基于分層設(shè)計(jì)的插裝閥集成塊CAD方法

2013-08-06 by:ProE/Croe培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

0 引言

隨著二通插裝閥控制技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用,插裝閥液壓集成塊的設(shè)計(jì)問(wèn)題已愈加受到人們的關(guān)注。由于插裝閥元件的結(jié)構(gòu)特殊性和集成塊內(nèi)部孔道連通的復(fù)雜性,使集成塊設(shè)計(jì)工作具有相當(dāng)難度,頗費(fèi)工時(shí)且容易出錯(cuò)。因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用CAD技術(shù)和方法已成為行業(yè)內(nèi)的必然選擇。但在目前,國(guó) 內(nèi)外所見的液壓集成塊CAD研究基本上集中在原理圖繪制、孔道校核及二維工程圖輸出等方面,很少涉及到液壓集成塊中元件布局和孔道連通的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì), 且大多數(shù)研究都集中在板式閥,針對(duì)插裝閥的則較少見。

同時(shí),隨著CAD 專業(yè)軟件、方法和工具的不斷發(fā)展和升級(jí),也為液壓集成塊CAD設(shè)計(jì)提供了更為有利的外部軟件支撐。在此新形勢(shì)下,本文就插裝閥集成塊CAD設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究,全面分析了插裝閥的結(jié)構(gòu)特征及集成塊的設(shè)計(jì)方法,提出了一種以現(xiàn) 代設(shè)計(jì)理論和方法為基點(diǎn)的基于功能塊及分層設(shè)計(jì)的插裝閥集成塊CAD設(shè)計(jì)方法。

1 插裝閥結(jié)構(gòu)及其集成塊設(shè)計(jì)方法

1.1插裝閥的結(jié)構(gòu)特征

二通插裝閥由插裝件、控制蓋板、先導(dǎo)控制閥和集成塊體四部分組成。其中插裝件坐于集成塊體內(nèi)部,集成塊體既是插裝閥的閥體,同時(shí)也是系統(tǒng)中所有插裝件的承載體。與普通板式閥相比,由于插裝閥結(jié)構(gòu)的特殊性使得插裝閥集成塊的設(shè)計(jì)問(wèn)題顯得更加復(fù)雜,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1) 二通插裝閥采用了插入式連接的座閥結(jié)構(gòu),整個(gè)插裝件都坐在集成塊體內(nèi)部,其孔道為由若干階梯組成的階梯孔,同時(shí)二通插裝閥階梯孔中帶有側(cè)向孔道,且該孔道的方向只能由與其相通的插裝閥位置來(lái)決定,具有孔道方向不定性。

(2)插裝閥系統(tǒng)中的控制油道非常復(fù)雜,若只是按照直孔方式進(jìn)行連通則會(huì)大大增加工藝孔的數(shù)量,影響集成塊的性能,因此在加工條件允許的情況下,為減少工藝孔數(shù) 目,根據(jù)設(shè)計(jì)需要可適當(dāng)?shù)夭捎眯笨走M(jìn)行連通。

(3)插裝閥的控制阻力采用了閥口相互獨(dú)立分離的結(jié)構(gòu),插裝閥液壓系統(tǒng)的元件數(shù)目大大增加。一般來(lái)說(shuō) ,一個(gè)普通板式閥的控制功能需用兩個(gè)或四個(gè)甚至更多的插裝閥才能實(shí)現(xiàn),大大增加了集成塊元件布局設(shè)計(jì)的工作量。

1.2 集成塊設(shè)計(jì)CAD方法分析

總結(jié)目前集成塊CAD設(shè)計(jì)方法主要有兩種:

(1)根據(jù)液壓系統(tǒng)提供的元件信息及元件之間的連通信息實(shí)現(xiàn)元件的計(jì)算機(jī)自動(dòng)布局和孔道之間的自動(dòng) 連通,直接生成集成塊三維立體圖或二維工程圖。

(2)根據(jù)系統(tǒng)原理憑借設(shè)計(jì)者的人腦思維和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定出集成塊的集成方案,確定元件的布局位置, 然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行孔道安全校核,完成集成塊CAD設(shè)計(jì)。

