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第 18 卷增刊 1 系 系 统统 仿仿 真真 学学 报报 Vol. 18 Suppl.1 2006年8月 Journal of System Simulation Aug., 2006 287 液压集成块的空间管路设计与造型液压集成块的空间管路设计与造型 卜克明，郝建平，刘英华 （总装备部工程设计研究总院，北京 100028） 摘摘 要要 液压集成块设计系统的空间管路的布局布局与优化优化。在系统的数据结构方面采用了以面为主以面为主 的表现方法，通过智能优化智能优化的算法，解决外部布局，内部布孔自动优化设计，这种简单实用的处 理方法，提高了系统的稳定性。 关键词关键词 液压系统; 液压集成块; 数据结构; 表面; 截面; 布局; 布孔 中图分类号中图分类号TP391.9 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号 1004-731X 2006 S1-0287-04 Pipeline Modelling Design of Hydraulic Assemble Block BU Ke-ming, HAO Jian-ping, LIU Ying-hua General Equipment Engineering Design Research Academe, Beijing, 100028, China Abstract The layout and optimization were proposed in the hydraulic assemble block design system. The data structure applied mainly of showing face. The optimization arithmetic solved problem of automatic optimization of outer layout and inner connection algorithm. This way is ordinary, usable and steady Key words hydraulic system; hydraulic assemble block; data structure; face; crosses section; layout; connection 引引 言言1 液压系统中是靠液压油来传递压力， 并通过液压元件来 控制液压油的传递，最终控制机械运动的动作过程。 早先的液压元件是固定在钢板上， 它们之间的油路是用 金属管来连接，容易产生漏油现象，造成液压系统来系统运 行的不稳定，另外，由于元件是平面地安装在钢板上，管路 在空间中分布，所以整个系统占用了较大的空间。 如果将所有的液压元件固定在一个金属块上， 并在这个 块的内部打孔来代替管路， 让所有的液压元件控制油路的工 作全部集中在这个金属块中来进行，完成这些功能的金属 块，就是液压集成块。 1 集成块内部管路设计的分析集成块内部管路设计的分析 液压集成块的设计工作主要考虑有以下几大因素 1.管路在集成块内部空间中纵横交错，根据预定的液压 元件所在的集成块的面上布置空间的管路； 2.管路的几何参数的设计则是依据液体的流速、压力、 液压元件的空间位置来确定的，孔的形状通孔、沉孔、螺 孔和工艺孔等； 3.在设计时还要考虑到加工误差和最小壁厚； 4.要在设计的时候考虑到安装的空间，如果安装工具无 法操作，手动操作液压元件的空间不够，都是需要重新设计 与调整的； 收稿日期收稿日期2006-03-13 修回日期修回日期2006-05-30 作者简介卜克明作者简介卜克明1958-, 男, 安徽人, 硕士, 高级工程师, 研究方向为 计算机图形学。 5.当液压集成块设计完成后，将液压元件安装到集成块 上，要留有对这些元件的操作空间 当将上述的这些因素考虑后设计出来的集成块， 也有可 能不适合实际工程的需要， 因为对集成块的自身的体积形状 也是有要求的，比如集成块的体积过大无法安装，或者集成 块的形状无法放入安装的位置等等。 这需要对集成块的外形 进行调整，同样也会对集成块内部管路的位置产生影响，对 其中任何一个管路位置的调整，都有可能产生连锁反应，可 谓“牵一发，动全身”。 2 系统的结构设计系统的结构设计 设计思路输入液压原理图，输出二维设计图。