電動靜液作動器智能設計

虞少鵬，王海波，2，王鑫，何歡，李戰斌

（1.西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031；2.軌道交通運維技術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、安裝維護性好等優點［1-2］。航空EHA 需求規范標準（ISO 22072）指出EHA 可以單獨組裝成一個標準的集成電液模塊［3］。EHA 也逐漸成為各類大型裝備的通用基礎元部件。但EHA 取代大型裝備常面臨不同的安裝空間、工作環境、邊界條件等問題，在設計過程中需要根據裝備的具體結構進行定制設計［4］。傳統設計方法主要是根據參數要求，對各零件進行選型與設計，且大部分零件都屬于非標件。對EHA 進行定制設計，設計人員需要重新計算不同功率下的參數并重新建模。這種設計方法設計效率和質量低，研發周期長。

針對這些問題，EHA 的設計需要廣泛先進的設計技術。目前國內外，主要集中在設計優化技術和建模仿真設計［2］；設計優化技術多專注于作動器的模型仿真優化技術。如文獻［5］通過對綜合指標的建立，以效率和液壓元件排量為目標函數；文獻［6］提出同時把控制精度、能耗、質量、成本作為目標函數。建模仿真技術可實現自動化建模，能大幅度減少設計周期、提高設計效率。文獻［7］通過參數化建模直接得到產品的三維信息，實現自動快速建模；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、約束和目標轉化為空間體積和力學性能優化問題，并提出串聯型、并聯型和直角型3 種布局型式結構。

本文作者基于建模仿真技術和優化設計技術，引入智能設計思想支持EHA 設計過程，利用參數化技術、SW 二次開發技術以及智能布局等關鍵技術實現主參數設計功能、優化設計功能、數據庫系統功能和三維建模功能；基于EHA 結構特點提出EHA 智能設計知識庫的設計方法，針對3 種布局型式結構進行智能化設計，取得較好的效果。

1 EHA 系統設計及參數確定

1.1 EHA 系統

文中EHA 采用的是定排量變轉速的工作方式，采用單出桿液壓缸。系統原理如圖1 所示。該液壓系統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］，該系統也可以直接移植到以對稱缸和液壓馬達為執行元件的EHA。

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

1.2 EHA 設計參數確定

EHA 結構組成有電機、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，設計人員主要是解決選型問題。根據設計要求，需要確定的主參數包括：系統壓力、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、蓄能器缸體內徑、閥塊類型、電機功率、液壓泵壓力、液壓泵排量12 個參數。

2 EHA 智能設計

2.1 二次開發原理

SolidWorks 軟件是一款基于特征的實體建模軟件［10］，它使用直觀式設計技術、Windows OLE 技術、Parasolid 內核。SolidWorks 通過OLE／COM 技術為用戶提供了強大的二次開發API 接口，并采用面向對象的方法，所有函數都是有關對象的方法和屬性，這些函數提供程序直接訪問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 智能設計總體流程

結合EHA 的設計過程和SolidWorks 二次開發原理，首先實現開發環境的搭建，采用的是SolidWorks二次開發異步模式。設計人員在交互界面輸入12 個主要參數得到次要參數，每次參數確定后，結果都會歸檔到數據庫；通過輸入安裝空間尺寸大小，采用NSGA-Ⅱ遺傳算法獲取系統建模各零件結構尺寸值，將數據傳輸到智能設計系統后臺程序中；優化設計以MATLAB 設計軟件為平臺，采用DLL 封裝函數的方法將MATLAB 與智能設計系統進行交互，實現智能布局，如果優化結果不符合要求，則出現提示信息；設計人員選擇需要生成的零件、組件和裝配體；設計人員可以直接管理數據庫，對數據庫存檔文件進行管理，修改完成后重新驅動模型。具體流程如圖3 所示。

圖3 EHA 智能化設計流程Fig.3 EHA intelligent design process

3 EHA 智能化設計實現

3.1 知識庫

本文作者提出一套便于計算機系統識別的知識庫，既符合傳統設計流程和規則，又可以完成EHA建模工作。知識庫設計包括規則系統設計、知識系統設計和模型系統設計。知識庫結構如圖4 所示。

