液压集成块3维参数化设计研究与应用.pdf

定的难题,实现人的主观判断与定量表达相结合, 使问题的解变得有理有据。同时用户在实际检索 过程中可以根据具体情况对改进的AHP法计算 出的权值进行修改,以更好地反映自己的需求。 参考文献 [1] 许树柏.层次分析法原理.天津天津大学出版社, 1988 1～16 [ 2] Eizo Kinoshita, M asatake N akanishi .Proposal of N ew AHPM odel in L ight ofDom inant Relationship Among A lternatives . Journalof theOperations Re2 search Society of Japan, 1999, 422 180～197 [3] 雷永刚.冷挤压工艺设计的CBR系统及其关键技术 研究 [博士学位论文].上海上海交通大学, 2000. [4] 马云东,胡明东.改进的AHP法及其在多目标决策 中的应用.系统工程理论与实践, 19976 40～44 编辑 卢湘帆 作 者简介张先宏,男, 1975年生。上海交通大学上海市 200030塑性成形工程系博士研究生。研究方向为人工智能技术 在模具CADCAPPCAM中的应用。 发表论文4篇。 王金雷,男, 1975年生。上海交通大学塑性成形工程系硕士研究生。彭颖红, 男, 1965年生。上海交通大学塑性成形工程系教授、 博士研究生 导师。 文章编号 1004- 132200216- 1364- 04 液压集成块3维参数化设计研究与应用 叶 冰 博士 叶 冰 陈 鹰 摘要采用特征对象化的设计思想,在特征造型和3维实体几何造型的 基础上,研究液压集成块的3维参数化设计方法。在分析特征间关系模型的 基础上,采用面向对象的设计方法,提出了对象化特征连接的概念,建立了 液压集成块CAD环节中特征设计的关系模型。 关键词液压集成块;特征;对象;对象化特征连接; 3维参数化CAD 中图分类号 TH137. 8; TP391. 72 文献标识码 A 几乎所有的液压系统都需要特别设计的液压 集成块。 长期以来,液压集成块的设计主要依靠设 计者的设计经验和空间想象力,使得设计工作极 其复杂烦琐,虽然在微机平台上有2维方式的设 计软件,但因设计人员无法在真3维环境中进行 造型设计,设计效率仍然很低。微机平台上的 CAD软件一般都不对用户开放3维实体图形数 据库,所以无法直接进行3维参数化造型设计。 笔 者采用特征对象化的设计方法,提出一种比较巧 妙的3维参数化设计的实现手段, 3维造型设计 的结果可以直接由编辑设计参数来驱动图形,设 计的特征参数可以直接被后处理模块获取,用于 生成2维工程图纸,并可以用于进行空间干涉校 验,大大地提高了设计的效率和智能化程度。 CAD技术从2维绘图开始,经历了3维线 框、 曲面和实体造型的发展阶段,但仅仅局限于产 品的几何描述。特征造型技术更好地表达了产品 完整的技术和生产管理信息,为新一代基于统一 产品信息模型的CADCA PPCAM的集成系统 收稿日期 20020327 创造了条件,有力地推动了基于并行工程环境下 的C I M S的发展[1, 2],但提高特征设计的零部件复 杂程度仍是一个亟待解决的问题[3]。我们认为充 分研究特征之间的相互关系,合理地建立特征间 关系模型非常重要。本文结合特征对象化设计方 法,用特征连接的概念,解决复杂产品CAD中的 3维参数化特征造型和设计智能化问题。 1 特征对象化的设计思想 在特征造型的CAD系统中,特征信息是产 品模型的高级表现形式,产品的设计过程表现为 一系列关联特征的创建、 修改和删除操作,而且产 品及其特征之间的关系经过抽象,可以映射成对 象和属性的关系。可见特征对象化的设计方法是 研究特征造型技术中特征间关系的良好工具。为 了建立特征对象化的产品设计中特征关系模型, 我们引入如下一些概念 1特征 具有工程意义的概念或术语,有几 何形状、 拓扑关系、 制造技术和公差等几个部分。 2对象 特征化的事物,它由特征决定,记 为O,一个对象可以有多种特征。 4631 中国机械工程第13卷第16期2002年8月下半月 3对象的类 具有相似特征的对象集合, 简称为类,记为C,根据需要,可进一步分为子类, 即S ubC。 4产品 在面向对象的设计方法中,可抽 象为对象的类的集合,记为P。 5属性 构成特征的特性参数,以哑元匹 配的方式进行赋值和修改。 6事件 针对对象的操作,主要包括对象 的创建、 修改和删除,分别记为EbOi , EmOi , EeOi。 7对象生命周期 创建对象到终结对象的 一系列事件的集合,记为TOi。 对象生命周期可 用BN F式描述为 TOi EbOi{ }EeOi 式中, { }为对象的一系列的修改操作。 如果终结对象的操作为删除操作,则对象的 生命周期对于产品来说是无效的,称为零周期;一 般地,终结对象表现为在产品设计中被确立,即该 对象设计工作的完成。 8对象标识 是某一对象区别其它对象的 本质属性,每一对象具有惟一的标识ID。 ΠC∈P,ΠOi、Oj∈C,IDOi≠IDOjΖOi≠Oj 产品、 对象的类、 对象、 特征和属性是工程设 计过程中具体产品的复杂层次关系的映射,这种 映射建立在特征对象化的设计技术基础上,并且 表现为对象特征连接的关系。 所以科学合理地建 立和运用对象特征连接的关系模型是研究特征对 象化的产品设计方法的关键。 