设计过 程空间管路的设计过程，是数值逼近与优化设计的过程。 设计的过程中，要把一些非几何因素进行数值化，并参与计 算与循环。设计方法一般常用 CAD 系统来绘制二维设计 图纸，但不直观，同时效率低。若直接用三维来设计液压集 成块，并直接编辑和调整对象，将会提高设计过程中的直观 性，可以做到边设计边调整。 程序实现系统研发所采用的是 VC来实现的。 系统的基本框架如图 1 所示。 图 1 系统结构 第 18 卷增刊 1 Vol. 18 Suppl.1 2006 年 8 月 系 统 仿 真 学 报 Aug., 2006 288 3 交互式输入液压原理图交互式输入液压原理图 用图形可视化的方法，将液压原理图录入到系统中，系 统建立一张对应的“表”，记录下液压元件之间的相互关系。 数据库有三个表，第一个表记录的是几何信息；第二个 表记录的是液压元件的特性参数； 第三个表记录的是辅助信 息，如最大外轮廓尺寸、最小操作空间、技术要求和其它 参数等。以液压元件名称作为关键索引。 4 几何造型模块几何造型模块 本系统的图形造型功能主要包括集成块的实体造型， 集成块的实体打孔，管道空间位置的截面求交。当三维造型 设计完毕后，设计的输出是二维的，因此还有一些二维的图 形功能，如三维向二维图形的转换、截面图、显示深度的 控制等等。 但这里要注意的是， 如果完全用布尔运算来实现集成块 上的打孔操作，必然会使数据结构的设计非常复杂，同时系 统会因为图形操作的问题而产生稳定性较差。因为现行的、 任何一个成熟的三维实体造型系统， 要是在一个体块上重复 几十次以上的布尔运算，恐怕都会产生的问题，因此我们的 系统如果采用这种结构，将会产生以下问题 （1）数据量急骤增加、速度减慢； （2）稳定性差，非常容易死机，并且一旦死机，所有 的设计过程需要重新开始； （3） 不能进行有效的“Undo”操作， 给设计工作带来了不便； （4）对设计后的修改，带来很大的困难，甚至有些地 方是无法修改的。 因此，需要我们要考虑一下，我们不是研发一个具有图 形操作功能十分强大而又稳定的实体造型系统， 而是一个专 业性很强的三维造型设计系统。 只要这个系统在造型的视觉 上能够满足设计需求，在二维设计图的输出上保证正确，操 作方便、系统稳定，这就是我们的目的。因此，我们采用了 “内裁”和“法矢反向”的方法来表现集成块的设计过程。 （1）内裁 为了不对实体做布尔运算的操作，采用这种方法来表 现，在视觉上与布尔运算操作的结果完全一样。参见图 2。 图 2 内裁方法示意图 面 A 表示集成块的一个表面，面 B 表示在该表面上的 一个钻孔。但面 A 和面 B 在数据结构中各自都是一个标准 的面，也就是说，面 A 上并没有面 B 这个孔。根据从数据 库中调出的数据属性可知，面 B 所表现的应当是面 A 上的 孔，有了这个条件，系统在对面 A 进行渲染计算时，当进 入面 B 的区域内，则不再进行渲染。这样，面 A 渲染结束 后，便留下了面 B 这个孔。这就是根据图形的嵌套，实现了 内裁的表现方法。 这种方法与布尔运算后的渲染结果是一样 的，但这种方法的数据量非常之少，速度也快，“孔”的修改 也不会产生稳定性的问题。 （2）法矢反向 当表面上的“孔”留出来之后，便可以观察到孔的内壁。 但管路是由面来组成，面的法向矢量是向外的，也就是说， 在渲染计算时是无法看到孔的内壁的， 这就需要把组成管路 面的法矢反向，这样便可以看到管路的内壁了。 本系统采用的图形表现方法是边界表示法。 图 3 是数据 结构表。 图 3 数据结构 在图形数据的处理中，我们并不强调“实体”的概念，重 点考虑的是如何来处理“面”，显示表现出的实体，但并没有 实体的数据结构，数据的计算和操作都和面直接相关，在面 上确定各个液压元件的位置，以面为基准来确定孔的深度 等。集成块有六个表面，对面的操作要比对体的操作容易得 多。既提高了系统的稳定性和运算速度，也不影响显示上的 视觉效果。这种简化的数据结构，虽然面是二维的，但它记 录的数据则却是三维的。 5 数据处理模块数据处理模块 从概念上来说， 设计液压集成块并不是一件难事， 可是， 没有约束条件的设计是不存在的。 对于液压集成块的设计主 要的约束条件除了满足液压系统本身的需求之外，还需要 有 （1）集成块的体积和形状； （2）液压元件安装之后空间 位置的合理性。 （3）设计集成块的管路要有可加工性。因此 在设计过程中需要进行不断地优化。 