攪拌混合設(shè)備三維參數(shù)化CAD 系統(tǒng)的研制

李玉林， 吳偉中， 吳群雄， 劉德波

（1. 河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007； 2. 黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450005）

攪拌混合設(shè)備在食品工程、化學(xué)工程、生物工程等行業(yè)中使用非常普遍，它們對(duì)工藝效果、產(chǎn)品質(zhì)量有著重要影響。這類設(shè)備的設(shè)計(jì)包含很多定性分析和定量計(jì)算，過(guò)程較為繁瑣，往往需要反復(fù)修改多次甚至通過(guò)試驗(yàn)方法才能獲得較理想的結(jié)果。盡管利用Aspen Plus 等流程模擬軟件能夠進(jìn)行單元操作和工藝流程模擬[1]，但是它對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求高，而且相關(guān)軟件的采購(gòu)培訓(xùn)費(fèi)用不是一般工程建設(shè)單位、科研單位能夠承擔(dān)的。隨著生產(chǎn)工藝的逐步完善和成熟，攪拌混合設(shè)備的工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式等趨于穩(wěn)定，特別是在工藝操作條件相同僅處理量不同的情況下，這類設(shè)備往往只是外形尺寸、容積、功率大小的差別，設(shè)備的裝配結(jié)構(gòu)、零部件數(shù)量及種類基本相同。這就為攪拌混合設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和模塊化設(shè)計(jì)提供了必要條件。本研究在深入分析各類攪拌混合設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了一種基于知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的三維參數(shù)化攪拌混合設(shè)備CAD 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)思路和方法。

1 系統(tǒng)研制的目標(biāo)

實(shí)際應(yīng)用的攪拌混合設(shè)備由于工藝目的、介質(zhì)相系多樣性等原因，一直以來(lái)缺乏完善的數(shù)學(xué)模型和可靠的理論計(jì)算方法[2]。因此，本系統(tǒng)立足于目前相對(duì)成熟的理論，從已被實(shí)踐證明切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案中篩選可靠的計(jì)算方法，這樣就避免了數(shù)據(jù)來(lái)源的可靠性問(wèn)題。系統(tǒng)的整體研發(fā)則確定了以下目標(biāo)：

（1） 符合有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；

（2） 基于流行的軟件系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)發(fā)，便于維護(hù)和擴(kuò)展；

（3） 盡量充分利用已有的設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；

（4） 易學(xué)易用，自動(dòng)化程度高，人工干預(yù)少；

（5） 具備較完善的自動(dòng)推理和糾錯(cuò)機(jī)制。

2 構(gòu)建知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)最重要的準(zhǔn)備過(guò)程是知識(shí)抽取，要根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資料和經(jīng)驗(yàn)整理、抽取相關(guān)設(shè)備的單元操作模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建設(shè)備設(shè)計(jì)總體方案。知識(shí)抽取包括兩大部分內(nèi)容：

（1） 單元操作模型的確立和完善

對(duì)攪拌混合設(shè)備在整個(gè)工藝流程中所起作用做定性分析，并建立起該設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。在相對(duì)成熟的工藝中，建立這樣的模型不是很復(fù)雜。

（2） 設(shè)備裝配結(jié)構(gòu)的確立和完善

設(shè)備的工藝用途確定后，就可對(duì)設(shè)備的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定和完善。常見(jiàn)的攪拌混合設(shè)備一般包含有如下部件：筒體、封頭、傳動(dòng)裝置、攪拌裝置、軸封裝置、接管、附件（手孔、人孔、視鏡等）。設(shè)備的型式以立式為主。

以上兩部分內(nèi)容中，顯然前者是最為關(guān)鍵的，必須在這里把設(shè)備的工藝用途和相關(guān)模型整理完善。由于設(shè)備的工藝應(yīng)用較為成熟，有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可供參考，因此抽取和完善的過(guò)程可以簡(jiǎn)化，不必采用更為復(fù)雜的ES 專家系統(tǒng)級(jí)別的知識(shí)表達(dá)機(jī)制[2]。系統(tǒng)把抽取后的知識(shí)組建成知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心來(lái)組織和驅(qū)動(dòng)后續(xù)設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程。圖1 為系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成情況。

