（机械电子工程专业论文）疏浚实验平台开发—绞刀三维造型及土壤切削实验监控系统.pdf

摘要 我国河流、湖泊、水库星罗棋布，有漫长的海岸线和众多的港口。绞吸式挖 泥船因其具有连续挖掘和输送泥浆的特点而广泛应用于江河湖泊清淤、港口航道 疏浚工程中。然而由于种种原因，目前国内还十分缺乏用于疏浚研究的实验条件。 本文围绕疏浚实验平台开发，研究了如下三项重要内容：基于p r o e 的绞刀 三维造型、土壤切削实验监控系统、实验系统的调试运行。根据绞刀结构特点， 探讨了绞刀三维实体造型的两种方法，并利用该实体造型成功地制造了用于模型 实验的绞刀。疏浚实验监控对象包括机械、液压、电气、水力输送等多个子系统， 为满足数据采集速度及数据远程传输稳定可靠的要求，采用w i n c e 组态软件编制 上位机监控程序，利用p l c 的开发软件编制下位机控制程序，系统还采用了o p t 数据通信技术等。系统调试和初步切削实验表明，本项研究达到了预期的目的， 从而为下一步开展绞刀切削性能和绞吸式挖泥船疏浚特性研究，提供了良好的实 验研究平台。 关键词：疏浚，实验台，绞刀三维造型，监控系统，开发 a b s t r a c t c h i n ah a sa b u n d a n tw a t e rr e s o u r c e sw i t hl o n gc o a s t l i n ea n dn u m e r o u sh a r b o r s a n dr i v e r s ，l a k e sa n dr e s e r v o i r ss c a t t e r e da l lo v e rt h ec o u n t r yl i k es t a r si nt h es k y b e c a u s eac u t t e rs u c t i o nd r e d g e rc a nc o n t i n u o u s l ye x c a v a t ea n dt r a n s p o r tt h ed r e d g e d m a t e r i a l ，i th a se x t e n s i v ea d a p t a b i l i t yi np r o j e c t so fr i v e r s ，l a k e s ，h a r b o r sa n d w a t e r w a yd r e d g i n g h o w e v e rf o rav a r i e t yo fr e a s o n s ，a tp r e s e n tc h i n ai ss h o r to ft h e e x p e r i m e n tc o n d i t i o n sf o rd r e d g i i l gr e s e a r c h t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e rr e l a t e d t ot h e d e v e l o p m e n to fd r e d g i n g e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma r ea sf o l l o w s ：t h ec n t t e r h e a dt h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l i n g b a s e do np r o e ，t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fs o i l - c u t t i n ge x p e r i m e n ta n dt h e d e b u g g i n go p e r a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m a c c o r d i n g t ot h ec u t t e r h e a d s t r u c t u r a l c h a r a e t e r i s t i c ，t w om e t h o d so ft h ee u t t e r h e a dt h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l i n ga r ep r o p o s e d a n da ne x p e r i m e n t a lm o d e lc u t t e r h e a dh a sb e e nm a d e s u c c e s s f u l l yb yt h e t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l