（机械制造及其自动化专业论文）大吨位油码头登船梯三维参数化设计系统开发与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，三维设计技术在制造业中逐渐得到应用和推广，使产品在设计阶 段便可通过虚拟加工、装配和评价而避免设计缺陷，有效地缩短产品开发周期， 从而降低产品的开发成本和制造成本。随着原油和油品进口量的增加以及油轮 船队规模的大型化，中国急需大型油码头以满足需要。登船梯是各种现代化大 型码头在船舶靠泊后码头作业过程中，码头作业人员和船员安全顺利上下船舶 的专用设备。对于5 万吨级以上码头，油轮上自带的舷梯难以形成岸与船的安 全通道，因此登船梯成了大型码头不可或缺的关键设备。根据码头条件和设计 要求，登船梯的尺寸变化较多，对登船梯做三维设计软件的开发及应用是很有 必要的。 登船梯主要由塔架、悬梯、升降架等几大部分组成，本文采用至顶向下的 原则设计，至底向上的建模方法和多配置的零件系列化设计方法建模。然后根 据实际要求选择相应的模块，组装成登船梯的三维模型。在三维图型建模中考 虑并定义了各个零部件的配合关系，保证了零部件尺寸改变时，三维模型中相 关尺寸同时进行相应改变，并实现了二维施工图的自动转换，从而有效地避免 由于设计人员的疏忽可能带来的设计失误。 本文分析了三维设计方法的优势，在大吨位登船梯设计中采用了全三维建 模设计，并初步建立了实例库，从而将实例推理的思想与大吨位登船梯设计相 结合，将三维造型技术与实例推理技术成功运用到登船梯设计领域，提出了基 于实例推理的登船梯设计流程，开发了套登船梯三维参数化设计系统，并在 天津港3 0 万吨级油码头登船梯设计中进行了成功应用，实现了较短时间内设计 出国际上第一台偏心式升降平台的登船梯方案，减小了码头平面尺寸，大大降 低了码头建造成本。 在i n v e n t o r 软件平台上首次开发研制了一套视觉直观、界面友好、易于操作、 具有干涉检验的三维登船梯设计系统，并能自动生成工程设计图纸。 关键词：实例推理，登船梯，三维设计，i n v e n t o r 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g nt e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l yb e e n a p p l i e da n dp r o m o t e di nt h em a n u f a c t u r i n gs e c t o r t h i sm a k et h ep r o d u c t sp r o m o t e d t h r o u g ht h ev i r t u a lf a b r i c a t i o n , a s s e m b l ya n de v a l u a t i o ni nt h ed e s i g ns t a g e t h e v i r t u a lp r o d u c t sc a r la v o i dd e f e c t s ，e f f e c t i v e l ys h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l e , a n dr e d u c et h ec o s to fp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r i n gc o s t w i t hi n c r e a s i n g o ft h ec r u d eo i la n do i li ni l i l p o r t s ，a sw e l la sl a r g e - s c a l eo i lt a n k e rf l e e t ，t h e r ei si n u r g e n tn e e do fal a r g eo i lt e r m i n a li nc h i n at om e e tt h en e e d b o a r d i n gl a d d e ri sa s p e c i a le q u i p m e n t i nt h ep r o c e s so ft e r m i n a lo p e r a t i o na f t e rt h es h i pb e r t h i n ga t v a r i o u sm o d e m l a r g e - s c a l eo i lt e r m i n a l s t e r m i n a lo p e r a t o r sa n dc r e wm e m b e r ss a f e a n ds m o o t hs h i pe q u i p m e n tf r o mt o pt ob o t t o m t om o r et h a n5 0 ，0 0 0t o no i lt e r m i n a l ， a c c o m m o d a t i o nl a d d e ro fo i lt a n k e ri sd i f f i c u l