（机械电子工程专业论文）铸造起重机起升机构cad系统研究与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 铸造起重机在冶金行业有着广泛应用，在国民经济中占有重要地位，铸造起重机设 计的质量、速度直接影响到产品的质量、成本和工期。本文针对铸造起重机传统设计方 法设计参数选取烦琐、设计计算周期长、数据管理困难等问题进行研究。综合运用铸造 起重机设计原理、计算机辅助设计相关理论、数据库技术、软件二次开发等技术，提出 了铸造起重机计算机辅助设计系统的结构框架，并完成起升机构子系统程序代码的开 发，以提高铸造起重机的设计水平。具体工作如下， 针对铸造起重机设计特点，结合专家系统的基本原理，提出了铸造起重机计算机辅 助设计系统的体系结构和总体框架。应用面向对象知识建模方法对设计知识进行合理表 达；采用基于实例的设计方法实现设计参数的计算机辅助选取：运用b 样条曲线拟合的 方法实现设计领域工程线图的数字化处理。 分析了铸造起重机起升机构的主要技术参数、工作原理和传动系统的构造特点，结 合多轴传动系统的运动理论，经过适当的推导、整理和归纳，给出了典型铸造起重机起 升机构设计计算的数学模型。 为了对设计中以往成功的设计实例与产品样本数据进行科学管理，本文建立了局域 网c s 体系结构的数据库应用系统。结合数据库设计基本理论，完成了数据库的需求分 析、关系模式与数据库表的设计，以及数据库系统的物理实现。 研究了软件开发中的关键技术，采用a d o n e t 数据库访问技术实现数据库前台与 后台的数据连接；利用软件的二次开发技术辅助设计人员进行技术文档的编制与三维参 数化设计；运用x m l 技术实现设计结果的保存；并选择v b n e t 作为系统的主要开发 平台，完成了软件系统的开发。 最后，将开发完成的计算机辅助设计系统应用于某2 4 0 t 铸造起重机扩容改造设计， 完成了方案的设计分析。应用实例验证了文中所述原理与方法的合理性和有效性，也验 证了所开发计算机辅助设计系统的实用价值，提高了铸造起重机的设计水平。 关键词：铸造起重机；计算机辅助设计；知识表达；数据库；二次开发 铸造起重机起升机构c a d 系统研究与开发 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc a d s y s t e mf o rh o i s t i n gm e c h a n i s m d e s i g no fl a d l ec r a n e a b s t r a c t l a d l ec r a n eh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nt h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ，a n di th a sas i g n i f i c a n t p o s i t i o ni nt h en a t i o n a le c o n o m yo c c u p i e s t h ed e s i g nq u a l i t ya n ds p e e dd i r e c t l yi m p a c to n p r o d u c tq u a l i t y ，c o s ta n dd e s i g nc y c l e a i m i n ga ta p p r o v i n gt h ed e s i g nl e v e l ，t om a k e p a r a m e t e r ss e l e c t i n gc o m p u t e ra i d e d ，t or e d u c ed e s i g nc y c l el e n g t h , t om a n a g ed e s i g nd a t a r e a s o n a b l y ，k e yt e c h n i q u e ss u c ha sl a d l ec r a n ed e s i g np r i n c i p l e ，e x p e r ts y s t e mt h e o r y ， d a t a b a s et e c h n o l o g y ，a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d t h i sp a p e rp r e s e n t s ac a ds y s t e mf o rl a d l ec r a n ed e s i g n i n g ，a n dc o m p l e t e st h eh o i s t i n gm e c h a n i s ms u b - s y s t e m d e v e l o p m e n t c o n t e n ta n ds p e c i f i ca c t i v i t i e sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h i sp a p e rs t a t e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fe x p e r ts