s o b j e c t s o ft h e d r e d g i n g e x p e r i m e n t a ls u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi n c l u d et h es u b s y s t e m so fm a c h i n e r y , h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n , e l e c t r i c i t y , h y d r a u l i ct r a n s p o r t , e t e t om e e tt h ed e m a n do f r e l i a b l ed a t a - c o l l e c t i o ns p e e da n d s t e a d yr e m o t ed a t at r a n s m i s s i o n ，t h ew i n c c s o f t w a r ei sa d o p t e dt oc o m p i l es u p e r i o r - c o m p u t e rm o n i t o r i n gp r o g r a ma n dt h ep l c d e v e l o p i n gs o f t w a r ei se m p l o y e dt oc o m p i l ei n f e r i o r - c o m p u t e rc o n t r o lp r o g r a mi nt h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m t h eo p cd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa l s ou s e di nt h e s y s t e m t h et r i a le x p e r i m e n to ft h es y s t e mi n d i c a t e st h a tt h ee x p e c t e dg o a l sh a v eb e e n r e a c h e di nt h i sp a p e r , a n dt h e r e f o r et h er e s e a r c hh a sp r o v i d e dag o o de x p e r i m e n t a l p l a t f o r mf o rs t u d y i n gt h ep r o p e r t i e so fs o i l - c u t t i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fac u t t e r s u c t i o nd r e d g e ri nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：d r e d g e r , e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m , c u t t e r h e a dt h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l i n g ，s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m , d e v e l o p m e n t i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ；粗丑矽c ：7 年岁月动日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：丛免矶哆年；月谚自 河海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1国内河流湖泊疏浚及国内外琉浚技术现状 1 1 1 国内江河湖泊疏浚形势 1 9 9 8 年夏，长江、松花江、嫩江发生特大洪水灾害，造成巨大的损失。全 国上下有识之士，在赈灾的同时，都在思考如何加大河湖治理的力度，从根本上 解决水患灾害。目前，我国的江河湖泊疏浚形势非常严峻。 水土流失加剧了河湖水库等水域严重淤积。据统计，中国江河、湖泊、水库 中每年约有9 亿立方米的泥沙淤积，疏浚需求量非常大。长江流域4 0 年累计淤 积泥沙5 0 亿立方米：洞庭湖4 3 亿立方米，鄱阳湖4 亿立方米，长江中下游3 亿 立方米，黄河下游累计泥淤积泥沙8 0 多亿立方米。