CAD Status Quo & Development of Hydraulic Press Noumenon

Pan Fengwen, Jiao Jingpin, Lin Daosheng, et al

　　Abstract：Aimed at improvement of domestic design level of hydraulic pres s, YYJCAD1.0 CAD system of hydraulic press noumenon has been developed which is supported by expert system, modern design theory and method of AutoCAD and is co mposed of three modules of noumenon design expert system YYJES1.0 and noumenon d iscrete optimization software YKJU3.0 and noumenon parametrization drawing softw are. The system has laid the foundation of intelligence and modernization of hyd raulic press design.
　　Keywords：Expert system, Discrete optimization, Parametrization, CAD

 1　國內(nèi)外研究概況、水平及發(fā)展趨勢(shì)

　　液壓機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境污染小等其他設(shè)備不可替代的性能特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、國防、電力電子、塑料、機(jī)械、冶金和輕工等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國以液壓機(jī)為主要產(chǎn)品的設(shè)計(jì)部門和生產(chǎn)廠已達(dá)百家之多，但CAD的應(yīng)用情況卻令人失望。液壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造業(yè)的整體技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國家，使國際市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)和我國落后的設(shè)計(jì)水平這一矛盾日趨尖銳。具體表現(xiàn)在以下幾方 面：

 1.1　設(shè)計(jì)手段
　　 國內(nèi)液壓機(jī)的主要設(shè)計(jì)單位，包括占主導(dǎo)地位的第一重型機(jī)械集團(tuán)公司設(shè)計(jì)院在內(nèi)的一些大型設(shè)計(jì)院所，其設(shè)計(jì)工作仍然是以圖板作業(yè)為主，設(shè)計(jì)工作的好與壞完全取決于設(shè)計(jì)人員的技術(shù)素質(zhì)和工作狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)質(zhì)量（包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等）和設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)周期長。同時(shí)，落后的設(shè)計(jì)手段也給報(bào)價(jià)工作帶來了許多不便，如報(bào)價(jià)書編制時(shí)間長、報(bào)價(jià)偏差大等。所有這些，都在不同程度上影響著一個(gè)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

 1.2　分析理論
　　 近十幾年來，雖然在某些有條件的設(shè)計(jì)院所，對(duì)液壓機(jī)的關(guān)鍵零部件也能作一些有限元結(jié)構(gòu)分析，但是由于設(shè)計(jì)手段落后，這些分析結(jié)果在設(shè)計(jì)中未能起到應(yīng)有的作用。所以，液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度、剛度以及整體工作性能分析，仍然是以材料力學(xué)為依據(jù)，甚至僅憑經(jīng)驗(yàn)和直覺。用材料力學(xué)解決這樣復(fù)雜的實(shí)際問題，不得不把空間問題簡化為平面問題，這樣就極大地偏離了實(shí)際情況。為此，人們不得不把材料的許用強(qiáng)度降低，以犧牲結(jié)構(gòu)的合理性來換取結(jié)構(gòu)的安全性。由于科技含量相對(duì)低，所以與日本同類產(chǎn)品比較，就顯得結(jié)構(gòu)龐大、笨重，同樣能力的設(shè)備，其重量一般都要高出10％～20％。且其成本競(jìng)爭(zhēng)力也完全處于劣勢(shì)。

 1.3　外觀造形
　　 設(shè)備外觀造形問題，只是在最近幾年才引起人們的重視，剛剛在設(shè)計(jì)人員的頭腦中形成了一種意識(shí)。由于缺乏造形手段，這種意識(shí)最終也只能變成一種設(shè)計(jì)人員的個(gè)人行為。設(shè)計(jì)者各自為陣，各行其是，根本就談不上以此來塑造一個(gè)企業(yè)的風(fēng)格和特征。產(chǎn)品的外觀造形缺少 科學(xué)與藝術(shù)方面的考慮，也是產(chǎn)品缺乏競(jìng)爭(zhēng)能力的一個(gè)重要因素。