y s t e m ，a n dp r o p o s e st h ea r c h i t e c t u r ea n d o v e r a l lf r a m e w o r ko fc a d s y s t e mf o rl a d l ec r a n e i nt h i ss y s t e m ，o b j e c t - o r i e n t e dk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o ni sa d o p t e dt oe x p r e s sd e s i g nk n o w l e d g e ；c a s e b a s e dr e a s o n i n gi se m p l o y e df o r p a r a m e t e r ss e l e c t i n g ；b s p l i n ec h i v ef i t t i n gi sa p p l i c a t e dt om a k ee n g i n e e r i n gc u r v ec o m p u t e r r e c o g n i t i o n o nt h ea n a l y s i so fw o r k i n gp r i n c i p l e so fh o i s t i n gm e c h a n i s mo fl a d l ec r a n e ，b yu s i n g m u l t i a x i a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mt h e o r y ，s o m ed e r i v a t i o n sa r ep e r f o r m e dt os u m m a r i z ed e s i g n f o r m u l a so fh o i s t i n gm e c h a n i s mo fl a d l ec r a n e f o rt h ep u r p o s eo fm a n a g i n gd e s i g nd a t as c i e n t i f i c a l l y ，d a t a b a s er e q u i r e m e n ti sa n a l y z e d ， r e l a t i o ns c h e m a sa n dd a t a b a s et a b l e sa r ed e s i g n e d ，a n dt h ed a t a b a s ep h y s i c a ls t r u c t u r ei s f i n a l l ye s t a b l i s h e dw i t ht h ec sm o d et h r o u g ht h el a n f o l l o w i n gt h ea b o v ef r a m e , a d o n e tt e c h n o l o g y ，s o f t w a r es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t e c h n i q u ea n dx m lt e c h n o l o g ya r ei m p l e m e m e d ，u s i n gv b n e ta st h em a i nd e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，ac a ds y s t e mf o rh o i s t i n gm e c h a n i s md e s i g no f l a d l ec r a n ei sd e v e l o p e d f i n a l l y ，ac e r t a i nc a p a c i t y e x p a n s i o nd e s i g no f2 4 0 tl a d l ec r a n eh a sb e e nr e a l i z e di nt h i s c a ds y s t e me n v i r o n m e n t t h ep r a c t i c a le x a m p l ed e m o n s t r a t e sf e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s o ft h ea p p r o a c ha n di ta l s ov e r i f i e st h ev a l u eo ft h i sc a ds y s t e mi nl a d l ec r a n ed e s i g n k e yw o r d s ：l a d l ec r a n e ；c a d ；k n o w l e d g ee x p r e s s i o n ；d a t a b a s e ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目；链造超重狃起盘扭掐g 旦丕统盈窥曼珏发 作者签名：盘餐雷日期：御7年f 月盯日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：蜜鱼壹 日期：三塑一年l 月旦二一日 导师签名：遂垡塑日期：竺! 