 存储成 固定数据格式 的文件 ．文件应包括元件定位信 息、 连接信息及阀块尺寸信息等。 早 期 学 者 提 出 一 种 利 用AD S A u t o C A D D e v e l o p me n t S y s t e m 获取原理 图的方法【 “ 】 。 设计者首先 通过辅助工具完成液压原理 图的绘制 ．然后运行 A D S 应用程序 ．通过油路搜索和油 口递归识别算法提取集 成块 C AD系统后续操作所需信息。 李 利等 在 Au t o C A D平 台上 运用 O b j e c t AR X工具 开发了智能集成块原理图设计系统【 埘 。 系统使用图块方 3 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 4年 第 0 9期 法建立了液压元件 图库。采用编号法对液压阀进行区 分 ．并借助机器人无碰轨迹规划算法来完成原理 图的 布线工作。原理图绘制完成后系统 自动生成记 录连通 信息的数据库文件 ． 并供后续工作调用。 1 ／ 2 P T l ， 图 1 原理 图绘制 上述两种方法只适用于 A u t o C A D平 台．不利于集 成块 C A D系统 的跨平台开发实现。但其开发思路是值 得借鉴的。目前很多商业集成块软件均设计有基于 自 身平台的原理图绘制模块【 l 3 】 1 ． 2孔道干涉校核 在集成块设计 中． 阀块体 内部有几十乃至上百个孔 道 ， 是包括通油孔、 工艺孔 、 螺纹孔和销孔等的复杂孔道 网络 。 因此孔道间的干涉校核及最小壁厚的检查就显得 尤为重要。 目前这方面的算法 已经比较成熟【 l 訇 。 孔道校 核可 以通过将孔道简化为包络 圆柱体 ．并逐一 比较孔 道之间以及孔道与各面之间的空间位置关系来验证 对于斜孔的干涉校核 ．熊壮等提 出可以首先计算 斜孔轴线间距离 d， 并 与孔半径之和 比较 ． 如 d大于孔 半径之和 ， 则两孔不相通 ， 否 则将两孔分别投影到设定 的 XO Y、 Y O Z 、 XO Z坐标面上 。利用最小包围盒及线段 求交方法判断投影是否重合 ．只要有一个面上的投影 没有重合部分就表示两孔不相通 于玲等针对 插装式 复杂阶梯 孔系的校核问题 ． 提 出了对阶梯孔进行分段处理 的算法 ．将每一段简化为 包络 圆柱体 ，同时引入条件式校核规则 ．忽略同一线 网、 阀组 内的孔道校核 。 有效地缩短 了校核时间f l 8 】 1 ． 3孔道连接 集成块 的孔道连接是集成块设计 的重点 ．需要根 据液压原理 图中各油 口间连通关系及液压元件装配关 系来设计方案 ， 确定连通孔道 的位置和深度 ． 以及必要 时增加工艺孔 。许多学者在这一关键技术上进行 了大 量的研究 4 阮春红等提 出了基于李氏迷宫算法 的孔道 自动布 局设计方法[ 。 李氏迷宫算法首先对集成块进行三维网 格划分 ． 孔道路径从最小细分单元 网格延伸。这种算法 在多层线路板的 自动布线 中已得到了成功应用。然而 ， 这种方法会导致工艺孔的大量增加、不适当的网格大 小选取会导致空间利用率很低 。从而令设计质量得不 到保证。在路径布线中可 以考虑加入方 向优先 即尽量 在同一方 向上扩展 的控制策略。 周惠友等在基于工艺孔与连通孔道不在同一平面 或对面的特性 ．利用树图方式提出了集成块孔道路径 设计的理论模型 ．并给出了孔道连接设计 的树形数据 结构及路径 的最小代价搜索法 ，适合于复杂阶梯孔系 孔道的设计 。 但该方法模型是建立在工艺孔连接孔道 基础上的 ． 没有考虑到油孔对齐直联的特殊状况 ， 有待 于进一步的完善 后期的研究主要是 以工艺孔数 目最少及连通路径 最短为优化 目标 。田树军等提 出一种基于顺序优化 的 集成块孔道连通设计方法 [ 2 1 】 ．即在实时孔道干涉校核 下 ．对单条线 网内部 多个两端线 网的连通顺序和多条 线网之间的布线顺序进行优化。文献将单线网连通和 多线网连通的总体优化设计归结 为一个带约束的多 目 标函数优化问题 ．并采用线性加权法构造 了相应的评 价函数 。 进而求解该评价函数 的最优解 。在多线网孔道 连通设计 中， 采用模拟退火算法进行布线顺序的求解。 1 。 4孔 道优 化 孔道优化实际上在孔道连通算法支撑下 的三维空 间中液压元件布局方案的 自动寻优 ．是一种 复杂 的带 性能约束 的立体空 间布局问题 。在数学上归结为组合 优化问题。可以通过选择设计变量 ， 确定 目标 函数和约 束条件 ． 再利用智能优化算法进行求解 。 目前在孔道网络优化中应用最广是遗传算法和模 拟退火算法Fz 2 - 2 3 ] 。遗传算法的编码技术和遗传操作 比较 简单 ， 优化不受 限制性条件的约束 ， 具有稳定 、 收敛、 高 效等优点 ． 但局部寻优能力差。模拟退火算法具有描述 简单 、 使用灵活 、 运用广泛 、 运行效率 高和较少受初始 条件限制等优点 ， 但优化时间过长[2 4 1 。徐峰涛等利用遗 传算法较强 的全局搜索能力与模拟退火算法 良好 的局 部搜索能力发挥优势互补 ． 将两种算法整合运用 。 同时 引入工程设计经验 ，实现人、机在算法层面的有机结 合 ， 使系统成功应用于涉及 板式阀、 插装 阀、 叠加 阀混 用的复杂型液压集成块设计12 zq 针对使用智能算法进行优化设计导致 的设计关联 性差 ， 设计结果修改 困难等缺陷 ． 