本模块是整个系统的最重要模块， 因为所有的数据都要 在这里处理，设计过程要在这里完成，设计方法都要在这里 体现，设计结果要在这里表现。 5.1 预处理预处理 首先要进行数据预处理， 对于一些前期的原始数据要转 第 18 卷增刊 1 Vol. 18 Suppl.1 2006 年 8 月 卜克明, 等 液压集成块的空间管路设计与造型 Aug., 2006 289 化成设计过程中所需的数据， 同时也是重新设计或修改设计 时的中间数据，也可以做为设计依据或方案予以保留。预处 理过程主要有以下几项 1.将所有信息转成几何信息 2.确定集成块每一个面上液压元件的名称 3.确定输入输出管尺寸 预处理的过程中，从液压元件数据库中提取相应数据， 不但要考虑每一个液压元件的管孔位置、 各个液压元件的空 间几何位置参数。还要考虑它们的特性参数，并转化几何参 数。 如 压力与壁厚的关系； 流量和压力与管路直径的关系。 所有液压特性参数经过数据处理后被转化为几何信息， 再进行几何计算处理， 最终显示它们的几何信息集成块 设计。这里要注意的是，虽然进行的是几何方面的计算，但 也是液压特性的计算。 5.2 设计计算设计计算 在设计的过程中， 进行选择并最终必须确定的各项独立 参数称为设计变量。研究怎样来合理地选择这些设计变量， 这就是优化设计的方法。 我们将每个管路当作一个设计变量，设有 n 个设计变 量，分别记作 x1,x2,xn,而集成块所属有的空间为 R。如 果把变量用向量来表示，则有以下形式的表示 X＝{x1,x2,xn }T或 XR∈ 向量空间设计的过程就是设计方案最优化的搜索过程， 一般需要在相邻的设计点上做出一系列的设计改变， 由 k 点 到 k1 点的改动，最简单的搜索方法是 Xk1XkakSk 向量 S 决定移动方向， 标量 a 决定移动大小。 我们知道， 设计的变量越多，设计过程中的自由度越大，备选方案也越 多，设计灵活性也越大，计算量也越大，难度也随之增大。 针对到具体设计过程中，有些方案是根本不可行的，因此要 对变量进行加入约束约束条件，以提高设计工作的效率。 约束条件主要是对设计过程中的一些限定， 约束条件有 多种，这里采用的约束条件是用不等号来表示，有些约束条 件可以预先简化，比如，在检测设计过程中管路的干涉问题 时，用管径和最小壁厚一半的和来与其它管路做求交计算， 当空间最小距离 hj大于或等于 0 时，则是安全的。 hj Xi, Xi1 0≧ i 1,2,n, j 1,2,m 将预设的结果作为一个目标函数fX 它以各个管路作为变量 fX fx1,x2,,xn 当建立了数学模型后， 需要设计出本系统的程序流程模 型，如图 4 所示。 当预处理完成后，数据进入设计阶段，这里的数据处理 主要是叠代与循环，不断地校正空间位置关系，排除干涉、 消除薄壁、避让安装孔、尽量减少并自动生成工艺孔、留出 一定的操作空间等。 图 4 程序流程 当出现干涉时，根据干涉量，或者其它因素所产生的结 果，采用再解析的方法，确定位置调整的方向以及调整的范 围，如果完全利用系统自动步长来计算，一是会浪费时间， 二也会由于步长选择的不当，无法产生最佳的优化。 下面分析一下系统的具体实现步骤 系统默认集成块是一个六面体， 液压元件安装在哪个集 成块的哪个面上，已经是由设计人员先确定，在系统的管路 设计计算阶段，主要完成的工作如下 1 根据油路的工作路线，首先将主输油管路放在三维 坐标系的0,0,0处，并按设计要求给出管径。 2 所有元件的安装位置，均是正向。计算机自动确定 油泵的其它尺寸，如出油管、安装螺栓孔等。由于进油管 路与出油管路都是通孔，因此这两个位置是最先确定的。同 时油泵的安装、操作空间也相应地确定下来。 3 当上述工作完成以后，则根据液压原理图的工作流 程，依次设计管路，这时设计出来的管道，会出现不符合约 束条件的设计结果，但符合液压工作原理的流程。 4 进行校验，检测所有的连通关系是否符合液压特性 标准，有没有干涉，有没有穿孔，连接关系是否正确。如果 正确，则进行下一步工作，否则返回第（3）步重新设计。 5 由于在设计过程中没有考虑其它的约束条件和优化 设计，在此加入约束条件，如在一定的液体压力p△下， 最小壁厚必须△b；钻孔加工过程中，孔深一般都会超过 尺寸标注的深度；安装和加工误差l△，这些都是几何位置 上的偏差， 在校验的过程中要将这些偏差尺寸加入到检测过 程中。