年月尘日 大连理i 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 铸造起重机概述与c a d 技术研究现状 11 1 铸造起重机概述 ( 1 ) 铸造起重机的用途和工作特点 铸造起重机( l a d l ec r a n e ) 是冶金起重机( m e t a l l u r g yc r a n e ) 的一种。冶金起重机是适 应金属冶炼轧制等热加工特殊要求，直接用于生产工艺过程的特种起重机。在炼钢和连 铸车间吊运液态金属的起重机，即兑铁水、接钢水的起重机统称为铸造起重机。其起重 量为吊运的钢水包与钢水或铁水罐与铁水质量之和】。 铸造起重机是炼钢连铸工艺中的主要设备之一。主要用于转炉加料跨向转炉兑铁 水，在精炼跨将钢水吊运至精炼炉或在钢水接受跨将钢水吊运到连铸回转大包台上如图 1 1 所示。 一 圈l _ l 炼钢连铸车间。| 二艺断面图 f i g1 1 s e c t i o n o f s t e e l - m a k i n ga n dc a s t i n g w o r k s h o p 由于铸造起重机常吊运液态金属，并在高温、高粉尘的恶劣环境中工作所以工作 级别高：另外，由于铸造起重机要完成倾兑铁水和倒渣的功能，因此，铸造起重机必须 拥有主副两钩。 ( 2 ) 铸造起重机的应用现状与未来 铸造起重枫起舞机构c a d 系统研究与开发 随着我国冶金企业生产规模的扩大，囊动化程度的提离，作为液态金属搬运重要设 备的铸造起重机在现代化生产过程中的作用越来越大，并且冶金企业对铸造起重机的要 求也越来越高。它不但要易于操作和维护，而且安全性、可靠性要离，要求具有优异的 耐久性、无故障性和使用经济性，铸造起重视是桥式起重机系列中技术含量最高的产i i i l 。 由于科学技术的高速发展，各种高新技术在铸造起重机上得到了广泛的应用，铸造起重 橇正经历着一场亘大的变革，其未来的发展逐渐受到关注。 我国起重机最初是从2 0 世纪5 0 年代学习原苏联的技术开始制造的，利用原苏联图 纸生产或者参考其产品仿造，1 9 5 9 年生产的3 台2 7 5t 铸造起重枫是代表当时行业水平 的产品。受国内条件以及传统冶金工艺的制约，改革开放前的3 0 年，国内铸造起重机 基本上没有什么发展，只是在原苏联的模式下做一些小的改进。进入2 0 世纪8 0 年代以 后，为适应冶金企业发展的要求，国内起重机生产厂家开始进行各种摸索和改进。 2 0 世纪9 0 年代以来，以我国起重机龙头企业太原重型机械厂和大连起重机厂为首， 一些厂家开始与毽磐同行接触，进行技术舍彳乍，把经过实践检验成熟可靠的技术应用予 新的产品中，为我国铸造起重机行业揭开了新的篇章。为了在国际起重制造业上占有一 席之地，我们还必须在引进吸收先进技术的同时，举一反三，积极探索铸造超重机的未 来发展方向，以形成自己的特色和优势。 结合科技进步及冶金企业的应用现状，再参考国际起重机制造业的最新应用成果， 铸造起重机的未来发震方向可以总结为起重量大型化、速度高速化、结构模块化、控制 自动化、调速变频化、操作与维护智能化。 1 1 2c a d 技术的发晨葛研究现状 计算机辅助设计，英文缩写“c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，是采用计算机为工 具，运用系统化工程的方法，以入枕交互的方式辅助设计人员完成设计任务静技术。其 通过综合运用计算机图形学、人机交互技术、工程数据库、网络技术、人工智能、设计 方法学等多领域的理论、技术和方法，建立具有辅助设计功能的软件系统，从而帮助设 计人员在计算机上更便捷、更准确、更优化地完成设计工作骖刁j 。 c a d 技术利用计算机的软硬件辅助设计者对产品进行规划、分析计算、综合、模 拟、评价、绘图和编写技术文 睾等设计活动，其特点是将设计人员的思维、综合分析和 创造能力与计算机的高速运算、臣大数据存储和快速图形生成等能力很好地结合起来。 这样，在工程设计和机械产品设计中，许多繁重的工作，如复杂的数学和力学计算，多 设计方案提出，综合分析与优化，工程图样以及生产管理信息的输出等，均可由计算机 完成；而设计人员则可以对设计、处理的中间结果做出判断、修改，以便更有效地完成 大连理工大学硕士学位论文 设计工作。因而c a d 技术能极大地提高工程和机械产品的设计质量，减轻设计人员的 劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造有利条件。 ( 1 ) c a d 的技术基础 c a d 技术是一门多学科综合应用的新技术，它主要涉及以下一些技术基础： 图形处理技术。如自动绘图、几何建模、图形仿真及其他图形输入、输出技术。 工程分析技术。如有限元分析、优化设计及面向各个专业的工程分析等。 数据管理与数据交换技术。如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范 及接口技术等。 文档处理技术。如文档制作、编辑及文字处理等。 软件设计技术。如窗口界面设计、软件工具及软件工程规范等。 ( 2 ) c a d 技术的发展过程 c a d 技术诞生于2 0 世纪5 0 年代后期。