CN115618520A - 基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，涉及增减材制造技术领域，通过对流道形状与相对位置进行协同优化，获得满足增减材复合制造加工要求的多流道优化结果，能够实现复杂形状流道结构的自动工艺方案设计，解决增减材复合制造中工艺规划过于繁琐的问题，优化后液压集成块整体重量以及管路总压损可大幅度下降；基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法具体包括如下步骤：参数化模型处理、基于变厚度参数化模型进行无尺寸约束下的各流道全局优化、基于变厚度参数化模型进行壁厚尺寸确定、多约束下的多流道协同优化、各流道外壁的设计优化。
Description
技术领域
本发明涉及增减材制造技术领域，尤其是基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法。
背景技术
目前市面上大多数四足机器人均依赖于液压驱动，但由于液压管路内压力较大，液压系统中所使用的集成块普遍为锻钢通过钻孔得到，四足机器人的腿部液压集成块是一种带有流道结构的典型液压元件，其传统加工技术是按照液压原理图在指定位置钻指定深度的孔道，但是这种方式会在内部流道的交叉位置引入耗费能量的工艺加工孔，从而增加流体与流道内壁的接触面积并产生回流区，造成局部压力损失，同时流道外部存在材料冗余问题，导致液压集成块重量较大，如同在腿部关节处捆绑“沙袋”一般，大大限制了四足机器人的灵活程度，因此亟需对其各指标进行优化，改进其形状及加工方式。
增材制造和五轴减材制造是加工复杂特征零件的两种首选制造方法。对于流道结构而言，增材制造方式能够加工优化后的流道，可减小转弯处局部压损、提高材料利用率并减轻重量。但由增材制造获得的壁面质量较差，无法满足实际工作要求，同时流道内壁上粘结有增材颗粒，若随油液流入液压系统中可能损坏精密液压元件，且当流道的摆放角度不满足增材最大悬垂角约束时，内壁上会产生无法避免的支撑结构。
五轴减材制造可以获得高精度的复杂型面，但加工零件上某一特征时，受刀具本身长度限制或零件上其他特征的干涉约束，刀具可能存在无法抵达的区域。因此仅凭增材或五轴减材制造均无法满足集成块内的复杂流道形状与空间排布要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，获得满足增减材复合制造加工要求的多流道优化结果，实现复杂形状流道结构的自动工艺方案设计，解决增减材复合制造中工艺规划过于繁琐的问题，优化后的液压集成块整体重量以及管路总压损可大幅度下降。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，包括:
以圆弧过渡形式代替各流道工艺加工孔，对各流道依次建立变厚度参数化模型；
基于变厚度参数化模型,不考虑各流道在空间排布中是否发生干涉，在不产生模型畸变的情况下定义各设计变量的最大取值范围，求解各流道流体域最优工作性能对应的形状以实现无尺寸约束下的各流道全局优化；
基于变厚度参数化模型计算壁厚均匀流道的最小壁厚取值；
将相互存在干涉和影响的流道定义为一个新的优化组并按组分别进行多流道协同优化，在优化中以限定设计变量范围或添加几何关系式的形式引入尺寸约束与加工约束，求解约束下的最优流体域形状以实现约束下的流道协同优化；
基于各最优流体域形状依次求解流道外壁的变厚度结构以获得优化后的液压集成块。
作为进一步的实现方式，圆弧过渡部分两端应分别与直线流道部分相切。
作为进一步的实现方式，所述流道出入口位置保持不变，入口与出口所在直线流道的内径需与原始模型相等，且入口与出口处的轴线分别垂直于原入口与出口所在端面。
作为进一步的实现方式，壁厚均匀流道的最小壁厚取值为
，安全系数n为确定值。
作为进一步的实现方式，采用静态结构仿真手段辅助选择满足强度要求的最小壁厚，之后以此最小壁厚为依据确定各位置壁厚的取值范围。
作为进一步的实现方式，除回油管路外，根据各位置壁厚的取值范围建立各位置壁厚取上限值时的多流道整体模型。
作为进一步的实现方式，以各优化组内全部流道的总性能最优为优化目标，在步骤2中获得的各流道流体域形状的基础上加入尺寸约束与加工约束，求解约束下的最优流体域形状。