 2　液壓機(jī)本體CAD系統(tǒng)的意義

　　隨著機(jī)械行業(yè)CAD推廣應(yīng)用工作的深化，絕大多數(shù)液壓機(jī)設(shè)計(jì)院所及制造廠家在這方面也作了大量的工作，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的CAD奠定了基礎(chǔ)。不過就目前的CAD應(yīng)用情況來看，尚存以下兩個(gè)問題：其一，CAD工作進(jìn)展緩慢，成果零散，難以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。幾個(gè)大院所從國外購買的軟件主要用于有限元分析，作為CAD平臺(tái)開展二次開發(fā)工作的極少，開發(fā)的軟件水平也不高，針對(duì)性太強(qiáng)，應(yīng)用局限性很大。其二，現(xiàn)有的大多數(shù)CAD軟件在用戶界面方面存在著 交互困難、操作不便的問題，極大地限制了CAD技術(shù)的推廣應(yīng)用。
　　 面向二十一世紀(jì)，企業(yè)要生存和發(fā)展，就必須有效地掌握先進(jìn)的生產(chǎn)力，樹立強(qiáng)烈的市場(chǎng)、成本和效益意識(shí)。開發(fā)和設(shè)計(jì)產(chǎn)品，也必須滿足用戶對(duì)品種、批量、時(shí)間和質(zhì)量等諸方面的要求。所以，根據(jù)工藝用途、制造成本、機(jī)器性能等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，能夠靈活修改設(shè)計(jì)方案，適時(shí)分析結(jié)構(gòu)性能，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)整機(jī)或關(guān)鍵部分的功能和性態(tài)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，為制造提供高質(zhì)量、高水平的成套技術(shù)資料，是現(xiàn)階段機(jī)械制造行業(yè)孜孜追求的目標(biāo)，是促進(jìn)CAD技術(shù)蓬勃發(fā)展的動(dòng)力源泉。今天，是否掌握CAD應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)企業(yè)能否邁入信息時(shí)代的重要標(biāo)志。CAD已經(jīng)被公認(rèn)為是提高企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)能力的有效技術(shù)和方法之一。
　　 融合專家系統(tǒng)（ES）的CAD技術(shù)，依賴專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、以人類專家的水平解決本領(lǐng)域中 的技術(shù)設(shè)計(jì)問題，使設(shè)計(jì)過程智能化，無疑是對(duì)設(shè)計(jì)方法的一次革命。盡管把專家系統(tǒng)引入機(jī)械設(shè)計(jì)也只有短短十幾年的歷史，但是由于機(jī)械設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)（MDES）可為現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)計(jì)提供詳實(shí)、可靠、規(guī)范、高效的設(shè)計(jì)依據(jù)，所以已經(jīng)激發(fā)了大批企業(yè)的應(yīng)用熱情。基于專家系統(tǒng)、面向微機(jī)的液壓機(jī)本體CAD系統(tǒng)，可望把我國液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)技術(shù)從落后的 圖板作業(yè)水平提高到現(xiàn)代設(shè)計(jì)的先進(jìn)水平。開發(fā)這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)于改善我國液壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造業(yè)的落后局面，促進(jìn)民族工業(yè)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)周期，提高質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)在國際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，使我國液壓機(jī)制造業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)CAD/CA M一體化，具有極其重要的意義。
　　 本論文的主要任務(wù)就是要實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)的智能化、參數(shù)化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用商品化 ，并提供方便使用的全中文用戶界面，出圖率達(dá)到總圖紙量的90％以上。

 3　液壓機(jī)本體CAD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)主要包括：本體設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)YYJES1.0、本體離散優(yōu) 化軟件YKJU3.0和本體參數(shù)化繪圖軟件三大模塊。
　　 專家系統(tǒng)是人工智能的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的智能化，就需要建 立液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)。本體設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)由知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、人機(jī)接口和推理機(jī)組 成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
                     
                    圖1　專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

   液壓機(jī)本體部分優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要對(duì)象是液壓機(jī)的兩大梁，即上橫梁和下橫梁(底座)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是使這些構(gòu)件在滿足強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)要求前提下，通過調(diào)整各板的厚度使其重量最輕，采用的優(yōu)化算法是SPG法。SPG法是將序列二次規(guī)劃法(S)、罰函數(shù)法(P)和遺傳算法(G )有機(jī)結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)離散優(yōu)化算法。SPG法能夠較好地求解類似液壓機(jī)本體這樣大型結(jié)構(gòu)的 離散化問題。
   參數(shù)化繪圖模塊是以AutoCAD為平臺(tái)，運(yùn)用先進(jìn)的ADS技術(shù)進(jìn)行的二次開發(fā)。能夠輸出立柱、 底座、上橫梁、活動(dòng)橫梁零件圖和本體外形圖。
   基于專家系統(tǒng)和離散優(yōu)化的液壓機(jī)本體CAD系統(tǒng)框圖如圖2所示。
                     
                   圖2　YYJCAD1.0流程圖

   YYJCAD1.0使用方便、操作簡單，用戶只需輸入液壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和形式參數(shù)，系統(tǒng)即 能自動(dòng)完成本體優(yōu)化設(shè)計(jì)，并可輸出本體全部零部件圖。

  4　結(jié)束語

    本文通過基于專家系統(tǒng)和離散優(yōu)化的液壓機(jī)本體CAD系統(tǒng)的研制，為實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)的 智能化和現(xiàn)代化奠定了基礎(chǔ)�；�本形成了一套以專家系統(tǒng)為支撐、以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法為 手段、以AutoCAD為繪圖平臺(tái)的液壓機(jī)本體CAD系統(tǒng)的框架。