进入2 0 世纪6 0 年代，随着计算机软硬件 技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，c a d 技术开始迅速发展。人们希望借助 此技术来摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图。此时c a d 技术的出发点是用传统 的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。 在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g ，而非我们经常讨 论的c a d 的全部内容。广义上讲，c a d 技术包括二维工程绘图、三维几何设计、有限 元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及以上技术的集成等。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到2 0 世纪7 0 年代末，以后作为c a d 技术 的一个分支而相对独立、平稳的发展。进入2 0 世纪8 0 年代，工业界开始认识到 c a d c a m 一技术对生产的巨大促进作用，导致了新的理论、算法的大量涌现。在软件方 面做到了将设计与制造的各种单一软件集成起来，使之不仅能绘制工程图形，而且能进 行三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析仿真、注塑模设计等各种 工程应用。与此同时，计算机硬件及输入输出设备也有了很大发展，3 2 位字长的工程工 作站及微型机达到了过去小型机性能，计算机网络也获得了广泛的应用。 5 0 多年来的发展，现代c a d 软件技术已经不再是仅仅代替手工绘图的一种工具， 而是传统设计与手段的变革。随着计算机软硬件技术的日益完善，c a d 技术得到了迅 猛发展。c a d 技术由传统的简单二维绘图发展到今天基于特征的三维参数化造型和变 量化造型设计技术，它深刻影响社会各个领域的设计技术。 ( 3 ) c a d 技术的最新发展方向 新一代c a d 技术的进一步发展方向主要体现在可视化、智能化、集成化、网络化 和标准化这五个方面： 铸造起耋机起升极构c a d 系统研究与开发 可视化 可视化是运用计算机图形学和图像处理技术，将设计过程中产生的数据计算结果转 换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交换处理，使冗余、枯燥的数据变成生动、 直观的图形或图像，激发设计人员的创造力。 智能化 设计是一个含有高度智能的入类创造性活动领域，智能c a d 是c ! k d 发展的必然方 向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动( 包括 形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式) 往往是束手无策的。因此，智能c a d 不 仅仅是简单地将现有的智能技术与c a d 技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模 型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的c a d 系统，而且必将为人 工智能领域提供新的理论和方法。c a d 这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻 的影响。 集成化 现代集成制造系统( c i m s ) 是在新的生产组织原理指导下形成的一种新型生产模式。 它要求将c a d c 触咄c a p p c a e 集成起来，向企业提供一体化的解决方案。其集成应是 建立一种新的设计、生产、分析以及技术管理的体化，并不是孤立的将c a d 、c a m 、 c a p p 和c a e 等系统进行简单的连接，而应从概念设计开始就考虑集成。 网络化 近年来，随着计算机与网络技术的快速发展，c a d 技术面临着新的机遇和挑战。 充分利用网络技术、数据库技术、面向产晶设计制造全生命周期，支持动态建模与产品 性能设计技术，并在此基础上研究出新一代的设计制造软件工具，以适应网络时代对产 品设计制造的要求，这己经成为大势所趋。 标准化 标准化除了c a d 支撑软件逐步实现- 1 - _ i s o 标准和工业标准外，面向应用的标准构 件、标准化方法己成为c a d 系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方尚发 展。目前标准有两大类：一是公用标准；二是市场标准或行业标准。前者注重标准的开 放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。 1 ，1 30 a d 技术在工程机械行业应用现状 ( 1 ) c a d 技术在机械行韭的应用 到掰前为止，考虑到c a d 技术的应用，机械产品的设计主要可分为三个阶段【8 1 ： 人工设计阶段 大连理工大学硕士学位论文 这一阶段一直持续到c a d 技术的发展初期，当时的设计纯粹依靠设计人员的经验、 技巧和现有的设计资料，从设计计算到设计制图，全靠手工操作完成，设计效率较为低 下。