作为进一步的实现方式，流道的各位置壁厚分为竖直部分、转弯部分与水平部分进行分别控制。
作为进一步的实现方式，获得变厚度结构后，添加管路入口和出口所在面的安装结构，以及流道之间的固定连接结构组成最终优化后的多流道结构。
作为进一步的实现方式，液压集成块两个控制管路的安装结构应设置在两个管路同一侧的出口处，增减材复合制造为五轴增减材复合制造。
上述本发明的有益效果如下：
1.本发明通过对流道形状与相对位置进行协同优化，获得满足增减材复合制造加工要求的多流道优化结果，能够实现复杂形状流道结构的自动工艺方案设计，解决增减材复合制造中工艺规划过于繁琐的问题，优化后液压集成块整体重量以及管路总压损可大幅度下降。
2.本发明采用五轴增减材复合制造技术，在X、Y和Z三轴的基础上增加了两个旋转轴，通过工件所在平台的转动使悬垂角始终保持在合理范围内，以避免大多数情况下的增材制造支撑结构，并且面对具有曲面、弯角等复杂特征的零件时，也可以通过增材、减材交替的方式进行加工，解决了传统机械加工方法效率低下、加工难度大、材料利用率低以及刀具无法抵达内腔中深度较大的位置等问题。
3.本发明准确描述了增材喷头和减材刀具的可达性，确定刀具与工件之间的相对位置与干涉情况，在保证零件满足内壁减材可加工性的基础上实现流道结构的增材成型，且可以逐段完成复杂零件的加工，在增材制造和减材制造交替过程中，刀具能够在干涉区域成型之前到达需要加工的位置，满足了最少交替次数的目标，提高了整体加工效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是液压系统原理图。
图2是现有加工方式下的四足机器人腿部液压集成块结构示意图。
图3是本发明实施例中多约束下多流道结构设计优化方法流程图。
图4是本发明多流道优化实例中各流道的建模方案。
图5是本发明多流道实例的多约束情况分析。
图6是本发明四足机器人腿部液压集成块实例设计优化结果。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1.液压缸，2.液压伺服阀，3.液压管道，4.连通伺服阀控制口(A口)，5.连通伺服阀控制口(B口)，6.连通伺服阀回油口(T口)，7.伺服阀进油口(P口)，8.第一控制管路，9.第二控制管路，10.回油管路，11.进油管路，12.加工约束。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例一
四足机器人中液压驱动的工作原理通常为：由躯干中的发动机带动液压泵的运转，抽取油箱中的液压油供应至机器人全身各处来提供动力。
腿部各关节处的灵活运动主要由液压缸往复运动所驱动的连杆机构实现，腿部液压系统总成包括液压缸1、液压伺服阀2、液压管道3以及液压集成块，液压原理参照图1所示，液压油流入液压系统后由液压伺服阀2分配其流向，从而控制液压缸1的往复运动，负责连通各液压元件的零部件即为液压集成块。
通常情况下，液压集成块内不止包含一条流道，而是多条流道在一定空间内的交错排布。本实施例以四足机器人腿部液压系统中各液压元件的排布方式为基础，结合液压缸1与液压伺服阀2的基本尺寸，建立图2所示的现有加工方式下液压集成块模型，其内部共有4条流道，均通过图2中液压集成块右侧面与液压伺服阀2相连接，分别是为伺服阀进油口(P口)7供给液压油的进油管路11、连通伺服阀回油口(T口)6与油箱的回油管路10、连通伺服阀控制口(A口)4与液压缸无杆腔的第一控制管路8、连通伺服阀控制口(B口)5与液压缸有杆腔的第二控制管路9。
考虑到受加工方式的限制，该液压集成块存在大量材料冗余，本实施例以未做多余材料切割处理的集成块为优化对象，运用多约束下多流道结构设计优化方法来优化该多流道液压集成块，在保证强度合格、整体满足增减材复合制造要求的情况下获得整体压降最小、重量最低的多流道结构。基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法流程图如图3所示。
采用各流道形状与空间排布协同设计的优化思路，优化目标为各流道的总性能最优，其具体实施方案如下：
参数化模型处理：以圆弧过渡形式代替各流道工艺加工孔，对各流道依次建立变厚度参数化模型；
基于变厚度参数化模型进行无尺寸约束下的各流道全局优化：不考虑各流道在空间排布中是否发生干涉，在不产生模型畸变的情况下定义各设计变量的最大取值范围，求解各流道流体域最优工作性能对应的形状；