2 对象化特征连接的关系模型 在特征对象化的产品设计过程中,产品模型 内部关系表现为对象间的连接关系,主要有包容 性连接、 继承性连接和驱动性连接。 通常它们并不 独立,难以严格区分彼此的界限,从而使得特征间 关系模型隐含在产品设计中,表现为不同程度的 产品设计的复杂性。 2. 1 包容性连接 如果事件EbOi先于事件EbOj发生,且 事件EeOi后于事件EeOj发生,称对象Oi包 容对象Oj,定义这种包容关系为 5Oi→ 5Oj {OjOj∈Cj} 式中,5Oj为对象Oi的包容函数,等于对象Oi集合。 包容性连接满足下面性质 1Oi∈Ci,Oj∈Cj,Oi、Oj相互依存,Oj存在 的条件是当Oi存在,如果删除Oi则删除Oj。 2定义包容度为M。 包容度可分为单包容 和多包容,M5O2 1为单包容,M5O2≥ 2为多包容。 下例是某对象特征中包容性连接,说 明了DB10型压力阀安装面的孔特征关系,是一 种典型的特征包容的组合关系。 ObjectStruct DB10V alve M ount{ Properties O ilHoleType ordinary 主油孔 O ilHoleN um 1 包容度1 LoctateHoleTypeLocpin 定位销孔 LoctateHoleN um 1 包容度1 M ountHoleType screw 安装螺孔 M ountHoleN um 4 安装孔包容度为4 M ountFaceId x }EndObjectStruct DB10 V alve M ount 该示例表示了对象DB10阀安装面和其特征 油孔普通型、 定位销孔、 安装螺纹孔和特征面的 一种包容连接关系,可以看出DB10阀安装面只 是阀安装面基父类的一个具体实例,两者之间 体现了一种继承关系。特征包容连接可以对应产 品模型中部件、 零件、 元件的组合装配关系,从面 向对象的设计方法来说,是整体和部分的关系,而 下面所讨论的继承性连接,主要考虑一个产品的 抽象模型和具体实例的关系,用面向对象的概念 是一种IS- A的关系。 2. 2 继承性连接 继承性连接表示父F和子S对象特征之间的 继承关系,而且S还可以继承不同F包括的基本 特征属性集合和共同约束。S的5种不同的继承关 系和结果如下 1si∩sj,说明F派生的S特征属性完 全不同; 2si∩sj≠,说明F派生的S存在相同的 特征属性; 3si∪sj∪⋯∪snF,说明F是S的满集, 即S无变异; 4si∪sj∪⋯∪snF,说明S的集合是F 的超集,S继承了异父F′ 的特征属性而出现变 异。 上述5种关系表示相连两层的约束关系,F、 S是相对概念,上层的S即为下层S的F类。 由于 引入异父F′,使得子类S可以继承异父F′ 的特征 属性,从而使S具有异于F的特征属性。 继承连接可用图1来描述,图中IC表示继承 约束,它确定了S的继承方式。 在产品设计过程中 IC通常表现为产品设计标准、 规则和用户的具体 5631 液压集成块3维参数化设计研究与应用叶 冰 陈 鹰 设计要求。 继承同样 也有单继承和多继 承。 图1S12为多重继 承,S31、S32和S33为单 继承。 通过继承性连 接,不仅可以使DB10 安装面继承V alve安装面的特征属性,也可以使 其它变形产品继承V alve安装面的全部或部分特 征属性和异父F′ 的全部或部分特征属性。 在集成块设计系统中,DB10阀的基类是 V alve,其安装面的一些特征继承了V alve的公有 特征,另一些是其本身新增的具体特征。 通过继承 机制,大大提高了系统造型的效率,层次性更好, 系统的柔性得到大大提高。 包容性连接和继承性连接关系体现了对象特 征在层次上的关系,可以看成是纵向的连接关系; 在特征对象化的产品设计过程中,处于相同层次 的对象特征之间的关系可以看成是一种横向的连 接关系,对某一对象特征的操作能够引起相关对 象特征的变化。我们借用 “事件驱动” 的概念来表 示这种对象特征间连接关系,即驱动性连接。 2. 3 驱动性连接 驱动性连接有两种情形,一是针对某一对象 发生的事件触发一系列相关对象的响应,其结果 引起相关对象的特征属性变化或状态变化,这是 对象与对象之间的驱动连接,称为跨对象的驱动 连接;二是对象在某一事件作用下,其部分特征属 性发生变化,从而导致相关联的特征属性改变,我 们称为对象的内部驱动连接。驱动性连接的这两 种情形的解决方法是统一的,我们只要考虑一个 被作用的对象和触发它的事件,研究清楚两者间 作用的内部机制,就可以推及所有的关联对象。 用 接口概念描述驱动性连接为 Class Interface { [ ]; T riggers{ ON }; [ IF ]{⋯}; }EndClass Interface 按面向对象封装的思想,一个类的对象仅仅 受响应集合中的响应作用的影响。我们引入对象 状态图来表示事件、 对象、 响应和特征属性的关 系。记 对象Oi的状态为fOi , fOi {ak},k 1, 2,⋯,n, {ak}是一个n维向量,表示对象的 瞬态特征集合。对象在某事件ExOi的驱动作用 下,其属性值的改变导致状态的变化。 对象Oi的 响应函数记为 ∆Oi , ∆Oi {bij},i,j1, 2, ⋯,n, {bij}是nn的矩阵,它总是相关于某一事 件。 这种响应是变化的,当某事件触发时,对象特 征属性的一个值或多个值发生变化,引起对象状 态的变化,f变化为f′。 