上述兩種方法中,第一種方法自動(dòng)化程度高,以智能優(yōu)化設(shè)計(jì)理論為依托,利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)集成塊自動(dòng)布局和布孔,達(dá)到了對(duì)集成塊體積、工藝孔數(shù)、最短孔道路徑等優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)設(shè)計(jì),但由于各液壓系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境及裝配環(huán)境的不一致性,很難將其納入優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊當(dāng)中,設(shè)計(jì)者還需根據(jù)系統(tǒng)工況對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)改, 直至滿足設(shè)計(jì)要求。第二種方法的元件布局和孔道連通全部由設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè) 計(jì)得出,雖可以滿足系統(tǒng)實(shí)際工作及裝配環(huán)境的需求,但缺少優(yōu)化計(jì)算,只對(duì)孔道連通進(jìn)行安全校核,其設(shè)計(jì)結(jié)果僅為可行,難以達(dá)到最優(yōu),而且將插裝閥集成塊所有元件的布局和孔道連通設(shè)計(jì)問(wèn)題全部由設(shè)計(jì)者憑大腦思維和經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成, 大大增加了人的設(shè)計(jì)工作量,且設(shè)計(jì)難度很大,效率低。

對(duì)于二通插裝閥而言,由于其特殊的結(jié)構(gòu)和大大增加的元件數(shù)目,若采用第一種方法進(jìn)行設(shè)計(jì) ,可以進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì),但同時(shí)也會(huì)極大地增加設(shè)計(jì)工作量,而且還需要對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果進(jìn)行調(diào)改。若采用第二種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)則自動(dòng)化程度低,設(shè)計(jì)者設(shè) 計(jì)工作量大,效率低。為此,本文根據(jù)插裝閥的結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合上述種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn),提出一種針對(duì)插裝閥集成塊的CAD設(shè)計(jì)方法—基于功能塊及分層設(shè) 計(jì)的CAD方法,并對(duì)該方法進(jìn)行了探討性研究和分析。

2 功能塊及分層設(shè) 計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1 功能塊及分層設(shè)計(jì)概念的引入

由插裝閥的結(jié)構(gòu)及工作原理可知,每個(gè)插裝閥液壓系統(tǒng)都是由若干個(gè)基本功率回路組成,每個(gè)基本功率回路實(shí)現(xiàn)與其相應(yīng)的板式閥相同的作用。為此,將插裝閥系統(tǒng)的每一個(gè)基本功率回路作為一個(gè)整體參與到集成塊的CAD設(shè)計(jì)中,同時(shí),將每個(gè)基本功率回路內(nèi) 元件的相互位置關(guān)系作為確定非可變方案來(lái)處理,故只需進(jìn)行回路與回路之間的布局優(yōu)化,從而可以大大減少集成塊設(shè)計(jì)工作量。

從液壓系統(tǒng)確定的基本功率回路或系統(tǒng)要求的特殊回路出發(fā),引入功能塊的概念,將一個(gè)或若干個(gè)基本功率回路集中在集成塊某一個(gè)典型區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn),再根據(jù)液壓系統(tǒng)的實(shí)際工況進(jìn) 行典型區(qū)域內(nèi)元件的布局和孔道的連通設(shè)計(jì),這樣得到的區(qū)域稱之為功能塊。由于每一個(gè)功能塊上元件數(shù)目相對(duì)較少,相對(duì)位置關(guān)系容易確定,使設(shè)計(jì)變得相應(yīng) 簡(jiǎn)單,大大降低了整體設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)由于所有插裝閥液壓系統(tǒng)中的功率回路是基本一致的,為此可以建立一個(gè)開放式數(shù)據(jù)庫(kù),將設(shè)計(jì)者根據(jù)基本回路設(shè)計(jì)的功能塊存于其中,隨時(shí)進(jìn)行調(diào)用,既避免了重復(fù)勞動(dòng),又可顯著提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)規(guī)范。

為將所有功能塊有機(jī)組合以實(shí)現(xiàn)整體集成塊的設(shè)計(jì),本文又引入分層設(shè)計(jì)思想,將整體集成塊分成若干虛擬的層,每一虛擬層都由一個(gè)或數(shù) 個(gè)功能塊組成。通過(guò)對(duì)各功能塊的有機(jī)組合形成層,再對(duì)每一層進(jìn)行元件布局、孔道連通及校核,最后由層的組合形成一個(gè)層次鮮明的整體式液壓集成塊。