tt of o r mi t so w ns a f ep a s s a g eb e t w e e n b a n ka n dt h eo i lt a n k e r t h e r e f o r e , b o a r d i n gl a d d e rb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l ek e y e q u i p m e n tt oal a r g eo i l t e r m i n a l i na c c o r d a n c ew i t hc o n d i t i o n sa n d d e s i g n r e q u i r e m e n t so f o i lt e r m i n a l ，t h es i z eo ft h eb o a r d i n gl a d d e ri sm u c hm o r ev a r i e d t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h et h r e e - d i m e n s i o nd e s i g ns o r w a r eu s e di ne n g i n e b o a r d i n gl a d d e ri sv e r yn e c e s s a r y t h eb o a r d i n gl a d d e ri sc o n s i s t e do ft h et o w e r , h a n g i n gl a d d e r , l i f tm e c h a n i s m , e t c t h em o d e l i n gm e t h o dd i s c u s s e di n t h i sp a p e ri st a k e no nt h ep o l i c yo f p r o g r e s s i v em o d e l i n gm e t h o d s ，a n dw eu s et h em o d e l i n gm e a n so ft h en u m b e ro f s p a r ep a r t sf o rt h em a s sp r o d u c t i o nm e t h o d s s e c o n d l y , t h eb o a r d i n gl a d d e r t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li sa s s e m b l e db yt h em o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ln e e d w ec o n s i d e ra n dd e f i n et h er e l a t i v eo fe v e r ys i n g l ep a r t si nt h et h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l ，w h i c hc a l la s s r r et h er e s p o n d i n gc h a n g ew h e nt h es i z eo ft h ep a r t sc h a n g e f i n a l l y , t h ea u t o - c h a n g eo ft h et w o - d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd r a w i n g , w h i c hw i l l a v o i dt h em i s t a k e st h a tm a yb em a d eb yt h ed e s i g n e r s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so ft h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n , u s e dt h ee n t i r e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gi nt h ed e s i g no fl a r g e - t o n n a g eb o a r d i n gl a d d e ra n d 武汉理工大学硕士学位论文 p r e l i m i n a r i l ye s t a b l i s h e dt h ec a s eb a s e t h u sc a s e - b a s e dr e a s o n i n gc o m b i n e d 谢l t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gt e c h n o l o g yi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h