液壓控制集成塊的cad系統

1液壓控制塊的設計液壓閥是用于調節各種壓力和流量的系統，最后控制負荷的運動和重量。現今在許多應用領域的功率流部分,是由兩通插裝閥系統來替代傳統的各種滑閥式方向閥,在這其中,小通徑的方向閥通過調節兩通插裝閥控制腔的壓力,對兩通插裝閥的運行狀態進行控制。兩通插裝閥將安裝(插入)在一個金屬的油路塊(即控制集成塊)中,先導控制閥一般裝在油路塊的表面或在能將插裝孔密封起來的蓋板上(圖1)。通過油路塊和蓋板中的鉆孔通道,將系統中相關的閥件相互聯系起來。在利用三維CAD系統設計集成塊時,設計人員利用基本的幾何圖形如長方六面體、圓柱體、圓錐體等,進行這種配置閥的插裝孔和各種連通孔道的安排、布置。這些幾何圖形并不具有功能上的含義,因此設計人員就必須考慮確保液壓控制功能的實現,以及諸如機械結構、機械加工等方面的要求。為了達到合理的要求和優化結構,應先進行一些“外部”的計算,例如壓力損失的計算,這是由于這些必須的數據不可能由CAD程序內部提供。而且三維CAD程序的部分標準功能,也不能用于控制集成塊的設計:例如每一個穿透孔的沖突檢查(兩孔是應該打通或不打通),還有閥之間相互連接所需鉆孔的走向意圖等。這就要求設計者負責判定,從系統的角度看這種“沖突”是屬于允許的穿通還是不允許的錯誤。在一個控制集成塊中出現許多通道相互貫穿(沖突)時,就要求設計人員具有豐富、清晰的空間想象力。作為例子圖2給出了一個系統油路圖及其集成塊的實現,圖示清楚表明了一個簡單的油路圖如何轉變成復雜的集成塊。圖示的集成塊是取反的;圖中空余空間將用金屬填滿,實體部分將被鉆去。為了使設計者在進行這種復雜工作時得到有效的支撐,并提高其設計質量,縮短設計時間,開發了一種液壓控制塊專用CAD程序工具。在漢堡技術大學設計技術第一研究室(作者所在單位)的DFG研究計劃中,就開發了這樣的一種設計系統。通過設計知識和計算程序的應用,該系統有效地支持使用者進行液壓集成塊設計。當前的研究成果見文獻2cdd軟件的應用用所設計的模型系統能實現所要求的函數功能,但像現行的普通CAD系統那樣僅處理幾何尺寸數據是不夠的。這種系統必須能處理非幾何數據與函數,有關產品及其構件的結構特性、結構設計的約束,以及有關設計計算都應集成在內。對產品的所有描述數據總體上稱為“產品模型”。產品模型的概念包括了一個產品在其壽命周期內所出現的各種定義的全部信息。人們把產品的壽命周期理解為從產品開發(含方案構思、方案設計、技術與結構設計等階段)到制造,從使用到廢棄或再生利用的產品定義的所有階段對于現在的計劃任務,就插裝塊設計重要的信息而言是要給模型的范圍加以界定(圖3)。CAD系統的幾何數據用來描述產品的“宏觀幾何圖形”,“結構設計知識”包括滿足功能所必需保持的各種條件,和其他對元件典型的和適當的結構描述的內容。與控制插裝塊其他元件的關系,由“與其他產品模型的關系”來描述。設計計算在產品模型數據與函數中進行。此外,還需要有關“微觀幾何學”的信息,還有加工和加工成本估算的預選參數。為了實現液壓元件的產品模型,面向對象的編程方法特別重要,因為在產品模型中是把數據與功能組合成各種對象。接下來的一個重要特性是當前目標的數據與功能會“遺傳”給新的對象,即對象是由已經存在于系統中的數據與性能和新的數據與性能組成。為了實現方案設計系統,就要選擇一種基于面向對象的編程方法的基礎軟件,并且幾何對象是完全開放式設置,這樣就可以通過數據與功能的增補而開發出新的產品模型。由于商品化的CAD系統大多沒有幾何輸出的可操作性,因此選擇美國空間技術公司用C++寫成的實體模型核心“ACIS”。實體模型核心是一種可編程工具,用于實體模型的基本對象與功能的增補、操作和管理。借助這個工具,可使CAD系統對最終用戶來講成為可編程的系統。最近基于ACIS的商品化系統不斷增加,例如Autodesk公司的AutoCAD,Logotec軟件公司的LogoCAD,和Siegler咨詢公司的Caddy++等等。