基于分层设计的插装阀集成块CAD方法.pdf

第2 6 卷第4 期 V o 1 2 6 No 4 辽宁工程技术大学学报2 0 0 7 年 8 月 J o u rna l o f L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t 文章编号 1 0 0 8 0 5 6 2 2 0 0 7 0 4 0 5 8 8 0 4 基于分层设计的插装阀集成块C A D方法 贾 春强 田 树军 刘万辉 张 宏 大连理工大学 机械工程学院 辽宁大连 1 1 6 0 2 4 摘要 为 了 实 现 插 装阀 液 压 集 成 块 的 智 能 优 化 设 计 采 用了 一 种 基 于 功 能 块 及分 层 设 计的 集 成 块C A D 方 法 全 面 研究 并 总 结了 插 装阀结构特征及其集成块的设计规律 给出了 功能块的概念 阐述了分层设计思想及其实现方法 构建了 基于分层设计的插装阀集成 块优化设计系统 设计实例表明 该方法能充分利用前人的设计经验和成果 满足各种工况的实际需求 并大大降低集成块C A D的设 计难度 有效提高设计水平 质量及自 动化程度 关键词 插装阀 功能 块 分 层设计 C A D 中图分类号 T H 1 3 7 T P 3 9 1 7文献标识码 A C A D m e t h o d f o r c a r t r i d g e v a l v e b l o c k s b a s e d o n l a y e r e d d e s i g n J I A C h u n g i a n g T I A N S h u j u n L I U Wa n h u i Z H A N G H o n g Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y D a li a n 1 1 6 0 2 4 C h i n a A b s t r a c t T o s o l v e t h e c o m b i n a t o r i a l o p t i m i z a t i o n p r o b l e m o f o u t e r l a y o u t i n t h e d e s i g n o f c a r t r i d g e v a l v e b l o c k s a n e w C A D m e t h o d i s p r e s e n t e d w h i c h i s b a s e d o n f u n c t i o n b l o c k s a n d l a y e r e d d e s i g n T h e s t r u c t u r a l f e a t u r e s o f c a r t r i d g e v al v e s a n d d e s i g n r u l e s o f m a n i f o l d b l o c k s a r e s u m m a r i z e d a n d t h e f u n c t i o n b l o c k l a y e re d d e s i g n i s d i s c u s s e d A s c h e m e o f C A D s y s t e m f o r c a r t r i d g e v al v e b l o c k s b a s e d o n p r e s e n t e d F i n a l l y a n e x a m p l e i s g i v e n t o t e s t i f y t h e e f f e c t i v e n e s s a n d f e a s i b i l i t y o f t h e m e t h o d K e y w o r d s 二c a r t r i d g e v al v e f u n c t i o n b l o c k l a y e r e d d e s i g n C A D i s d e f i n e d e r e d a n d l a yd e s i g n i s 0 引 言 随着二通插装阀控制技术日 益广泛的应用 插 装阀液压集成块的设计问题已愈加受到人们的关 注 由于插装阀元件的结构特殊性和集成块内部孔 道连通的复杂性 使集成块设计工作具有相当难 度 颇费工时且容易出错 因此 在设计过程中采 用 C A D技术和方法已 成为行业内的必然选择 但 在目 前 国内外所见的液压集成块 C A D研究基本 上集中在原理图绘制 孔道校核及二维工程图输出 等方面 很少涉及到液压集成块中元件布局和孔道 连通的自 动优化设计 且大多数研究都集中在板式 阀 针对插装阀的则较少见 同时 随着 C A D专业软件 方法和工具的不 断发展和升级 1 l 也为 液压集成块C A D设计提供了 更为有利的外部软件支撑 在此新形势下 本文就 插装阀集成块 C A D设计方法进行了深入研究 