el a r g e - t o n n a g e b o a r d i n gl a d d e rd e s i g nf i e l d , a n dd e v e l o p e das e to ft h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i c b o a r d i n gl a d d e rd e s i g ns y s t e m o nt h eb a s i so fs u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nx i 趾j i np o r t t h e3 0 0 ，0 0 0 - t o no i lt e r m i n a lb o a r d m gl a d d e rd e s i g n , a c h i e v e dw i t h i nr e l a t i v d ys h o r t p e r i o do ft i m et od e s i g nt h ef i r s ti n t e r n a t i o n a le c c e i 耐ct a k e - o f fa n dl a n d i n gp l a t f o r m b o a r d i n gl a d d e rp r o g r a m , d e c r e a s i n gt h es i z eo ft h et e r m i n a lp l a n ea n dg r e a t l y r e d u c i n gt h ec o s to ft e r m i n a lc o n s t r u c t i o n o ni n v e n t o rs o f k w a r ep l a t f o r mf i r s td e v e l o p e das e to fi n t u i t i v ev i s i o n , f r i e n d l y i n t e r f a c e ，e a s yt oo p e r a t e ，、) l r i t l lt h ei n t e r f e r e n c et e s tb o a r d i n gl a d d e rd e s i g ns y s t e m , a n dc a na u t o m a t i c a l l yg e n e r a t ee n g i n e e r i n gd r a w i n g k e yw o r d ：c a s e - b a s e dr e a s o n i n g , b o a r d i n gl a d d e r , 3 dd e s i g n , i n v e n t o r l i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：避帆 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 惫锑芎 导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 石油是一种重要能源和优质化工原料、是关系国计民生的重要战略物资， 石油工业是我国国民经济的重要基础产业。改革开放以来，我国经济高速发展， 对能源的需求越来越大。石油作为能源的重要组成部分，在我国一次能源消费 和生产中所占的比重迅速上升并基本稳定在一定的水平上，而我国也由往日的 石油出口国转变为石油进口大国，石油已经成为制约我国经济增长的“瓶颈”。随 着我国工业化进程的日益加快，对石油( 包括原油和成品油) 的需求量越来越 大，而国内的石油产量增长十分缓慢，供需缺口逐年加大，这种状况只能通过 大量进口来解决。 在1 9 9 3 年我国石油进口首次超过出口后，我国成为石油净进口国，当年石 油净进口量为8 9 5 万吨。暂停汽、柴油进口使我国成品油净进口量在从1 9 9 8 年 到2 0 0 0 年的3 年时间里逐年减少，但与此同时，原油净进口量却一直在迅速增 加。其结果是，包括原油和成品油在内的石油净进口量从1 9 9 9 年的4 3 8 1 万吨 增加2 0 0 0 到6 9 6 0 万吨。7 年后，石油净进口量平均以每年3 4 的幅度递增， 截止到2 0 0 0 年底，我国原油和成品油的净进口量分别为5 9 8 3 万吨和9 7 8 万吨。 2 0 0 0 年5 月份我国成品油价格实现与国际市场接轨后，在国家下达近两年暂停 汽、柴油进口的情况下，对原油进口的需求空前高涨，全年原油月平均进口量 达5 8 6 万吨，并在7 月份创7 2 5 6 2 万吨的单月进口历史新高。2 0 0 4 年，中国经 济持续高速发展以及发电、运输业对燃料的需求激增，使中国石油进口量在国 际油价创历史新高的情况下仍大幅上升。原油进口量突破1 2 亿吨，增幅达3 4 8 ；成品油进口量首次超过5 7 0 0 万吨，增幅达3 4 1 ；原油和成品油净进口 量达到创记录的1 4 3 7 亿吨，加上l p g 和其他石油产品的净进口量，石油净进 口总量高达1 5 1 5 亿吨，同比增长4 5 ，石油进口依存度已经接近5 0 。