插裝閥集成塊CAD 系統(tǒng)的研究與開發(fā)

程煥兵，張 衛(wèi)，陸寶春，郭 凡，馬 沖

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南通鍛壓設(shè)備股份有限公司，江蘇 南通 226578）

0 引言

插裝閥集成塊是高壓、高流量、集成式液壓系統(tǒng)的中樞，它將液壓系統(tǒng)中的各類插裝閥、板式閥及其他附件用整體管路組合起來，代替了傳統(tǒng)的外部管路連接，具有振動(dòng)小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于液壓系統(tǒng)組成的非標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的孔道網(wǎng)絡(luò)，使得插裝閥塊的設(shè)計(jì)效率較低且不易保證質(zhì)量［1］。插裝閥集成塊的核心設(shè)計(jì)內(nèi)容是表面元件布局設(shè)計(jì)與內(nèi)部孔道的連通設(shè)計(jì)。目前，常采用智能優(yōu)化算法解決這類多約束、多目標(biāo)問題，如于玲等［2］構(gòu)造了一種基于退火控制的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來解決集成塊的自動(dòng)優(yōu)化布局問題；LIU Wanhui等［3］構(gòu)造了一種具有記憶功能的混合遺傳模擬退火算法，對(duì)集成塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；賈春強(qiáng)等［4］建立了布局布孔優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并提出一種融合智能優(yōu)化理論和工程經(jīng)驗(yàn)的插裝閥塊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。上述以計(jì)算智能為主的集成塊優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然取得了一定成果，但針對(duì)表面元件布局和內(nèi)部孔道規(guī)劃的研究工作較孤立，未能進(jìn)一步開發(fā)出合理、高效的集成塊計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）系統(tǒng)，使得集成塊的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作不具備連續(xù)性和整體性，未能從根本上提高其設(shè)計(jì)效率和水平。隨著插裝閥集成塊品種和需求量的不斷增加，高效的插裝閥集成塊CAD 系統(tǒng)具有很大的市場(chǎng)前景。

本文針對(duì)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(jìn)化蟻群算法的多孔道布孔方法，并以Visual Studio 2010作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合運(yùn)用C＃及MATLAB開發(fā)工具將上述設(shè)計(jì)方法進(jìn)行集成，開發(fā)了基于SolidWorks的插裝閥集成塊CAD 系統(tǒng)，實(shí)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(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及功能規(guī)劃

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

插裝閥集成塊設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)塊體體積盡量小、孔道路徑總長(zhǎng)盡量短及工藝孔數(shù)盡量少等目標(biāo)。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)，確定各元件的安裝信息（安裝面、安裝角度和安裝坐標(biāo)）和集成塊的外形尺寸，并進(jìn)行外形干涉校核；③內(nèi)部布孔設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jì)及虛擬裝配完畢，自動(dòng)生成并標(biāo)注各類工程圖。

1.2 系統(tǒng)功能規(guī)劃

基于上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)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SQL Server 2008作為項(xiàng)目數(shù)據(jù)及元件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的底層數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，采用MATLAB 進(jìn)行優(yōu)化求解及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)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(jì)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(gè)子模塊。通過元件選擇及連通建立，可實(shí)現(xiàn)原理圖的數(shù)字化，為后續(xù)的布局布孔設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

（2）參數(shù)化布局模塊 包括表面布局計(jì)算和庫特征調(diào)用兩個(gè)子模塊。采用基于工程規(guī)則的回溯算法進(jìn)行表面布局計(jì)算，確定各元件的安裝面；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(jì)與油路詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)子模塊。油路概念設(shè)計(jì)通過輸入待布孔組的始末點(diǎn)位置參數(shù)、自設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)權(quán)值參數(shù)及合作型協(xié)同進(jìn)化蟻群布孔算法參數(shù)進(jìn)行油路路徑求解；油路詳細(xì)設(shè)計(jì)用于在3D 平臺(tái)SolidWorks中生成三維孔道及添加必要的工藝孔。

