基于分層設計的插裝閥集成塊CAD方法

2013-08-06 by:ProE/Croe培訓中心來源:仿真在線

基于分層設計的插裝閥集成塊CAD方法

0 引言

隨著二通插裝閥控制技術日益廣泛的應用,插裝閥液壓集成塊的設計問題已愈加受到人們的關注。由于插裝閥元件的結構特殊性和集成塊內部孔道連通的復雜性,使集成塊設計工作具有相當難度,頗費工時且容易出錯。因此,在設計過程中采用CAD技術和方法已成為行業內的必然選擇。但在目前,國內外所見的液壓集成塊CAD研究基本上集中在原理圖繪制、孔道校核及二維工程圖輸出等方面,很少涉及到液壓集成塊中元件布局和孔道連通的自動優化設計, 且大多數研究都集中在板式閥,針對插裝閥的則較少見。

同時,隨著CAD 專業軟件、方法和工具的不斷發展和升級,也為液壓集成塊CAD設計提供了更為有利的外部軟件支撐。在此新形勢下,本文就插裝閥集成塊CAD設計方法進行了深入研究,全面分析了插裝閥的結構特征及集成塊的設計方法,提出了一種以現代設計理論和方法為基點的基于功能塊及分層設計的插裝閥集成塊CAD設計方法。

1 插裝閥結構及其集成塊設計方法

1.1插裝閥的結構特征

二通插裝閥由插裝件、控制蓋板、先導控制閥和集成塊體四部分組成。其中插裝件坐于集成塊體內部,集成塊體既是插裝閥的閥體,同時也是系統中所有插裝件的承載體。與普通板式閥相比,由于插裝閥結構的特殊性使得插裝閥集成塊的設計問題顯得更加復雜,主要表現在以下幾個方面:

(1) 二通插裝閥采用了插入式連接的座閥結構,整個插裝件都坐在集成塊體內部,其孔道為由若干階梯組成的階梯孔,同時二通插裝閥階梯孔中帶有側向孔道,且該孔道的方向只能由與其相通的插裝閥位置來決定,具有孔道方向不定性。

(2)插裝閥系統中的控制油道非常復雜,若只是按照直孔方式進行連通則會大大增加工藝孔的數量,影響集成塊的性能,因此在加工條件允許的情況下,為減少工藝孔數目,根據設計需要可適當地采用斜孔進行連通。

(3)插裝閥的控制阻力采用了閥口相互獨立分離的結構,插裝閥液壓系統的元件數目大大增加。一般來說 ,一個普通板式閥的控制功能需用兩個或四個甚至更多的插裝閥才能實現,大大增加了集成塊元件布局設計的工作量。

1.2 集成塊設計CAD方法分析

總結目前集成塊CAD設計方法主要有兩種:

(1)根據液壓系統提供的元件信息及元件之間的連通信息實現元件的計算機自動布局和孔道之間的自動連通,直接生成集成塊三維立體圖或二維工程圖。

(2)根據系統原理憑借設計者的人腦思維和設計經驗確定出集成塊的集成方案,確定元件的布局位置, 然后利用計算機進行孔道安全校核,完成集成塊CAD設計。

上述兩種方法中,第一種方法自動化程度高,以智能優化設計理論為依托,利用計算機實現集成塊自動布局和布孔,達到了對集成塊體積、工藝孔數、最短孔道路徑等優化目標的最優設計,但由于各液壓系統實際工作環境及裝配環境的不一致性,很難將其納入優化設計模塊當中,設計者還需根據系統工況對優化設計結果進行調改, 直至滿足設計要求。第二種方法的元件布局和孔道連通全部由設計者根據經驗設計得出,雖可以滿足系統實際工作及裝配環境的需求,但缺少優化計算,只對孔道連通進行安全校核,其設計結果僅為可行,難以達到最優,而且將插裝閥集成塊所有元件的布局和孔道連通設計問題全部由設計者憑大腦思維和經驗來完成, 大大增加了人的設計工作量,且設計難度很大,效率低。

對于二通插裝閥而言,由于其特殊的結構和大大增加的元件數目,若采用第一種方法進行設計 ,可以進行最優化設計,但同時也會極大地增加設計工作量,而且還需要對優化設計后的結果進行調改。若采用第二種方法進行設計則自動化程度低,設計者設計工作量大,效率低。為此,本文根據插裝閥的結構特征,結合上述種設計方法的優點,提出一種針對插裝閥集成塊的CAD設計方法—基于功能塊及分層設計的CAD方法,并對該方法進行了探討性研究和分析。