2 0 0 7 年1 月我国进口原油1 3 6 9 万吨，与去年同期相比增长3 5 。2 0 0 7 年全年原油 进口1 6 ，31 7 万吨，同比增长1 2 3 。中国石油需求增长的旺盛势头可能因经济增 长放缓而有所减弱，但运输燃料需求的增长仍将强劲，预计对进口石油的依赖 武汉理工大学硕士学位论文 将进一步加重。预计到2 0 1 0 年，中国石油需求将达2 8 亿吨左右，与石油生产 目标相比，国内石油供应缺口约为1 亿吨左右，为石油需求量的3 5 t 】。 随着原油和油品进口量的增加以及油轮船队规模的大型化，中国急需大型 油码头以满足需要，油码头的建设在我国全面启动发展。 登船梯是各种现代化大型码头在船舶靠泊后码头作业过程中，码头作业人 员和船员安全顺利上下船舶的专用设备。对于5 万吨级以上码头，油轮上自带 的舷梯难以形成岸与船的安全通道，因此登船梯成了大型码头不可或缺的关键 设备。 1 2 研究目的和意义 1 2 1 研究目的 当前我国机械行业绝大多数企业的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 应用还停 留在初级阶段，这里所谓的c a d 其实是c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g ( 计算机辅助绘 图) 。c a d 的应用目的应当是提高设计质量、传播和保存设计经验、提高设计效 率、降低设计成本、提高设计管理水平等。但二维微机机械c a d 技术没能很好 的解决设计中的几个问题，如复杂的投影线的生成问题、漏标尺寸、漏画图线 问题、几何数据间的拓扑关系、设计的更新与修改问题等。给对结构设计并不 十分熟悉的有关人员对图纸的理解造成很大难度，没有一个客观的认识，往往 样品加工出来了才发现与其脑中的构思大相径庭，于是不得不对产品进行返工， 更有甚者对产品进行重新设计。 随着计算机技术的发展，三维造型设计c a e c a m p d m 等技术的日趋成熟 为企业高层次的计算机应用提供了可能。使用原有的二维软件已无法满足企业 参与市场竞争的需要，提高企业c a d 技术应用水平迫在眉睫。 现代设计的最重要的特征就是面向市场、面向效率。瞬息多变的市场要求， 对产品的设计、开发提出了严峻的挑战。能否缩短产品开发周期，降低成本， 提高质量是企业继续生存和保证持续发展的关键。二维c a d 同三维c a d 结合 的系统集成方案是现阶段符合制造业企业技术要求和技术更新的，同时也会加 快制造业企业向c a d c a e c a m 一体化进程的步伐。 对公司来说，以往开发过的产品就是公司的宝贵财富，对于相似产品的开 2 武汉理工大学硕士学位论文 发就不必重新设计，完全可以借鉴以往开发的经验进行。三维造型设计 c a e c a m p d m 等技术能够很好的解决设计的更新与修改问题、设计工程管理 问题等。这些都是本课题需要解决的问题。并且在登船梯的设计过程中，登船 梯悬梯的油缸布置选点一直是一个难点，通过本课题的研究，可以很好的解决 这一问题。 1 2 2 研究意义 本课题研究登船梯的三维设计，通过软件的开发和使用，提高设计效率， 减轻设计人员的工作量的同时减少图纸的差错，通过与i n v e n t o r 强大的三维建模 平台的接口，实现虚拟样机，能够进行干涉检查，以及动画制作，提高设计质 量，缩短产品的开发周期，节约了设计成本。消除了产品制造费用。由于三维 c a d 技术使设计人员从繁忙的计算和绘图中解放出来，充分发挥设计人员的主 观能动性，使其可以从事更多的创造性劳动，从而提高企业的市场应变能力。 三维c a d 技术的推广应用使企业的产品开发、机械设计和制造建立在科学定量 分析的基础上，减少盲目性：同时可使整个产品生产过程中的人力、财力、物 力的管理建立在更加科学合理的基础上。进一步提高公司的技术水平、企业形 象和在市场中的核心竞争力；由于不同地域特征要求不同，导致设计方案多变， 增加了设计的工作量，因此开发本系统意义重大。 1 3 国内外相关技术发展趋势 1 3 1i n v e n t o r 在机械产品设计中的应用 近年来，三维设计技术在制造业中逐渐得到应用和推广，使产品在设计阶 段便可通过虚拟加工、装配和评价而避免设计缺陷，有效地缩短产品开发周期， 从而降低产品的开发成本和制造成本。而且利于吸取已有产品的成功经验、同 时符合企业设计人员的设计习惯，具有良好的实用性。 王永军研究的i n v e n t o r 在水泵设计中的应用，介绍了在水泵设计中，过流部 件的设计多是采用经验数据或公式，其形状非常复杂。对于设计人员来说，要 想在设计阶段对过流部件的形状有一个比较直观的把握，仅凭c a d 二维平面图 纸是很困难的。复杂的过流形状也必导致与其配合的其它零部件的形状也趋复 武汉理工大学硕士学位论文 杂。一些特殊的水泵上还布有各种管件、沟槽，某些零件上有特殊的凸台、通 孔、导向槽、加强筋等。王永军针对这些，用i n v e n t o r 做出水泵的零部件三维模 型，把它们装配在一起形成总装图，进而做出爆炸图、装配动画，就可以事半 功倍，达到预期的目的。