電動靜液作動器智能設(shè)計

虞少鵬，王海波，2，王鑫，何歡，李戰(zhàn)斌

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031；2.軌道交通運維技術(shù)與裝備四川省重點實驗室，四川成都 610031）

0 前言

電動靜液作動器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）將電機、泵和執(zhí)行器集成于一體，具有集成度高、功重比大、可靠性高、效率高、安裝維護性好等優(yōu)點［1-2］。航空EHA 需求規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（ISO 22072）指出EHA 可以單獨組裝成一個標(biāo)準(zhǔn)的集成電液模塊［3］。EHA 也逐漸成為各類大型裝備的通用基礎(chǔ)元部件。但EHA 取代大型裝備常面臨不同的安裝空間、工作環(huán)境、邊界條件等問題，在設(shè)計過程中需要根據(jù)裝備的具體結(jié)構(gòu)進行定制設(shè)計［4］。傳統(tǒng)設(shè)計方法主要是根據(jù)參數(shù)要求，對各零件進行選型與設(shè)計，且大部分零件都屬于非標(biāo)件。對EHA 進行定制設(shè)計，設(shè)計人員需要重新計算不同功率下的參數(shù)并重新建模。這種設(shè)計方法設(shè)計效率和質(zhì)量低，研發(fā)周期長。

針對這些問題，EHA 的設(shè)計需要廣泛先進的設(shè)計技術(shù)。目前國內(nèi)外，主要集中在設(shè)計優(yōu)化技術(shù)和建模仿真設(shè)計［2］；設(shè)計優(yōu)化技術(shù)多專注于作動器的模型仿真優(yōu)化技術(shù)。如文獻［5］通過對綜合指標(biāo)的建立，以效率和液壓元件排量為目標(biāo)函數(shù)；文獻［6］提出同時把控制精度、能耗、質(zhì)量、成本作為目標(biāo)函數(shù)。建模仿真技術(shù)可實現(xiàn)自動化建模，能大幅度減少設(shè)計周期、提高設(shè)計效率。文獻［7］通過參數(shù)化建模直接得到產(chǎn)品的三維信息，實現(xiàn)自動快速建模；文獻［8］提出基于知識工程的自動化自頂向下三維建模方法，提高三維設(shè)計建模效率。本文作者將EHA 取代大型裝備具體工程問題的各種邊界條件、約束和目標(biāo)轉(zhuǎn)化為空間體積和力學(xué)性能優(yōu)化問題，并提出串聯(lián)型、并聯(lián)型和直角型3 種布局型式結(jié)構(gòu)。

本文作者基于建模仿真技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，引入智能設(shè)計思想支持EHA 設(shè)計過程，利用參數(shù)化技術(shù)、SW 二次開發(fā)技術(shù)以及智能布局等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)主參數(shù)設(shè)計功能、優(yōu)化設(shè)計功能、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能和三維建模功能；基于EHA 結(jié)構(gòu)特點提出EHA 智能設(shè)計知識庫的設(shè)計方法，針對3 種布局型式結(jié)構(gòu)進行智能化設(shè)計，取得較好的效果。

1 EHA 系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)確定

1.1 EHA 系統(tǒng)

文中EHA 采用的是定排量變轉(zhuǎn)速的工作方式，采用單出桿液壓缸。系統(tǒng)原理如圖1 所示。該液壓系統(tǒng)采用蓄能器加流量匹配閥，有效解決了非對稱單出桿油缸流量不匹配問題［9］，該系統(tǒng)也可以直接移植到以對稱缸和液壓馬達為執(zhí)行元件的EHA。

圖1 EHA 液壓原理Fig.1 EHA hydraulic principle

1.2 EHA 設(shè)計參數(shù)確定

EHA 結(jié)構(gòu)組成有電機、液壓泵、液壓缸、蓄能器、液壓集成塊等［10］，連接閥的形狀決定布局型式，電機和泵一般屬于外購件，設(shè)計人員主要是解決選型問題。根據(jù)設(shè)計要求，需要確定的主參數(shù)包括：系統(tǒng)壓力、外負載力、速率比、液壓缸行程、蓄能器充氣壓力、蓄能器最小工作壓力、蓄能器最大工作壓力、蓄能器缸體內(nèi)徑、閥塊類型、電機功率、液壓泵壓力、液壓泵排量12 個參數(shù)。

2 EHA 智能設(shè)計

2.1 二次開發(fā)原理

SolidWorks 軟件是一款基于特征的實體建模軟件［10］，它使用直觀式設(shè)計技術(shù)、Windows OLE 技術(shù)、Parasolid 內(nèi)核。SolidWorks 通過OLE／COM 技術(shù)為用戶提供了強大的二次開發(fā)API 接口，并采用面向?qū)ο蟮姆椒?，所有函?shù)都是有關(guān)對象的方法和屬性，這些函數(shù)提供程序直接訪問SolidWorks 功能的能力［11-12］，如圖2 所示。

