（机械制造及其自动化专业论文）桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n ta n dr a p i d d e s i g ns y s t e mo fo v e r h e a dc r a n e b y w a n g w e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f y a n gb o at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 互7 牟莎 日期：加d 7 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 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鉴；本人授权济南大学 可以将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、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 酸开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：王彬导师签名： 日期：和7 、6 、7 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究现状一1 1 2 1 智能设计概述1 1 2 2 智能设计系统开发现状3 1 2 3 起重机智能设计研究现状4 1 3 研究的目的及意义一5 1 3 1 选题目的5 1 3 2 课题研究的意义5 1 4 课题的研究内容及章节安排一6 1 4 1 课题的主要研究内容6 1 4 2 论文的章节安排6 1 5 小结7 第二章桥式起重机智能快速设计系统整体设计9 2 1 桥式起重机设计过程分析一9 2 2 系统方案11 2 2 1 桥式起重机智能快速设计系统分析1 1 2 2 2 桥式起重机智能快速设计系统的功能组成1 1 2 2 3 桥式起重机智能快速设计系统总体构架1 3 2 2 4 基于智能快速设计原理的起重机设计流程1 4 2 3 系统关键技术15 2 4 小结1 6 第三章系统知识库的研究与构建一17 3 1 系统知识的处理机制1 7 3 1 1 知识的分类1 7 3 1 2 知识表示方法一2 0 3 1 3 知识获取一2 1 3 1 4 知识的关联分析一2 2 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 3 2 系统知识库的构建2 2 3 2 1 基于尺寸关联的三维模型模板库一2 2 3 2 2 零件性能参数数据库一2 4 3 3 小结2 8 第四章系统推理机制研究一2 9 4 1 系统推理机制2 9 4 2 基于c b r r b r 混合推理模式推理模型3 0 4 2 1 基于c b r r b r 混合推理的关键技术一31 4 2 2 基于实例的桥式起重机设计一3 2 4 3 系统推理中数值处理技术方法3 4 4 3 1 区间数值的处理方法3 4 4 3 2 单向性数值的处理方法3 5 4 3 3 经验数值的处理方法一3 5 4 4 小结3 6 第五章桥式起重机智能设计系统的开发和系统运行示例3 7 5 1 系统运行平台及开发工具3 7 5 1 1 系统的运行平台一3 7 5 1 2 系统的开发工具3 7 5 2 系统开发3 7 5 2 1 桥式起重机快速设计系统菜单3 7 5 2 2 模型模板库一3 8 5 2 3 人机交互界面开发一3 9 5 2 4 系统数据库表一4 0 5 3 系统运行示例4 0 5 3 1 设计系统运行示例一4 0 5 3 2 数据管理系统一4 3 5 4 小结4 4 第六章总结与展望一4 5 6 1 主要研究工作总结4 5 6 2 论文的创新点4 5 济南大学硕士学位论文 6 3 系统的不足4 6 6 4 展望4 6 参考文献一4 7 致访 51 附录5 3 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 i v 济南大学硕士学位论文 摘要 目前，国内桥式起重机设计仍然以人工设计计算为主，以c a d 软件进行非参数化 建模为辅，对桥式起重机设计自动化的研究大多停留在零部件的参数化设计的层面上。 本文以智能设计理论为基础，构建了包含从整机方案到零部件设计的桥式起重机智能快 速设计系统。 在前期大量查阅文献的基础上，系统总结了目前起重机设计中普遍存在的问题及其 发展趋势，详细分析了桥式起重机的基本设计流程，并确定了本论文的研究目标。根据 桥式起重机设计智能化的需求及人机智能设计的原理设计了系统的功能构成及模块设 置，确定了系统的关键技术为知识库的构建及推理机制的确定，构建了系统的实现框架。 