通过i n v e n t o r 做图的过程，设计人员可以非常直观的对 水泵各零部件进行优化设计，进行外观检查，也可以做出宣传品的效果图。 另外，北京第一机床厂在c d h a 5 1 2 型倒立式车削中心的设计中，为了提高 产品在市场中的占有率，根据市场销售的反馈，该机床完全满足了用户零件加 工要求，只是型号规格上太单一，不能满足市场多样化的要求，为此，就需要 对该产品做系列化的设计，给不同的客户做不同的设计。这样，对于设计周期 的要求就比较高。为了解决这一问题，他们利用a u t o d e s ki n v e n t o r 三维设计软件 做该产品的设计，在最短的时间内设计出了合理的方案。利用i n w m t o r 完成整机 的三维零件造型和装配造型设计后完成整机的装配，进行了干涉检查验证， 对不合理的部分重新做优化设计。可以利用i n w m t o r 强大的工程图功能，直接出 工程图，i n v e n t o r 的工程图可以具有关联性，这样假如在三维模型做改动，它的 工程图也会做相应的改动，非常方便。还可以利用i n v e n t o r 的爆炸视图功能，把 装配图过程做的直观，易懂。这样对整机的生产、装配都提供了很大的方便。 对整机按部件做了细化的模块化设计，这给做产品的系列化提供了极大的帮助， 可以根据不同的客户的需要在最短的时间内给出最合理的解决方案。用了 i n v e n t o r 三维设计软件以后可以大大缩短了设计周期，提高了设计效率，争取更 多的客户，提高了企事业的竞争力。 1 3 2c a d 发展趋势 c a d 技术经历了二维平面图形设计，交互式图形设计、三维线框模型设计、 三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、特征造型设计等发展过 程。近年来，又出现了许多先进技术，如变量化技术、虚拟产品建模技术等。 随着互连网的普及，集成化( i n t e g r a t e d ) 、智能化( i n t e l l i g e n t ) 、协同化 ( c o l l a b o r a t i v e ) 成为c a d 技术新的发展特点。使c a d 技术得以更广泛的应用， 发展成为支持协同设计、异地设计和信息共享的网络c a d 。下面介绍一下， c a d 领域中应用到的技术【3 7 1 。 ( 1 ) 变量化设计环境 先进的超变量几何( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ，v g x ) 技术是一种现 4 武汉理工大学硕士学位论文 代c a d 的核心技术。v g x 提供了三维变量化控制技术，贯穿于二维草图设计、 三维零件造型、直到装配体设计全过程。提供变量化草绘、建立变量方程、设 计变量特征的能力。直接修改与基于设计历程修改相结合，可随时灵活地修改 原约束、建立新约束和删除旧约束，或进行与造型顺序无关的尺寸标注，而不 必关心设计顺序【i o l 。v g x 可在欠约束情况下进行任意几何与工程约束的自由创 新设计，可在复杂的曲面边缘上自动生成凸缘。v g x 完全一体化的变量化设计 环境，支持统一的线框、裁剪曲面和实体造型【9 1 。 v g x 技术扩展了变量化产品结构，允许用户对一个完整的三维数字产品从 几何造型、设计过程、特征，到设计约束，都可以进行实时直接操作。而且， 随着设计的深化，v g x 可以保留每一个中间设计过程的产品信息【l o 】。 v g x 为用户提出了一种交互操作模型的三维环境，设计人员在零部件上定 义关系时，不再关心二维设计信息如何变成三维，从而简化了设计建模的过程。 设计人员可以针对零件上的任意特征直接进行图形化的编辑、修改，这就使得 用户对其三维产品的设计更为直观和实时。用户在一个主模型中，就可以实现 动态地捕捉设计、分析和造的意刚1 1 】。v g x 技术极大地改进了交互操作的直观 性及可靠性，从而使c a d 软件更加易于使用，效率更高【1 2 1 。 ( 2 ) 虚拟产品建模技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 技术在c a d 中的应用也已经开始，可以 进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验证设计的正确性和可行性。还可以 在设计阶段模拟零部件的装配过程，检查所用零部件是否合适和j 下确。在概念 设计阶段，支持人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，可用于方案选比【1 3 l 。 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 是实际制造过程在计算机上的本质 实现。即利用各方面仿真与虚拟现实等技术构造一个虚拟的、集成的、有机的 制造环境，在此环境下，产品开发人员通过网络协同技术，快速地、并行地进 行产品开发1 1 4 1 。 虚拟制造是在计算机中生成产品的虚拟原型取代物理原型进行测试、仿真、 分析以得出其性能、可制造性、可维护性、可装配性以及成本、外观等的评价， 从而缩短产品开发周期、降低开发成本、提高企业快速响应的能力。