（4）設(shè)計(jì)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(gè)子模塊。通過連接使用SolidWorks軟件自帶的外形干涉檢測(cè)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(jìn)行同色標(biāo)識(shí)，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(jìn)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(biāo)參數(shù)后，可驗(yàn)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(biāo)注兩個(gè)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(jì)電子圖版CAXA 進(jìn)行尺寸標(biāo)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(jì)參數(shù)三個(gè)子模塊?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)元件模型的繪制、輔助孔庫特征的建立及各設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范和系統(tǒng)使用說明兩個(gè)子模塊。插裝閥集成塊設(shè)計(jì)規(guī)范部分可幫助設(shè)計(jì)者深入了解其設(shè)計(jì)內(nèi)容及相關(guān)規(guī)范，為集成塊設(shè)計(jì)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(jì)流程和各部分詳細(xì)操作說明，確保集成塊設(shè)計(jì)工作準(zhǔn)確可靠。

2 插裝閥集成塊CAD系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于工程規(guī)則的回溯法布局設(shè)計(jì)

針對(duì)以計(jì)算智能為主的集成塊布局設(shè)計(jì)目前存在的運(yùn)算速度慢、設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性差、布局結(jié)果難以滿足設(shè)計(jì)人員的特定要求等問題，提出運(yùn)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 回溯法求解表面布局的可行性分析

回溯法是解決聯(lián)合搜索問題的一個(gè)重要方法，它按照深度優(yōu)先的策略從開始節(jié)點(diǎn)出發(fā)搜索解空間。在插裝閥塊的表面布局設(shè)計(jì)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(biāo)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(biāo)。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（X1，…，Xk，…，Xn）表示n個(gè)元件在安裝面上的一個(gè)布局解。Xk∈（1，2，3，4，5，6）表示元件k布置在安裝面的位置，其中：1為前面，2為后面，3為左面，4為右面，5為上面，6為下面，k=1，2，…，n。

在算法設(shè)計(jì)策略中，一個(gè)問題能夠用回溯法求解的條件是［5］：①問題的解具有n元組形式；②問題提供顯示約束來確定狀態(tài)空間樹，并提供隱式約束來判定可行解；③應(yīng)能設(shè)計(jì)有效的約束函數(shù)，縮小檢索空間。對(duì)于插裝閥塊元件安裝面布局設(shè)計(jì)問題，易知滿足條件①和②，因此通過對(duì)布局工程規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行約束轉(zhuǎn)化，構(gòu)建約束矩陣，利用回溯法搜索求解時(shí)，讀取并判斷矩陣中的值是否與元件間安裝面的位置關(guān)系一致，可達(dá)到檢索搜索空間及正確求解的作用，即滿足了條件③。

2.1.2 集成塊表面布局的回溯算法設(shè)計(jì)

（1）布局問題的解空間

對(duì)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(dá)插裝閥塊元件安裝面布局問題的解空間，從根節(jié)點(diǎn)出發(fā)到排列樹的任一葉節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)表面布局方案，其中第k層節(jié)點(diǎn)到第k+1層節(jié)點(diǎn)之間連線上的標(biāo)號(hào)Xk表示元件k的安裝面。

圖2所示為n=3時(shí)按元件1，2，3先后順序布局的狀態(tài)空間樹，節(jié)點(diǎn)A1，B1～B6，C1～C36，D1～D216分別對(duì)應(yīng)狀態(tài)空間樹的第1，2，3，4 層節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)A1到葉節(jié)點(diǎn)D1，D2，…，D216的路徑表示所有可能的布局方案。如從A1到D2的方案表示第一個(gè)和第二個(gè)元件安裝在前面，第三個(gè)元件安裝在后面；根節(jié)點(diǎn)A1到D211的方案表示第一個(gè)和第二個(gè)元件安裝在下面，第三個(gè)元件安裝在前面，其他情況可依此類推。

（2）布局規(guī)則轉(zhuǎn)化及約束矩陣建立

將插裝閥塊表面布局的工程規(guī)則運(yùn)用于布局設(shè)計(jì)，可有效提高其設(shè)計(jì)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?/p>

2）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?/p>

5）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?/p>

7）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(yùn)用，需建立一個(gè)n×n（n為元件數(shù)）的約束關(guān)系矩陣。如一個(gè)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(xiàng)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(duì)面布置，23表示兩元件鄰面或?qū)γ妫ǚ峭妫┎贾谩?/p>