基于变厚度参数化模型进行壁厚尺寸确定：计算壁厚均匀流道的最小壁厚取值；
多约束下的多流道协同优化：将相互存在干涉和影响的流道定义为一个新的优化组并按组分别进行多流道协同优化，在优化中以限定设计变量范围或添加几何关系式的形式引入尺寸约束与加工约束，求解约束下的最优流体域形状；
各流道外壁的设计优化：基于各最优流体域形状依次求解流道外壁的变厚度结构，最终获得优化后的液压集成块。
具体的，在步骤1中，为保持流道流通性，圆弧过渡部分两端应分别与直线流道部分相切；为避免重新调整外部结构的连接与驱动方式，流道出口和入口的位置应当保持不变，各个流道的入口与出口所在直线流道的内径应当与原始模型相等，且各流道入口与出口处的轴线分别垂直于原入口与出口所在端面。
在步骤3中，基于厚度参数化模型,将流速、压强、内径等参数代入公式(1)中，在安全系数n一定的情况下计算出壁厚均匀流道的最小壁厚取值。
其中，p为流道内的工作压力，d为流道内径。由于流道为弯曲流道且其内壁压力分布并不均匀，实际所需壁厚必然大于公式计算值，因此采用静态结构仿真手段辅助选择满足强度要求的最小壁厚，随后以此最小壁厚为依据确定各位置壁厚的取值范围。
基于厚度参数化模型对流道内壁形状确定后，各位置壁厚取上限值时最易发生流道间的干涉问题，建立此上限取值下的多流道整体模型，之后进行多约束下的多流道协同优化：将相互之间存在干涉或距离较近的流道定义为一个新的优化组并按组分别进行多流道协同优化，在优化中以限定设计变量范围或添加几何关系式的形式引入尺寸约束与加工约束,求解约束下的最优流体域形状。
其中，尺寸约束即为保证各条流道外壁不存在实体干涉区域，而加工约束则是为了避免在后续增材制造过程中因流道间距过小而造成增减材交替频繁甚至无法制造的问题。
以各优化组内全部流道的总性能最优为优化目标，在步骤2中获得的各流道响应面模型的基础上加入以上约束，求解约束下的最优流体域形状。基于各流体域形状依次求解流道外壁的变厚度结构，并添加入口和出口所在面的安装结构以及流道之间必要的固定连接结构组成最终优化后的多流道结构。
基于上述液压集成块多约束下多流道结构设计优化方法，提取集成块中四条流道的可优化区域。由于该集成块中各流道的水平与竖直长度不同，为充分利用流道在这两个方向上的设计自由度，以图4所示的建模方案分别构建四条流道的参数化模型。流道轴线由两条线段和一条3控制点的样条曲线组成。
对于流道内壁而言，设计变量L1与L2分别为竖直和水平方向上直线流道的长度，同时为控制流道的转弯趋势，以样条曲线中间控制点k距离竖直流道最上端的长度L3和流道转弯部分在竖直方向上的总长度L4的比值γ为第3个设计变量；流道外壁采用x1、x2、x3、x4、x5、x6这6个设计变量分别控制竖直部分、转弯部分内外径与水平部分的壁厚。
根据图3中的多流道优化流程，分别对集成块中各流道进行整个定义域内的全局优化，优化目标为各自压降取得最小值。其中，由于实际工作过程中液压油需要在第一控制管路8与第二控制管路9中转换流向以控制液压缸杆的往复运动，流向不同时压降也就不同，为全面优化该液压集成块的工作性能，在优化第一控制管路8和第二控制管路9时需以两种流向的压降值之和最低为优化目标。由于回油管路10直接通向油箱之中，其压降对液压系统的工作性能并不会产生影响，因此将其作为从动因素，不单独进行设计优化，若回油管路10与其他流道存在干涉现象，应优先调整回油管路10的形状。
通过单流道参数化建模获取各流道的最优值，通过结构仿真手段获得各流道的安全壁厚，并以此确定各流道6个设计变量控制区域壁厚的取值范围，取各位置壁厚的最大值来建立除回油管路10以外的多流道模型如图5所示。
分析各流道之间的相对位置，首先各流道之间不存在实体重合区域，因此整体满足尺寸约束；由于进油管路11与第二控制管路9从下至上朝向不同方向发展，且间隔越来越远，因此满足加工约束；第一控制管路8与进油管路11和第二控制管路9均分别具有间距先减小后增大的趋势，存在不满足加工约束的可能性。
因此，将进一步的加工约束12添加至第二控制管路8的内壁设计优化中从而约束第一控制管路8的弯曲程度。
此外，回油管路10与其他管路之间均满足尺寸约束与加工约束，且进油管路11与回油管路10的水平与竖直方向上的总长度均相同，为简化计算，令回油管路10内壁建模方案中各设计变量取值与进油管路11相等。