同时，由于设计过程纯粹依赖于设计人员的经验和技巧，缺乏系统的理论指导，所 以设计质量难以得到保证。 通用c a d 设计阶段 2 0 世纪7 0 年代，以手工为主的设计己跟不上工业高速发展的形势，于是人们开始 尝试使用当时比较成熟的通用c a d 系统进行设计。这个时期主要是特征三维几何造型 技术的应用，在几何造型方面分别采用了三维线框模型、曲面模型和实体模型技术。这 些技术的应用，实现了设计计算和图样绘制的自动化，缩短了设计时间。但是，这只是 将设计人员从手工绘图中解放了出来，起到的只是辅助绘图的功能，没有完全体现辅助 设计功能。 专用c a d 设计阶段 采用通用c a d 系统进行设计，虽然在很大程度上提高了设计的质量和效率。但是， 一方面由于通用系统在某种程度上来说还只是一种几何建模工具，设计效率的提高仅在 于三维效果的增强、绘图及建档速度的加快等实现手段上，设计经验的加入还主要依赖 于人工干预，设计过程与手工实现基本相同，设计效率没有从根本上得到提高。另一方 面，作为通用系统，在开发之初都是作为通用机械设计工具来构思的，因此在使用这些 通用软件进行设计时，仍会感到效率低下、操作烦琐、功能短缺。 为了实现设计的自动化，减少对设计专家的依赖，人们逐步将智能化技术应用到传 统c a d 中，把总结出来的以往在设计、设计方面的成功经验应用到设计中，形成用于 工程分析和综合决策的知识库和智能化的推理机制，从而提高设计的智能化。作为c a d 技术的一个重要分支，目前智能设计、专家系统在连杆尺度综合 9 1 、消声器设计1 1 0 、数 控铣削加工切削参数优选【l l 】、机械传动方案设计等方面的应用均有广泛研究【1 2 。8 】。 ( 2 ) c a d 技术在我国工程机械行业的应用 我国工程机械行业的c a d 技术始于上世纪6 0 年代末，8 0 年代初进入全面推广应 用时期，多年来，c a d 技术得到了长足发展1 1 9 2 引。 c a d 技术应用首先是建立在以“甩掉图板”为目标的计算机辅助绘图与设计系统 之上，通过直接采用二维c a d 软件，用计算机绘图代替传统手工绘图，使产品设计效 率有了一定程度的提高。c a d 技术在起重机械领域的应用开始于起重机的电气制图、 零部件的参数化绘图、方案分析及其集成化的辅助设计上；随着研究的深入，探索并开 发了一些诸如装卸桥集成、门座起重机集成、起重机电力传动系统、起升机构、有轮运 铸造起鬟机起升机构c a d 系统研究与秀发 行机构、金属结构等e a d 系统，以及带式输送机、减速器及液压元件等基硝部件、塔 式起重机三杆式附着架等的c a d 系统设计。 9 0 年代后期开始，我国高校与企业合作，在起重机c a d 系统上进行了诸多尝试与 探索。包头市起重机械有限公司与武汉冶金科技大学联合开发了5 1 0 0t 电动双梁桥式 起重机c a d 软件。太原重型机械学院针对定柱式旋臂起重机的特点，开发了定柱式旋 篱起重枫专用c a d 系统。经测试和实践表臻，应用该软件进行设计，大大提高了设计 效率和图纸的标准化与规格化，提高了材料利用率，可减轻钢结构重量2 8 。武汉理工 大学和中国长江航运集团红光港机厂联合开发了轮胎起重机智能c a d c a m 系统，并获 2 0 0 3 年度中国航海学会科学技术奖三等奖。 c a d 技术的推广应用加强了起重机械行业的创新能力和市场竞争能力。但随着 c a d 技术的发展和企业使用c a d 技术的进一步深入，墨前仍存在一些闻题。突出表现 为：一些用户仍停留在传统型c a d 应用系统上，c a d 系统仅仅被作为绘图工具，缺乏 设计方法学的指导。对些重大非标准起重视产品设计是在设计人员的头脑中完成，荐 利用计算机实现几何信息的处理，把c a d 技术仅作为一种绘图、描图的工具。对于起 重机c a d 的二次开发，如起重机方案设计和起重机械零部件辅助工艺规程设计还未完 善。起重机方案图设计，只是把预先设计的外形尺寸及主要参数输入到计算机内，显示 并打印出所需起重机的总图，计算机不能对主要受力点的应力进行分析，不能进行设计 计算和标准部件的选择。 c a d 技术直处予不断发展与探索之中。应用c a d 技术可以起到提高起重机械行 业企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设 计标准化等作用。随着并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命 周期设计等现代设计方法的发展，以及人工智能、多媒体、虚拟现实、信息等技术的进 一步发展，c a d 技术必然朝着集成化、智能化、协同化和网络化的方向发展，因而也 必将在起重机械领域发挥越来越重要的作用。 1 2 学位论文的研究工作 1 2 1 课题来源与研究意义 ( 1 ) 课题的来源和工程项目背景 课题源于大连理工大学机械工程学院与辽宁某起重机械制造企业合作完成的“铸造 起重机c a d 系统研究与开发 项目。该项目旨在将c a d 技术引入铸造起重机的设计过 程中，建立铸造起重机c a d 系统。该系统包含了各种专用工程设计计算子系统( 包括起 大连理工大学硕士学位论文 升机构设计计算子系统、运行机构设计计算子系统、金属结构设计计算子系统) 以及产 品的数据库管理系统，在起重机设计中，辅助工程设计人员进行设计参数选取、设计计 算以及零件选型。