插裝閥集成塊布局與布孔優(yōu)化設(shè)計方法

插裝閥集成塊布局與布孔優(yōu)化設(shè)計方法

0基于工程規(guī)則的插裝閥集成塊布孔問題插裝閥集成塊是高壓、高流量、集成式車輛系統(tǒng)的中心。將不同的插裝閥、板閥和其他附件組合在一起，以取代傳統(tǒng)的外部管道連接，具有振動小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點。但由于液壓系統(tǒng)組成的非標準性和孔道連通關(guān)系的多樣性,集成塊表面通常是規(guī)格形狀各異的各類閥件的緊湊布局,內(nèi)部則為立體交叉、密集復雜的孔道網(wǎng)絡(luò),使得插裝閥塊的設(shè)計效率較低且不易保證質(zhì)量本文針對插裝閥集成塊的布局布孔問題,提出基于工程規(guī)則的集成塊布局回溯算法及基于合作型協(xié)同進化蟻群算法的多孔道布孔方法,并以VisualStudio2010作為開發(fā)環(huán)境,結(jié)合運用C#及MAT-LAB開發(fā)工具將上述設(shè)計方法進行集成,開發(fā)了基于SolidWorks的插裝閥集成塊CAD系統(tǒng),實現(xiàn)了以液壓原理信息為輸入、以高效布局和較優(yōu)布孔方案為輸出的插裝閥塊結(jié)構(gòu)設(shè)計。1系統(tǒng)的設(shè)計流程和功能計劃1.1路徑長度和工藝孔數(shù)插裝閥集成塊設(shè)計的核心內(nèi)容為表面元件布局和內(nèi)部孔道規(guī)劃,其優(yōu)化設(shè)計的目的是在滿足表面無外形干涉、內(nèi)部所有孔道正確連通的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)塊體體積盡量小、孔道路徑總長盡量短及工藝孔數(shù)盡量少等目標。因此,系統(tǒng)的設(shè)計流程為:(1)明確液壓原理中的元件信息和油口連通關(guān)系;(2)表面布局設(shè)計,確定各元件的安裝信息(安裝面、安裝角度和安裝坐標)和集成塊的外形尺寸,并進行外形干涉校核;(3)內(nèi)部布孔設(shè)計,根據(jù)油口之間的連通關(guān)系和布局得到的各組油口位置信息,確定連通孔道及必要工藝孔的位置和深度,并進行孔道連通校核和安全壁厚校核;(4)插裝閥集成塊結(jié)構(gòu)設(shè)計及虛擬裝配完畢,自動生成并標注各類工程圖。1.2d集成塊的設(shè)計技術(shù)模塊基于上述系統(tǒng)設(shè)計流程,選取C#開發(fā)了基于SolidWorks的插裝閥集成塊CAD系統(tǒng),系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)以SQLServer2008作為項目數(shù)據(jù)及元件數(shù)據(jù)存儲的底層數(shù)據(jù)庫平臺,采用MATLAB進行優(yōu)化求解及相關(guān)設(shè)計參數(shù)的計算。系統(tǒng)主要模塊包括液壓原理輸入、參數(shù)化布局、布孔優(yōu)化、設(shè)計校核、工程圖生成、庫系統(tǒng)管理和幫助七大功能模塊。各功能模塊的作用分別為:(1)液壓原理輸入模塊包括液壓元件選擇和連通關(guān)系建立兩個子模塊。通過元件選擇及連通建立,可實現(xiàn)原理圖的數(shù)字化,為后續(xù)的布局布孔設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。(2)參數(shù)化布局模塊包括表面布局計算和庫特征調(diào)用兩個子模塊。采用基于工程規(guī)則的回溯算法進行表面布局計算,確定各元件的安裝面;根據(jù)經(jīng)驗公式初定集成塊的外形尺寸;調(diào)用參數(shù)化配置下的插裝閥孔與其他輔助孔的庫特征進行塊體的布局安裝,底板草圖特征使元件之間的距離調(diào)整與外形干涉校核變得方便,為實現(xiàn)體積縮減優(yōu)化提供了依據(jù)。