研究了桥式起重机智能快速设计系统知识库的构建模式。对桥式起重机设计过程中 所涉及到的知识进行了分类，研究并阐述了相关设计知识的表示方法、知识的关联分析 和知识的获取方式等知识库关键技术，其中系统的知识表示方法采用产生式规则与框架 混合表示方法，知识的获取则采用人工获取与自动获取的混合机制。根据桥式起重机的 具体设计过程，构建了系统的知识库。 研究了桥式起重机智能快速设计系统的推理机制，同时给出了推理过程中所涉及的 大量模糊数值的处理办法。系统采用基于实例推理和知识推理的混合推理方式，并辅之 以参数化驱动的设计方式，提高了设计效率。详细叙述了推理过程，完成了推理机的设 计。模糊数值的处理方法包括针对区间数值采用的区间函数处理办法，针对单向数值采 用的最近邻法和针对不确定性经验数值的可信度排序法。 系统选用v c + + 2 0 0 5 开发人机交互界面和相关程序，图形支撑平台选用u g n x 7 0 ， 采用m i c r o s o f to f f i c ea c c e s s 2 0 0 3 完成数据库设计，采用s q l 语言开发了数据管理模块， 实现对数据库表操作。利用面向对象的程序设计方法和系统集成的思想，实现桥式起重 机智能快速设计系统的具体开发。最后，以2 0 5 t 双梁桥式起重机的设计为例验证了系 统的有效性。 关键词：桥式起重机；快速设计；u g n x 7 0 二次开发；专家系统 v 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 v i a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e s i g no ft h eb r i d g ec r a n ed o m e s t i ci s s t i l lm a i n l ya d o p t e da r t i f i c i a l d e s i g na n dc a l c u l a t i o n s ，a s s i s t e db yn o n p a r a m e t r i cm o d e l i n g w i t hc a ds o f t w a r e ，t h el e v e lo f s t u d yo nb r i d g ec r a n ed e s i g na u t o m a t i o nm o s t l yr e m a i n e di np a r a m e t r i cd e s i g no f t h ep a r t s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h et h e o r yo fi n t e l l i g e n td e s i g n ，b u i l da ni n t e l l i g e n ta n dr a p i dd e s i g n s y s t e mo fo v e r h e a dc r a n e i n c l u d e df r o mc o n c e p td e s i g nt op a r td e s i g n o nt h eb a s i so fc o n s u l t e dal a r g en u m b e ro fr e l a t e dm a t e r i a l s ，s u m m a r i z e st h ec o m m o n p r o b l e m sa n di t sd e v e l o p m e n tt r e n d si nt h ep r o c e s so fc r a n ed e s i g n ，d e t a i l e da n a l y s i so ft h e b r i d g e c r a n ed e s i g np r o c e s s ，a n di d e n t i f i e d t h eg o a lo ft h i st h e s i s d e s i g nf u n c t i o n c o m p o s i t i o na n dm o d u l es e t t i n g so ft h es y s t e ma c c o r d i n g t ot h en e e d si n t e l l i g e n td e s i g no ft h e b r i d g ec r a n ea n dh u m a n c o m p u t e rd e s i g nt h e o r y ，d e t e r m i n e