對集成塊CAD發(fā)展的背景、應(yīng)用優(yōu)勢、研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述；綜述了液壓集成塊CAD系統(tǒng)開發(fā)中涉及到的原理圖信息獲取、孔道校核、孔道設(shè)計(jì)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，指出了CAD系統(tǒng)尚存在的問題，并對其研究前景進(jìn)行了展望。

　　液壓集成塊是液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，隨著液壓系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，集成塊的設(shè)計(jì)難度越來越大。長期以來，集成塊的設(shè)計(jì)主要依賴于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和空間想象力，需要長時(shí)間的注意力高度集中，否則很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤。因此，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法來簡化設(shè)計(jì)過程就引起了國內(nèi)外液壓學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，并取得了不少成果。

　　液壓集成塊CAD 系統(tǒng)本質(zhì)上是通過優(yōu)化算法自動完成孔道設(shè)計(jì)，結(jié)果要能正確反映液壓原理圖的設(shè)計(jì)要求。因此CAD 系統(tǒng)的主要工作就是如何找到最優(yōu)的布局布孔集成設(shè)計(jì)方案。

　　在目前的集成塊CAD 系統(tǒng)研究中主要分為兩個(gè)方向，一是在基于現(xiàn)有成熟CAD 軟件和液壓閥數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，通過人工交互方式來完成設(shè)計(jì)過程；二是在底層獨(dú)立開發(fā)新的系統(tǒng)，系統(tǒng)支持液壓原理圖的繪制并自動從中獲取節(jié)點(diǎn)信息，并根據(jù)設(shè)計(jì)算法自動完成孔道設(shè)計(jì)，這也是目前主流商業(yè)軟件的開發(fā)路線。前者要求設(shè)計(jì)人員完成較多的計(jì)算機(jī)交互操作，確定液壓元件布局，并人工進(jìn)行孔道設(shè)計(jì)。后者只要求設(shè)計(jì)人員提供輔助信息支持，主要設(shè)計(jì)工作由系統(tǒng)自動完成，比較有代表性的研究有馮毅、田樹軍等開發(fā)的HMBIVD系統(tǒng)。

　　總的說來，集成塊CAD 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：孔道連接信息獲取(基于液壓原理圖)、孔道干涉校核，最小壁厚檢查、孔道智能優(yōu)化設(shè)計(jì)等。本文將對上述各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行綜述，并在此基礎(chǔ)上，分析目前集成塊CAD 系統(tǒng)存在的不足以及發(fā)展趨勢。

1、關(guān)鍵技術(shù)

　　1.1、基于液壓原理圖的信息獲取

　　液壓原理圖是集成塊孔道連通設(shè)計(jì)的依據(jù)，是CAD 系統(tǒng)的支撐基礎(chǔ)。因此液壓集成塊設(shè)計(jì)的第一個(gè)步驟就是繪制液壓原理圖，如圖1 如示。為了達(dá)到自動設(shè)計(jì)的要求，要考慮將原理圖進(jìn)行信息分解、提煉，并存儲成固定數(shù)據(jù)格式的文件，文件應(yīng)包括元件定位信息、連接信息及閥塊尺寸信息等。

　　早期學(xué)者提出一種利用ADS (AutoCAD Development System)獲取原理圖的方法。設(shè)計(jì)者首先通過輔助工具完成液壓原理圖的繪制，然后運(yùn)行ADS應(yīng)用程序，通過油路搜索和油口遞歸識別算法提取集成塊CAD 系統(tǒng)后續(xù)操作所需信息。

　　李利等在AutoCAD 平臺上運(yùn)用ObjectARX 工具開發(fā)了智能集成塊原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用圖塊方法建立了液壓元件圖庫。采用編號法對液壓閥進(jìn)行區(qū)分，并借助機(jī)器人無碰軌跡規(guī)劃算法來完成原理圖的布線工作。原理圖繪制完成后系統(tǒng)自動生成記錄連通信息的數(shù)據(jù)庫文件，并供后續(xù)工作調(diào)用。

圖1 原理圖繪制

　　上述兩種方法只適用于AutoCAD 平臺，不利于集成塊CAD 系統(tǒng)的跨平臺開發(fā)實(shí)現(xiàn)。但其開發(fā)思路是值得借鑒的。目前很多商業(yè)集成塊軟件均設(shè)計(jì)有基于自身平臺的原理圖繪制模塊。