经多约束下多流道结构设计优化后可获取各流道的壁厚，虽然各自满足强度要求与可加工性，但彼此分裂，在组合为多流道结构后仍需进行必要的安装结构、流道间固定连接结构以及其他增强结构的设计。本实施例最终设计优化结果如图6所示，优化后整体重量以及除回油管路10外的总压损可大幅度下降。在伺服阀安装面(图6中底面)上，四条管路均存在入口或出口，因此应设计集成式安装结构以保证装配精度，同时在四条管路之间添加固定结构以保证工作时的强度要求。
由于第一控制管路8与第二控制管路9在实际使用中均安装在液压缸1的同一个平面之上，为增强装配强度并保证装配精度，在这两个控制管路同一侧的出口处设计安装结构，在增材制造时以该结构与管路相接的平面为增材平面，在转台旋转90度的情况下进行增材，安装结构的倾角为50度，大于DED增材的最小悬垂角，满足加工要求。
本实施例采用五轴增减材复合制造技术，在X、Y和Z三轴的基础上增加了两个旋转轴，可通过工件所在平台的转动使悬垂角始终保持在合理范围内，以避免大多数情况下的增材制造支撑结构，并且面对具有曲面、弯角等复杂特征的零件时，也可以通过增材、减材交替的方式进行加工，解决了传统机械加工方法效率低下、加工难度大、材料利用率低以及刀具无法抵达内腔中深度较大的位置等问题。
本实施例的增减材制造为五轴增减材制造，五轴增减材复合制造集成了五轴增材制造和五轴减材制造的主要硬件与功能，只需对工件进行一次装夹即可实现后续一系列的加工任务。根据增材制造和减材制造工序规划形式的不同，增减材复合制造可分为先增材后减材和增减材交替进行两类，前者主要用于有切削加工需求的简单零件制造，通过减少装夹次数来提高加工效率并避免多次装夹产生的定位误差，后者可以充分发挥复合制造在分阶段加工复杂零件方面的优势，在实际加工过程中可按需选取最适合的增减材复合制造类型。
本实施例采取增减材交替的方法进行增减材复合制造中的工艺规划。增材制造和减材制造的交替过程需要经历更换刀具、等待增材区域完全凝固、端面铣削等操作，会对总加工时间产生很大的影响，每次增材的初始化运行也会造成金属粉末的浪费。
该多约束下的多流道设计优化方法，准确描述了增材喷头和减材刀具的可达性，确定刀具与工件之间的相对位置与干涉情况，在保证零件满足内壁减材可加工性的基础上实现流道结构的增材成型，且可以逐段完成复杂零件的加工，在增材制造和减材制造交替过程中，刀具能够在干涉区域成型之前到达需要加工的位置，满足了最少交替次数的目标，提高了整体加工效率。
本设计优化案例主要考虑流道的工作性能与加工制造时的约束，若液压集成块在实际工作中受到额外装配应力或外部载荷的影响，可在该优化结果的基础上继续添加必要固定结构以保证工作安全性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，包括：
以圆弧过渡形式代替各流道工艺加工孔，对各流道依次建立变厚度参数化模型；
基于厚度参数化模型,不考虑各流道在空间排布中是否发生干涉，在不产生模型畸变的情况下定义各设计变量的最大取值范围，求解各流道流体域最优工作性能对应的形状以实现无尺寸约束下的各流道全局优化；
基于变厚度参数化模型计算壁厚均匀流道的最小壁厚取值；
将相互存在干涉和影响的流道定义为一个新的优化组并按组分别进行多流道协同优化，在优化中以限定设计变量范围或添加几何关系式的形式引入尺寸约束与加工约束，求解约束下的最优流体域形状以实现约束下的流道协同优化；
基于各最优流体域形状依次求解流道外壁的变厚度结构以获得优化后的液压集成块。
2.根据权利要求1所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，所述圆弧过渡部分两端应分别与直线流道部分相切。
3.根据权利要求2所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，所述流道出入口位置保持不变，入口与出口所在直线流道的内径需与原始模型相等，且入口与出口处的轴线分别垂直于原入口与出口所在端面。
4.根据权利要求1所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，壁厚均匀流道的最小壁厚取值为
安全系数n为确定值。