在每个事件的驱动下,新 对象的状态取决于对象的当前状态和驱动事件的 性质,状态变化过程的数学描述为 {ak} { bij} {a1k},i,j 1, 2,⋯,n 记为 2f ∆→f′ 。 对象的状态、 响应和驱动事 件之间的关系见图2,图中,f、f′ 为对象Oi的初态 和终态;E为对象Oi状态f→f′ 的驱动事件; ∆Oi为对象Oi的响应函数。 在集成块的设计过程 中,由于孔系间距需要严格 校核,校核结果常常要求对 设计过程进行回溯,往往修 改一个孔道的位置、 长度和 孔径,会造成相关的连锁反应,因此对设计提出较 高的参数化要求,特别是一个特征的变动常常需 要自动地修改其它相关的特征,因此我们采用事 件触发的机制来实现特征修改的联动。 3 特征造型系统的建立 3. 1特征信息数据的组织与存储 在CAD中,实体几何形状可以按照多种方 式来组织和存储,我们在集成块系统设计中,采用 数据组码单元Group Code U nit, GCU的方式 来存储特征参数信息和特征连接约束规则。数据 组码单元信息可以在数据库中静态存放,也可以 从数据库抽取到内存中,进行动态处理。 数据组码 单元分为三部分, GCU 1存放应用程序名标识,程 序名标识相当于把所有造型实体加上一个识别标 志,通过该标志可以方便地过滤造型实体,从而进 行特征数据的提取。GCU 2存储造型实体特征数 据,特征连接数据通过指针指向GCU 3, GCU 3再 指向相连接特征的数据库。特征信息数据组织的 过程见图3。 3. 2 面向对象的特征造型系统结构 6631 中国机械工程第13卷第16期2002年8月下半月 实体图元经过布尔运算和面向对象的特征设 计,在造型器中被制造成标准的特征零件,进而形 成用户的零件库。用户从零件库中选取所需的零 件按照面向对象的特征连接的模型进行装配,最 终得到产品的特征模型,见图4。 “特征造型器” 有 图4 特征对象化的造型系统结构 2个层次,底层是图元的布尔运算,用一般的CSG 树表示;顶层是面向对象的特征参数约束层。 我们 在底层CSG树的集合运算符Snode之外增加特 征约束算子Cnode,特征约束算子用来表示它的 相关形素和其他形素的面或参考基准之间的尺寸 关系以及特征之间的连接关系。CSG树的每个 Snode叶结点带一指针指向Brep的中间拼合 结果或最终拼合零件;每个Cnode叶结点带一指 针指向中间拼合结果或最终拼合零件的特征属 性。我们通过对象特征的Cnode信息来实现尺寸 驱动的变量化设计,从而实现特征编辑的功能。 4 应用与结论 笔者应用上述方法开发了面向对象的3维参 数化CAD软件,用于液压阀块设计。开发平台为 VC 6. 0,支撑CAD平台为A utoCAD 13. 0版 本。 图5为阀块设计过程上海第三钢铁厂成品收 集站液压系统集成块SG- 06,运用了面向对象 图5 面向对象基于特征的产品设计实例 的特征连接关系的设计方法进行工艺孔特征的设 计,较好地解决了阀块孔道3维参数化特征设计 问题。由于孔特征的连接关系是用面向对象的方 法来描述的,这样不仅解决了孔特征的组合包 容、 继承的设计,而且也能解决所有相关孔道的 动态智能驱动式布置,通过提取特征参数数据库 的数据,可以方便快捷地进行空间干涉状况检查, 大大提高了设计工作的效率。 图5的各种孔道以及插装阀均为系统自身的 造型模块所构造的标准构件,在造型过程中用到 了包容、 继承以及特征关联预连接定义等对象 化特征造型方法。 在集成块的设计过程中,系统记 录设计过程中的所有特征信息,存储在数据库中, 用于孔系的校核和设计修正。图5右下的表格为 计算出的孔道关系以及建议的修正数据。在设计 修正过程中,大量有着特征连接关系的特征被某 一个修改事件所驱动,对这些特征进行相应的修 改,这样大大提高了人工设计的效率。 在特征对象化的产品CAD过程中,对象是 特征化的事物,特征的不同决定了对象的差异。 相 似或相近的对象集合形成类,产品则可认为是对 象类的集合。产品的设计过程实际上是一系列对 象特征的创建和修改。产品模型的内在关系表现 为对象特征的种种连接关系,即包容性连接、 继承 性连接和驱动性连接。这些连接关系模型的建立 将有助于提高复杂产品CAD的建模、 分析和修 改的效率。 参考文献 [1] SUN Zhengxing, D I N G Q iulin, ZHAN G Fuyan. 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Geometric M odelingforProductEngineering.CA , U SA SpringBurg Press, 1990 867～876 编辑 苏卫国 作者简介叶 冰,男, 1970年生。浙江大学杭州市 310027流 体传动及控制国家重点实验室博士。研究方向为CAD、 信息系 统、 人工智能。发表论文10余篇。陈 鹰,男, 1962年生。浙江大 学电子控制工程研究所教授、 博士。 7631 液压集成块3维参数化设计研究与应用叶 冰 陈 鹰 ISSN 1004- 132X CH I NA M ECHAN ICAL EN GI N EER I N G T ransactions of CM ES Vol . 13,No. 16, 2002 the second half of A ugust Sem i monthlySerialNo. 