t h ek n o w l e d g eb a s ea n d r e a s o n i n g m e c h a n i s ma st h ek e yt e c h n o l o g i e so fs y s t e m ，b u i l dt h ef r a m e w o r ko fs y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e dt h ef o r m a t i o nm o d eo ft h ek n o w l e d g eb a s eo ft h eb r i d g ec r a n e i n t e l l i g e n ta n dr a p i dd e s i g ns y s t e m c l a s s i f i e dr e l a t e dk n o w l e d g ei nt h ep r o c e s so f o v e r h e a d c r a n ed e s i g n ，s t u d ya n dd e s c r i b e sk e yt e c h n o l o g i e so fk n o w l e d g eb a s e ，i n c l u d et h e r e p r e s e n t a t i o no fd e s i g nk n o w l e d g e ，t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i s o fk n o w l e d g ea n dt h ew a y a c q u i r i n gk n o w l e d g e ，i nw h i c ht h es y s t e mo fk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm e t h o d sa d o p t e dt o p r o d u c es t y l er u l e sa n df r a m e w o r kf o rh y b r i dr e p r e s e n t a t i o n ，k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ，m a n u a l a c q u i s i t i o na n da u t o m a t i ca c c e s st oam i x e dm e c h a n i s m b u i l dt h ek n o w l e d g eb a s eo ft h e s y s t e ma c c o r d i n g t ot h ep r o c e s so fo v e r h e a dc r a n ed e s i g n s t u d i e dt h er e a s o n i n gm e c h a n i s mo fi n t e l l i g e n ta n dr a p i dd e s i g ns y s t e mo fo v e r h e a d c r a n e ，g i v e nt h ed i s p o s ea p p r o a c ho fl a r g en u m b e ro ff u z z yn u m e r i c a li n v o l v e di nt h ep r o c e s s o fr e a s o n i n g t h es y s t e mu s e sah y b r i dr e a s o n i n g ，c a s e b a s e dr e a s o n i n ga n dr e a s o n i n ga b o u t k n o w l e d g e ，s u p p l e m e n t e db yap a r a m e t e r - d r i v e nd e s i g na p p r o a c h ，t oi m p r o v et h ed e s i g n e f f i c i e n c y d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h er e a s o n i n gp r o c e s s ，c o m p l e t e dt h ed e s i g no f i n f e r e n c e e n g i n e t h ed i s p o s ea p p r o a c ho ff u z z yv a l u ei n c l u d