圖1 知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成

3 系統(tǒng)流程規(guī)劃

攪拌混合設(shè)備的具體設(shè)計(jì)大致包含工藝計(jì)算、設(shè)備設(shè)計(jì)和工程繪圖3 個(gè)階段。工藝計(jì)算是根據(jù)工藝要求基于知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行工藝數(shù)值計(jì)算，包括物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)選定等，其結(jié)果是進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。設(shè)備設(shè)計(jì)完成后，由工程繪圖模塊完成CAD 模型的創(chuàng)建、修改，并創(chuàng)建相關(guān)零部件的工程圖。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可以任意回溯，便于對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，從中選擇最佳方案。最終的設(shè)計(jì)結(jié)果則可以從中抽取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，加入到知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為以后的設(shè)計(jì)知識(shí)使用。圖2 為系統(tǒng)流程規(guī)劃示意圖。

圖2 系統(tǒng)流程規(guī)劃

4 設(shè)備設(shè)計(jì)模塊

工藝計(jì)算后的設(shè)計(jì)方案作為設(shè)備設(shè)計(jì)的原始條件。首先從工藝模型數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索確認(rèn)和完成總體結(jié)構(gòu)，再結(jié)合設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行具體的零部件設(shè)計(jì)，主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

（1） 筒體和封頭設(shè)計(jì)

確定設(shè)備的容積、直徑和高度等關(guān)鍵尺寸，選擇封頭類型。根據(jù)設(shè)備介質(zhì)特性選擇合適的筒體和封頭材料，計(jì)算筒體和封頭的厚度，并進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。

（2） 攪拌裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)攪拌物料的容積、粘度、攪拌速度和攪拌目的等條件選擇合適的攪拌裝置，進(jìn)行攪拌軸的強(qiáng)度和剛度校核，最終選定攪拌軸的直徑。必要時(shí)需進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算。

（3） 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)攪拌所需軸功率、功率損耗等確定電機(jī)功率，再由攪拌軸的轉(zhuǎn)速確定傳動(dòng)比i，最終選定電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)架、底座、聯(lián)軸器等傳動(dòng)部件。

攪拌功率通常是根據(jù)算圖或圖表計(jì)算，或者通過(guò)類比法確定。本系統(tǒng)既可提供理論計(jì)算數(shù)值，也可從知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索類似設(shè)計(jì)內(nèi)容，供設(shè)計(jì)者參考選擇。

（4） 軸封裝置設(shè)計(jì)

選擇攪拌軸的密封裝置形式，如填料密封、機(jī)械密封、磁力密封。

（5） 其 它

包括設(shè)備的接管、人孔、手孔、視鏡、擋板等附件的選擇和設(shè)計(jì)。

完整的設(shè)計(jì)流程參見(jiàn)圖3。設(shè)計(jì)得到的結(jié)果保存到設(shè)計(jì)報(bào)表中，后續(xù)CAD 繪圖模塊從中讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，繪制或自動(dòng)生成設(shè)備工程圖。

圖3 設(shè)備設(shè)計(jì)流程

5 實(shí)例圖形數(shù)據(jù)庫(kù)

5.1 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往已經(jīng)積累了大量的圖紙資料，因此，除了整理完善相關(guān)工藝數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型外，系統(tǒng)還要構(gòu)建實(shí)例圖形數(shù)據(jù)庫(kù)。圖4 為實(shí)例圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)。

圖4 實(shí)例圖形數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)例圖形數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)功能模塊相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置的PDM 系統(tǒng)，同一工況下已有的圖紙不必再重新生成，甚至不必重新設(shè)計(jì)，直接通過(guò)有關(guān)接口檢索并調(diào)用即可，而全新設(shè)計(jì)的設(shè)備也可通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用諸如電機(jī)、減速機(jī)、攪拌槳葉、機(jī)架、聯(lián)軸器、密封件、法蘭等標(biāo)準(zhǔn)圖形，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，最終完成的圖紙又能作為新實(shí)例添加到實(shí)例設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中，充分利用設(shè)計(jì)成果，避免了多次重復(fù)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)和繪圖流程參見(jiàn)圖5。