全 面分析了插装阀的结构特征及集成块的设计方法 提出了一种以现代设计理论和方法为基点的基于 功能块及分层设计的插装阀集成块C A D设计方法 1 插装阀结构及其集成块设计方法 1 1插装阀的结构特征 二通插装阀由 插装件 控制盖板 先导控制阀 和集成块体四部分组成 其中插装件坐于集成块体 内 部 集成块体既是插装阀的阀体 同时也是系统 中 所有插装件的承载体 2 1 与普通板式阀 相比 由 于插装阀结构的特殊性使得插装阀集成块的设计 问题显得更加复杂 主要表现在以下几个方面 1 二通插装阀采用了插入式连接的座阀结 构 整个插装件都坐在集成块体内 部 其孔道为由 若干阶梯组成的阶梯孔 同时二通插装阀阶梯孔中 带有侧向孔道 且该孔道的方向只能由与其相通的 插装阀位置来决定 具有孔道方向不定性 2 插装阀系统中的 控制油道非常复杂 若只 是按照直孔方式进行连通则会大大增加工艺孔的 数量 影响集成块的性能 因此在加工条件允许的 收稿日 期 2 0 0 6 0 6 2 1 基金项目 作者简介 国家自 然科学基金资助项目 5 0 3 7 5 0 2 3 贾 春3 1 9 7 9 男 浙江东阳 人 博士 研究 生 主 要从 事液 压系 统C A D 及动 态 特性 仿 真研 究 E m a i l j i a c g 2 2 9 1 2 6 c o m本文 编 校 焦 丽 第4 期贾 春强 等 基于分层设计的插装阀集成块C A D方法 5 8 9 情况下 为减少工艺孔数目 根据设计需要可适当 地采用斜孔进行连通 3 插装阀的控制阻力采用了阀口 相互独立分 离的结构 插装阀液压系统的元件数目 大大增加 一般来说 一个普通板式阀的控制功能需用两个或 四个甚至更多的插装阀才能实现 大大增加了集成 块元件布局设计的工作量 1 2 集成块设计C A D方法分析 总结目 前集成块C A D设计方法主要有两种 1 根据液压系统提供的元件信息及元件之间 的连通信息实现元件的计算机自动布局和孔道之 间 的自 动 连通 3 直接生 成集 成块三维立 体图 或 二 维工程图 2 根据系统原理凭借设计者的人脑思维和设 计经验确定出集成块的集成方案 确定元件的布局 位置 然后利用计算机进行孔道安全校核 完成集 成块 C A D设计 上述两种方法中 第一种方法自 动化程度高 以智能优化设计理论为依托 利用计算机实现集成 块自 动布局和布孔 达到了对集成块体积 工艺孔 数 最短孔道路径等优化目 标的最优设计 4 5 但由 于各液压系统实际工作环境及装配环境的不一致 性 很难将其纳入优化设计模块当中 设计者还需 根据系统工况对优化设计结果进行调改 直至满足 设计要求 第二种方法的元件布局和孔道连通全部 由设计者根据经验设计得出 虽可以满足系统实际 工作及装配环境的需求 但缺少优化计算 只对孔 道连通进行安全校核 其设计结果仅为可行 难以 达到最优 而且将插装阀集成块所有元件的布局和 孔道连通设计问题全部由设计者凭大脑思维和经 验来完成 大大增加了人的设计工作量 且设计难 度很大 效率低 对于二通插装阀而言 由于其特殊的结构和大 大增加的元件数目 若采用第一种方法进行设计 可以 进行最优化设计 但同时也会极大地增加设计 工作量 而且还需要对优化设计后的结果进行调 改 若采用第二种方法进行设计则自 动化程度低 设计者设计工作量大 效率低 为此 本文根据插 装阀的结构特征 结合上述两种设计方法的优点 提出一种针对插装阀集成块的 C A D设计方法 基于功能块及分层设计的 C A D方法 并对该方法 进行了探讨性研究和分析 2 功能块及分层设计的实现 2 1 功能块及分层设计概念的引入 由插装阀的结构及工作原理可知 每个插装阀 液压系统都是由若干个基本功率回路组成 每个基 本功率回路实现与其相应的板式阀相同的作用 为 此 将插装阀系统的每一个基本功率回路作为一个 整体参与到集成块的C A D设计中 同时 将每个 基本功率回路内元件的相互位置关系作为确定非 可变方案来处理 故只需进行回路与回路之间的布 局优化 从而可以大大减少集成块设计工作量 从液压系统确定的基本功率回路或系统要求 的特殊回路出发 引入功能块的概念 将一个或若 干个基本功率回路集中在集成块某一个典型区域 内实现 再根据液压系统的实际工况进行典型区域 内元件的布局和孔道的连通设计 这样得到的区域 称之为功能块 由于每一个功能块上元件数目 相对 较少 相对位置关系容易确定 使设计变得相应简 单 大大降低了整体设计的难度 同时由于所有插 装阀液压系统中的功率回路是基本一致的 为此可 以 建立一个开放式数据库 6 将设计者根据基本回 路设计的功能块存于其中 随时进行调用 既避免 了重复劳动 又可显著提高设计速度和设计规范 为将所有功能块有机组合以实现整体集成块 的设计 本文又引入分层设计思想 将整体集成块 分成若干虚拟的层 每一虚拟层都由一个或数个功 能块组成 通过对各功能块的有机组合形成层 再 对每一层进行元件布局 孔道连通及校核 最后由 层的组合形成一个层次鲜明的整体式液压集成块 其结构层次关系如图t o 2 2 集成块C A D的分层设计方法 有了分层设计思想 