系统还通过二次开发w o r d 与s o l i d w o r k s 实现设计文档的自动化编制 与三维零件图的参数化设计。较好的解决了c a d 技术在国内其它起重机械行业应用中 存在的问题和不足。为铸造起重机设计活动提供强有力的支持。 本人在攻读硕士学位期间，作为“铸造起重机c a d 系统研究与开发”项目组的主 要成员，参与了系统的需求分析和总体方案设计，并主要负责了铸造起重机起升机构设 计计算子系统与数据库系统的开发。此外，协助完成了其它设计计算子系统和三维参数 化绘图子系统的开发，设计了通用的工程计算书自动生成程序。本文的研究正是以所从 事的“铸造起重机c a d 系统研究与开发 项目科研工作为背景开展的。其中应用实例 章节源于本人参与的某“2 4 0 t 铸造起重机的扩容改造工程”的部分工作内容。一 ( 2 ) 课题研究的意义 铸造起重机作为一种复杂的机械系统，其设计是一项知识性、经验性极强的工作。 目前，在铸造起重机设计工作中存在的一种普遍现象，是铸造起重机设计的核心工作需 要借鉴以往设计经验，查阅各种设计标准和产品样本，并计算校核零部件的性能是否满 足设计约束要求，同时还需要花费大量时间在技术文档的编制和制图上。这就延长了铸 造起重机的设计周期，大量的设计计算工作也使错误发生的概率大大增加。这一现象充 分说明了在铸造起重机设计中采用计算机辅助设计技术的重要意义： 将铸造起重机设计专家掌握的宝贵经验知识外化和储存，使设计知识能大范围 共享，使得经验不足的设计人员也能在铸造起重机c a d 系统的支持下做出好的设计。 通过铸造起重机c a d 系统对以往设计以及部件产品样本进行更好地管理、提高 设计过程中以往实例与部件样本的检索效率。 通过系统的设计校核程序自动判别设计是否满足强度、刚度等约束条件，从而 确保设计工作在满足各种设计约束的前提下推进，降低由手工计算而产生误差的概率。 辅助设计人员进行设计技术文档的编制，以及零部件三维模型的参数化设计， 减轻设计人员的工作强度，降低产品开发周期。 总之，通过以上诸方面的工作，能够从总体上提高计算机对铸造起重机设计工作的 支持强度，从而进一步提高设计效率和设计质量、降低设计成本与工期。同时系统构建 和实现方法的研究对丰富c a d 技术的研究也具有一定的理论意义。 铸造起薰毫嚏起升机构c a d 系统研究与拜发 1 。2 。2 本文主要研究内容 针对本课题的来源，课题的研究目的，以及相关技术的发展现状，本文的主要工作 如下： ( 1 ) 分析了专家系统的基本原理，提出了铸造起重机起升机构设计c a d 系统的体系 结构和框架。研究了面向对象知识表达，基于实例的设计和基于样条曲线的工程线图计 算机处理等知识表达与推理的关键技术。 ( 2 ) 根据起重机设计原理与相关理论基础，结合铸造起重机起升机构设计特点，经 过适当的总结与推导，建立了铸造起重枫起升机构设计计算的数学模型。 ( 3 ) 建立了数据库管理系统，并完成系统体系结构的设计以及数据库中关系模式和 表的设计，实现设计数据的计算机管理。 ( 4 ) 研究了软件系统开发中的支撑技术，包括a d o n e t 数据库访问技术、软件的 二次开发技术和可扩展标记语言。在此基础上完成软件系统的开发，并给出相关模块的 关键程序代码。 ( 5 ) 结合某2 4 0 t 铸造起重机扩容改造为2 6 0 t 铸造起重机一项目，通过c a d 系统在 其设计校核中的应用，验证该系统的合理性与方便性。 大连理工大学硕士学位论文 2 铸造起重机c a d 系统的建立及关键技术研究 2 1专家系统的基本原理 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一个智能计算机程序，它应用专家知识和推理过程来求 解那些需要大量的人类专家经验才能解决的难题。需要在这一水平上执行的经验和所用 的推理过程，可看作该领域最好的参与者们的经验模型。虽然至今对专家系统尚无统一 的定义，但研究者们对专家系统已达成了共识，“专家系统是一个智能计算机程序系统， 其内部含有大量专家水平的某个领域的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问 题的经验方法来处理该领域的难题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识 与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提 供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类 专家才能处理好的复杂问题【2 3 - 2 4 1 。 由专家系统的定义可知，专家系统的主要组成部分是知识库和推理机。实际专家系 统的功能和结构可能彼此有些差异，但完整的专家系统一般应包括人机接口、推理机、 知识库、动态数据库、知识获取机构和解释机构六部分。各部分的关系如图2 1 所示。 用户领域专家知识工程师 图2 1 专家系统的基本结构 f i g 2 1 b a s i cs t r u c t u r eo f e x p e r ts y s t e m 专家系统的核心是知识库和推理机，其工作过程是根据知识库中的知识和用户提供 的事实进行推理，不断地由已知的事实推出未知的结论即中间结果，并将中间结果放到 数据库中，作为已知的新事实进行推理，从而把求解的问题由未知状态转换为己知状态。 