此外，中国目前有水库8 5 万座，占世界水库总数的1 2 ，但因淤积减少了l 3 ，同时也带来了极为严重的防 洪问题。 长江中下游地区的生态退化十分严重，5 0 年代江汉平原湖群数量为1 0 6 6 个， 到9 0 年代初减少到1 8 2 个。洞庭湖水面缩小了4 6 ，1 9 4 9 年水面积为4 3 5 0 平 方公里，因围垦造田和泥沙淤积，到1 9 8 3 年湖面积缩小到2 3 4 3 平方公里，平均 每年淤积1 亿立方米。都阳湖也因围垦造田和泥沙淤积，使湖面积缩小2 5 ，损 失水面2 1 1 6 平方公里。 湖泊萎缩，河道变浅，河床抬高，有的河变成了“悬河”。因而蓄洪行洪能力 大为降低，洪水水位越来越高，造成创历史记录的洪峰水位频频出现。以长江武 汉关为例，1 9 5 4 年最大洪峰流量为7 6 1 0 0 立方米，秒，水位2 9 7 3 米，1 9 9 8 年第 四次洪峰流量仅6 8 3 0 0 立方米，秒，水位已达2 9 3 9 米。如果也达到1 9 5 4 年的洪 峰流量，则洪峰水位要比2 9 7 3 米高得多。而黄河就更为严重，花园口1 9 5 8 年 的洪水流量2 2 3 0 0 立方米，秒，1 9 8 2 年洪水流量1 5 3 0 0 立方米秒，水位却超过1 9 5 8 年的水位1 1 5 米：1 9 9 6 年8 月洪水流量仅7 6 0 0 立方米秒，洪水水位却创历 史最高记录。 据报载，长江、黄河上中游的5 1 个重点森工企业及地方森工企业将全面停 止采伐，转向造林，以控制已失控的生态环境，减小水土流失改变长江、黄河等 大江河泥沙严重淤积的状态。这是防治洪害的根本措施。但据专家估计，即使严 格执行全国水土保持规划也需2 0 年才能初见成效。同时，河流湖泊还会不 断淤积。因此，对河湖水库加大疏浚力度，逐年恢复江湖水库的行洪蓄洪能力， 是防洪治洪的有力措施。这些均对我国的疏浚设备及挖泥船监控水平提出了新的 要求。【1 】 1 ，1 2 国内琉浚技术现状 国内现有中小型挖泥船大多为国产，遍布全国各地，是当前我国整治河湖的 疏浚实验平台开发一绞刀三维造型及七壤切削实验监拧系统 基本力量。国内大型挖泥船大多是进口的，技术状态较好，主要使用在大江、沿 海水域。 在我国，承担疏浚任务的主要有两个系统，一是交通系统，二是水利系统， 交通系统疏浚业成就显著，代表交通系统实力的中国港湾建设集团公司( c 脏c ) 是中国港口建设、航道疏浚的主要力量，年疏浚能力3 亿m 3 ，约占全国的2 3 ， 进入世界前三强。中港集团无论从设备、技术还是市场份额上说，都堪称中国疏 浚业的代表。与交通系统相比，水利系统疏浚设备的特点是数量多、分布广，以 中小型为主，其中绞吸式挖泥船己形成4 0 、8 0 、1 2 0 、1 8 0 、2 0 0 、3 5 0 、5 0 0 m 3 h 系列，在内河航道及湖泊疏浚、水利水电工程建设中发挥了重要作用。水利系统 8 0 m 3 h 以上各类挖泥船4 0 0 多艘，年疏浚能力0 8 0 9 亿m 3 ，约占全国的l 3 。 我国经过几代人的努力，已基本具备了研究开发、设计、制造、配套、维修 挖泥船的综合能力。从6 0 年代起，已先后研制出耙吸、绞吸、吸盘、链斗、抓 斗、铲斗、斗轮、刀轮等各种挖泥船，基本覆盖了国际上的挖泥船品种，且这些 挖泥船上的动力设备、疏浚装备及液压机械等配套设备也已基本上立足国内，技 术水平已接近9 0 年代初国际水平，并已打入国际市场。如近几年来，船舶总公 司7 0 8 所研制的新一代1 5 0 0 立方米耙吸式挖泥船及8 0 0 立方米开体耙吸挖泥船 已先后出口澳门和泰国，设备国产化率高，质量上乘，并且还和上海航道局合作， 设计改造成功两艘舱容为1 2 5 0 0 m 3 的“新海象”和“新海鲸”号耙吸式挖泥船， 在国内投入使用，取得很好的效果。 国产挖泥船与国际水平尚有差距，主要表现在：船舶尺寸较大，其原因是除 受我国整体工业水平影响外，还与习惯上设置船员舱及相应的生活设施有关；部 分设备指标差于国外，如尺寸、重量、效率、寿命和外观等；单船操作人员明显 偏多；国内造船周期较长。目前我国仅能生产中小型挖泥船，大型挖泥船均为进 口或引进技术合作生产。其主要部件如主机、泥泵、挖泥机具、液控元件、疏浚 仪器仪表等仍依赖进口，很不适应国民经济建设对疏浚装备的巨大需求。 2 - 7 1 近年来，我国在挖泥船监测技术方面有了很大的提高，如国家“十五”重大 技术装备研制项目“挖泥船自动监控设备及高效耐用机具研制”，该项目由两大 部分六个子课题组成，它们是：第一部分疏浚智能化监控及辅助系统研制，包含 的子课题为耙吸挖泥船计算机辅助疏浚决策系统、绞吸挖泥船计算机辅助疏浚决 策系统和抓斗挖泥船定位定深控制系统；第二部分疏浚高效耐用机具研制，包含 的子课题为新型主动耙头技术、新型绞刀研制和新型耐磨材料研制等。该项目属 于疏浚工程技术与信息技术、机械制造技术、金属材料技术、造船技术之间相互 融合的交叉科学技术领域。