虚拟产品 建模就是指建立产品的虚拟原型或虚拟样机的过程。基于虚拟样机的试验仿真 分析，可以在真实制造之前发现问题，并得以解决。虚拟样机是集产品几何信 息( 变量特征、设计历程、工程约束方程) ，工艺信息( 尺寸、坐标系、公差 5 武汉理工大学硕士学位论文 配合、形位公差、材料及物理属性) 和加工工艺信息等为一体的完整的信息主 模型【1 5 18 1 。 ( 3 ) c a d c 朋w c a e p d m 集成技术 许多企业已经建立了c a d 、c a m 、c a e 、c a p p 等软件平台，并应用于产 品开发的各个环节。在产品的全生命周期中，c a d 系统用于产品的设计，c a e 系统用于产品分析，c a p p c a m 系统用于产品的加工生产，p d m 系统用于管理 与产品有关的数据和过程，e r p 系统管理企业的人、财、物、信息等企业资源【1 9 1 。 这些系统如果相互独立，则较难发挥企业的整体效益。随着企业生产的发 展，需要进行以产品为核心和以企业经营流程为核心的集成环境，这就需要 c a d 、p d m 、e r p 集成系统的支持【2 0 l 。 如何保证产品数据的有效性、完整性、唯一性、最新性及共享性，是集成 系统的核心问题。这就要求建立集成产品信息模型，它能够容易地在产品生命 周期的不同环节间进行转换。要求能支持集成地、并行地设计产品及其相关的 各种过程，帮助产品开发人员在设计一开始就考虑产品从概念形成到产品报废 处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求【2 1 - 2 4 】。 目前p c 级c a d 软件大都提出了a c 觥删p d m 软件集成的解决方 案。 ( 4 ) 智能c a d 技术 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，c a d 系统将引入知识工 程，从而产生智能c a d 系统。智能c a d 是c a d 发展的必然方向【2 5 l 。 智能设计( i n t e l l i g e n td e s i g n ) 和基于知识库系统( k n o w l e d g eb a s e ds y s t e m ) 的工程是出现在产品处理发展过程中的新趋势。在运用知识化、信息化的基础 上，建立基于知识的设计仓库( d e s i g nr e p o s i t o r y ) ，它能及时准确地向设计人 员提供产品开发所需的信息与帮助，利用w c b 机制，可以实现信息共享与交换， 解决了产品设计中对知识的需求的问题【2 6 1 。 从数据库( d a t a b a s e ) 到数据仓库( d a t aw a r e h o u s e ) 到知识库( k n o w l e d g e r e p o s i t o r y ) ，从单纯的数据集到应用一定的规则从数据中进行知识的挖掘，到 让数据自身具有自我学习、积累能力，这是一个对数据处理、应用逐步深入的 过程【矧。 智能c a d 软件采用动态导航技术，用户甚至会觉得设计过程中有一位同事 在指点提示，用户的设计工作就是在与这位同事的交流中完成的【2 7 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 协同技术 计算机支持协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 作为 一项支持并行工程的使能技术，在现代c a d 环境中得以实现，协同机制构造一 种“虚拟工作空间”，开发成员围绕一个共同任务协同地进行工作。这要求c a d 软件可以很好地解决协同设计中的各种冲突，包括基于规则的冲突消解、基于 实例的冲突消解、基于约束的冲突消解及冲突协商；i n t e m e t i n t r a n e t 上进行群体 成员间多媒体信息传输；异构环境中的数据传输与工具集成；设计群体中人人 交互技术，包括利用白板、语音、视频等工具进行电子会议等【2 8 】。 产品协同商务( c p c ) 解决方案是一个完全建立在i n t e r n e t 平台、c o r b a 和j a v a 技术的基础上的产品。c p c 定义为一类采用i n t e r a c t 技术的软件和服务， 它允许企业或个人个体在产品的整个生命周期中协作开发、生产、管理产品【2 9 1 。 c p c 将所有产品和过程生命周期内的企业功能和资源集成在一起。c p c 产 品能用来为产品开发和管理的协同建立一个广义的企业信息基础设施，c p c 基 础设施建立在现在用于产品数据管理、采购、可视化、c a d c a m 、c a e 、产品 建模、文档管理、结构化和非结构化数据存储以及任何其它工具和服务的平台 “蚓 lo ( 6 ) 互联网时代c a d 技术 进入2 0 0 0 年以来，互联网和电子商务的发展极其迅猛，电子商务赋予c a d 技术新的内涵。互联网时代c a d 技术具有以下特点：c a d 技术进入深化应用阶 段，企业应用的热点已经转向c a p p 、p d m 等深层次的应用和管理技术。