在专家系统的运行过程中，会不断地通过人机接口与用户进行交互，向用户提问，并向 用户作出解释。 ( 1 ) 知识库 铸造起重机起升机构c a d 系统研究与开发 知识库是知识系统的知识存储器，用来存放求解问题的领域知识。知识库中的知识 来源于知识获取机构，同时它又为推理机提供求解问题所需的知识。对于领域知识的处 理，首先需要用相应的知识表示方法将其表示出来，再经过编码放入知识库中。通常， 知识库中的知识分为两大类型：一类是领域中的事实，称为事实性知识，这是一种广泛 公用的知识；另一类是启发性知识，它是该领域长期工作实践中积累起来的经验总结。 常见的知识表达方法有一阶谓语逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法和语义网络表 示法等。考虑到知识的两大类型，知识库有可分为规则库、模型库和实例库。规则库主 要用来储存设计规则；模型库中存储设计的计算模型；实例库用来存储以往设计过程中 较成功的设计实例。 ( 2 ) 推理机 推理机的设计，就是根据知识的表达、知识的推理方法和推理控制策略，设计具有 求解专门问题、进行推理功能的程序。推理机的推理是基于知识库中的知识进行的。所 以，推理机就必须与知识库及其知识相适应、相配套。具体来讲，就是推理机必须与知 识库的结构、层次以及其中知识的具体表示形式等相协调、相匹配。因此，在设计推理 机时，同时要考虑推理方向、推理方法和控制策略。推理方向主要有正向推理和反向推 理，前者为数据驱动，优点是用户可主动提供数据信息，使用于设计、管理等问题；后 者为目标驱动，适用于推理目标明确，便于推理过程的解释。推理方法的选择与知识表 达方法有关，常用的有算法推理与启发推理，前者用于深层知识、数学模型、确定性逻 辑推理等；后者用于浅层知识、常识性知识、不确定性知识推理等。控制策略主要指推 理方法的控制及推理规则的选择策略。 ( 3 ) 数据库 数据库又称综合数据库或动态数据库，主要用于存放初始事实、问题描述及系统运 行过程中得到的中间结果、最终结果等信息。在开始求解问题时，数据库即为初始数据 库，存放的是用户提供的初始事实。数据库的内容随着推理过程的进行而变化，推理机 会根据数据库的内容从知识库中选择合适的知识进行推理并将得到的中间结果存放于 数据库中。数据库记录了推理过程中的各种有关信息，又为解释机构提供了回答用户咨 询的依据。数据库中j 丕必须具有相应的数据库管理系统，负责对数据库中的知识进行检 索、维护等。 ( 4 ) 知识获取的方式 知识获取的方式主要有人工获取、半自动和全自动三种方式。人工获取，就是由知 识工程师与领域专家密切配合，在专家指导下进行知识的总体化、形式化，然后编制程 大连理工大学硕士学位论文 序形成知识库，人工获取知识的缺点是周期长、人力消耗大，但是由于其它获取方式在 技术上还存在困难，故人工方式在目前仍被大量采用；半自动方式，就是建立智能编辑 系统，以智能编辑取代知识工程师，提供基于问题求解模型的可视化交互式知识获取界 面，指导专家自行抽取和输入知识进专家系统；全自动获取知识就是试图建立一个计算 机系统去总结、发现专家尚未形式化甚至未发现的知识，由机器学习程序自动从信息源 ( 书本、数据库、知识库等) 获取知识并输入进专家系统，但是由于领域专家知识复杂 等特点，完全依赖全自动方式获取知识、建立知识库的专家系统目前还几乎没有，但机 器学习问题已引起研究人员的浓厚兴趣。 ( 5 ) 人机接口 人机接口是专家系统与领域专家、知识工程师、一般用户之间进行交互的界面，由 一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。推理机通过人机接口与用户交互， 在推理过程中，专家系统根据需要不断向用户提问，以得到相应的事实数据，在推理结 束时会通过人机接口向用户显示结果：解释机构通过人机接口与用户交互，向用户解释 推理过程，回答用户问题。 ( 6 ) 解释机构 解释机构用来回答用户提出的问题，解释系统的推理过程。解释机构由一组程序组 成。解释程序是根据用户的提问，对系统给出的结论、求解过程以及系统当前的求解状 态提供说明，便于用户理解系统的问题求解，增加用户对求解结果的信任度。在知识库 的完善过程中解释程序也便于专家或知识工程师发现和定位知识库中的错误，便于领域 专业人员或初学者能从问题的求解过程中得到直观学习，常见方法为预置文本法。 上面讨论了专家系统的一般结构，这只是专家系统的基本形式。实际上，在具体建 造一个专家系统时，随着系统要求的不同，可以在此基础上作适当修改。 2 2 铸造起重机c a d 系统的结构与组成 结合专家系统的基本原理，本文建立了铸造起重机c a d 系统的体系结构如图2 2 所示，主要由人机交互界面。设计推理程序、知识库、数据库、软件二次开发程序等部 分组成。 人机交互界面的主要任务是提供方便、直观的人机界面，包括设计要求的输入、产 品工程参数的录入、零件参数的交互式修改、设计方案输出和在系统操作过程中的信息 提示等。设计推理程序是系统的全局工作区，各模块之间的信息通讯通过该模块进行， 其功能是记录技术要求、中间设计结果以及最终设计方案。知识库负责存储领域专家的 经验和设计规则、工程数据手册和设计计算模型。