圖2 SolidWorks API 運作圖Fig.2 SolidWorks API operation diagram

2.2 EHA 智能設(shè)計總體流程

結(jié)合EHA 的設(shè)計過程和SolidWorks 二次開發(fā)原理，首先實現(xiàn)開發(fā)環(huán)境的搭建，采用的是SolidWorks二次開發(fā)異步模式。設(shè)計人員在交互界面輸入12 個主要參數(shù)得到次要參數(shù)，每次參數(shù)確定后，結(jié)果都會歸檔到數(shù)據(jù)庫；通過輸入安裝空間尺寸大小，采用NSGA-Ⅱ遺傳算法獲取系統(tǒng)建模各零件結(jié)構(gòu)尺寸值，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄茉O(shè)計系統(tǒng)后臺程序中；優(yōu)化設(shè)計以MATLAB 設(shè)計軟件為平臺，采用DLL 封裝函數(shù)的方法將MATLAB 與智能設(shè)計系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)智能布局，如果優(yōu)化結(jié)果不符合要求，則出現(xiàn)提示信息；設(shè)計人員選擇需要生成的零件、組件和裝配體；設(shè)計人員可以直接管理數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫存檔文件進行管理，修改完成后重新驅(qū)動模型。具體流程如圖3 所示。

圖3 EHA 智能化設(shè)計流程Fig.3 EHA intelligent design process

3 EHA 智能化設(shè)計實現(xiàn)

3.1 知識庫

本文作者提出一套便于計算機系統(tǒng)識別的知識庫，既符合傳統(tǒng)設(shè)計流程和規(guī)則，又可以完成EHA建模工作。知識庫設(shè)計包括規(guī)則系統(tǒng)設(shè)計、知識系統(tǒng)設(shè)計和模型系統(tǒng)設(shè)計。知識庫結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 知識庫結(jié)構(gòu)Fig.4 Knowledge base structure

規(guī)則系統(tǒng)運用可以分成3 類：參數(shù)設(shè)計規(guī)則、零件建模設(shè)計規(guī)則和零件裝配建模規(guī)則。參數(shù)設(shè)計規(guī)則包括外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)，外部參數(shù)為用戶提出的技術(shù)要求參數(shù)，內(nèi)部參數(shù)為根據(jù)機械設(shè)計手冊查閱得到的參數(shù)。由于VS 控件類型是string 類型，而進行數(shù)值計算時需要double、single 或int 的數(shù)值類型，因此還需要進行類型轉(zhuǎn)換。

零件建模則采用由點到線再到面的設(shè)計規(guī)則，草圖的每個點的坐標(biāo)設(shè)置為單獨變量，將點的x、y、z數(shù)值賦值到變量中，并設(shè)置一個可修改余量值，其中z坐標(biāo)為0；其中特征API 函數(shù)的獲取一般通過宏錄制得到，通過宏錄制得到的選擇函數(shù)是SelectByRay（），該選擇函數(shù)只能模擬鼠標(biāo)的選擇狀態(tài)，在不同規(guī)格零件的繪制時，該函數(shù)不能精確選到內(nèi)部的面。通過SolidWorks API 中選擇管理器命令，通過經(jīng)過該面的點，得到待選面的線，通過選擇這條線得到面的邏輯，準(zhǔn)確實現(xiàn)面的選中。具體代碼如下：

把總裝配體總共分為6 個小裝配體，對第一個導(dǎo)入的零件添加固定約束，采用3 個基準(zhǔn)面之間相互配合，面與面之間的配合使用SelectByID2 方法，距離配合使用AddMate5 方法。

知識系統(tǒng)的設(shè)計包括公式類知識設(shè)計和推理類知識設(shè)計。公式類知識采用M（value）＝function N（value）的方法進行設(shè)計，其基本形式為M→N 或if M then N，即通過M 數(shù)值，利用公式計算，得到需要的N 參數(shù)值；推理類的知識采用if function else function 的方法設(shè)計，若為真則成立，否則重新判斷。

模型庫主要有兩類：選型類模型庫和設(shè)計類模型庫。電機與液壓泵模型直接存儲在零件庫中，在使用時直接調(diào)用出來。選型類模型庫包括電機、液壓泵、主閥塊以及各種控制閥和輔助元件，建模完成后保存為STP 格式。

3.2 NSGA-Ⅱ優(yōu)化設(shè)計

本文作者以體積和剛度為優(yōu)化目標(biāo)，對電動靜液作動器進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。EHA 剛度與系統(tǒng)控制性能直接相關(guān)，系統(tǒng)剛度較低不僅會影響控制精度，還會造成EHA 發(fā)生振蕩，導(dǎo)致控制產(chǎn)生偏差［13］。EHA 的剛度可以用式（1）來計算：

其中：Ey表示液壓油的彈性模量；A表示作用面積；s表示液壓缸的行程。

由于EHA 智能設(shè)計主要是根據(jù)液壓缸缸徑和桿徑這兩個參數(shù)進行其余零件的設(shè)計，因此液壓缸缸徑及桿徑的大小決定了電動靜液作動器整體系統(tǒng)的尺寸。所以在進行EHA 設(shè)計時，保證剛度的基礎(chǔ)上，使得活塞桿長度最小，從而達到EHA 整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)?；钊麠U長度可以用式（2）來計算：