同时， 企业已经由单机应用转向了基于局域网或i n t r a n e t 的应用，越来越与网络的发展 结合起来；利用c 燃a p p c a 删p d m 集成技术，企业将实现真正的全数字化 设计与数字化制造【删；c 脒a p p p d m 技术和e r p ( 企业资源计划管理) 、s c m ( 供应链管理) 、c r m ( 客户关系管理) 的应用，形成了企业信息化的总体构 架；虚拟工厂，虚拟制造，将是c a d 技术在电子商务时代继续发展的一个重要 方向【3 i l 。 主要包括的技术有：虚拟现实、仿真技术，以及可视化等；基于w e b 的异 构环境的集成技术码【3 2 】。 模式主要有b 2 b 、b 2 c 、c 2 b 、b 2 g 等；基于w e b 的工作流技术在s e r v i c e m a r k e t p l a c e 和c p c ，协同工作，并行工程中有着很重要的应用【3 3 1 。提高不同的 厂家的工作流产品的互操作，分布式服务的调用和分布式数据库的维护，访问 7 武汉理工大学硕士学位论文 和发布能力；基于知识库的智能化设计和制造【3 4 1 。 把几何模型、特征模型、知识模型之间良好的集成，提供良好的学习接口 和查询接口，提高自我学习能力，提供内容查询和特征查询，提高重用性，降 低重复开发【3 5 1 。 1 3 3 智能机械设计的发展 可以看出机械设计的发展趋势是协同合作完成工作、资源共享、网络化、 智能化。这里介绍一下智能机械设计的发展【3 6 】。 ( 1 ) 原理方案智能设计。方案设计的结果将影响设计的全过程，对于降低 成本、提高质量和缩短设计周期等有至关重要的作用。原理方案设计是寻求原 理解的过程，是实现产品创新的关键【3 7 1 。 原理方案设计的过程是总功能分析一功能分解功能元分功能 求解局部解法组合评价决策最佳原理方案。按照这种设计方法， 原理方案设计的核心归结为面向分功能的原理求解。 面向通用分功能的设计目录能全面地描述分功能的要求和原理解，且隐含 了从物理效应向原理解的映射，是智能原理方案设计系统的知识库初始文档。 基于设计目录的方案设计智能系统，能够较好的实现概念设计的智能化p 引。 ( 2 ) 协同求解 i c a d 应具有多种知识表示模式、多种推理决策机制和多个专家系统协同求 解的功能。同时需把同理论相关的基于知识程序和方法的模型组成一个协同求 解系统，在系统推理及调度程序的控制下协同工作，共同解决复杂的设计问题。 某一环节单一专家系统求解问题的能力，与其他环节的协调性和适应性常受到 很大限制。为了拓宽专家系统解决问题的领域，或使一些互相关联的领域能用 同一个系统来求解，就产生了所谓协同式专家系统的概念【3 9 1 。 在这种系统中，有多个专家系统协同合作，这就是协同式多专家系统。多 专家系统协同求解的关键，是要工程设计领域内的专家之间相互联系与合作， 并以此来进行问题求解。协同求解过程中信息传递的一致性原则与评价策略， 是判断目前所从事的工作是否向着有利于总目标的方向进行。多专家系统协同 求解，除在此过程中实现并行特征外，尚需开发具有实用意义的多专家系统协 同问题求解的软件环境。 ( 3 ) 知识获取、表达和利用技术 8 武汉理工大学硕士学位论文 专家系统技术是i c a d 的基础，其面向c a d 应用的主要发展方向可概括为： 机器学习模式的研究，旨在解决知识获取、求精和结构化等问题；推理技术的 深化，要有正、反向和双向推理流程控制模式的单调推理，又要把重点集中在 非归纳、非单调和基于神经网络的推理等方面；综合的知识表达模式，即如何 构造深层知识和浅层知识统一的多知识表结构；基于分布和并行思想求解结构 体系的研究【加j 。 ( 4 ) 黑板结构模型 黑板结构模型侧重于对问题整体的描述以及知识或经验的继承。这种问题 求解模型是把设计求解过程看作是先产生一些部分解，再由部分解组合出满意 解的过程。其核心是由知识源、全局数据库和控制结构3 部分组成。全局数据 库是问题求解状态信息的存放处，即黑板。将解决问题所需的知识划分成若干 知识源，它们之间相互独立，需通过黑板进行通讯、合作并求出问题的解。通 过知识源改变黑板的内容，从而导出问题的解。在问题求解过程中所产生的部 分解全部记录在黑板上【4 1 1 。 各知识源之间的通讯和交互只通过黑板进行，黑板是公共可访问的。控制 结构则按人的要求控制知识源与黑板之间的信息更换过程，选择执行相应的动 作，完成设计问题的求解。黑板结构模型是一种通用的适于大解空间和复杂问 题的求解模型【4 2 】。 1 4 研究的主要内容 1 4 1 课题来源 本课题来源天津港3 0 万吨油码头登船梯设计研究项目。 1 4 2 研究内容及特点 ( 1 ) 根据登船梯结构特点进行模块化分解，分析登船梯中塔架、悬梯和升 降架的模块的的尺寸链关系。 ( 2 ) 根据登船梯的结构和尺寸链研究其三维建模方法，并且实现登船梯三 维模型关联零件的尺寸联动。 ( 3 ) 研究登船梯的设计方法，由于各种类型的登船梯的结构变化有限，可 9 武汉理工大学硕士学位论文 以借用以前设计方案设计思想，将将实例推理的基本思想运用到登船梯设计领 域。 ( 4 ) 研究i n v e n t o r 的开发方法，以及相关的开发技术。 ( 5 ) 以天津港3 0 万吨油码头登船梯悬梯尺寸为模型尺寸，建立悬梯的数 学模型，分析油缸不同安装尺寸下，油缸的行程及油缸的受力，获得油缸行程 最小时的安装尺寸及受力，通过油缸的受力数据选择油缸型号。 ( 6 ) 研究开发一套登船梯设计系统。针对登船梯实现登船梯的三维建模、 虚拟装配、零件干涉检测等功能，最后由三维模型自动生成新产品的施工图纸。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章登船梯三维参数化系统设计思想 2 1 登船梯简介 登船梯安装于码头前沿，其结构主要由塔架、悬梯、升降架及相应的辅助 结构组成。 ( 1 ) 登船梯各主要组成部件： 塔架塔架是登船梯的主要支撑件，它用来为升降回转平台提供升降轨道。 起升机构起升机构用于平台、悬梯的升降及登船者上下船的安全需要。 悬梯悬梯是升降平台与油船之间的安全通道。它由主梯、前梯、三角组 成。 ( 2 ) 登船梯的主要特点及功能： 主梯俯仰角度和前梯俯仰角度应满足设计要求。三角梯始终处于水平状态， 满足任意位置搭接于油轮的功能。在舷梯俯仰过程中，踏步板始终保持水平， 方便登船者的上下，主梯具有浮动的功能，在一定范围内能补偿潮位变化和油 轮由于载重量变化引起的油轮吃水变化。 悬梯的设计运用了平行四边形原理。如图3 1 所示，三角梯、前梯、主梯、 拉杆、踏步与升降架悬梯安装座是通过铰连接的，这样拉杆悬梯、拉杆、踏步 与升降架悬梯安装座就形成了一个平行四边形结构，以及重力作用，使踏步板 始终保持水平。 三角 图3 1 悬梯示意图 武汉理工大学硕士学位论文 回转回转功能使悬梯往油轮上搁置时遇有障碍物可以避让，悬梯不用时， 使之回转返岸收于托架内搁置，不占用码头工作平台的空间。 变幅登船梯的变幅机构见图3 2 ，油缸的缸体端固于升降架上，柱塞端固 于悬梯尾部，悬梯的销轴装于升降架平台上，前梯油缸进油，柱塞外伸，推动 悬梯尾部，使悬梯如同杠杆以销轴为支点上翘；反之，前梯油缸回油，则悬梯 在自重的作用下下垂。 图3 2 变幅机构示意图 提升提升功能由滑轮组、升降架和升降架配重机构实现，如图3 3 。 t 集t 图3 3 提升功能示意图 调位调位功能由前梯油缸实现 1 2 醺臌 武汉理工大学硕士学位论文 浮动受装载和潮位的变化，油轮主甲板位置是不停地上下浮动的。主甲板 上浮时，搁于其上的登船梯悬梯就被往上项起，主甲板下浮时，悬梯就脱离主 甲板而腾空。为此，设计加入主梯结构，主梯具有浮动的功能，在一定范围内 能补偿潮位变化和油轮由于载重量变化引起的油轮吃水变化。5 0 2 2 本系统的设计思想 本次设计原本是针对天津港3 0 万吨级原油码头登船梯的设计而设计的参数 化系统。为了让此系统能够快速、准确地实现更多、更全面的登船梯设计图， 设计思想先后作了两次改进。 基本设计思想： 如果只是针对种塔架结构登船梯做参数化建模，则需要作出和此类型相 同的三维模型，然后对其实现参数化即可完成工作。 1 ) 建模方法： 此次建模方法采用的是自底向上的建模方法，先做好每一个零件，然后依 照登船梯的机构形式将其拼装起来，模型的各个零件采用方程式进行尺寸链接。 2 ) 参数化的实现： ( 1 ) 提取模型中的关键尺寸制作数据库； 塔架的外形尺寸、悬梯和升降架外形尺寸等； 油缸的定位尺寸等。 ( 2 ) 在完成一个项目的时候对照相应的工程图将参数输入数据库，在从数 据库把具体尺寸输入到三维模型中，更新三维零件； ( 3 ) 生成工程图，检查工程图，并调整一些零件序号和少数的标注尺寸； ( 4 ) 根据工程图纸，导出材料明细表。 实例推理思想的应用： 第一次的登船梯参数化设计系统虽然应用效果良好，但是应用面太窄，只能 对此结构形式的登船梯进行参数化设计，结构上稍微有些变化此系统便会出错。 这就要求必须改进思想方法，寻求新的设计思想，这里先介绍实例推理思想。 实例推理思想( c b r ) 是一种新的推理和自学方法，其核心精神是用过去 成功的实例和经验来解决新问题。在登船梯设计中，设计人员通常依据以前的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 设计经验来完成当前的设计任务，但并不是每次都从头开始。c b r 的般步骤 为提出问题，找出相似实例，修改实例使之完全满足要求，将最终满意的方案 作为新实例存入实例库中。 c b r 的特点是对求解结果进行直接复用，而不用再次从头推导，从而提高 了问题求解的效率。另外，过去求解成功或失败的经历可用于动态地指导当前 的求解过程，并使之有效地取得成功，或使推理系统避免重犯已知的错误。这 完全符合登船梯的设计习惯，能够最大限度的利用已有的资源。 模块化设计思想的应用： 基于上面的思想，我们虽然能够实现登船梯的设计参数化和实例化，但是 如果有一种新的登船梯，我们还是得从头开始进行三维设计、参数化设计这样 以后才能够在它的基础上直接调用，实现快速参数化设计。考虑到每一次的建 模时间和复杂程度，我们决定将登船梯按其机构的功能和布置分为若干小模块。 根据机构的不同功能和布置，模块将设计成不同的形式。将各个不同功能的模 块组合在一起，便可以得到一个新的登船梯，这比重新设计一次登船梯能够节 省大量的时间，大大提高设计的效率，减少机械的生产周期，从而实现此系统 的价值。按照登船梯不同功能的机构，将登船梯分为了塔架、悬梯和升降架