112 Edited and Published by CH I NA M ECHAN ICAL EN GI N EER I N GM agazine Office AddNo. 14 ShipailingW uchangW uhan China D istributer China InternationalBook T rading CorporationP. O. box 399,Beijing Code 4163- SM MA IN TOPICS, ABSTRACTS KEY WORDS A Numerical Si mulation on theMagnetics of Quasi- Con- stant Force FU W enzhiJilin U niversity, Changchun, China L IM ingzhe CHEN Jianjun p 135121353 Abstract Finite element for numerical analy2 sis of electromagnetic field was stated in this paper. A t first, mathematical model for electromagnetics used in 630kN multipoint ing press was constructed . M ag2 netic circuit and factors that affect electromagnetic trac2 tion are analyzed. Operating principle of electromagnetics is studied and the electromagnetics is i mproved. The dis2 tribution curve of vector equipotentiol of electromagnetic field and the curve between electromagnetic traction and iron core’s displacement are obtained. By i mproving the structure design, the ratio between biggest electromag2 netic tractionair- gap is 0. 001mand working traction air- gap is 0. 015mis falled from 40. 5 to 2. 3magnet2 ics of quasi-constant force, and mechanical shock and noise are reduced in electromagnetics operation. Key words electromagnetics finite element mathematicalmodel electromagnetic field Experi mental Study on a Two-Joint Robotic Fish L I U JunkaoHarbin Institute of Technology,Harbin,Chi2 naCHEN W eishan CHEN Zaili p 135421357 Abstract A prototype of robotic fish w ith two - joint was constructed, and the robotic fish has two free2 dom s of degree.Several experi mentswere completed out to study the effect of fin’s motion parameters on propul2 sion velocity.Some contrastive experi ments were carried out to study the difference between the two- joint robotic fish and one joint oscillating caudal fin propulsor. The ex2 peri mental results indicate the prototype of the robotic fish can propel the robot.Besides,its features include low noise and turbulence. Key words robotic fish kinematics parameters caudal fin underwater propulsor Analysis of M easurement Error of D isplacement of a Compliance Fixture YAN BoSouth China U niversity of Technology, Guangzhou, China ZHAN G T ie X IE Cunxi CHEN G Xiaoyang p 135721360 Abstract The relations between measurement value of displacement of a floating