数据库主要用来存储特定产品数据样 铸造起重机起升机构c a d 系统研究与开发 本和成熟产品的设计实例。软件二次开发程序主要用来生成设计方案的技术文档和零件 的三维零件图。 从系统的物理实现角度来讲，本文将辅助设计系统建于一个客户机朋艮务器( c s ) 体系结构中。零部件的产品样本以及以往设计实例以数据库的形式，利用数据库管理系 统置于服务器端；人机界面、设计推理模块、知识库、二次开发程序等逻辑模块置于客 户端。最后，通过相关软件技术将系统有机的联系在一起。 图2 2 铸造起重机c a d 系统的结构 f i g 2 2 s t r u c t u r eo fc a d s y s t e mf o rl a d l ec r a n e 2 3 知识表达与推理关键技术研究 在铸造起重机方案设计中，主要需运用以下一些类别的知识：常识、基本科学定律； 存在于铸造起重机原理书籍、专业设计手册、设计标准等载体中的设计方法、设计公式、 设计图表、设计规则、设计约束；设计者自行总结的设计经验、规律；典型或以往的设 计案例等。 如何表示和存储多种类别的铸造起重机设计知识是构建铸造起重机c a d 系统需要 研究的首要问题。本文结合人工智能技术，采用面向对象的知识表示方法，以“对象 为单位来组织和管理设计知识；对于不适用采用定性推理和规则推理的知识，本文应用 基于实例的设计方法，辅助设计人员进行相关设计参数的选取；最后，利用b 样条曲线 实现工程线条的数字化处理 大连理工大学硕士学位论文 2 3 1 面向对象知识建模 面向对象的知识表示( o b j e c t o r i e n t e dk o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，o o k r ) ，以知识所 描述或针对的对象为单位来组织知识，并用对象之间的关系来表示关系型和层次型知识 的混合型知识表示方法。这一定义有两层含义：其一，o o k r 是一种知识的组织策略， 其以对象为单位对知识进行分组和封装。而对这些附属于对象的知识的具体表示形式没 有特别的限定，可以是基于谓词逻辑的，也可以是基于规则或基于过程的，等等。o o k r 这种将知识按照其描述或针对的对象来分别组织的方法缩小了知识推理的求解空间，从 而能够提高知识处理系统的性能。其二，o o k r 利用对象之间的关系结构来自然表达泛 化、扩充、组成、依赖、使用等层次型或关系型知识。由于知识处理系统无非是一类特 殊的软件系统，因此在采用面向对象技术构造的软件系统中，相应采用o o k r 方法会 与整个系统的设计和谐相融，其优越性也与面向对象程序设计的优越性是一致的f 2 5 1 。一 具体到机械设计领域的知识建模，首先，需要表达“系统子系统零部件 各级 设计对象之间复杂的组成拓扑及功能逻辑关系知识：其次，各种设计对象本身的设计知 识也是复杂而多样的，设计知识不仅包括专家经验，还包括许多确定各参数的计算原理 和公式，以及关于如何运用以上多种形式设计知识的控制性知识。对于这一领域的具体 特点，常见的谓语逻辑、产生式规则、语义网络和框架等方法均不能很好的进行知识的 表达。o o k r 方法恰好具有这样的能力，它以“对象”为中心，将对象的属性、动态行 为特征等相关领域知识和数据处理方法等有关知识“封装”在表达的结构中。这种知识 表示方法既集中单一知识表示方法的优点，又符合人类专家对设计对象的认知模型。 o o k r 是按照面向对象方法学实现的知识表示方法，它以领域对象为中心组织知识 库系统结构，因此对象是知识库的基本单元。以往的知识表示方法。一般将表达对象的 数据结构与处理对象数据的过程或知识分离开来，程序结构按照求解过程分解；而面对 象的知识知识库结构则将表达对象的数据( 属性) 与处理数据的知识作为一个有机整体 对待。o o k r 将多种单一知识表示方法按照面向对象的程序设计原则组合成一种混合知 识表示形式。在o o k r 中，对象是表达属性结构、相关领域知识、属性操作过程及知 识使用方法的综合实体；对象类是一类对象的抽象描述；而对象的实例则是指具体的对 象。对象的表达可由四种集合组成【2 6 3 3 】，图2 3 为o o k r 的基本结构。 关系集表示对象与对象之间的静态关系。 属性集表示设计对象的数据即静态属性，一个对象可以有多个属性来描述对象的各 个特征。 方法集用来存放对象中的方法。方法是封装在对象内的过程，对发送给对象的消息 进行相应，其结构包括方法名、方法消息模式表、方法局部变量定义和方法过程体。方 铸造起重机起升机构c a d 系统研究与开发 法名用来区别不同的方法；消息模式表定义方法被触发的消息模式，一个方法被触发的 条件是这个方法的消息模式与发送给对象的消息相匹配；方法局部变量定义方法范围内 有效的局部变量；方法过程体与其他过程语言类似，用来执行过程操作与数值计算。 规格集用来存放产生式规则，产生式规则按照所处理的对象不同加以分组。一个对 象中可以有不同的规则集存放完成不同任务的规则，规则的使用要借助与规则推理机。 对象 圈圈 方法集 方法名 消息集 继承属性 规则集 规则编号 规则名 继承属性 方法 方法名 消息模式表 局部变量 方法过程体 规则 i f 前提 t h e n 结论 图2 3 面向对象知识表示的基本结构 f i g 2 3 b a s i cs t r u c t u r eo fo o k r 采用o o k r 方法，本文建立了铸造起重机c