2.2 集成塊CAD的分層設(shè)計(jì)方法

有了分層設(shè)計(jì)思想,就要考慮如何進(jìn)行液壓集成塊的分層。一般情況下,分層是依據(jù)液壓系統(tǒng)中的基本功率回路來(lái)劃分。由于集成塊上的每一層(除了頂層)都留出上下兩個(gè)面作為層與層之間的結(jié)合面,故層內(nèi)的元件只能布局在前后左右四個(gè)面上。對(duì)于四通回路,其層內(nèi) 前后左右四個(gè)面均已占用,因此可以將一個(gè)四通回路的功能塊作為集成塊中的一層來(lái)處理。但在實(shí)際中,液壓系統(tǒng)中的功率回路是多樣的,有些功率回路比較簡(jiǎn) 單,只有一個(gè)或兩個(gè)元件(三通回路),此時(shí)就可以考慮將其與另一簡(jiǎn)單回路合并作為集成塊的一層加以實(shí)現(xiàn),以盡可能壓縮集成塊體內(nèi)的冗余空間,達(dá)到體積最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。

集成塊中元件的布局涉及到的設(shè)計(jì)變量較多,包括元件安裝基面、安裝角度以及在面上的安裝位置。在本文所述的分層設(shè)計(jì)中,層的上下兩面作為結(jié)合面,故安裝面的集合為face ={前、后、左、右};安裝角度通常采用直角,構(gòu)成一個(gè)安裝角度集合angle={ 00 ,900,1800,2700};面上的安裝位置用面的相對(duì)坐標(biāo)來(lái)表示coordinate= {x,y}。若對(duì)回路內(nèi)每個(gè)元件都進(jìn) 行布局優(yōu)化,則由于集成塊布局問(wèn)題本身具有的建模復(fù)雜性和NP完全的性質(zhì),每增加一個(gè)布局元件,都會(huì)大大增加布局求解的計(jì)算量和難度。為此,針對(duì)插裝閥元件數(shù)目多的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)插裝閥基本功率回路內(nèi)元件的相互位置關(guān)系布置采用確定非可變的方案,將基本回路作為一個(gè)不可變的整體參與到集成塊的設(shè)計(jì)中, 這樣,只需對(duì)一個(gè)元件進(jìn)行布局,其他元件的位置都可由該元件位置計(jì)算得出, 大大減少了布局計(jì)算的工作量,加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程。

2.3 分層設(shè)計(jì)實(shí)例

為具體說(shuō)明功能塊與分層設(shè)計(jì)在插裝閥集成塊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn),以一個(gè)簡(jiǎn)單的插裝閥系統(tǒng)實(shí)例來(lái)說(shuō)明基本功率回路的劃分和層的設(shè)計(jì)。為簡(jiǎn)化問(wèn)題 ,只對(duì)系統(tǒng)的主油路進(jìn)行了分析.

由原理可以看出,本系統(tǒng) 由一個(gè)四通回路和兩個(gè)三通回路組成。根據(jù)本文功能塊和分層設(shè)計(jì)思想,可作如下處理:1區(qū)中的四通回路直接作為集成塊的一層來(lái)處理,2區(qū)和3區(qū)中的兩個(gè)三通回路合并作為集成塊上的一層來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣,利用分層設(shè)計(jì)思想,將上述兩層合并,即完成整體集成塊的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其上層包含兩個(gè)三通回路及壓力表支路,下層實(shí)現(xiàn)一個(gè)四通回路,整個(gè)集成塊層次鮮明,結(jié)構(gòu)清晰,而且設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單快捷。

3 插裝閥集成塊CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

利用分層設(shè)計(jì)的方法調(diào)用各層相應(yīng)的功能塊,根據(jù)塊中己有的數(shù)據(jù)和信息確定個(gè)元件的布局位置, 結(jié)合元件安裝角度孔道連通方法進(jìn)行集成塊孔道網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。集成塊CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系如圖3.

液壓集成塊CAD設(shè)計(jì)的核心之一是其外部元件的布局優(yōu)化設(shè)計(jì),是一種復(fù)雜的空間布局問(wèn)題,屬NP完全問(wèn)題,利用分層設(shè)計(jì) 的方法,充分利用插裝閥液壓系統(tǒng)功率回路的特性和設(shè)計(jì)人員豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 將液壓集成塊虛擬地劃分為若干層,快速合理地完成集成塊外部元件的布局設(shè)計(jì) 。

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