实现液压机本体设计智能化和现代化

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液压机本体CAD的现状及发展，开发了一套以专家系统为支撑、以现代设计理论和方法为手段、以AutoCAD为绘图平台的液压机本体设计CAD系统YYJCAD1.0。
! K. d! S4 C& K% p* j) c1　国内外研究概况、水平及发展趋势
　　液压机因具有结构简单、工艺适应性强、环境污染小等其他设备不可替代的性能特点，被广泛应用于汽车制造、航空航天、国防、电力电子、塑料、机械、冶金和轻工等国民经济的各个领域。据不完全统计，目前我国以液压机为主要产品的设计部门和生产厂已达百家之多，但CAD的应用情况却令人失望。液压机设计与制造业的整体技术水平远远落后于工业发达国家，使国际市场的激烈竞争和我国落后的设计水平这一矛盾日趋尖锐。具体表现在以下几方 面：
* v: |$ B1 c$ x1.1　设计手段
& a$ L' N% F8 K- }6 B0 ~　　国内液压机的主要设计单位，包括占主导地位的第一重型机械集团公司设计院在内的一些大型设计院所，其设计工作仍然是以图板作业为主，设计工作的好与坏完全取决于设计人员的技术素质和工作状态。因此，设计质量（包括结构设计的合理性、设计数据的准确性等）和设计效率低、设计周期长。同时，落后的设计手段也给报价工作带来了许多不便，如报价书编制时间长、报价偏差大等。所有这些，都在不同程度上影响着一个企业的竞争能力。
1.2　分析理论
  ^( U# q! Y7 x7 j: W" ?9 J: n8 @　　近十几年来，虽然在某些有条件的设计院所，对液压机的关键零部件也能作一些有限元结构分析，但是由于设计手段落后，这些分析结果在设计中未能起到应有的作用。所以，液压机本体设计中的强度、刚度以及整体工作性能分析，仍然是以材料力学为依据，甚至仅凭经验和直觉。用材料力学解决这样复杂的实际问题，不得不把空间问题简化为平面问题，这样就极大地偏离了实际情况。为此，人们不得不把材料的许用强度降低，以牺牲结构的合理性来换取结构的安全性。由于科技含量相对低，所以与日本同类产品比较，就显得结构庞大、笨重，同样能力的设备，其重量一般都要高出10％～20％。且其成本竞争力也完全处于劣势。
* N2 y4 e+ k2 W3 _3 }6 |1.3　外观造形
　　设备外观造形问题，只是在最近几年才引起人们的重视，刚刚在设计人员的头脑中形成了一种意识。由于缺乏造形手段，这种意识最终也只能变成一种设计人员的个人行为。设计者各自为阵，各行其是，根本就谈不上以此来塑造一个企业的风格和特征。产品的外观造形缺少 科学与艺术方面的考虑，也是产品缺乏竞争能力的一个重要因素。
2　液压机本体CAD系统的意义
　　随着机械行业CAD推广应用工作的深化，绝大多数液压机设计院所及制造厂家在这方面也作了大量的工作，为实现真正意义上的CAD奠定了基础。不过就目前的CAD应用情况来看，尚存以下两个问题：其一，CAD工作进展缓慢，成果零散，难以发挥优势。几个大院所从国外购买的软件主要用于有限元分析，作为CAD平台开展二次开发工作的极少，开发的软件水平也不高，针对性太强，应用局限性很大。其二，现有的大多数CAD软件在用户界面方面存在着 交互困难、操作不便的问题，极大地限制了CAD技术的推广应用。
4 H' ^  |/ ?7 d5 I　　面向二十一世纪，企业要生存和发展，就必须有效地掌握先进的生产力，树立强烈的市场、成本和效益意识。开发和设计产品，也必须满足用户对品种、批量、时间和质量等诸方面的要求。所以，根据工艺用途、制造成本、机器性能等技术经济指标，能够灵活修改设计方案，适时分析结构性能，准确评价整机或关键部分的功能和性态，优化结构参数，为制造提供高质量、高水平的成套技术资料，是现阶段机械制造行业孜孜追求的目标，是促进CAD技术蓬勃发展的动力源泉。今天，是否掌握CAD应用技术已经成为衡量一个企业能否迈入信息时代的重要标志。CAD已经被公认为是提高企业参与竞争能力的有效技术和方法之一。
/ F' i2 o# j' L9 b& X　　融合专家系统（ES）的CAD技术，依赖专家的知识和经验、以人类专家的水平解决本领域中 的技术设计问题，使设计过程智能化，无疑是对设计方法的一次革命。尽管把专家系统引入机械设计也只有短短十几年的历史，但是由于机械设计专家系统（MDES）可为现代化的机械设计提供详实、可靠、规范、高效的设计依据，所以已经激发了大批企业的应用热情。基于专家系统、面向微机的液压机本体CAD系统，可望把我国液压机本体设计技术从落后的 图板作业水平提高到现代设计的先进水平。开发这项先进的技术，对于改善我国液压机设计与制造业的落后局面，促进民族工业的进步，实现液压机产品的优化设计，缩短设计和开发周期，提高质量，增强企业在国际市场上的竞争能力，使我国液压机制造业逐步实现CAD/CA M一体化，具有极其重要的意义。
　　本论文的主要任务就是要实现液压机本体设计的智能化、参数化、数据标准化、应用商品化 ，并提供方便使用的全中文用户界面，出图率达到总图纸量的90％以上。
3　液压机本体CAD系统的实现
% B, Y" e7 \) `  g: F: N　　液压机本体设计CAD系统主要包括：本体设计专家系统YYJES1.0、本体离散优 化软件YKJU3.0和本体参数化绘图软件三大模块。
　　专家系统是人工智能的一个应用领域。为实现液压机本体设计CAD系统的智能化，就需要建 立液压机本体设计的专家系统。本体设计专家系统由知识库、数据库、人机接口和推理机组 成。其结构框图如图1所示。

& x9 W+ k* b+ v4 {, s  f- A) L图1　专家系统结构图
6 g1 u. D5 g, g9 m7 ?  \* D　　液压机本体部分优化设计的主要对象是液压机的两大梁，即上横梁和下横梁(底座)。优化设计的目的是使这些构件在满足强度、刚度等设计要求前提下，通过调整各板的厚度使其重量最轻，采用的优化算法是SPG法。SPG法是将序列二次规划法(S)、罚函数法(P)和遗传算法(G )有机结合的一种结构离散优化算法。SPG法能够较好地求解类似液压机本体这样大型结构的 离散化问题。
　　参数化绘图模块是以AutoCAD为平台，运用先进的ADS技术进行的二次开发。能够输出立柱、 底座、上横梁、活动横梁零件图和本体外形图。
3 a& E- }2 a, M5 d2 m' r. E  u　　基于专家系统和离散优化的液压机本体CAD系统框图如图2所示。

9 P3 r7 v4 B% K图2　YYJCAD1.0流程图
　　YYJCAD1.0使用方便、操作简单，用户只需输入液压机的主要技术参数和形式参数，系统即 能自动完成本体优化设计，并可输出本体全部零部件图。
# G/ o! @4 q2 R& p2 A" M3 F4　结束语
　　本文通过基于专家系统和离散优化的液压机本体CAD系统的研制，为实现液压机本体设计的 智能化和现代化奠定了基础。基本形成了一套以专家系统为支撑、以现代设计理论和方法为 手段、以AutoCAD为绘图平台的液压机本体CAD系统的框架。【MechNet】
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