plat surface and actual displacement of the floating plat are concluded by an2 alyzing rotation and translation of the floating plat of a compliant fixture. Approxi mate solutions of actual dis2 placement are worked out according to the relations . The software compensating is taken to ensure control precision in order to eli m ilate measurement error of dis2 placement between actual displacement and measurement value of the displacement of the floating plat. Key words compliant fixture measurement error of displacement robot assembly magnetic levita2 tion I mproved Analysis of Hierarchy Process and Its Applica- tion to Cold Extrusion Process Plann ing CBR System ZHAN G XianhongShanghai Jiaotong U niversity, Shang2 hai, China WAN G Jinlei PEN G Yinghong p 13612 1364 Abstract A n i mproved analysis of hierarchy process is established in this paper. This can meet the re2 quirement of identity, and then the identity test is not needed. The weight of case retri in the cold extrusion process planning CaseBased Reasoning system is very dif2 ficult to decide by using traditional. W ith the i m2 proved AHP , the weight can be decided scientifi2 cally and efficiently. A s an example, the determ ination of the feature weight in cold extrusion is explained. Key words analysis of hierarchy processAHP case based reasoningCBR feature weight cold extrusion case retri The Study and Application of 3D Paramatric Design of Man ifold YE BingZhejiang U niversity, Hangzhou, China CHEN Ying p 136421367 Abstract On the basis of Feature M odeling and 3D Solid GeometryM odeling, w ith the idea of Object- O ri2 ented Product Design, a 3D Parametric FeatureM odeling M ethod is applied to develop manifold. On the basis of analysis of the relationships among features, the relation model of feature design inMAN IFOLD CAD is presented w ith the concept of feature- object- oriented links . Key words manifold feature object fea2 ture- object- oriented link 3D parametric CAD A NewM ethod easuring Cylinder Pressure of a Re- ciprocating Compressor L I U W eihuaN anjingU niver2 sity of A eronautics and A stronautics, N anjing, China AN G Haisong p 136821371 Abstract A t present,cylinder pressure is usually achieved by opening measure- pressure inlet on cylinder CX MA I N TOP ICS, ABSTRACTS KEYWORDS