ei n t e r v a lf u n c t i o na p p r o a c hu s e df o rt h e s o r to fi n t e r v a lv a l u e s ，t h en e a r e s tn e i g h b o rm e t h o du s e df o rt h es o r to fo n e - w a yv a l u ea n d c r e d i b i l i t yr a n k i n gf o rt h e s o r to fu n c e r t a i n t ye x p e r i e n c ev a l u e s t h es y s t e ms e l e c t e dt h ev c + + 2 0 0 5t od e v e l o pi n t e r a c t i v ei n t e r f a c ea n dr e l a t e d p r o c e d u r e s ，a n d s e l e c t e du g n x 7 0a s g r a p h i c ss u p p o r tp l a t f o r m ，m i c r o s o f t o f f i c e a c c e s s 2 0 0 3c o m p l e t e dad a t a b a s ed e s i g n ，s e l e c t e ds q ll a n g u a g e t o d e v e l o p ad a t a m a n a g e m e n tm o d u l e ，t h eo p e r a t i o no ft h ed a t a b a s et a b l e u s eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g m e t h o da n ds y s t e mi n t e g r a t i o ni d e a s ，d e v e l o p m e n tt h eb r i d g ec r a n ei n t e l l i g e n tr a p i dd e s i g n v i i 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 s y s t e m f i n a l l y ，t a k e2 0 5 td o u b l eg i r d e ro v e r h e a dc r a n ed e s i g nf o re x a m p l et ov e r i f yt h e e f f e c t i v e n e s so ft h es y s t e m k e yw o r d ：o v e r h e a dc r a n e ；r a p i dd e s i g n ；u gn x7 0 f u r t h e rd e v e l o p m e n t ；e x p e r t s y s t e m v i i l 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 一方面在产品设计到制造的整个过程中，尤其是在产品设计初期，产品的几 何结构和尺寸不可避免地要反复修改和优化。如果利用c a d 软件进行非参数化 建模，那么哪怕要改变图形的一个尺寸或者结构，也需要修改原模型，甚至需要 重新建模。另一方面随着计算机辅助设计技术不断发展，并且机械行业产品几何 拓扑结构趋向于固定化，人工智能技术的不断完善，这些都为实现智能化集成化 的专用设计系统提供了越来越成熟的条件。 智能设计系统包含设计知识的知识库和高效的推理机制，可以较大程度上提 高产品设计的效率。建模过程，对于几何拓扑结构相对固定的零部件可以用一组 参数实现几何图形的系列化。当赋予不同的参数序列值时，就可驱动相应几何模 型，完成高效建模和模型修改。 桥式起重机是一种横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。 一套完整的桥式起重机通常一般包括小车机构，大车机构，起升机构及电器结构， 对于不同参数性能的桥式起重机，其主要零件的形状基本相同，只是尺寸不尽相 同，但是设计人员在设计每套新起重机的时候，必需重新绘制一整套零件，这样 设计工作就显得比较繁琐，因此构建起重机智能设计系统将知识库和推理机制等 相关智能设计策略及参数化设计思想运用到桥式起重机设计过程中，设计人员通 过选型或者改动约束尺寸，就可以自动生成新的零件，这样就减少了绘图时间， 提高了工作效率，有利于实现起重机产品的系列化，智能化快速设计。 