　　1.2、孔道干涉校核

　　在集成塊設(shè)計(jì)中，閥塊體內(nèi)部有幾十乃至上百個(gè)孔道，是包括通油孔、工藝孔、螺紋孔和銷孔等的復(fù)雜孔道網(wǎng)絡(luò)，因此孔道間的干涉校核及最小壁厚的檢查就顯得尤為重要。目前這方面的算法已經(jīng)比較成熟�？椎佬：丝梢酝ㄟ^將孔道簡化為包絡(luò)圓柱體，并逐一比較孔道之間以及孔道與各面之間的空間位置關(guān)系來驗(yàn)證。對于斜孔的干涉校核，熊壯等提出可以首先計(jì)算斜孔軸線間距離d，并與孔半徑之和比較，如d 大于孔半徑之和，則兩孔不相通，否則將兩孔分別投影到設(shè)定的XOY、YOZ、XOZ 坐標(biāo)面上，利用最小包圍盒及線段求交方法判斷投影是否重合，只要有一個(gè)面上的投影沒有重合部分就表示兩孔不相通。

　　于玲等針對插裝式復(fù)雜階梯孔系的校核問題，提出了對階梯孔進(jìn)行分段處理的算法，將每一段簡化為包絡(luò)圓柱體，同時(shí)引入條件式校核規(guī)則，忽略同一線網(wǎng)、閥組內(nèi)的孔道校核，有效地縮短了校核時(shí)間。

　　1.3、孔道連接

　　集成塊的孔道連接是集成塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，需要根據(jù)液壓原理圖中各油口間連通關(guān)系及液壓元件裝配關(guān)系來設(shè)計(jì)方案，確定連通孔道的位置和深度，以及必要時(shí)增加工藝孔。許多學(xué)者在這一關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行了大量的研究。

　　阮春紅等提出了基于李氏迷宮算法的孔道自動布局設(shè)計(jì)方法。李氏迷宮算法首先對集成塊進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，孔道路徑從最小細(xì)分單元網(wǎng)格延伸。這種算法在多層線路板的自動布線中已得到了成功應(yīng)用。然而，這種方法會導(dǎo)致工藝孔的大量增加、不適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格大小選取會導(dǎo)致空間利用率很低，從而令設(shè)計(jì)質(zhì)量得不到保證。在路徑布線中可以考慮加入方向優(yōu)先(即盡量在同一方向上擴(kuò)展)的控制策略。

　　周惠友等在基于工藝孔與連通孔道不在同一平面或?qū)γ娴奶匦�，利用樹圖方式提出了集成塊孔道路徑設(shè)計(jì)的理論模型，并給出了孔道連接設(shè)計(jì)的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及路徑的最小代價(jià)搜索法，適合于復(fù)雜階梯孔系孔道的設(shè)計(jì)。但該方法模型是建立在工藝孔連接孔道基礎(chǔ)上的，沒有考慮到油孔對齊直聯(lián)的特殊狀況，有待于進(jìn)一步的完善。

　　后期的研究主要是以工藝孔數(shù)目最少及連通路徑最短為優(yōu)化目標(biāo)。田樹軍等提出一種基于順序優(yōu)化的集成塊孔道連通設(shè)計(jì)方法，即在實(shí)時(shí)孔道干涉校核下，對單條線網(wǎng)內(nèi)部多個(gè)兩端線網(wǎng)的連通順序和多條線網(wǎng)之間的布線順序進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)將單線網(wǎng)連通和多線網(wǎng)連通的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)歸結(jié)為一個(gè)帶約束的多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題，并采用線性加權(quán)法構(gòu)造了相應(yīng)的評價(jià)函數(shù)，進(jìn)而求解該評價(jià)函數(shù)的最優(yōu)解。在多線網(wǎng)孔道連通設(shè)計(jì)中，采用模擬退火算法進(jìn)行布線順序的求解。

　　1.4、孔道優(yōu)化

　　孔道優(yōu)化實(shí)際上在孔道連通算法支撐下的三維空間中液壓元件布局方案的自動尋優(yōu)，是一種復(fù)雜的帶性能約束的立體空間布局問題，在數(shù)學(xué)上歸結(jié)為組合優(yōu)化問題�？梢酝ㄟ^選擇設(shè)計(jì)變量，確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，再利用智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