5.根据权利要求4所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，采用静态结构仿真手段辅助选择满足强度要求的最小壁厚，之后以此最小壁厚为依据确定各位置壁厚的取值范围。
6.根据权利要求5所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，除回油管路外，根据各位置壁厚的取值范围建立各位置壁厚取上限值时的多流道整体模型。
7.根据权利要求6所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，以各优化组内全部流道的总性能最优为优化目标，在步骤2中获得的各流道流体域形状的基础上加入尺寸约束与加工约束，求解约束下的最优流体域形状。
8.根据权利要求7所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，流道的各位置壁厚分为竖直部分、转弯部分与水平部分进行分别控制。
9.根据权利要求1所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，在所述步骤5中，获得变厚度结构后，添加管路入口和出口所在面的安装结构，以及流道之间的固定连接结构组成最终优化后的多流道结构。
10.根据权利要求9所述的基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法，其特征在于，液压集成块两个控制管路的安装结构应设置在两个管路同一侧的出口处，增减材复合制造为五轴增减材复合制造。
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| CN202211317934.9A CN115618520A (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN115618520A true CN115618520A (zh) | 2023-01-17 |
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|---|---|---|---|
| CN202211317934.9A Pending CN115618520A (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 基于增减材复合制造液压集成块的流道设计优化方法 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN111222232A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-06-02 | 浙江大学 | 一种基于slm技术的轻量化电静液作动器壳体设计方法 |
| US20210073349A1 (en) * | 2019-09-05 | 2021-03-11 | Palo Alto Research Center Incorporated | Method and System for Part Design Using Heterogeneous Constraints |
| CN112883664A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-01 | 山东大学 | 一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法 |
-
2022
- 2022-10-26 CN CN202211317934.9A patent/CN115618520A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210073349A1 (en) * | 2019-09-05 | 2021-03-11 | Palo Alto Research Center Incorporated | Method and System for Part Design Using Heterogeneous Constraints |
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