1 2 研究现状 1 2 1 智能设计概述 传统设计技术以产品结构性能分析和计算机辅助绘图为主要特征，以计算和 几何结构的图形化表达等工作见长，而缺乏对需要判断和推理工作的处理能力。 然而产品设计过程中有许多工作是需要工程人员的主观能动性，往往用到多学科 知识和以往设计经验分析推理、决策和综合评价才能得到结果。智能c a d ( i c a d ) 系统是通过模拟人类设计过程中的思维决策过程，通过构建专家或者 设计人员做出判断所需要的知识库和推理机制等来替代人类某一领域的特定问 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 题，典型代表为设计型专家系统 1 1 。随着设计理论的不断发展，新一代的智能系 统把人工智能技术与优化设计、有限元、计算机绘图等各种技术结合起来，尽可 能多地让计算机参与方案设计、几何结构设计、性能分析、图形处理等设计过程。 这就是集成化的思想，它成为现代设计技术的主要标志；而智能化、集成化是新 一代人机智能设计系统的发展方向。 智能设计系统应该不仅仅是人脑某些思维特征的模拟，而且应该具有自学 习、自适应的能力，即具有自我进化的机制保证系统的生命力及解决问题的有效 性，增加系统的柔性和开放性；已有学者提出建立计算机集成智能设计系统 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e di n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e m ，c i i d s ) 的设想【2 1 。 “c i i d s 是指这样的c a d 系统：以智能c a d 系统为基础，以多种智能设计 方法为基础，能对产品设计的各阶段工作提供支持，有相同的数据描述方式，能 提供创造性方案等智能特性，有良好的人机智能交互界面，同时能自动获取数据 并生成方案，能对设计过程和设计结果进行智能显示 【3 】。 它是人工智能与c a d 技术的结合体，根据c i i d s 的特性，学者从不同角度 提出各种智能设计方法，下面列举几种主要方法： ( 1 ) 基于智能优化的设计方法 人工神经网络：该方法属于非逻辑思维的范畴，它的初始设计是在样本训练 的基础上，通过输入值的传播产生候选解，对候选解进行评价，若不满意输出结 果则可通过重新调整网络数值，或者增加样本，提炼样本或者改进算法，直到输 出结果满意为止【4 。6 。 进化设计技术与方法：该方法是以进化算法( e v o l u t i o na l g o r i t h m ，e a ) 为 基础的。进化算法是与进化计算相关的算法统称，主要包括遗传算法【5 。】( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 、遗传规划( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ，g p ) 、进化策略o 】( e v o l u t i o n a r y s t r a t e g y ，e s ) 、进化规划( e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g ，e p ) 和模拟退火算法 ( s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ，s a a ) 等，而以遗传算法最具代表性。 对于g a 算法来说，初始设计是通过随机产生个体，再由个体的选择重组杂 交突变，然后使用进化压力，使个体往优良的方向发展，如果能得到最优个体则 输出，否则进一步通过遗传操作修改个体直到对个体满意为止【】。 ( 2 ) 基于推理的设计方法 把逻辑推理的思想用于设计，可以把方案的形成过程看成推理的过程，输 济南大学硕士学位论又 入设计信息如知识和数据，由计算机模拟人类思维过程推理得到设计方案。此外， 人的设计是综合的智能活动，设计者可以综合各种不同情况的多种信息产生出新 的想法，也可以仅仅采用设想的一些成分或者利用以往的经验，在头脑中将其加 工形成结果，这种方法就被称为基于综合推理的设计方法【1 2 。1 4 。 ( 3 ) 面向对象的设计方法 对于设计和构造软件，这是一种全新的思维方法。首先构建出能真实地反映 所要求解问题的实质的对象模型。然后对各个对象的关系以及对象间的通讯方式 等进行设计。最后实现设计所规定的各对象所应完成的任纠1 5 。 ( 4 ) 虚拟设计方法 这是在一种工程设计过程中融入虚拟现实技术，实现结构计算过程与绘图集 成的方法。如果把c i i d s 与虚拟现实技术相结合，创建虚拟现实的c i i d s ，那么 在工程项目的规划、方案的选择以及结果的实现中将会很大程度的提高设计质量 和设计效率。 ( 5 ) 生长型设计方法 产品基因生长型设计方法是一种比较新型的设计方法，该方法受到的启发来 自于生物进化理论：生物个体以生物基因为基础，通过细胞的分解重构，在适合 环境中生长发育起来。对于机械产品设计来说，机械产品是将机械产品比作生物 个体，将零件或部件比作细胞，在功能分析和适宜环境约束下，以产品基型为基 础，通过产品零部件的结构细化，生长设计出来的。产品的设计过程就是以产品 基因为基础的零件生长发育过程【1 6 1 8 】。 另外，学者们还提出了基于信息流设计方法【1 9 - 2 0 、基于搜索的设计方法2 1 之2 1 、 基于约束满足的设计方法【2 3 - 2 5 、基于实例的设计方法2 6 1 、基于原形的设计方法、 面向智能体的设计方法等。 1 2 2 智能设计系统开发现状 当前所开发的智能设计系统可以分为基于知识工程2 7 。3 0 1 、基于实例推理 ( c b r ) f 3 1 3 4 、和基于知识实例及规则混合推理【3 5 钟】三种类型。知识工程- k b e ( k n o w l e d g e - b a s e de n g i n e e r i n g ) ，是以知识为处理对象，将人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 应用于产品设计制造的新技术。基于知识工程智能设计系统的大多 基于自上而下的功能分解理论逐级分解直至独立的功能单元- 部件的对应关系， 桥式起重机智能快速设计糸统的研冗与实现 通过一定的推理规则和实现相应功能元的部件组合实现方案设计，该方法更侧重 于方案设计和方案的创新设计。基于实例规则的智能系统往往以实例为基础，借 助于一定的搜索策略和参数变更等实现变形设计，更加侧重于可重用性设计。而 基于混合推理的智能系统综合了两者之间的优势，既可以自上而下的创新又能兼 顾基于实例的可重用性，但是这样的系统真正实现起来会比较难，需要处理的冲 突就比较多，需要比较智能化的规则和评价机制，是未来智能化设计的一个趋势。 在机械设计这一领域最早是通过参数化设计来缩短制图时间，然而参数化设 计系统只能在最后的绘图阶段缩短一些重复绘图的时间，虽然能够缩短一些设计 周期，但是不能称为智能设计系统。接下来有些学者从系统工程的角度考虑了从 概念设计到零部件设计的过程；但是对于从模块划分到底层部件的结构关系研究 上仍存在着柔性不足的问题，使得当前的工程应用层面的软件大多停留在参数化 的层面上，缺乏系统性，虽然能够在一定程度上缩短了开发周期，完成了一些零 部件的系列化设计，一定程度上实现了零部件的可重复利用，但是对于整个系统 性的研究仍然比较匮乏。 目前国p q j t - 学者在构建智能设计系统方面已作了许多有益的尝试： 张继春为了实现滚动轴承的多样化和系列化设计，通过将骨架模型技术和 p r o g r a m 相结合，研究滚动轴承参数化建模的产品结构定义和模型控制过程，实 现了滚动轴承快速设计 3 8 】。 陈卓宁在面向零件的系统的研究与开发一文中提出了种面向零件的c a d 设计系统模型，并开发出了一套轴系部件的快速设计的c a d 系统。他们解决了 自动化设计过程中零部件参数驱动的技术 3 9 】。 1 2 3 起重机智能设计研究现状 国内学者为提高起重机的设计效率已经做出许多有益的工作： 王宗彦等在起重机主梁参数化设计方面实现了起重机主梁的参数化和参数 优化设计 4 0 掣 。 李然提出c b r 技术和三维实体造型技术结合的抓斗智能设计的流程，构建 了抓斗实例库，研究了实例表达及检索方法；并在s o l i d w o r k s 软件平台上完成 系统开发，利用自上而下的设计方法实现了抓斗产品的快速设计【。5 1 。 另外，徐格宁利用极限状态法结合计算机辅助设计，对双梁门式起重机金属 4 济南大学硕士学位论文 结构进行变量化设计，这种新算法比传统的许用应力法能够节约一定材料 4 6 】。李 宏娟也通过应用极限状态法和许用应力法2 种方法分别对起重机桥架结构进行 了结构优化设计【4 7 】。 现今的研究在起重机快速设计系统的研究中，国内构建的系统普遍为零部件 级的参数化设计系统 4 7 舶】，没有有效融合产品之间的总体装配关系和技术文档， 缺乏对方案设计的支撑。虽然已经能够缩短一些设计周期，但是大多仅仅停留在 参数化驱动图纸的几何参数形式上，因此，本课题构建了桥式起重机设计过程的 基于实例检索和知识推理混合推理模型，并以参数驱动方法调用实例库中模型生 成典型零件的工程图纸，实现了起重机典型零件的快速设计。 1 3 研究的目的及意义 1 3 1 选题目的 进入二十一世纪以来，企业正面临来自国内外同行的竞争压力，对企业来讲 能否快速满足客户要求设计出产品成为影响企业成败的关键问题之一。因此构建 产品的智能设计系统应该有一定的柔性，并且设计过程模型要能反映设计的实际 活动，同时又能够实现迅速地重构，实现设计信息和经验知识的重用。