高卫国等创新性地提 出了一种基于多智能体的智能优化方法闭 设计系统引 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ NO ． 0 9 ． 2 0 1 4 人了元件智能体、 油路智能体和控制智能体 。元件智能 体可实现元件布局 的优化调整 。油路智能体可进行连 通油路 的 自动创建 、 内部有效性验证和关联更新 ． 控制 智能体用于协调元件智能体与油路智能体间的设计活 动及 冲突消解方案决策等 。三类智能体之间的通信采 用黑板模式 ． 利于状态信息共享 ． 通过三者的交互协调 从而实现液压集成块动态关联 的智能设计 2 存在 的不足及发展趋势 液压集成块 C A D技 术作为计算机技术 在液压设 计领域 的具体应用 ． 已经取得了长足的进步 ， 涌现出一 大 批 例 如S e c o MAN、 H MB 2 0 0 7 、 i d e s i g n 、 O L E O Z 、 MD T o o l s 等集成块商业设计软件 ． 有效地提高了设计 效果 ， 且交互可视 ， 操作方便 ． 设计结果如图 2如示 。 图 2集 成 块 软 件 设 计 可 视 化 当然现有 的液压设计软件仍存在一些不足和有待 发展之处 ．例如开发的 C AD系统元件数据库较 简单 、 交互操作过 于复杂、 智能决策水平较低 、 对设计后续加 工环节支持 不足等 。因此 。 集成块 C A D系统设计的发 展趋势应至少包括 以下几个方 面 1 系统能提供强 大的原理 图绘制功能及 良好 的 交互界面 ， 建立包括液 压元件阀、 接头 、 堵头 、 螺塞等的 完整数据库 2 系统智能决策水平更高 。 自动优化功 能更 强。 用户可以调整控制参数 、更换优化算法 ．从而指导寻 优 。 控制优化过程 3 结合虚拟设计技术 ， 系统能提供具有沉浸感 的 设计环境 用户可以对设计过程进行多角度观察分析 ， 查看孔道 网络各部分的连通情况 ．进行有针对性地调 整 ， 还可以随时修改优化模型 4 能够方便输出集成块工程 图及 NC代码 ， 实现 C A D系统与 C A M系统 的无缝连接 3结 论 液压集 成块 C AD技术 的发展 融合 了多学科 优化 技术 ． 其发展趋势必将是多种智能优化方法相互混合 、 相互取长补短为主 ， 与网络技术 、 信息融合技术 、 虚拟 现实技术等相互融合 ，对液压集成块布局布孔进行综 合优化和评价。本文对集成块 C A D关键技术进行 了详 细阐述 ， 为该领域后续深人研究提供了详实的资料 ， 可 供相关领域研究人员提供参考 。 参 考 文 献 [ 1 ] R o n g l i a n g Wa n g ，C A D o f H y d r a u l i c Ma n i f o l d w i t h O b j e c t O ri e n t e d F e a t u r e B a s e d S o l i d M o d e l i n g [ R ] ． C h i c a g o I n t e r n a t i o n a l E x p o s i t i o n f o r P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d T e c h n i c a l Co n f e r e n c e ， 2 0 0 0 ． [ 2 】 赵葛霄， 司徒 忠， 等 ． 液压集成块 软件包 H G MC的开发研究【 J 】 ． 机械 制造， 2 0 0 2 ， f 4 3 6 3 8 [ 3 】 C h a mb o n ， R ． ， T o l l e n a e r e ， M． ， A u t o m a t e d A L b a s e d Me c h a n i c al De s i g n o f Hy d r a u l i c Ma n i f o l d B l o c k s ， Co mp u t e r A i d e d D e s i gn[ J ] ． 1 9 9 1 ， 2 3 3 2 1 3 - 2 2 2 ． [ 4 ] 高卫 国． 液压集成块设 计过程建模理论、 方法及应用研究【 D 】 ． 天津 天 津大 学， 2 0 0 6 ． 【 5 】 Xi a n g W． ， C h u e n C ． W． F e a t u r e R e p r e s e n t a t i o n a n d D a t a b a s e S c h e ma o f a n O b j e c t o ri e n t e d F e a t u r e - B a s e d P r o d u c t Mo d e l f o r Hy d r a u l i c Ma n i f o l d B l o c k s ，I n t e r n a t i o n al J o u rna l of Ad v a n c e d M a n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y [ J ] ． 2 0 0 0 ， 1 6 3 1 8 2 - 1 8 8 ． [ 6 ] 滕召旗， 吴百海， 吴 申卉， 等． 