圖5 設(shè)計(jì)和繪圖流程

5.2 參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)圖庫(kù)

實(shí)例圖形數(shù)據(jù)庫(kù)既包含了可以直接調(diào)用的成熟設(shè)備圖紙，還包含有參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)，并和相關(guān)CAD 系統(tǒng)自身的圖庫(kù)如資源中心等有機(jī)結(jié)合。參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)是基于三維CAD 系統(tǒng)創(chuàng)建的，例如，INVENTOR 的iPart、iFeature 和iAssembly 技術(shù)[4]。這種參數(shù)化的三維圖庫(kù)可以做到“一次創(chuàng)建、永久使用”，而在其基礎(chǔ)上創(chuàng)建、生成的三維零件模型或裝配體，又可以在CAD系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行初步的有限元分析或動(dòng)力學(xué)分析，必要時(shí)也可輸出到ANSYS 進(jìn)行更深入的分析。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于Windows 平臺(tái)利用Visual Studio 2008 開(kāi)發(fā)，知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)基于Access 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)構(gòu)建，設(shè)計(jì)報(bào)表和設(shè)計(jì)結(jié)果文檔則保存為EXCEL 表格。

全新開(kāi)發(fā)CAD 系統(tǒng)的難度大、代價(jià)高、兼容性差。市面上成熟的CAD 系統(tǒng)比較多，例如，設(shè)計(jì)人員常用的AutoCAD、PRO/E、SolidWorks、INVENTOR 等，所以設(shè)備零部件的模型和工程圖創(chuàng)建基于成熟CAD 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是比較合理和恰當(dāng)?shù)?。本系統(tǒng)的繪圖模塊基于INVENTOR 開(kāi)發(fā)，這是考慮到以下幾個(gè)因素：

（1） INVENTOR 易學(xué)易用，界面友好，具有優(yōu)秀的二次開(kāi)發(fā)功能；

（2） 基于源于ACIS 技術(shù)的ASM 核心，支持變量化設(shè)計(jì)技術(shù)（參數(shù)化設(shè)計(jì)的擴(kuò)展）；

（3） 具有“自適應(yīng)”的裝配設(shè)計(jì)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)基于裝配關(guān)系的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，基于該功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化建模和裝配；

（4） 資源中心包含豐富的標(biāo)準(zhǔn)件圖庫(kù)，可以直接作為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)圖庫(kù)的一部分；

（5） 工程圖功能比較完善和優(yōu)秀，和 AutoCAD 的兼容性是最好的（同為AutoDESK 公司的產(chǎn)品），工程圖能轉(zhuǎn)換成DWG 格式修改；

（6） 能夠較方便的輸出BOM 信息，為后續(xù)零部件的制造加工提供管理數(shù)據(jù)；

（7） 可以充分利用已有的DWG 圖紙資 源。

7 結(jié) 論

攪拌混合設(shè)備CAD 系統(tǒng)基于知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了工藝計(jì)算、設(shè)備設(shè)計(jì)和繪圖的流程化和標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)效率比一般的設(shè)計(jì)手段更高，也易于保證設(shè)計(jì)質(zhì)量；設(shè)計(jì)結(jié)果能夠保存到知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的機(jī)制提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，減少了重復(fù)設(shè)計(jì)的工作量。實(shí)例圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用則實(shí)現(xiàn)了設(shè)備設(shè)計(jì)和繪圖過(guò)程的參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，創(chuàng)建工程圖更加快捷、準(zhǔn)確，從而幫助設(shè)計(jì)人員把主要精力用在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程而不必花費(fèi)大量時(shí)間去繪制圖樣。

[1] Aspen Technology, Inc[EB/OL]. http：//www.aspentech. com/

[2] 賀匡國(guó). 化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2002. 995-1069.

[3] 王嘉駿, 馮連芳, 顧雪萍, 等. 攪拌設(shè)備化工設(shè)計(jì)系統(tǒng)的混合知識(shí)表達(dá)機(jī)制[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2000, 17(5)： 394.

[4] 陳伯雄, 董仁揚(yáng), 張?jiān)骑w. AutoDESK INVENTOR Professional 2008 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)教程[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008. 11-23.