另一方面 当前机械设计领域大部分产品的设计都是改进型产品设计，约有7 0 的原设计信 息会在新产品的设计时被重用，这些重复性的工作占用了工程师的大量时间，而 随着智能设计理论和计算机软件技术的发展，使计算机代替人们进行类似的智能 设计成为可能和趋势。 在桥式起重机的拓扑结构相对固定这一前提下，为改变国内起重机人工设计 计算的现状，实现桥式起重机设计的自动化智能化，提出了桥式起重机智能快速 设计系统的研究这一课题。进行智能设计方法的研究，通过将人工智能( a i ) 、 计算机技术、模块化设计、优化设计等现代设计方法引入到桥式起重机械的设计 过程中，实现桥式起重机的智能快速设计，同时进行基于智能设计方法的起重机 快速设计系统的开发，通过对桥式起重机模典型块及常用零部件的选择调用及参 数驱动实现零部件设计，并建立产品的装配模型，实现桥式起重机的快速设计。 1 3 2 课题研究的意义 智能设计理论研究作为构建桥式起重机快速设计系统的基础，它的研究保证 了产品系列化快速设计的实现。桥式起重机快速设计系统的理论框架研究和系统 桥式起重机智能快速设计系统的研冗与买现 开发的意义如下： ( 1 ) 桥式起重机快速设计系统通过建立产品的零部件及装配体骨架模型， 以及产品零部件实例数据信息，并通过产品数据管理系统，加强对企业设计资源 的管理； ( 2 ) 桥式起重机快速设计系统能使设计人员重复利用起重机产品已有的设 计资源，提高设计的速度和质量； ( 3 ) 桥式起重机快速设计系统集成了零部件建模、变型设计、数据库管理 等工具，给设计人员提供了一个高效、实用、便利的设计环境； ( 4 ) 桥式起重机快速设计系统提供了与产品数据管理系统之间集成的接口， 使设计信息能够为产品数据管理系统利用，实现了设计信息的高效流通。 总之，桥式起重机快速设计系统能够使设计者快速响应客户需求，提高了工 作效率，缩短设计周期，有效地改善设计质量。 1 4 课题的研究内容及章节安排 1 4 1 课题的主要研究内容 ( 1 ) 分析桥式起重机的设计流程，总结桥式起重机设计规律，获取设计过 程中的关键参数。 ( 2 ) 研究起重机人机交互智能设计系统知识库的知识表示方法，知识获取 方和知识存储方式，并构建桥式起重机知识库。 ( 3 ) 研究系统的推理机制，提出基于实例推理和知识推理的混合推理机制； 由于起重机设计中，经验知识的表达往往具有模糊性和不确定性，提出了设计过 程的数值处理方法和经验知识处理机制。 ( 4 ) 通过u g n x 7 0 构建参数化的桥式起重机模型模板库文件，通过a c e s s 数据库建立标准件及其他零部件的参数数据信息，编写集成于u g 环境下的人机 交互界面及数据维护界面，实现一体化的桥式起重机智能快速设计系统。 1 4 2 论文的章节安排 依据本文的研究内容，其各章内容安排如图1 1 所示。 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 各章内容安排 1 5 小结 本章首先分析了课题的研究背景，介绍了智能设计理论方法及国内外发展的 现状，以及桥式起重机设计现状，通过对桥式起重机设计现状的分析，提出了构 建桥式起重机智能快速设计系统的方案，说明了课题研究的目的和意义。最后对 本课题的研究的主要内容及论文的章节安排进行了介绍。 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 8 济南大学硕士学位论文 第二章桥式起重机智能快速设计系统整体设计 随着机械产品的不断更新发展，很多机械产品设计工作中原创性的结构创新 比例已经越来越少，结构变形设计即成组化系列化设计工作逐渐成为当前设计的 主要工作，而这些工作对于新入门的工程师来说从上手到熟练掌握却需要很多时 问。然而随着软件技术和人工智能技术的不断进步，开发出适合产品设计的专用 智能设计系统已经不是天方夜谈，基于以上目的本文提出了构建桥式起重机智能 快速设计系统这一课题，希望能给桥式起重机这一几何拓扑结构相对固定的行业 带来设计效率的提升，同时希望能给以后的其他专用系统以至于智能设计理论提 供一些可借鉴的知识。 2 1 桥式起重机设计过程分析 要想开发一套比较好用的机械产品设计系统，必然要对其设计流程进行分析 总结设计流程，以及设计所需要用到的知识。经过总结分类得出典型桥式起重机 的结构组成如图2 1 。依据桥式起重机所需实现的功能需求，根据功能到结构的 映射关系，可知桥式起重机需具备以下功能结构： 小车机构实现了起重机两个功能升降重物功能和小车机构运行功能；起升机 构实现了重物的提升下降即竖直方向的运动功能，具体结构应该包含取物装置 吊钩组、驱动装置卷筒滑轮组减速器、制动装置制动器、动力源电机；小车运 行机构实现了起升机构的支撑及小车沿主梁方向运动的功能。