就要考虑如何进行液压集 成块的分层 一般情况下 分层是依据液压系统中 的基本功率回路来划分 由于集成块上的每一层 除了顶层 都留出上下两个面作为层与层之间的 结合面 故层内的元件只能布局在前后左右四个面 上 对于四通回路 其层内前后左右四个面均已占 用 因此可以 将一个四通回路的功能块作为集成块 中的一层来处理 但在实际中 液压系统中的功率 回路是多样的 有些功率回路比较简单 只有一个 或两个元件 三通回路 此时就可以 考虑将其与另 一简单回路合并作为集成块的一层加以实现 以 尽 可能压缩集成块体内的冗余空间 达到体积最小的 优化设计目的 5 9 0 辽宁工程技术大学学报第 2 6 卷 基本功率回 路 基本功率回路 蔺国回周四 窗图国圆 基本功率回路 鲁冰周因 到刻圳引团阳 基本功率回路 图1集成块结构层次图 F i g 1 s t r u c t u r a l h i e r a r c h y o f c a r t r i d g e v a l v e b l o c k s 集成块中元件的布局涉及到的设计变量较多 包括元件安装基面 安装角度以及在面上的安装位 置 在本文所述的分层设计中 层的上下两面作为 结合面 故安装面的集合为 f a c e 前 后 左 右 安装角度通常采用直角 构成一个安装角度 集合a n g l e 0 0 9 0 0 1 8 0 0 2 7 0 0 面上的 安装位置用面的相对坐标来表示 c o o r d i n a t e x 对 若对回路内 每个元件都进行布局优化 则由 于 集成块布局问 题本身具有的建模复杂性和N P完全 的性质 每增加一个布局元件 都会大大增加布局 求解的计算量和难度 为此 针对插装阀元件数目 多的结构特点 对插装阀基本功率回路内元件的相 互位置关系布置采用确定非可变的方案 将基本回 路作为一个不可变的整体参与到集成块的设计中 这样 只需对一个元件进行布局 其他元件的位置 都可由该元件位置计算得出 大大减少了 布局计算 的工作量 加快了设计进程 整体集成块的初步结构设计 其上层包含两个三通 回路及压力表支路 下层实现一个四通回路 整个 集成块层次鲜明 结构清晰 而且设计简单快捷 2 3 分层设计实例 3 插装阀集成块C A D 优化设计系统 利用分层设计的方法调用各层相应的功能块 根据块中己有的数据和信息确定个元件的布局位 置 结合元件安装角度孔道连通方法进行集成块孔 道网络优化设计 集成块 C A D优化设计各环节之 间的关系如图3 液压集成块 C A D设计的核心之一是其外部元 件的布局优化设计 是一种复杂的空间布局问题 属N P完全问 题 利用分层设计的方法 充分利用 插装阀液压系统功率回路的特性和设计人员丰富 的设计经验 将液压集成块虚拟地划分为若干层 快速合理地完成集成块外部元件的布局设计 4 结论 为具体说明功能块与分层设计在插装阀集成 块设计中的应用与实现 以一个简单的插装阀系统 实例来说明基本功率回路的划分和层的设计 为简 化问题 只对系统的主油路进行了分析 如图2 0 由原理图 2 a可以看出 本系统由一个四通回 路和两个三通回路组成 根据本文功能块和分层设 计思想 可作如下处理 1区中的四通回路直接作 为集成块的一层来处理 2 区和3 区中的两个三通 回路合并作为集成块上的一层来实现 如图2 b 这 样 利用分层设计思想 将上述两层合并 即完成 在全面分析插装阀的结构特征及其集成块的 设计规律基础上 提出一种基于功能块及分层设计 的插装阀集成块 C A D设计方法 深入研究了功能 块和分层设计思想在插装阀集成块设计中的应用 并得出如下结论 1 研究的分层设计思想是将复杂的插装阀集 成块虚拟地划分为若干层 每层实现一个或数个基 本功率回路的功能 大大降低了集成块的设计难 度 且结构优化 符合实际工程需求 第4 期贾 春强 等 基于分层设计的插装阀集成块C A D方法 5 9 1 a 液压系统原理图 b 集成块的 两层 图2 插装阀液压系统原理图及其集成块分层设计 F i g 2 h y d r a u l i c s y s t e m p r i n c i p l e d i a g r a m a n d l a y e re d d e s i g n o f b l o c k s 图3 基于分层设计的插装阀集成块C A D优化设计系统 F i g 3 C A D s y s t e m o f o p t i m a l d e s i g n o f c a r t r i d g e v a l v e b l o c k b as e d o n l a y e r e d d e s i g n 2 功能块通用化数据库的建立 实现了不同 系统中相同功能块的重复调用 体现了一种可重组 的设计思想 加快了设计速度 3 本文提出的功能块与分层设计思想还具有 将设计者的设计经验及其创造性思维与计算机快 速性设计相结合的特点 实例分析表明 基于功能块的分层设计 C A D 方法能够快速 准确地完成集成块的空间布局设计 工作 为提高集成块设计水平和质量及其自 动化程 度提供有力的技