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液压集成块CAD/CAM集成系统理论与开发技术研究

刘万辉  
【摘要】: 液压传动与控制领域正越来越多地采用液压集成块配置,其优点是可以显著减少管路联接和接头,降低系统的复杂性,而且能使系统的结构更加紧凑,同时也有利于降低制造成本。然而,随着液压系统复杂程度的提高,液压集成块的设计、制造难度也随之增加。因此将新技术与方法引入到集成块的设计制造中,用先进的CAD/CAM技术、智能优化方法、工程数据库技术、虚拟现实技术等辅助手段进行液压集成块的设计与制造必然成为未来的发展方向。本文紧密结合工程实际,通过对液压集成块CAD/CAM理论与开发技术的深入研究,研制出实用的液压集成块CAD/CAM集成系统。该系统将液压集成块优化设计与加工制造有机地结合为一体,可高质量地实现液压集成块从设计到制造的一体化操作。主要的研究内容和成果如下: 根据液压集成块CAD/CAM集成系统的功能需求,本文首次运用基于功能驱动的系统规划原理对集成块六个方面的核心设计问题(结构优化设计、虚拟现实设计、性能优化设计、CAM系统设计、虚拟装配设计和工程数据库系统设计)进行合理、科学的总体规划,并确定集成块CAD/CAM集成系统的体系结构。该体系结构使各主要部分工作得以有效衔接与协调,系统资源得到充分的利用,集成系统的应用得到不断拓展和深化;从而为开发实际的液压集成块CAD/CAM集成系统奠定了研究基础。在此基础上,明确了集成系统各主要部分所涉及的关键技术,为全文的研究奠定了基础。 在全面总结集成块类零部件的结构特征和设计、制造信息组成规律的基础上,本文应用面向对象的方法定义与该问题有关的特征变量的显性表达式,确立了优化目标和约束条件,进而建立了集成块设计问题的数学优化模型。针对此类多目标、多约束、多峰值的复杂工程问题,结合课题组在液压集成块优化设计中所采用的NGSA算法(基于小生境的遗传模拟退火算法)存在的求解稳定性不高、收敛速度较慢、算法效率较低的问题,对混合优化策略中的关键参数(适应度函数、选择/交叉/变异算子)和操作设计方法(退火与抽样过程、最优保留策略)进行科学的改进,提出一种基于改进的小生境遗传模拟退火算法—改进型NGSA算法,作为引领集成块总体优化设计的引擎算法。研究结果表明,改进型NGSA算法的全局和局部搜索能力进一步加强,可更为高效地寻找到多个有效极值,是一种整体优化能力、效率和可靠性具有明显改进的混合优化方法。 本文经过深入分析,对于集成块设计中的孔道校核、孔道网络连通设计、孔道网络优化设计、元件外形干涉校核、外观布局设计、体积缩减六个关键性典型环节,给出各自的数学模型,并研究出有针对性的实现算法与设计改进方法。设计实例表明,针对液压集成块设计这类工程实际研究对象,本文所采用的设计方法简便有效、准确可靠,能够高度智能化地完成复杂液压系统中阀类元件在阀块体上一系列设计环节的自动实施,诸如布局定位、实时校核下的孔道连通、连通方案的目标评价和布局方案的调改等设计内容和步骤,最终实现布局布孔集成方案的总体优化设计。 系统地研究了液压集成块CAM过程的宏观工艺规划、刀具加工路径规划,NC程序编译、虚拟加工环境设计四个方面的技术进行了深入的研究分析,并提出具体的设计方法。其中:重点研究通过动态规划与工序优化相结合的策略进行刀具加工路径规划,该方法能有效地缩短在线加工工时和辅助工时中的空行程时间。在深入分析不同数控系统的异同及NC程序特点的基础上,设计出基于模块化方式的通用化NC程序编译器,该编译器具有能充分地利用设计资源、节省开发成本和降低对技术人员的数控编程方面知识要求等特点,并有利于企业实际生产过程的自动化。 在上述研究的基础上,通过Visual C++与ObjectARX开发工具、OpenGL图形接口进行无缝地衔接,成功开发出液压集成块CAD/CAM集成系统。通过考证一系列典型优化问题实例,验证本文所采用方法的有效性和所开发系统的实用性。最后将通过对一个复杂的集成式液压系统实例进行完整的设计,以全面展示系统的总体工作流程与具体实现功能,以及采用智能优化设计手段解决液压集成块设计问题的技术优势及特点。


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