大车运行机构实现 了起重机沿高架方向的运动。桥架实现了整机运行机构的连接与支撑的功能。 图2 1 典型桥式起重机机构组成 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 根据传统设计分析得出桥式起重机主要部件设计流程图如图2 2 2 4 。其中图 2 。2 为起升机构的设计流程图，图2 3 为小车运行机构的设计流程图，图2 4 为小 车架的设计计算流程图。 通过分析桥式起重机的结构组成和设计过程发现桥式起重机设计的特点为 起重机零部件组成相对固定，需要设计零部件的几何拓扑结构变化小；零部件设 计流程存在较多重复性设计工作，而这些特点都是有利于通过程序实现的。 启 加动 速时 度问 验与 算平 均 最大静拉力 最小直径 长度、厚度 晟小直径 立， 电动机k ：声j 起升机构静功率 羔夏 二二棼扭薹? 兰向力验算 j 誊二篇黧矩 妒 连轴器 ；i 口计算力矩 r i1 、平地 1 仉俐 。丁 l够b、， 札 芷 确定机构简图及参数 均启 团静功率 传动比 愁露 扭矩、径向力验算 满载制动静力矩 减速器强度验算 制动时间验算 传递力矩 计算轮压 踏面接触应力 强度校核 疲劳计算 合成应力 强度计算 图2 2 起升机构设计流程图图2 3 小车运行机构设计流程图 小车架 f j 寸一 一集中力 一磊1 一一j 、一备需鬻畸矩 、 与l l 、i i i 的焊缝计算 支承反力和弯矩 粱1 i断面特性 一_ 一一- 一一 。j 、与i l 、i i 的焊缝计算 桨、 支承反力和弯如 断耐特性 与i | 、i l l i l , j 埠缝计辣 支承反力和弯! 断而特性 j l j 、i i l 的焊缝计算 支琅反力和弯矩 断伯i 特眭 与l i 、的焊缝计算 图2 4 小车架设计计算流程 抽滩崖验黧 一蕊。蠢鬟翌 起 懒 钢一 # 一 一一静，一事一 济南大学硕士学位论文 2 2 系统方案 2 2 1 桥式起重机智能快速设计系统分析 在总体结构设计方面，通过对桥式起重机的设计计算流程分析可知，桥式起 重机设计的关键所在为起重机类别选择、布局选择以及主参数信息这三个方面， 它决定了最终起重机的装配体模型和其组成零部件几何结构形式。 在零部件设计方面，通过对桥式起重机的零部件分析和机械常识可以把零部 件设计分：采购零件选型、设计零部件的系列化设计，零件结构创新设计三类。 对于前两类的设计过程，计算机完全能独立解决，对于需要创新设计的工作 还需要工程师来完成。对于有专门生产厂家生产的采购零件只需要完成选型校 验，因此可通过建立包含这些零部件型号和性能信息的参数数据库，以智能推理 策略替代传统的计算流程，通过参数检索即可完成标准件设计经验的重新利用。 而对于拓扑结构相对固定的零件系列化设计，则需要建立其模型模板库及参数数 据库，通过设计计算模块推理出满足性能要求的尺寸参数，通过参数驱动模板文 件生成新零件，并保存得到满足设计要求的零件模型。同时把设计主参数及零件 的几何尺寸参数作为一组数据存入数据库，这样随着数据库中设计样本知识的不 断增多，就可以实现通过数据库查询得到满足设计要求的信息而实现对设计经验 的重用，进一步提高设计效率。 2 2 2 桥式起重机智能快速设计系统的功能组成 通过对桥式起重机设计过程的分析，不难看出桥式起重机的不同结构设计过 程存在很多类似或者相同的设计计算过程，但在设计过程中往往会由于不同人员 选择安全系数，几何结构中依靠经验确定的尺寸数值的不同而造成设计的产品结 构存在较大差异。因此，本文拟通过构建系统的知识库，其中包含桥式零部件三 维模型和装配体三维模型模板；基于起重机设计知识的设计知识库，包含设计参 数、外购件性能参数、设计零部件结构参数的参数数据库；在此基础上，建立相 应的推理机制其中包含基于桥式起重机设计流程的知识推理机制和基于经验知 识重用的实例检索机制，并构建通过人机智能设计交互界面指引设计人员完成桥 式起重机的设计系统，以实现起重机的快速智能设计。 如图2 5 所示，桥式起重机智能快速设计系统包含两个层次：功能层和支撑 层。功能层完成系统所需的各项任务，支撑层由相关的数据库和知识库组成实现 1 1 桥式起重机智能快速设计系统的研究与实现 对功能层的技术支撑。 桥式起重机智能快速设计系统 数据库管理 参数化设计重新设计单 单元 检索单元 单元元 非 外标 购 准 重 件 件 检参参 新 件 几 索数数 设 功 信何 策 提 驱 计 能 息参 略取动 策 层 管数 略 理管 理 套 伞 一 il v v 系统规则库 系统知识库 j lll 零专 结检 整件家 构索机维性经 支 设算布模能验 撑 计法 局型参设 层 规 规知模数计 则则识板数知 库库 库库据 ；口 库库 图2 5 快速设计系统 ( 1 ) 数据库管理单元 数据库管理单元管理桥式起重机采购件参数信息及非标准件参数信息，提供 桥式起重机零部