通过这些项目的实施，我国已在相关技术水平方面 与国外的差距在逐渐的缩小，而且国产挖泥船的船价仅为进口挖泥船的1 3 1 4 ， 2 河海大学硕士学位论文第一章绪论 即使进口部分装备，船价也仅为进口船的1 2 ，这是国产挖泥船的最大优势所在 嘲。 1 1 3 国外疏浚技术发展情况 近年来国际疏浚工程船舶的发展方向是大型化、高效化、作业工艺优化、人 工智能应用、大挖深、大排距、优化作业环境、低维护、高可靠性以及提高使用 寿命，具体表现在如下五个方面： ( 1 ) 向大型化、高效化发展的同时，努力提高挖泥船适应疏浚工程的能力， 提高挖泥船的总体性能参数匹配的合理性，提高挖泥的作业自动化程度。 ( 2 ) 新材料、新技术的应用，改善和提高挖泥船主要部件的可靠性和使用 寿命。 ( 3 ) 开发应用高浓度疏浚和高浓度输泥技术，提高疏浚能力，增大输泥距 离，降低能耗。 ( 4 ) 提高挖泥船性能参数，降低污染，发展环保疏浚。 ( 5 ) 发展精密疏浚，提高挖掘精度。 伴随着计算机技术的高速发展，国外疏浚技术发展非常迅速，已经开发出应 用于挖泥船上的完善的人机交互系统( h m 【) ，实现疏浚过程中的数据的显示和 所有功能的控制，如：自动化疏浚、倾卸、输送过程、电源管理、记录报告、与 勘察设备之间的通信以及地理定位等等。日本开发了所谓“模糊控制系统”，它 是把操作人员的经验、技术编成数据和其它有关参数一并输入计算机系统，自动 控制装置接受来自各种传感器和挖泥机械的数据并经处理后，供给自控装置、调 整横移速度、机具载荷，使挖泥船达到最佳泥浆浓度，实现高效生产，这属于完 全的自动化( 但目前尚未见此种挖泥船应用的实例报道) 。此外，国外部分挖泥 船已装备有联合避险与剖面绘制系统。当挖掘头前方出现障碍物时，避险系统就 会产生报警信号。剖面绘制系统每秒钟产生十几张剖面图，显示疏浚与泥沙倾卸 处的实时3 d 图象，实现勘探图的在线更新。 随着通信与信息技术的大踏步进步，可以预料在不久的将来，挖泥船技术将 迎来新的发展。其中之一就是挖泥船的动态定位( d p ) 和动态跟踪( d t ) 系统 将更加集成化。国外大型挖泥船制造厂商如荷兰的i h c 公司已经着眼于疏浚功 能和导航功能的更加集成化，导致系统更加一致，更加安全地显示，从而具有多 任务操作功能。另一个有关系统集成化的新产品和服务就是在文档资料方面，通 过网络和c d r o m 提供的电子化信息能够完全替代或结束手工的纸张记录。此 外，多媒体技术的利用能使船上工作环境得到改善，未来的挖泥船效率将更高， 更易于人们操作。 9 - 】 1 2 挖泥船绞刀研发现状 随着近l o 年的世界航运市场和航运规模加大，疏浚工程也随之加大，世界 疏浚实验平白开发一绞刀三维造型及土壤切削实验监控系统 大港深度增加，地域更加广泛，被挖土质复杂因素增多，疏浚难度大大提高。这 就对疏浚挖掘机具性能提出了更高的要求，以满足市场的需求。 绞吸式挖泥船是疏浚行业的主力 船型，约占世界总疏浚产量的一半。绞 吸式挖泥船( 如图l - 2 1 所示) 是利用定位 桩定位，绞刀安放在桥架上置于要求的 深度，通过船头一定角度的摆动和绞刀 的旋转来实现对介质的连续切削，切削 介质由泥泵和管道输送至船仓或岸上。 绞刀位于桥架端部吸泥管入口处，其作 1 - 2 - 1 绞吸式挖泥警工作示意图磊嚣昙r 鋈嘉勤嚣蠢霪耄冀篓凳盆毳薹 的产量有决定性的影响，是挖泥船最重要的部件之一。如果绞刀结构上不能满足 要求，在切削土质特性多变的区域时，就容易损坏，延长施工时问，增加工程成 本。在国外，对绞刀的研发和制造技术已经相当成熟，具有代表性的公司有美国 的e s c o 公司和荷兰的v o s t a - l m g 公司。在国内，绞刀设计理论和制造技术体系还 没有形成，有些设计和制造还停留在模仿国外类似产品上。因此国内急待建立 起完整的绞刀设计和制造技术的理论体系。 1 3 巯浚实验监控技术 疏浚实验监控系统技术是- f j 综合技术，与实船的疏浚监控技术基本相同， 可以通过在实验室完全模拟实船操作。疏浚实验监控系统是计算机技术( 包括软 件技术、接口技术、通信技术、网络技术、显示技术) 、自动控制技术、自动检 测和传感技术的综合应用。 所谓疏浚实验监控，就是利用传感装置将被监控对象中疏浚实验物理量( 如 泥浆流量、流速、浓度、泵真空度、绞刀( 或耙头、抓斗) 的下放深度等转换 为电量( 如电压、电流) ，再将这些代表疏浚实验状态的物理参量的电量送入输 入装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图 形的方式显示出来，从而使疏浚实验操作人员能够直观而迅速地了解实验参量变 化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统 计和显示并制作各种报表。