2 功能塊及分層設計的實現

2.1 功能塊及分層設計概念的引入

由插裝閥的結構及工作原理可知,每個插裝閥液壓系統都是由若干個基本功率回路組成,每個基本功率回路實現與其相應的板式閥相同的作用。為此,將插裝閥系統的每一個基本功率回路作為一個整體參與到集成塊的CAD設計中,同時,將每個基本功率回路內元件的相互位置關系作為確定非可變方案來處理,故只需進行回路與回路之間的布局優化,從而可以大大減少集成塊設計工作量。

從液壓系統確定的基本功率回路或系統要求的特殊回路出發,引入功能塊的概念,將一個或若干個基本功率回路集中在集成塊某一個典型區域內實現,再根據液壓系統的實際工況進行典型區域內元件的布局和孔道的連通設計,這樣得到的區域稱之為功能塊。由于每一個功能塊上元件數目相對較少,相對位置關系容易確定,使設計變得相應簡單,大大降低了整體設計的難度。同時由于所有插裝閥液壓系統中的功率回路是基本一致的,為此可以建立一個開放式數據庫,將設計者根據基本回路設計的功能塊存于其中,隨時進行調用,既避免了重復勞動,又可顯著提高設計速度和設計規范。

為將所有功能塊有機組合以實現整體集成塊的設計,本文又引入分層設計思想,將整體集成塊分成若干虛擬的層,每一虛擬層都由一個或數個功能塊組成。通過對各功能塊的有機組合形成層,再對每一層進行元件布局、孔道連通及校核,最后由層的組合形成一個層次鮮明的整體式液壓集成塊。

2.2 集成塊CAD的分層設計方法

有了分層設計思想,就要考慮如何進行液壓集成塊的分層。一般情況下,分層是依據液壓系統中的基本功率回路來劃分。由于集成塊上的每一層(除了頂層)都留出上下兩個面作為層與層之間的結合面,故層內的元件只能布局在前后左右四個面上。對于四通回路,其層內前后左右四個面均已占用,因此可以將一個四通回路的功能塊作為集成塊中的一層來處理。但在實際中,液壓系統中的功率回路是多樣的,有些功率回路比較簡單,只有一個或兩個元件(三通回路),此時就可以考慮將其與另一簡單回路合并作為集成塊的一層加以實現,以盡可能壓縮集成塊體內的冗余空間,達到體積最小的優化設計目的。

集成塊中元件的布局涉及到的設計變量較多,包括元件安裝基面、安裝角度以及在面上的安裝位置。在本文所述的分層設計中,層的上下兩面作為結合面,故安裝面的集合為face ={前、后、左、右};安裝角度通常采用直角,構成一個安裝角度集合angle={ 00 ,900,1800,2700};面上的安裝位置用面的相對坐標來表示coordinate= {x,y}。若對回路內每個元件都進行布局優化,則由于集成塊布局問題本身具有的建模復雜性和NP完全的性質,每增加一個布局元件,都會大大增加布局求解的計算量和難度。為此,針對插裝閥元件數目多的結構特點,對插裝閥基本功率回路內元件的相互位置關系布置采用確定非可變的方案,將基本回路作為一個不可變的整體參與到集成塊的設計中, 這樣,只需對一個元件進行布局,其他元件的位置都可由該元件位置計算得出, 大大減少了布局計算的工作量,加快了設計進程。

2.3 分層設計實例

為具體說明功能塊與分層設計在插裝閥集成塊設計中的應用與實現,以一個簡單的插裝閥系統實例來說明基本功率回路的劃分和層的設計。為簡化問題 ,只對系統的主油路進行了分析.

由原理可以看出,本系統由一個四通回路和兩個三通回路組成。根據本文功能塊和分層設計思想,可作如下處理:1區中的四通回路直接作為集成塊的一層來處理,2區和3區中的兩個三通回路合并作為集成塊上的一層來實現。這樣,利用分層設計思想,將上述兩層合并,即完成整體集成塊的初步結構設計,其上層包含兩個三通回路及壓力表支路,下層實現一個四通回路,整個集成塊層次鮮明,結構清晰,而且設計簡單快捷。

3 插裝閥集成塊CAD優化設計系統

利用分層設計的方法調用各層相應的功能塊,根據塊中己有的數據和信息確定個元件的布局位置, 結合元件安裝角度孔道連通方法進行集成塊孔道網絡優化設計。集成塊CAD優化設計各環節之間的關系如圖3.

液壓集成塊CAD設計的核心之一是其外部元件的布局優化設計,是一種復雜的空間布局問題,屬NP完全問題,利用分層設計的方法,充分利用插裝閥液壓系統功率回路的特性和設計人員豐富的設計經驗, 將液壓集成塊虛擬地劃分為若干層,快速合理地完成集成塊外部元件的布局設計。

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