另外对于沉埋在集成块内部的一段管路，也是通过先 打通孔后加堵头的办法， 这在检测过程中也要当做通孔来检 测。这些问题反馈到每一个液压元件的位置信息中，这都是 实际生产加工中不可避免的问题。 当把这些条件带入时，再对设计好的集成块进行校验 时，有可能会出现干涉现象，这时要进行步长的移动纠正。 第 18 卷增刊 1 Vol. 18 Suppl.1 2006 年 8 月 系 统 仿 真 学 报 Aug., 2006 290 但是首先要在保持第（4）结果的基础上进行，即保证管路 连通的正确性。 不用对主输入管路的位置进行修改， 从第 （3） 步开始校正。 首先确定干涉量 δδ1,δ2,,δn， 用再解析法来 分析判断哪一个干涉量的影响因素是主要的， 并可以得到移 动的方向和移动量。当移动完毕后，再检查是否干涉，是否 还需要再移动，若一切都正常，继续进行后续设计工作；如 果干涉没有消除或由此产生了其它的干涉现象， 产生干涉的 液压元件将局部地再进行相应的处理， 一直到所有干涉现象 完全消除为止。在这个过程中不断地交互式地查找、纠正和 不断地循环，数据之间是在不断地、连动地变化与更改，在 多次地调整和反馈直到满足条件之后， 才得到液压集成块设 计的三维数据。 当然，这样的调整有可能成功，有可能不成功，系统都 将给出提示。对于不成功的解决办法，可通过手动的方法， 局部调整一些元件的位置，再重新计算。 6 当上述过程完成后，液压集成块的造型设计部分基 本完成。如果对一些元件的位置进行调整的话，可以通过对 话框进行； 如果要对集成块的外形修改， 可以调整外形参数， 只是这些调整都将重新产生计算。 本系统还可以通过以下两种方式来设计集成块 1 位置优先 先确定集成块每一个面上安装什么元件， 集成块外形尺寸不限制。 2 外形优先集成块外形尺寸不能超过规定范围，主 要元件位置确定在集成块的某一面上， 其它元件可以在规定 的面上变换。 设计的过程可以是自动进行，也可以半自动进行，即 人工控制与调整，工作量不会太大。总之，用计算机来处 理繁杂的空间几何信息，将提高设计效率几十倍，大大地 缩短设计工作周期和降低成本。 6 二维输出平面图二维输出平面图 液压集成块的缺省外形是六面体。 我们可以在七个视图 中（前视图、顶视图、右视图、左视图、后视图、底视图和 轴测图）任意选择四个视图来观察对象。 集成块的三维图形显示的数据量较多， 如果在同一视图 上显示，所有几何信息重叠在一起，无法识别和分析问题。 因此需要将三维数据根据设计的需要转成二维平面图。 处理二维输出的时候，采用的是截面的方法，即设计 一个正交平面，与液压集成块正交，其交截面即为二维设 计图。选择平面的位置时，应当选在与孔轴线重合或与轴 线相垂直的位置上。 本系统不支持旋转剖视图、阶梯剖视图和局部剖视图， 只支持单一平面的正交截面视图，如果灵活运用截面图，也 可以完成其它剖视图的表现。 根据各个不同位置的截面图，可将液压集成块内部的 结构准确地表现出来，完成液压集成块的设计是很方便的。 由于液压集成块的结构是用几何参数来表达的， 其几何尺寸 和位置尺寸能够精确地得到， 故在图形转换或图形输出都是 很方便的。将二维截面图转成“*.DXF”文件后，即可进入 AutoCAD 系统。 7 结论结论 三维设计在我国的工程设计应用并不是很广泛， 有一些 领域虽有三维造型方面的应用， 但在它的侧重点更强调的是 视频表现，而设计成份还是含量不足。如一些产品的造型设 计、电子样机、建筑三维表现与动画，它们更多是体现设计 后的一种表现，而这种表现往往不是给设计人员看的，而是 给甲方或者相关人员看的，与设计过程有一定的脱节。当然 这种方法对设计过程中的修改、 调整与完善还是有很大的帮 助，但对设计过程中的工作效率并没有明显的提高。 我们正在研发的液压集成块设计系统， 是将设计过程中 最麻烦的、大量的三维设计和数据处理交给计算机来做，这 与上述的三维表现有很大的区别， 它直接在三维造型上进行 设计与修改，视觉上的表现只是一个辅助的手段，只是给设 计人员自己看的，可以立即反馈给设计人员，并能立即参与 修改与调整的，它可以极大地提高工作效率。 参考文献参考文献 [1] David F.Rogers. 计算机图形学的算法基础[M]. 石教英, 彭群生 等译. 北京 机械工业出版社, 2002.1 172-184. 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