还可对被监控的对象进行控制，控制是由计算机中的 应用软件根据采集到的物理量的大小和变化情况以及实验所要求该物理量的设 定值进行判断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行装置动作从 而完成相应的控制任务。 疏浚实验监控系统的组成可以有多种划分方法。最简单地可以分为硬件和软 4 塑童查兰堡圭堂垡丝苎 笙二皇堕堡 件两个部分，如图卜3 一l 所示。 硬件主要由计算机、过程输入输出装置( i o ) 、人机接口、通信控制器、 检测变送装置( 传感器) 和执行机构等部件组成。 辟) 设备尊) 莽) 图卜p 1疏浚实验监控系统的组成图“” 一般地，一套疏浚实验监控系统是以监控计算机为主体，加上检测装置、执 行机构、实验过程共同构成的整体。图卜3 - 2 示出了一个典型的疏浚实验监控系 统 在这个系统中具有采集与处理功能、监督功能、控制功能。 疏浚实验平台开发一绞刀三维造型及土壤切削实验监控系统 图卜3 2 疏浚实验监控系统示意图“2 1 ( 1 ) 采集与处理功能。主要对疏浚实验过程的参数进行检测、采样和必要 的预处理，并以一定的形式输出，如c r t 屏幕显示，为实验操作人员提供详细、 实时的数据，以便于他们分析、了解实验情况，监视实验过程的进行。 ( 2 ) 监督功能。将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归 纳、整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数椐库加以存储。根据实际疏浚 实验过程的需要及实验进程的情况，进行工况分析、故障诊断，并以图、文、声 等多种形式及时作出通报，以进行操作指导、事故报警。监督系统的输出一般都 不直接作用于实验过程，而是经操作人员的判断后再由操作人员对实验过程进行 干预。 ( 3 ) 控制功能。在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略 形成控制输出，直接作用于实验过程。 完整的疏浚实验监控系统是上述的三种功能的综合集成。它利用计算机高速 度、大容量和智能化的特点。可以把一个复杂的疏浚实验过程组织管理成为一个 综合、完整、高效的自动化整体。 疏浚实验监控系统的一个突出的特点是具有强大的i o 功能，即大量的现场 信息( 如数据信息、图像信息) 要直接从疏浚过程中采集并送入计算机中。为此， 需要强调说明的是过程输入输出通道与i o 接口。输入输出通道是计算机监控系 统计算机与被监控过程的现场设备之间的物理信息通道，故又称过程通道。也就 是说，在计算机和实验过程之间建立一种能对现场设备信息进行传递和变换的连 接装置，这种装置就称为输入输出过程通道，它是自动监控系统的重要组成部分。 输入输出过程通道是指与现场设备( 传感器、变送器和执行器等) 直接连接并进 行信号转换( 数模、模数、数数转换等) 的装置。输入通道的作用是将传感 6 河晦大学硕士学位论文 第一章绪论 器或变送器的电流电压信号转换为计算机可以识别的数字信号。输出通道的作 用则是将计算机输出的数字信号转换为可直接推动执行机构的电气信号。输入输 出通道技术属于计算机接口技术的一部分。 由于在计算机监控系统中被控的对象有各种不同的类型，例如：机械式、机 电式、电子式以及各种实验过程装置等，而它们的参数测量的变换速度不同、持 续时间不同，要求控制的特性不同，因此，在具体设计一个输入输出过程通道时， 其结构形式、组成的电路及其参数的设置也不完全一致。一般来说，输入输出过 程通道具有一定的结构模式，组成输入输出过程通道的电路也有一些典型的电路 或芯片。 ， 1 4本课题研究的主要内容及意义 绞刀的设计与制造和现代疏浚监控技术一直是世界各大疏浚公司研究的重 点。目前，国内还没有专门用于研究绞刀切削性能的实验平台。河海大学疏浚教 育与研究中心的土壤切削实验台项目，是教育部留学回国人员主持实验室建设项 目，投资数百万元。该项目就是针对国内无实验研究疏浚技术的现状，建成国内 第一个用于研究疏浚机具性能和疏浚监控技术的实验台，本课题是该项目建设中 需要完成工作的一部分，主要是通过p r o e 软件生成绞刀的三维造型，与厂家合 作制造出绞刀实物，安装于实验台上，供实验使用；完成实验台监控系统设计安 装调试，实现对实验台设备的控制和实验数据的采集功能。本课题对于完善绞吸 式挖泥船的设计理论，提高港口及航道疏浚工程的设计和施工水平，促进绞刀制 作的产业化进程，都具有重要的意义。 本文主要研究的内容有三点：一是土壤切削实验台的实验对象一一绞刀的三 维造型，绞刀三维造型中最困难的环节是如何建立绞刀刀臂的空间曲线特征，以 及如何通过空间曲线生成具有空问扭曲特性的刀臂，文中通过多种方法系统的论 述了基于p r o e 软件的绞刀三维建模实现过程，最终生成可用于实验的绞刀实体 造型。有了绞刀实体造型的数据文件，就可以与厂家合作，利用现代先进的数控 加工技术生产出绞刀的实物。