(3)布孔優(yōu)化模塊包括油路概念設(shè)計與油路詳細設(shè)計兩個子模塊。油路概念設(shè)計通過輸入待布孔組的始末點位置參數(shù)、自設(shè)置的目標函數(shù)權(quán)值參數(shù)及合作型協(xié)同進化蟻群布孔算法參數(shù)進行油路路徑求解;油路詳細設(shè)計用于在3D平臺SolidWorks中生成三維孔道及添加必要的工藝孔。(4)設(shè)計校核模塊包括裝配干涉校核、孔道連通校核和孔道安全校核三個子模塊。通過連接使用SolidWorks軟件自帶的外形干涉檢測功能,判斷元件之間是否存在干涉及干涉部件;將每組相連孔道進行同色標識,觀察孔道之間的連通情況,完成孔道連通校核;孔道安全校核部分只需進行非連通孔道之間的安全校核,編寫了孔道安全校核算法,輸入孔道類型和坐標參數(shù)后,可驗證油道之間是否滿足安全壁厚要求。(5)工程圖生成模塊包括三維立體轉(zhuǎn)換和工程圖標注兩個子模塊。系統(tǒng)首先將3D集成塊轉(zhuǎn)化為dwg格式的2D圖紙,然后調(diào)用專業(yè)二維設(shè)計電子圖版CAXA進行尺寸標注及技術(shù)說明編寫。(6)庫系統(tǒng)管理模塊包括輔助孔庫特征、液壓閥模型庫和元件設(shè)計參數(shù)三個子模塊?？蓪崿F(xiàn)對元件模型的繪制、輔助孔庫特征的建立及各設(shè)計參數(shù)的查閱、修改和添加等操作。(7)幫助模塊包括插裝閥集成塊設(shè)計規(guī)范和系統(tǒng)使用說明兩個子模塊。插裝閥集成塊設(shè)計規(guī)范部分可幫助設(shè)計者深入了解其設(shè)計內(nèi)容及相關(guān)規(guī)范,為集成塊設(shè)計奠定理論基礎(chǔ);系統(tǒng)使用說明可幫助系統(tǒng)操作者掌握系統(tǒng)設(shè)計流程和各部分詳細操作說明,確保集成塊設(shè)計工作準確可靠。2插裝閥組單元幾何系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)2.1基于工程規(guī)則的溯源法針對以計算智能為主的集成塊布局設(shè)計目前存在的運算速度慢、設(shè)計關(guān)聯(lián)性差、布局結(jié)果難以滿足設(shè)計人員的特定要求等問題,提出運用基于工程規(guī)則的回溯算法求解插裝閥塊表面布局問題。2.1.1元件安裝面回溯法是解決聯(lián)合搜索問題的一個重要方法,它按照深度優(yōu)先的策略從開始節(jié)點出發(fā)搜索解空間。在插裝閥塊的表面布局設(shè)計中,元件均正交安裝在塊體各面上,帶電磁閥芯的元件需避免垂直放置;元件安裝坐標在安裝面確定后,根據(jù)元件底板草圖特征和同一功率回路等高布置原則,依次確定坐標。因此,表面布局首要且關(guān)鍵的問題是各元件安裝面的確定,可用n元組(X在算法設(shè)計策略中,一個問題能夠用回溯法求解的條件是2.1.2基于未排件安裝面的解空間對由n元件組成的液壓系統(tǒng)而言,可用一棵n+1層的排列樹表達插裝閥塊元件安裝面布局問題的解空間,從根節(jié)點出發(fā)到排列樹的任一葉節(jié)點對應(yīng)一個表面布局方案,其中第k層節(jié)點到第k+1層節(jié)點之間連線上的標號X圖2所示為n=3時按元件1,2,3先后順序布局的狀態(tài)空間樹,節(jié)點A(2)約束條件a口與插裝閥b口間的約束關(guān)系將插裝閥塊表面布局的工程規(guī)則運用于布局設(shè)計,可有效提高其設(shè)計水平及效率。元件安裝面的約束轉(zhuǎn)化結(jié)果總結(jié)如下:1)若插裝閥1的A口與插裝閥2的A口相連,則兩元件置于同面、鄰面或?qū)γ妗?)