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液压集成块的CAD设计


液压集成块的 CAD 设计 时间:2004-12-24 点击数:676

液压集成块的 CAD 设计 引言 液压集成块的设计是一项既复杂又容易出错的工作, 长期以来一直困扰着人们。 尽管人们已 经在这方面做了大量的工作,但随着液压技术的不断发展,新的问题也不断的出现,使液压 集成块的设计也越来越复杂。 有些液压集成块的设计研究尽管部分涉及了三维辅助内容, 但

不成体系,并没有把三维设计作为基本设计手段,仍然是二维和三维的结合。 因此本方法改变传统的设计方法而采用三维设计, 二维输出的设计思路。 设计者仅仅需要参 与阀的空间规划连通关系确认等极少的工作, 其他的工艺孔的设计规划, 三维图和二维图以 及元件清单绘制等都由这个智能化的设计环境来完成。 极大的减少了设计者的劳动强度, 把 他们彻底地从繁重的设计劳动解放出来。 1. 液压集成块虚拟设计的原理及特点 液压集成块虚拟设计的原理是利用人类三维可视化思维的特点, 避免设计过程中图纸二维和 在设计者头脑中三维的相互转换而引起的错误。 液压集成块虚拟设计主要是研究液压集成块在虚拟环境下的设计。 通过虚拟现实技术和软件 工程以及参数化三维实体造型技术相结合,建立一个虚拟的设计环境,完成动态的展示,三 维视图的分析、观察等。设计者如同加工者,打孔、校验等工作处于一个虚拟的环境中,设 计结果即时显示, 减少了传统设计过程中二维和三维在设计者头脑中的转换。 符合人类的设 计思维,避免了设计中的误区。通过人工智能、路径规划等理论相结合,完成阀的布置以及 工艺孔的自动设计等功能。 最终辅助设计者轻轻松完成集成块的设计。 使设计者如同直接面 向集成块进行处理,以选取最佳方案。 2. 相关支撑理论与技术 2. 1 虚拟工程 随着计算机软件和硬件技术突飞猛进的发展,各种设计方法已经或正在应用计算机辅助设 计。液压系统设计也应抛弃早先计算机辅助设计的旧模式-二维电子图版,而以虚拟设计取 而代之。 如何建立一个液压集成块设计的虚拟环境是研究的重点内容。 但虚拟环境的建立不 仅仅是建立一个三维方式的设计软件,还包括:虚拟现实技术、计算机硬件技术、计算机软 件工程技术及编程技术(OO)、计算机图形学技术、CAD/CAM/CAPP 技术、人工智能理论技 术、空间规划及装配技术、产品建模技术(基于特征)、数据库管理技术、网络工程技术等等。 因此可以称为虚拟工程。 2. 2 计算机软件工程 建立一个液压集成块设计的虚拟环境,需要设计者研制开发出相应的软件。本文利用 UML 标准建模语言进行软件系统建模。UML 标准建模语言是基于面向对象的建模语言。标准建 模语言 UML 定义了 5 类,共 10 种模型图:第一类是用例图;第二类是静态图,包括类图、 对象图和包图;第三类是行为图,包括状态图和活动图;第四类是交互图,包括顺序图、合 作图;第五类是实现图,包括构件图和配置图。 如图 1,介绍用例图的设计, 描述了用户使用系统的过程和内容。 用户的最终目的是获得孔道 数据的分析(parsing holes) 获得二维平面图的输出(outputting drawing), , 以及孔道列表(Holes listing)。而这些要求的完成是使用了软件内部的数据对象列表(Data object list) 。数据对象 列表是数据源 (data resource, 即数据来源于外部数据库) 的扩展, 同时使用虚拟编辑器 (virtual compiler) 。虚拟编辑器是系统推理机,完成虚拟设计过程的推理工作,它使用校验孔道功 能(checking holes) 、视图显示(view),以及连通关系的选择(choosing relation)等工作。