此外,還有基于ACIS的一些公司(Ford—福特,Merceres-Benz—奔馳)內部的開發與應用軟件,用于仿真和NC數據生成2.1“孔道”與“孔點”類的連接一旦有許多相同類型的對象,則從實用的角度就應將他們定義在一個“類”來描述。這樣,所有相同類的對象將根據相應的定義產生或給出“示例”,像在面向對象的程序中取名那樣。對于液壓控制塊的造型(設計)將從下面介紹的各類基本類中的模型化幾何類別中導出。“液壓元件(構件)”是上一級的類,它包括所有在液壓系統中有確定功能的構件(各種閥,液壓泵,……)。在油路圖中,這類元件用圖形符號表示(圖2)。此外還有孔道,在方案設計系統中以“孔道”類體現。對于每一個組件,例如二通蓋板式插裝閥,是從“液壓元件”中引出的獨特的類,其特有的功能與參數是確定的,且對于組件的所有元件應該是適用的。“孔道”是表示液壓元件油口間的所有連接通道的類,它在油路圖中用線條表示(圖2)——在油路塊中用鏈式鉆孔來實現。如果要圖示“孔道”類的對象,同時要得出分層次的對象結構,如圖4下部所示。最上部的平面為“孔道”。“孔道”的數據與機能建立了孔道與“液壓元件”(=液壓構件)的聯系(耦合),產生并聯系了體系結構中的從屬元件,還完成有關計算。在緊接著的體系結構中是“鉆孔點”類。這一類的對象體現了相互溝通的鉆孔相交點的鏈。“鉆孔點”類的數據與功能,管理鉆孔的耦合,并引導一個“液壓點”類的對象。這里存儲了相交點在空間上的協調信息,建立了“鉆孔點”對象之間以及“液壓元件”對象之間的聯系,由此,就描述了這空間同一個點。此外,一個“鉆孔點”包含有對一個“孔”,即在體系結構中最近的元件(元素)的引導。配上“孔”類的各種對象,所有的功能與數據都可供使用,以生成集成塊閥孔(道),它由已配置的“鉆孔點”對象與在鏈中相互連接的“鉆孔點”相聯系而成。各類目標的功能,確保孔道既可以在一個油口也可以在油路板的表面終結,或者制成錐形孔尾。圖4表示的是一個孔系的對象結構,“液壓元件”對象的兩個油口與一個孔相連通。圖5給出了當一個新的孔插入到鏈中后,對象結構的變化。液壓控制集成塊將通過“液壓控制塊”類來體現,其主要的結合面是確定的,其上可連接其他對象。控制塊要確保在控制塊上進行修改時,位置上能滿足需要。“流體”是一個非幾何性類,包含有用于性能計算(例如用于壓力損失計算)所需的流體特性。它儲存有各種不同流體的特性,可生成這一類的很多對象。這樣,就可以對不同的流體特性進行計算。作為例子,圖6給出由基本類“液壓元件”引導出的一種二通插裝閥的產品模型。圖的左邊,列出了與整個閥相關的功能與數據。右邊所列的特性僅適合于閥的局部,例如油口、功能性表面。3約束控制及約束產品模型內含的數據與功能有可能實現構造功能,自動地滿足要求,并保持約束。這個功能能幫助避免錯誤,優化控制塊的設計。對于設計過程的不同階段,由下述機能來完成。3.1案設計系統數據庫的建立對于每一個要在控制塊中使用的零部件(例如二通插裝閥)都要建立一個基于“液壓元件”類的產品模型,并儲存于方案設計系統的數據庫里。其中第一步用標準的CAD系統建立三維的幾何圖形,這就能夠將模型以“SAT”ACIS格式存儲。緊接著SAT格式的數據就以數據輸入程序輸入,此時用人機交互的方式,可將所有定義模型所需要的各表面的數據補充、更新進去(例如油口的位置與名稱、商標、制造廠家)。所有信息輸入后,這個產品模型就儲存在數據庫里了。3.2計算模型的建立在油路圖中,一個液壓系統的所有元件及其相互聯系,都已確定。設計過程開始時,要將油路圖中每一個元件的產品模型從方案設計系統的數據庫中調出,緊接著要逐個溝通模型的油口與其他元件之間的聯系。對于計算,必須給出最大流量和最高壓力,這并不包含在油路圖中,而是由設計部門提供的。當油路圖中的所有元件得到相應的在設計系統中的產品模型時,就實現了初始布置,其中提供元件間的每一個聯系都生成了“孔道對象”。3.3幾種產品模型的布置到車輛的表面位置在初始布置之后,首先要在所生成的一個空的(無插件)控制塊中,按下面的步驟逐個對元部件進行布置定位。設計者要根據清單選擇零部件,并確定將它們布置到控制快某一個結合面上的位置。