若插裝閥1的A口與插裝閥2的B口相連,則兩元件置于鄰面。3)若插裝閥1的B口與插裝閥2的B口相連,則兩元件置于同面。4)若管接頭或板式閥油口與插裝閥A口相連,則兩元件置于鄰面或?qū)γ妗?)若管接頭或板式閥油口與插裝閥B口相連,則兩元件置于鄰面。6)若板式閥油口與管接頭相連,則兩元件置于鄰面或?qū)γ妗?)執(zhí)行元件控制油口置于后面,插裝閥塊出油口置于下(底)面。為了使上述約束在后面的插裝閥塊回溯法布局中得以運用,需建立一個n×n(n為元件數(shù))的約束關(guān)系矩陣。如一個6元件組成的液壓系統(tǒng),其元件安裝面的布局關(guān)系可用6×6矩陣R表示,矩陣R中的任一項R(i,j)表示元件i和j的布局關(guān)系,其中1≤i≤6,1≤j≤6。R(i,j)可取值為0,1,2,23,其中:0表示兩元件間無約束,1表示兩元件需同面布置,2表示兩元件需鄰面布置,3表示兩元件需對面布置,23表示兩元件鄰面或?qū)γ?非同面)布置。(3)矩陣r第k建立1n階矩陣插裝閥集成塊表面布局問題中的主要信息實現(xiàn)如下:ARIndexes其他由矩陣A和R變換出來的必要信息矩陣用MATLAB表示如下:C=R(k,:)為矩陣R第k行所有元素構(gòu)成的1×n階矩陣;D=find(C==1),E=find(C==2),F=find(C==23),G=find(C==3),分別表示矩陣C中與元件k同面、鄰面、鄰面或?qū)γ婧蛯γ娴脑幪枴?yīng)用MATLAB語言建立插裝閥塊布局問題的回溯算法程序,進行各元件布局面的回溯求解,得出可行的元件安裝面的集合,最后借助插裝閥孔及常用液壓元件輔助孔庫特征實現(xiàn)插裝閥集成塊的快速正確表面布局,其設(shè)計流程如圖3所示。2.2合作型合作型螞蟻群布孔算法的設(shè)計2.2.1孔道連通法及其計算布局計算部分可確定各元件安裝面、安裝角度和集成塊總體尺寸初值;庫特征調(diào)用可實現(xiàn)集成塊的快速正確布置,并最終確定各元件的安裝坐標和塊體尺寸。蟻群算法常用于處理智能尋徑等帶約束的大規(guī)模組合優(yōu)化問題在集成塊孔道連通設(shè)計中,每組油口所處的位置已知,可將它們沿著構(gòu)造面法線方向向內(nèi)移動一個安全壁距,以保證生成的孔道垂直構(gòu)造面,同時可以減少孔道路徑規(guī)劃時搜索的節(jié)點。目標函數(shù)是蟻群算法最終能逼近最優(yōu)解的關(guān)鍵因素之一,插裝閥集成塊內(nèi)部布孔要求孔道路徑總和盡量短、工藝孔個數(shù)盡量少,因此用式(1)計算第t次迭代螞蟻k的目標函數(shù)值。根據(jù)目標函數(shù),用于螞蟻個體適應(yīng)值計算的適應(yīng)函數(shù)為式中:L2.2.2集成塊的孔道系統(tǒng)將蟻群算法引入單組油口的連通設(shè)計,得到較優(yōu)的孔道路徑。但一般的集成塊孔道系統(tǒng)通常由許多孔道構(gòu)成,它們之間相互影響,每條孔道的最優(yōu)解并不代表全局的最優(yōu)解。如圖4所示的布孔實例,在圖4a中,先連通A2.2.3多方案布孔優(yōu)化協(xié)同進化算法是受大自然中普遍存在的協(xié)同進化現(xiàn)象啟發(fā)而提出的全局優(yōu)化算法,它采用分解—協(xié)調(diào)的思想,將復雜系統(tǒng)的優(yōu)化問題分解為多個相互影響的子系統(tǒng)的優(yōu)化問題,各子系統(tǒng)分別進行優(yōu)化,再進行整體協(xié)調(diào)將集成塊每組油口之間的孔道對應(yīng)一個蟻群,所有蟻群構(gòu)成一個生態(tài)系統(tǒng)。每次迭代中,各個蟻群的進化次序是隨機的,均采用蟻群布孔算法實現(xiàn)單組孔道尋徑,在評估各蟻群中個體的適應(yīng)值時(如圖5中的蟻群i),將蟻群i中的各螞蟻個體分別與其他蟻群中選出的代表構(gòu)成系統(tǒng)優(yōu)化問題的完整解,計算這一完整解的函數(shù)適應(yīng)值∑F以并行規(guī)劃三條孔道(A步驟1初始化。