2.3 人工智能理论技术 随着软件技术的快速发展, 如何开发出使用简单、 功能强大的软件成为软件设计者追求的目 标之一。 软件设计要求软件的设计者对软件的使用者所处的各种情况了如指掌, 这样才能够 使软件在使用过程中对各种情况有所预见。 随着智能技术的发展, 智能技术也被应用于软件 的开发中,使软件的推理、预测能力得到增强。液压阀块设计中的空间规划以及路径自动设 计都要应用到推理和设计结果的优化处理。 2.4 空间规划及路径设计 液压集成块空间规划和路径设计是相辅相成的,应相互兼顾。如果集成块空间规划的好,几 何尺寸恰当,在进行路径设计时,孔道连通方便,工艺孔数目少。否则工艺孔数目多,并且 孔道间很容易发生干涉, 就要反复进行路径设计。 甚至多次修改设计也无法保证设计结果正 确,此时必须要修改集成块的空间规划方案。因此集成块的空间规划不能盲目进行,要依据 所要设计的阀块的原理图中孔道的连通关系, 它为路径设计提供依据, 并为路径设计顺利进 行创造条件。结合神经网络技术和遗传算法获得系统推理中的最优解。 因此在以螺纹插装阀为主的集成块的设计是一个多阶段优化设计过程,它包括两部分内容: * 集成块的空间规划设计方案最优化, 即在空间规划设计时尽量避免产生工艺孔; 避免干涉; * 在空间规划设计完成时,进行路径设计时尽量保证工艺孔数目最少和工艺孔深度最浅等。 进行自动和半自动设计; 集成块设计问题着眼于空间规划和路径设计问题, 空间规划是指液压元件在阀块上的合理摆 放问题, 解决液压元件空间干涉问题; 路径设计是指设计合理的满足液压系统油路要求的路 径,解决阀块内部路线设计问题。 3. 液压集成块虚拟设计的主要内容 液压集成阀块是一个三维六面体,在三维空间中进行设计,则可得到形象的几何模型,使设 计者能够直接面向真实感的对象进行处理, 以选取最佳方案。 这是为什么进行虚拟设计的主 要原因。 虚拟技术的实现需要进行软件环境的建设,因此研究的首要问题是如何进行计算机软件设 计。 解决的关键性问题 A. 利用虚拟工程和 Rational Rose 98 软件以及三维实体造型技术进行软件系统建模, 完成虚 拟环境的设计;软件的建模研究内容包括: * 面向对象技术的使用 * 软件的建模语言 UML 的使用 * Rational Rose98 软件的建模过程等等 软件的建模的目的是为空间规划(阀)和路径设计(工艺孔)提供一个良好的虚拟环境。 B. 应用交互的方法协助设计者进行液压阀空间规划推理设计;研究内容包括: * 液压阀空间规划的原则和方法 * 液压阀空间规划的优化 * 液压集成块空间规划的推理、交互设计等; C. 应用神经网络技术和遗传算法进行工艺孔自动设计推理,完成集成块路径设计优化等工 作,此部分为液压集成块虚拟设计的核心部分。研究内容包括: * 工艺孔路径设计的原则和方法 * 工艺孔智能路径设计 * 工艺孔路径设计的步骤和实现 D. 此 外 , 在 计 算 机 图 形 学 技 术 方 面 , 应 用 OpenGL 技 术 进 行 虚 拟 环 境 的 建 设 ; 在 CAD/CAM/CAPP 技术方面,应用 AutoCAD R14 作为支撑软件,进行 ARX 开发;在数据库

管理技术方面,进行软件的数据管理和孔道数据库的建立等; 4. 结论与实践 本文以现今液压集成块设计中流行的多阶梯螺纹插装阀为研究对象, 改变传统的设计方法而 采用三维设计, 二维输出的设计思路。 该方法结合虚拟现实技术、 人工智能理论、 软件工程、 路径规划、参数化三维实体造型技术等理论,建造一个虚拟的设计环境,以辅助设计者完成 液压集成块的设计。 通过对液压集成块虚拟设计的研究, 可以初步实现三维结构的动画展示, 以辅助设计者进行 及时的校验、修改、分析;以便于液压集成块的结构优化调整。 图 2 至图 5 是集成块虚拟设计时,软件系统提供的多视图多功能的动态帮助。如图 2,为液 压集成块的整体结构;如图 3,为液压集成块部分选取结构;如图 4,为液压集成块剖视结 构;如图 5,为液压集成块部分反转结构;它们为同一集成块的不同表示方法。这些三维模 型可以进行各角度的动画展示, 帮助设计者从更直观形象的角度分析液压集成块的结构。 如 图 6 为该集成块早期设计时采用的二维方法, 设计者思维在图纸二维和头脑三维中不断的转 换,容易产生错误。 因此充分体现了液压集成块虚拟设计优势, 极大的减少了设计者的劳动强度, 把他们彻底地 从繁重的设计劳动解放出来。


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