面向液压集成块设 计 的交互 式软 件开发研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 0 ， 4 1 3 1 5 ． [ 7 】 李卫 民， 谢 里 阳． 基于 S o l i d Wo r k s 的液压 集成块 虚拟设计 [ J ] ． 东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 6 6 8 1 6 8 4 ． f 8 1 李波， 孙春耕， 袁锐 波． I n v e n t o r 软 件在液压 阀块 中的设计应用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 ， 3 5 3 - 5 4 ． [ 9 】 范健 良， 包继华， 袁 向， 等． P r o ／ E软件在液压集成块设计 中的应 用[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 ， 1 1 7 4 1 7 6 ． [ 1 0 】 冯 毅， 张宏 ， 等． 基于智 能虚拟设计方法 的液压集成 块设计 [ J ] ． 计算机集成制造系统 ． 2 0 0 6 ． 1 2 3 3 9 3 4 5 ． [ 1 1 】 杨璐， 聂崇嘉． 用 AD S实现由原理图自动提取连通信息[ J ] ． 液 压气动与密封 ， 1 9 9 7 ， f 4 1 3 4 3 8 ． [ 1 2 ] 李利 ， 冯 毅， 等 ． 基 于 O b j e c t A R X的液压 集成块原 理 图智 能设 计软件[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 ， 2 8 4 8 6 ． [ 1 3 】 韩 吕 昌． 利 用 S e c o MA N简化 油路 块 设计 [ J ] ． 有 色金 属加 工 ， 2 0 1 1 , 2 1 4 3 - 4 6 ． [ 1 4 】赵葛霄， 司徒 忠， 等． 实用液压集 成块空 间孑 L 道校核方 法[ J ] ． 机 床与液压， 1 9 9 8 ， 6 5 5 5 6 ． [ 1 5 】任小 中， 王 晓强 ， 等． 液压集成块 孔系空 间几何 位置 的算 法[ J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 0 0 ， 5 3 4 3 6 ． [ 1 6 】汤国兴， 张柏清， 等． 液压集成块 C A D系统的设计与实现[ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 0 6 ， f 6 8 1 0 ． [ 1 7 ]熊壮， 喻道远， 等． 液压集成块内部孔系的自动校验[ J ] ． 机床与 液压， 1 9 9 8 ， 5 5 3 5 4 ． 『 1 8 1于玲， 宁建荣， 等． 液压集 成块复 杂阶梯孔 系孔道 校核方法研 究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 9， 4 2 0 2 2 ． 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 9期 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 4 ．0 9 ． 0 0 3 杆密封件高温高压试验台设计 王爱军 德州宇力液压有 限公司， 山东 德州 2 5 3 0 0 4 摘要 杆 密封 件高温高压试验 台具有低功率 、 高效率 、 结构简单 、 自动化程度 高等 特点 ， 主要 由计算机 测试 系统 、 电气 控制系统 、 液压 与气动系统、 模拟加载试验台架组成 。通过模 拟加 载试验 台架模拟杆密 封件的往复运动 ， 采用 工控机 、 P L C 、 传感器进 行杆 密封件性能 试验数据的采集与存储 ． 为检验杆密封件性能的优 良和研制提供保障。 关键词 杆密封件试验 台； 高温高压 ； P L C控制 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 9 0 0 0 6 0 2 De s i g n o f Hi g h Te mp e r a t u r e a nd Hi g h Pr e s s ur e Te s t De v i c e f o r Ko d S e a l ANG D e Z h o u Yu l i H y d r a u l i c C o ． ， Ai - j n L t d ． ，D e z h o u 2 5 3 0 0 4 ， C h i n a A b s t r a c t H J|g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e t e s t d e v i c e f o r r o d s e a l h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w p o w e r ，h i g h e ff i c i e n c y ，s i m p l e s t r u c t u r e ， t h e h i S h d e g r e e o f a u t o ma t i o n ， wh i c h i