　　目前在孔道網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中應(yīng)用最廣是遺傳算法和模擬退火算法。遺傳算法的編碼技術(shù)和遺傳操作比較簡單，優(yōu)化不受限制性條件的約束，具有穩(wěn)定、收斂、高效等優(yōu)點(diǎn)，但局部尋優(yōu)能力差。模擬退火算法具有描述簡單、使用靈活、運(yùn)用廣泛、運(yùn)行效率高和較少受初始條件限制等優(yōu)點(diǎn)，但優(yōu)化時(shí)間過長。徐峰濤等利用遺傳算法較強(qiáng)的全局搜索能力與模擬退火算法良好的局部搜索能力發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)，將兩種算法整合運(yùn)用，同時(shí)引入工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)在算法層面的有機(jī)結(jié)合，使系統(tǒng)成功應(yīng)用于涉及板式閥、插裝閥、疊加閥混用的復(fù)雜型液壓集成塊設(shè)計(jì)。

　　針對使用智能算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)致的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性差，設(shè)計(jì)結(jié)果修改困難等缺陷，高衛(wèi)國等創(chuàng)新性地提出了一種基于多智能體的智能優(yōu)化方法。設(shè)計(jì)系統(tǒng)引入了元件智能體、油路智能體和控制智能體。元件智能體可實(shí)現(xiàn)元件布局的優(yōu)化調(diào)整，油路智能體可進(jìn)行連

　　通油路的自動創(chuàng)建、內(nèi)部有效性驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)更新，控制智能體用于協(xié)調(diào)元件智能體與油路智能體間的設(shè)計(jì)活動及沖突消解方案決策等。三類智能體之間的通信采用黑板模式，利于狀態(tài)信息共享，通過三者的交互協(xié)調(diào)從而實(shí)現(xiàn)液壓集成塊動態(tài)關(guān)聯(lián)的智能設(shè)計(jì)。

2、存在的不足及發(fā)展趨勢

　　液壓集成塊CAD 技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)在液壓設(shè)計(jì)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，涌現(xiàn)出一大批例如SecoMAN、HMB2007、i -design、OLEO -Z、MDTools 等集成塊商業(yè)設(shè)計(jì)軟件，有效地提高了設(shè)計(jì)效果，且交互可視，操作方便，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2 如示。

圖2 集成塊軟件設(shè)計(jì)可視化

　　當(dāng)然現(xiàn)有的液壓設(shè)計(jì)軟件仍存在一些不足和有待發(fā)展之處，例如開發(fā)的CAD 系統(tǒng)元件數(shù)據(jù)庫較簡單、交互操作過于復(fù)雜、智能決策水平較低、對設(shè)計(jì)后續(xù)加工環(huán)節(jié)支持不足等。因此，集成塊CAD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢應(yīng)至少包括以下幾個(gè)方面：

　　(1)系統(tǒng)能提供強(qiáng)大的原理圖繪制功能及良好的交互界面，建立包括液壓元件閥、接頭、堵頭、螺塞等的完整數(shù)據(jù)庫；

　　(2)系統(tǒng)智能決策水平更高，自動優(yōu)化功能更強(qiáng)。用戶可以調(diào)整控制參數(shù)、更換優(yōu)化算法，從而指導(dǎo)尋優(yōu)，控制優(yōu)化過程；

　　(3)結(jié)合虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)能提供具有沉浸感的設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶可以對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行多角度觀察分析，查看孔道網(wǎng)絡(luò)各部分的連通情況，進(jìn)行有針對性地調(diào)整，還可以隨時(shí)修改優(yōu)化模型；

　　(4)能夠方便輸出集成塊工程圖及NC 代碼，實(shí)現(xiàn)CAD 系統(tǒng)與CAM 系統(tǒng)的無縫連接。

3、結(jié)論

　　液壓集成塊CAD 技術(shù)的發(fā)展融合了多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)，其發(fā)展趨勢必將是多種智能優(yōu)化方法相互混合、相互取長補(bǔ)短為主，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息融合技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等相互融合，對液壓集成塊布局布孔進(jìn)行綜合優(yōu)化和評價(jià)。本文對集成塊CAD 關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為該領(lǐng)域后續(xù)深入研究提供了詳實(shí)的資料，可供相關(guān)領(lǐng)域研究人員提供參考。