二是土壤切削实验监控系统的开发。三是实验系统 的调试、切削运行。绞刀土壤切削实验监控部分主要包括台车横移、管道输送、 绞刀架的升降、角度调整、绞刀启停和调速、泥泵的启停和调速等操作。另外安 装有许多传感器用于监控系统的工作状况与产量，如台车横移速度和位置、台车 的前进后退拉力、绞刀转速、绞刀切削力矩、泥浆泵功率和转速、泥浆浓度和流 量、管道的上升和下降阻力等参数的测量。利用西门子专用组态软件w i n c c 编制 上位机监控软件，上位计算机上安插有无线网卡，通过现场总线技术将p l c 及各 个传感器连接起来，从而组成远程监控网络。利用无线路由器实现下位机与远程 服务管理器之间的数据通信。通过网络和上位机监控软件可对实验过程进行监 控，最终实现基于p l c 现场网络的绞刀土壤切削实验监控系统。 7 疏浚实验平台开发一绞刀三维造型及土壤切削实验监控系统 通过疏浚实验平台的开发，大大提高了我们对实船疏浚工作过程的认识，对 国内疏浚技术方面的研究有极大的促进作用，也拉近了我国大中型疏浚设备制造 和关键技术与国际先进水平的差距，疏浚设备自主配套体系得以完善，增强疏浚 工程施工能力和技术水平，增强参与国际工程项目的竞争力。 1 5 本文的主要结构 本文主要工作是关于绞刀的三维造型，基于p l c 现场网络的绞吸式挖泥船监 控系统的开发以及实验系统的调试运行，现将论文结构分述如下： 第一章探讨了国内绞刀的研发现状及疏浚实验监控技术。 第二章探讨了如何根据绞刀的结构特点，利用p r o e 软件进行绞刀三维实体 造型的方法。 第三章论述了土壤切削实验监控系统的组成、功能、网络通迅和数据采集等。 第四章讨论了实验系统的调试、切削实验、实验数据的实时性和准确性，以 及硬件兼容、信号抗干扰和数据采样点过少等问题。 第五章对全文进行了简要总结。 8 河海大学硕上学位论文第二章绞刀的三维造型 第二章绞刀的三维造型 2 1 概述 伴随着计算机、机械制造、通讯和数控技术的迅猛发展，产生了一门综合性 的应用技术一计算机辅助设计与制造( c a d c m ) 。c a d c a m 技术是以计算机、外 围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分 析( f e m ) 及优化设计，数控加工编程( n c p ) 、仿真模拟及产品数据管理等内容。随 着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和并行、高性能计算及事务处理的普及、异地、协同、 虚拟设计及实时仿真也得到广泛应用，计算机及网络技术的发展，使c a d c a m 从 技术到产品都发生了革命性的变革。 由于计算机技术的发展，大大地促进了设计和制造能力的提高，这种能力的 提高，不但体现在工作效率和工作质量方面，更体现在先迸的计算机技术对传统 的工作方式的促进和变革方面。它实现了信息高度集成，充分发挥了设计人员的 创造思维，从而大大缩短了产品设计、制造周期，提高产品的质量，增强企业在 市场竞争中的应变能力，增强了企业的竞争力，促成了员工、企业的全面发展。 可以说，c a d c a m 技术的应用水平已是衡量一个国家，企业技术水平的重要标志。 2 1 1o a d 数据模型的发展 在c a d c a m 系统中，c a d 的数据模型是一个关键，随着c a d 建模技术的进步c a m 才能有本质的发展。在c a d 数据建模技术上，有四次大的技术革命。 第一次c a d 技术革命一曲面造型技术 c a d c a m 技术产生于上世纪5 0 年代中后期。起初由于早期的c a d 系统所用的数 据类型是线框模型。不能表示形体几何数据之间的拓扑关系：在这种数据模型基 础之上的c a m 最多处理一些二维的数控程序编程问题，功能非常有限。法国数学 家p i e r r eb e z i e r 提出的贝赛尔曲线、曲面奠定了曲面模型c a d c a i i i 的基础。 第二次c a d 技术革命一实体造型技术 针对曲面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的质量、重 心、惯性矩的缺陷，7 0 年代末s d r c 公司开发了基于实体特征大型c a d c a m c a e 软件i d e a s 。它实现t 3 d 的有机集成，但这一代系统存在维修困难，使用难度大 等问题。 第三次c a d 技术革命一参数化实体造型技术 参数化实体造型系统克服了自由弗4 造技术无法进行尺寸驱动和设计与制造 无法并行作业的不足，这一代系统采用统一的数据结构，基于特征、全尺寸约束， 尺寸驱动设计修改。其代表软件系统是p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，该系统的c a m 技术相当完善，并为并行工程提供了一个很好的工作平台。 