其中：L為液壓缸活塞桿最大允許行程；d為活塞桿直徑；nk為安全系數(shù)；p為工作壓力。

為保證EHA 整體布局占用空間最小，會使得系統(tǒng)剛度降低，但若保證了系統(tǒng)剛度最優(yōu)，同時導(dǎo)致所設(shè)計的EHA 體積變大，因此為了滿足兩者同時達到最優(yōu)，采用了NSGA-Ⅱ遺傳算法，實現(xiàn)兩個目標(biāo)同時達到優(yōu)化。優(yōu)化流程如圖5 所示。

圖5 NSGA-Ⅱ優(yōu)化Fig.5 NSGA-II optimization

3.3 交互界面實現(xiàn)

系統(tǒng)頁面主要分成主參數(shù)設(shè)計、智能布局、元器件建模、路徑保存和數(shù)據(jù)庫管理5 個模塊。輸入主要參數(shù)，得到次要參數(shù)，計算完成后參數(shù)文件歸檔到數(shù)據(jù)庫中。運行界面如圖6（a）所示。用戶通過智能布局頁面，輸入安裝空間的長度、寬度、高度，程序自動確定布局形式，運行界面如圖6（b）所示。參數(shù)輸入完成后，用戶可以選擇生成相應(yīng)的零件、組件和總裝配體，運行界面如圖6（c）所示。

圖6 系統(tǒng)主頁面Fig.6 System mainpage：（a）main parameter settings page；（b）smart layout page；（c）component modeling page

3.4 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

EHA 參數(shù)化設(shè)計中一方面需要對外購件進行選型匹配，另一方面需要對液壓缸、蓄能器、閥塊等非標(biāo)件進行設(shè)計。文中EHA 設(shè)計涉及多種規(guī)格下3 種布局組合設(shè)計，參數(shù)輸出量大。因此，將EHA 需要選型的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非標(biāo)件參數(shù)數(shù)據(jù)寫入SQL Server 2018 數(shù)據(jù)庫中，使用SQL Server 2018 對數(shù)據(jù)進行刪除、修改、添加等操作［14］。數(shù)據(jù)庫管理頁面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫管理頁面Fig.7 Database management page

3.5 設(shè)計實例

如表1 所示，為EHA 的主要設(shè)計參數(shù)。主參數(shù)設(shè)置界面中，依次輸入表1 中數(shù)值，可直接依次生成3 種布局型式EHA，設(shè)計結(jié)果如圖8 所示。安裝空間以300 mm×500 mm×400 mm 輸入，其余11 個參數(shù)按表1 數(shù)值一次性輸入，種群數(shù)量設(shè)置為30，迭代次數(shù)設(shè)為100 代，得到Pareto 解集。如圖9 所示，尋優(yōu)得到的Pareto 解集穩(wěn)定且分布均勻。

表1 主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters

圖8 EHA 參數(shù)化系統(tǒng)生成效果Fig.8 EHA parameterized system generation model：（a）parallel EHA；（b）series EHA；（c）right angled EHA

圖9 優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Optimal results

提取優(yōu)化解集中各數(shù)據(jù)如圖10 所示，第一列為安全系數(shù)、第二列為桿徑值、第三列為剛度值、第四列為活塞桿長度。利用差值計算并對比獲取桿徑和安全系數(shù)最優(yōu)解取第一組或第四組解，桿徑取50 mm，安全系數(shù)為3.5。最終的設(shè)計結(jié)果如圖8（a）所示，經(jīng)企業(yè)檢驗，該設(shè)計結(jié)果合理可直接用于設(shè)計生產(chǎn)。

圖10 優(yōu)化數(shù)值Fig.10 Optimized numerical values

4 結(jié)論

（1）提出EHA 智能設(shè)計方法，以Visual Studio 2019 為編程工具，SQL Server 2018 為數(shù)據(jù)庫支撐，SolidWorks 2020 為開發(fā)平臺，實現(xiàn)主參數(shù)設(shè)計功能、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能和三維建模功能，提高設(shè)計人員效率，縮短研發(fā)周期。

（2）提出EHA 智能設(shè)計知識庫的設(shè)計方法，包括規(guī)則系統(tǒng)、設(shè)計知識系統(tǒng)和模型庫系統(tǒng)，同時利用SQL Server 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將電動靜液作動器各零部件參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與智能設(shè)計系統(tǒng)的交互。

（3）采用NSGA-Ⅱ優(yōu)化設(shè)計方法，以體積和剛度為優(yōu)化目標(biāo)，得到EHA 布局，以及優(yōu)化后系統(tǒng)建模各零件結(jié)構(gòu)尺寸值，并利用DLL 方法將MATLAB專業(yè)軟件與智能設(shè)計軟件進行耦合設(shè)計，實現(xiàn)智能設(shè)計系統(tǒng)對MATLAB 中優(yōu)化算法函數(shù)的調(diào)用。