（3）主要信息矩陣存儲(chǔ)及求解流程

插裝閥集成塊表面布局問題中的主要信息實(shí)現(xiàn)如下：

An×6為存儲(chǔ)n個(gè)元件布局面信息的n×6矩陣，6列表示6個(gè)安裝面；

Rn×n存儲(chǔ)n個(gè)元件兩兩之間布局面的約束關(guān)系；

Indexes1×n記錄每個(gè)解中各元件的安裝面。

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(xiàn)=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?duì)面的元件編號(hào)。

應(yīng)用MATLAB語言建立插裝閥塊布局問題的回溯算法程序，進(jìn)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(shí)現(xiàn)插裝閥集成塊的快速正確表面布局，其設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2.2 合作型協(xié)同進(jìn)化蟻群布孔算法設(shè)計(jì)

2.2.1 基于蟻群算法的孔道連通規(guī)劃

布局計(jì)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(shí)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(biāo)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［6-7］，在基于蟻群算法的集成塊孔道路徑尋優(yōu)設(shè)計(jì)中，首先需根據(jù)布局結(jié)果設(shè)置障礙化（由插裝閥孔等主孔確定）的環(huán)境模型空間、確定待布孔組的始末點(diǎn)坐標(biāo)；接著定義算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（包括螞蟻結(jié)構(gòu)及布孔柵格模型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)）并對(duì)其初始化；螞蟻在搜索過程中，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)上的信息素和啟發(fā)信息計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率；在一次迭代中，螞蟻每經(jīng)過一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都要對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行局部信息素更新；當(dāng)一次迭代結(jié)束后，需對(duì)螞蟻?zhàn)哌^的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全局信息素更新；當(dāng)算法運(yùn)行到預(yù)設(shè)迭代最大次數(shù)或多次迭代中找到的最優(yōu)解均為同一解時(shí)，算法終止。

在集成塊孔道連通設(shè)計(jì)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(dòng)一個(gè)安全壁距，以保證生成的孔道垂直構(gòu)造面，同時(shí)可以減少孔道路徑規(guī)劃時(shí)搜索的節(jié)點(diǎn)。

目標(biāo)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(gè)數(shù)盡量少，因此用式（1）計(jì)算第t次迭代螞蟻k的目標(biāo)函數(shù)值。

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，用于螞蟻個(gè)體適應(yīng)值計(jì)算的適應(yīng)函數(shù)為

式中：Lk（t）和Bk（t）分別為第t次迭代中螞蟻k所走路徑的長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)彎數(shù)；λ1和λ2分別為路徑長(zhǎng)度及工藝孔數(shù)的權(quán)值，考慮到孔道加工的工藝性，工藝孔數(shù)要盡可能少，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可取λ1=1，λ2=10～100。

2.2.2 多孔道布孔順序問題

將蟻群算法引入單組油口的連通設(shè)計(jì)，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(shí)例，在圖4a中，先連通A2B2后連通A1B1，孔道路徑總長(zhǎng)為13，工藝孔數(shù)為1；在圖4b中，先連通A1B1后連通A2B2，孔道路徑總長(zhǎng)不變，但工藝孔數(shù)卻增多為3；而圖4c中，A2B2無法布通。當(dāng)油口組數(shù)為3或更多時(shí)，布孔時(shí)的相互影響更大。

2.2.3 多蟻群協(xié)同進(jìn)化的多孔道布孔優(yōu)化

協(xié)同進(jìn)化算法是受大自然中普遍存在的協(xié)同進(jìn)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(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化問題分解為多個(gè)相互影響的子系統(tǒng)的優(yōu)化問題，各子系統(tǒng)分別進(jìn)行優(yōu)化，再進(jìn)行整體協(xié)調(diào)［8］。

將集成塊每組油口之間的孔道對(duì)應(yīng)一個(gè)蟻群，所有蟻群構(gòu)成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。每次迭代中，各個(gè)蟻群的進(jìn)化次序是隨機(jī)的，均采用蟻群布孔算法實(shí)現(xiàn)單組孔道尋徑，在評(píng)估各蟻群中個(gè)體的適應(yīng)值時(shí)（如圖5中的蟻群i），將蟻群i中的各螞蟻個(gè)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(jì)算這一完整解的函數(shù)適應(yīng)值并挑選出最優(yōu)個(gè)體，各蟻群的進(jìn)化和協(xié)調(diào)過程反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)算法運(yùn)行到達(dá)預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)或在多次迭代中找到的螞蟻整體適應(yīng)值均為同一解時(shí)，算法終止［9］。