s c o n s i s t e d o f c o mp u t e r t e s t s y s t e m， e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m， h y d r a u l i c a n d p n e u ma t i c s y s t e ms a s we l l a s l o a d s i mu l a t i o n t e s t b e n c h ． B y s i mu l a t i o n l o a d t e s t b e n c h s i mu l a t e r o d s e a l r e c i p r o c a t i n g a n d s e ali n g p e rf o r ma n c e t e s t d a t a a r e a c q u i r e d a n d s t o r e d b y I P C， P L C ， s e n s o r ． T h e d e v i c e c a n p r o v i d e a n e x c e l l e n t t e s t c o n d i t i o n s for r o d s e a l s ． Ke y wo r d s r o d s e al t e s t d e v i c e ； h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e ； P L C c o n t r o l O 引言 杆密封件是液压缸活塞杆密封的必备元件 ．其质 量直接影响液压缸的性能 。杆密封件高温高压试验台 是进行杆密封件基础研究和应用技术研究所必须 的基 础设备。杆密封件高温高压试验台的设计与开发 。 要达 到工作 可靠 、 效率高 、 成本低 ， 首先应考虑模 拟杆密封 件的相关工况 其次应考虑杆密封件试验数据的获取 和利用 再次考虑适应不同规格的杆密封件 。目的是根 据试验得到密封测试数据 ， 进一步研究密封件 的材料 、 结构 、 温度 、 速度 、 压力对密封件 的工作性 能和寿命 的 收稿 目期 2 0 1 4 0 7 2 8 作者 简介 王 爱军 1 9 7 1 一 ， 男 ， 山西 晋 中人 ， 工程 师 ， 本科 ， 现从 事液 压 缸 、 密封件及超高压液压系统的设计和研究工作。 影响 ， 从而合理设计和应用相关密封件 。 1 系统结 构与组成 杆密封件高温高压试验台组成和控制方案如 图 1 、 图 2所示 ， 包括计算机测试系统 、 电气控制 系统 、 液压 与气动系统 、 模拟加载试验台架。计算机测试系统 由工 控机 ， 数据采集卡和组态软件组成 ． 负责监控试验的全 过程 ． 对采集来 的数据进行处理 ． 以数字和图表 的形式 显示性能参数并生成报表 电气控制系统以 P L C为核 心 ， 主要负责对传感器采集的数据进行数模转换 ． 执行 工控机 的指令 。 实现对液压与气动系统的直接操作 液 压与气动系统是提供被测杆密封件 的高温、高压和往 复运动的动力源。模拟加载试验台架主要包括模拟液 压缸和驱动气缸 ， 被测杆密封件放置在模拟液压缸 内。 [ 1 9 ]阮春红， 冯磊， 等． 李 氏迷 宫算法在液压 阀块 C A D中的应用研 究【 J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 1 ， 4 5 9 0 5 9 2 ． 【 2 0 ] 周 惠友， 钟廷修 ． 液压集 成块路 径优化设 计[ J 】 ． 上海交 通大 学 学报． 2 0 0 1 ． 3 5 1 2 1 8 4 2 1 8 4 5 ． [ 2 1 】田树 军， 贾春 强， 等 ． 基 于顺序优化 的液压集 成块孔 道连通设 计【 J ] ． 大连理工大学学报， 2 0 0 8 ， 0 3 6 3 3 6 7 ． 【 2 2 】 代宝 江， 高艳 明， 等． 采用 遗传算法进 行液压 集成块 的 自动优 化设 计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 ， 4 9 O 一 9 3 ． 【 2 3 】田树军， 李利， 等． 模 拟退火 算法在集 成块孔道 网络优 化设计 6 中的应用[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 3 ， 2 3 8 4 0 ． [ 2 4 ] 陈丽莉， 林义忠， 等． 液压集成块智能优化算法概述[ J ] ． 液压与 气动， 2 0 1 0 ， 8 6 1 0 ． [ 2 5 】 徐 峰涛， 王丹虹， 等． 复杂 型液压集成块 的优化设计[ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 0 8 ， 4 4 6 4 9 ． [ 2 6 】高卫国， 牛文铁， 等． 基于多智能体的液压集成块智能设计[ J ] ． 计算机工程与应用． 2 0 1 0 ． 4 6 0 5 5 5 8 ． [ 2 7 】王文静 ， 冯超 ． 基 于 MD T 0 o l s 的液 压集成 块三 维设计 [ J ] ． 液压 气动与密封， 2 0 1 2 ． 3 2 5 1 7 1 9 ．