分別對模型中的節(jié)點結(jié)構(gòu)及各蟻群中的螞蟻結(jié)構(gòu)進行初始化操作;設(shè)置進化代數(shù)gen=0,已完成進化的蟻群個數(shù)W步驟2利用式(2)計算并比較各初始蟻群中個體k的適應(yīng)值,記錄各蟻群中的最優(yōu)個體P步驟3記錄已完成的迭代數(shù)gen。步驟4記錄已完成進化的蟻群數(shù)W步驟5從當代未完成進化的蟻群中隨機選擇一個蟻群,如Y步驟6將最優(yōu)螞蟻個體P步驟7對Y步驟8判斷算法是否滿足終止條件,若滿足則執(zhí)行步驟10,否則執(zhí)行以下步驟。步驟9判斷當代是否有未進化的蟻群,若有,則增加已進化的蟻群W步驟10輸出迭代最優(yōu)解和最優(yōu)孔道路徑。3流孔控制板式布局設(shè)計本文基于上述關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)了插裝閥集成塊設(shè)計系統(tǒng)(CartridgeManifoldBlockCAD),選取某800T液壓機頂缸部分的插裝閥塊設(shè)計為例,驗證系統(tǒng)的實用性。液壓原理如圖6所示,其中1P和6T分別表示系統(tǒng)主進油及主回油,7P和8P連接執(zhí)行元件(液壓頂缸)兩端口,元件1,7,8均為SAE(SocietyofAutomotiveEngineers)法蘭;元件6為管接頭;元件2和3均為控制蓋板上疊加換向閥的組合,在元件布局面求解時,可只用一個元件(控制蓋板)表示;元件4和5為帶溢流功能、通徑不等的控制蓋板。(1)液壓原理輸入由液壓原理確定系統(tǒng)的元件信息和油口之間的連通信息,如表1和表2所示。(2)參數(shù)化布局根據(jù)布局規(guī)則約束轉(zhuǎn)化機制和連通關(guān)系建立元件安裝面的約束矩陣R,調(diào)用回溯布局算法主函數(shù),得到如表3所示的10種元件安裝面布局方案。這些方案均能滿足元件間的布局約束關(guān)系,設(shè)計者可根據(jù)經(jīng)驗或客戶要求選擇其一。在本文設(shè)計中,為了使集成塊外形尺寸最小化,選擇各面均安裝元件的布局方案9。根據(jù)方案9,在SolidWorks中調(diào)用庫特征進行布局設(shè)計,得到插裝閥塊的長、寬和高分別為312mm,250mm和135mm,參數(shù)化布局模塊如圖7所示。(3)布孔優(yōu)化設(shè)計布局完畢且虛擬裝配校核無誤后,根據(jù)布局結(jié)果建立布孔環(huán)境模型。設(shè)置合作型協(xié)同進化蟻群布孔算法的控制參數(shù)后,進行油路路徑求解。油路連通設(shè)計模塊及得到的布孔求解結(jié)果如圖8和圖9所示。(4)孔道詳細設(shè)計、孔道校核、工程圖繪制等限于篇幅,這些模塊的操作過程不再給出。所得到的插裝閥集成塊結(jié)構(gòu)圖及裝配模型(如圖10)表面布局緊湊美觀,內(nèi)部孔道連通正確,驗證了系統(tǒng)的實用性。4孔道安全設(shè)計與防護本文研發(fā)的插裝閥集成塊優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)———CartridgeManifoldBlockCAD主要有如下特點:(1)將布局工程規(guī)則進行約束轉(zhuǎn)化并矩陣化,提高了回溯布局算法的搜索速度及準確性;插裝閥孔等庫特征的建立和調(diào)用,可實現(xiàn)布局的模塊化、參數(shù)化設(shè)計,大幅度提高布局設(shè)計的效率。(2)將協(xié)同進化的思想引入蟻群布孔算法中,利用蟻群算法善于處理智能尋徑等帶約束的組合優(yōu)化問題的特點,在種群內(nèi)部尋找單組孔道連通的最短且安全的路徑;在各種群之間,利用