采用TPA法測(cè)定破碎力，使用P/36R圓柱形探頭，65%的壓縮比例，觸發(fā)力0.15 N，30 mm/min測(cè)試速率下降距離20 mm。每個(gè)樣品平行測(cè)定6次取平均值[11]。

以并行規(guī)劃三條孔道（A1B1，A2B2，A3B3）為例，對(duì)應(yīng)三個(gè)蟻群（Y1，Y2，Y3）的合作型協(xié)同進(jìn)化布孔算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1 初始化。分別對(duì)模型中的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及各蟻群中的螞蟻結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化操作；設(shè)置進(jìn)化代數(shù)gen=0，已完成進(jìn)化的蟻群個(gè)數(shù)Wgen=0。

步驟2 利用式（2）計(jì)算并比較各初始蟻群中個(gè)體k的適應(yīng)值，記錄各蟻群中的最優(yōu)個(gè)體P＊（Y1），P＊（Y2）和P＊（Y3）。

步驟3 記錄已完成的迭代數(shù)gen。

步驟4 記錄已完成進(jìn)化的蟻群數(shù)Wgen。

步驟5 從當(dāng)代未完成進(jìn)化的蟻群中隨機(jī)選擇一個(gè)蟻群，如Y1。

步驟6 將最優(yōu)螞蟻個(gè)體P＊（Y2）和P＊（Y3）所走的節(jié)點(diǎn)及各轉(zhuǎn)彎單向延伸節(jié)點(diǎn)（工藝孔）作障礙化處理，即使其狀態(tài)值賦為1。

步驟7 對(duì)Y1執(zhí)行蟻群布孔算法，將蟻群Y1中的各螞蟻個(gè)體分別與其他蟻群中選出的最優(yōu)個(gè)體代表構(gòu)成系統(tǒng)優(yōu)化問題的完整解，計(jì)算這一完整解的函數(shù)適應(yīng)值，并挑選出蟻群Y1中的最優(yōu)個(gè)體，恢復(fù)初始布孔環(huán)境。

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(dāng)代是否有未進(jìn)化的蟻群，若有，則增加已進(jìn)化的蟻群Wgen=Wgen+1，并執(zhí)行步驟4；若無，則增加迭代數(shù)gen=gen+1，初始化Wgen并執(zhí)行步驟3。

步驟10 輸出迭代最優(yōu)解和最優(yōu)孔道路徑。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

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(jì)系統(tǒng)（Cartridge Manifold Block CAD），選取某800T 液壓機(jī)頂缸部分的插裝閥塊設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)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(jìn)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（Society of Automotive Engineers）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(shí)，可只用一個(gè)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。

表1 系統(tǒng)元件信息

表2 油口連通信息

（2）參數(shù)化布局 根據(jù)布局規(guī)則約束轉(zhuǎn)化機(jī)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(jì)者可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或客戶要求選擇其一。

表3 元件安裝面布局方案

在本文設(shè)計(jì)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(jìn)行布局設(shè)計(jì)，得到插裝閥塊的長(zhǎng)、寬和高分別為312 mm，250 mm 和135 mm，參數(shù)化布局模塊如圖7所示。

（3）布孔優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(jìn)化蟻群布孔算法的控制參數(shù)后，進(jìn)行油路路徑求解。油路連通設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)、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(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

本文研發(fā)的插裝閥集成塊優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)——Cartridge Manifold Block CAD 主要有如下特點(diǎn)：

（1）將布局工程規(guī)則進(jìn)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(zhǔn)確性；插裝閥孔等庫特征的建立和調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)布局的模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，大幅度提高布局設(shè)計(jì)的效率。

（2）將協(xié)同進(jìn)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(diǎn)，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，利用協(xié)同進(jìn)化算法進(jìn)行多孔道的并行布孔，解決了布孔順序問題，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部孔道連通的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）引用SolidWorks自帶的裝配干涉檢測(cè)工具，確保元件間無外形干涉；通過孔道安全校核保證了孔道之間滿足安全壁厚要求；插裝閥塊設(shè)計(jì)完畢后，可自動(dòng)生成并標(biāo)注各類工程圖。

下一步工作主要考慮對(duì)插裝閥集成塊工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，開發(fā)插裝閥集成塊計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)與Cartridge Manifold Block CAD 的集成。

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