圖4 知識庫結構Fig.4 Knowledge base structure

規則系統運用可以分成3 類：參數設計規則、零件建模設計規則和零件裝配建模規則。參數設計規則包括外部參數和內部參數，外部參數為用戶提出的技術要求參數，內部參數為根據機械設計手冊查閱得到的參數。由于VS 控件類型是string 類型，而進行數值計算時需要double、single 或int 的數值類型，因此還需要進行類型轉換。

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

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

知識系統的設計包括公式類知識設計和推理類知識設計。公式類知識采用M（value）＝function N（value）的方法進行設計，其基本形式為M→N 或if M then N，即通過M 數值，利用公式計算，得到需要的N 參數值；推理類的知識采用if function else function 的方法設計，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優化設計

本文作者以體積和剛度為優化目標，對電動靜液作動器進行多目標優化設計。EHA 剛度與系統控制性能直接相關，系統剛度較低不僅會影響控制精度，還會造成EHA 發生振蕩，導致控制產生偏差［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 智能設計主要是根據液壓缸缸徑和桿徑這兩個參數進行其余零件的設計，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的尺寸。所以在進行EHA 設計時，保證剛度的基礎上，使得活塞桿長度最小，從而達到EHA 整體結構最優。活塞桿長度可以用式（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；p為工作壓力。

為保證EHA 整體布局占用空間最小，會使得系統剛度降低，但若保證了系統剛度最優，同時導致所設計的EHA 體積變大，因此為了滿足兩者同時達到最優，采用了NSGA-Ⅱ遺傳算法，實現兩個目標同時達到優化。優化流程如圖5 所示。

圖5 NSGA-Ⅱ優化Fig.5 NSGA-II optimization

3.3 交互界面實現

系統頁面主要分成主參數設計、智能布局、元器件建模、路徑保存和數據庫管理5 個模塊。輸入主要參數，得到次要參數，計算完成后參數文件歸檔到數據庫中。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。參數輸入完成后，用戶可以選擇生成相應的零件、組件和總裝配體，運行界面如圖6（c）所示。

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

3.4 數據庫實現

EHA 參數化設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、閥塊等非標件進行設計。文中EHA 設計涉及多種規格下3 種布局組合設計，參數輸出量大。因此，將EHA 需要選型的結構數據和非標件參數數據寫入SQL Server 2018 數據庫中，使用SQL Server 2018 對數據進行刪除、修改、添加等操作［14］。數據庫管理頁面如圖7所示。

圖7 數據庫管理頁面Fig.7 Database management page

3.5 設計實例

如表1 所示，為EHA 的主要設計參數。主參數設置界面中，依次輸入表1 中數值，可直接依次生成3 種布局型式EHA，設計結果如圖8 所示。安裝空間以300 mm×500 mm×400 mm 輸入，其余11 個參數按表1 數值一次性輸入，種群數量設置為30，迭代次數設為100 代，得到Pareto 解集。如圖9 所示，尋優得到的Pareto 解集穩定且分布均勻。

表1 主要設計參數Tab.1 Main design parameters

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

圖9 優化結果Fig.9 Optimal results

提取優化解集中各數據如圖10 所示，第一列為安全系數、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最優解取第一組或第四組解，桿徑取50 mm，安全系數為3.5。最終的設計結果如圖8（a）所示，經企業檢驗，該設計結果合理可直接用于設計生產。

圖10 優化數值Fig.10 Optimized numerical values

4 結論

（1）提出EHA 智能設計方法，以Visual Studio 2019 為編程工具，SQL Server 2018 為數據庫支撐，SolidWorks 2020 為開發平臺，實現主參數設計功能、數據庫系統功能和三維建模功能，提高設計人員效率，縮短研發周期。

（2）提出EHA 智能設計知識庫的設計方法，包括規則系統、設計知識系統和模型庫系統，同時利用SQL Server 數據庫管理系統將電動靜液作動器各零部件參數存儲在數據庫中，實現數據庫系統與智能設計系統的交互。

（3）采用NSGA-Ⅱ優化設計方法，以體積和剛度為優化目標，得到EHA 布局，以及優化后系統建模各零件結構尺寸值，并利用DLL 方法將MATLAB專業軟件與智能設計軟件進行耦合設計，實現智能設計系統對MATLAB 中優化算法函數的調用。