包含在產品模型中的程序,就能自動地將產品模型的幾何圖形布置到所選擇的位置上,從而能確保制造的可行性,并滿足液壓系統的功能要求。使用者不需要有進一步的輸入。對已經選用的二通插裝閥,例如對其插裝腔作這樣的定位:主軸線通過作選點,與所選結合面相垂直(圖7)。由于方案設計系統還僅僅是支持圖形,因此,在諸如控制塊大小和元件的基本要求等,需要設計者的知識與經驗,或者需要相似控制塊的數據。3.4孔道的生成和加工要想對一個零部件進行布置定位,試驗一下程序,檢查與已經定位的零部件油口的連線是否存在,在這種情況下從“孔道”對象將自動地生成鉆孔的鏈,建立起孔與孔之間的聯系。這樣的鏈首先是由簡單的圓柱體組成,以提高系統的工作速度。在圖7的例子中,孔鏈由兩個短孔組成,它開始于插裝腔的油口,基于與油口一起儲存的數據,孔置有初始的長度、方向和直徑。由此,可以避免不允許的沖突。一個長孔連接了兩個其他的孔。一次生成的孔鏈只有在配備“孔道”對象的功能時才能操作。因此,就能保證在輸入、消除或者移動某一個孔時,或是轉移油口之間的聯系時,孔鏈能自動地重新閉合。由此,兩個油口之間的聯系得以維持。當所有的零部件都布置好之后,就應該用實際可加工的孔來替換由圓柱體所構成的孔道。這里“孔道”首先提供了這樣的功能:用垂直于控制塊結合面的一些孔替換了“對角孔”。下一步使用者要用人機對話的方式確定那些不與油口相同的孔端是延伸到控制塊的表面(由此,該孔可加工),還是選擇錐形孔尾。對第一種情況孔能自動地延伸到最近的控制塊表面,并配置與直徑相適應的密封(螺紋或法蘭)。對第二種情況,系統會自動地生成一個錐形孔尾。圖8是一個完整的孔系。44.1壓力損失的計算液壓控制塊的一個重要特性是壓力損失,它是由油口間的流動阻力引起的,應該盡可能減低此項損失。通過元件的布置和決定孔系中鉆孔的個數、位置和長度,設計者可以在很大程度上影響此項壓力損失。為了在設計時求得優化的解決方案,有必要能在每一個設計步驟中都對壓力損失進行計算。目前這種計算大多僅僅只能在結構設計階段進行不準確的輔助計算。由于從計算機軟件計算和轉換所需要的數據,或用手工計算工作量都相當大,所以實踐上最好是在控制塊大部分已經確定下來時進行計算。在這以后的設計過程中要想對閥塊進行一些改變是很費事的,因此,多數情況下是不變了。為了這一狀況得以改善,就在系統中集成進計算壓力損失的功能。一個“孔道”對象的計算,總是面對幾何的和流體的實際狀況,因為所需的數據(孔的直徑、長度和位置,體積流量和流體的特性)已直接存儲在產品模型里(圖9)。這樣,使用者就可以在每一個設計過程中計算當時狀況時的壓力損失,并對各種變型進行評價。由此,就可對控制塊反復進行優化。4.2孔道的穿透性因為標準CAD系統的干涉校驗將指示每一種干涉,因此這種分析對液壓控制塊是不適用的,因為由于功能上的需要,液壓控制塊中有很多孔是應該相互穿透的。例如屬于一個孔系的所有孔都相穿透,或者是一個孔與元部件接觸(溝通)以實現與其油口的連接。由于在方案設計系統中將產品模型的所有幾何學信息都包含進去,所以幾何學的功能、部分地甚至每一個表面都是已知的。借助這些信息形成了一種干涉校驗的功能:能識別必須的穿透,只向使用者指出不允許的穿透。4.3幾何信息的傳統求解盡管用智能穿透校驗沒有發現不允許的穿透,液壓控制塊還是有可能在使用中破壞失效,這是由于局部壁厚不夠在承受最大壓力時發生破裂所致。為了確定壁厚是否足夠,必須進行強度計算。FEM軟件通常是適合于進行壁厚校驗的,但如果經常用其來進行控制閥塊設計,則無論是時間上還是經濟負擔上,都將是不可接受的。三維模型首先要從CAD應用系統傳輸到FEM系統,最后通常必須將幾何信息簡化。下一步是在FE網格上定義各種力和邊界條件。這種分析本身無疑需要計算時間。由于這種分析(如壓力損失計算)每一步都必須“在線”進行,因此必須尋求另外的方法。由于沒有一般的公式可用來計算處于空間任意兩個定位孔之間的材料強度,因此就開發一種新的計算程序來進行壁厚驗算。其中首先就要確定控制塊中孔的臨界布置。對這種布置下一步是用系統的參數(直徑,壓力,定向軸線,壁厚,……)變量用FEM進行系