第四次c a d 技术革命一变量化实体造型技术 9 疏浚实验，f 台开发绞刀三维造型及土壤切削实验监控系统 s d r c 公司针对参数化实体造型技术很难处理复杂的几何拓扑关系和尺寸约 束关系的问题，提出了变量化实体造型技术理念，它解决了欠约束情况下的参 数方程组的求解问题 2 1 2p r o e n g l n e e r 软件介绍 p r o e ( p r o e n g i n e e r ) 是世界上最成功的c a d c a m 软件之一。它是 美国参数技术公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，p t c ) 的产品。该公 司1 9 8 5 年成立于波士顿，现己发展成为全球c a d c a e c a m p d m 领域最 具代表性的著名软件公司，其软件产品的总体设计思想体现了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g n a u t o m a t i o n ) 软件的新发展，所采用的新技术比其他m d a 软件具有优越性。p r o e n g i n e e r 是同步工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 观 念的产物，也为实现同步工程创建了良好的软件环境。所谓同步工程，其主 要的目的是以已有系统的步骤来整合产品设计及相关的制造程序和支持程 序，以便大幅缩短产品的设计过程，降低生产、产品测试以及模型产品生产 等成本。 n o 门团n g 矾e e r 的功能相当强大，为工业产品设计提供了完整的解决方 案，被广泛应用于造型设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、 有限元分析及关系数据库管理领域。主要包括三维实体造型、装配模拟、加 工仿真、n c 自动编程以及有限元分析等常规功能模块，同时也有模具设计、 钣金设计、电路布线和装配管路设计等专有模块，以实现d f m ( d e s i g nf o r m a n u f a c t u r i n g ) 、d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 、i d ( i n v e r s ed e s i g n ) 、及 c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r ) 等先进的设计方法和模式。 p r o e n g i n e e r 系统主要特性有如下几点： ( 1 ) 真正的全数据相关性 任何地方的修改都会自动反应到整个系统中所有相关地方。这样就彻底 改变了自由建模时的系统数据不相关性，减少了修改时需要将所有的地方都 修改的麻烦。 ( 2 ) 具有管理并发进程、实现并行工程的能力 整个p r o e n g i n e e r 系统使用统一的数据库，使零件数据管理更加容易、 科学。p r o e n g i n e e r 软件开发环境在支持并行工程方面是独一无二的。通过 一系列完全相关的模块它们能够表达产品的外形、装配及其功能 呻r o e n g i n e e r 能够把多个部门同时致力于同一产品模型中。这包括在工 业设计和机械设计方面的多项功能，包括对大型装配体的管理、功能仿真、 制造、产品数据管理等等。p r o e n g i n e e r 还提供了目前所能达到的最全面、 集成最紧密的产品开发环境。 ( 3 ) 具有强大的装配功能 i o 河海大学硕十学位论文 第= 章绞刀的三维造型 可以实现计算机模拟加工，能够始终保持设计者的设计意图，并且帮助 设计人员实现设计意图。 ( 4 ) 易于使用 p r o e n g i n e e r 系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想 和习惯。尤其是w i l d f i r e 2 0 版，更趋同于标准的视窗操作方式，即易于用 户快速入门，又利于提高使用效率。 ( 5 ) 数据管理 1 9 9 8 年p t c 公司收购了c v ( 产品c a d a s ) 和w i n h i l l 产品数据管理( p d m ) 软件，使其成为一个企业信息管理解决方案的超级供应商。p t c 公司推出的 p r o e n g i n e e r 2 0 0 0 i ，更是m d a 历史上的一个里程碑。 ( 6 ) 硬件独立 p r o e n g i n e e r 可以在所有主要的u n i x 、w i n d o w sn t 以及w i n d o w s 2 0 0 0 平台上运行，并且在每个平台上保持同样的外观，使用起来的感觉也一样； 用户根据需要选择最经济的硬件配置，也可以选择异型结构的多品种平台。 由于p r o e n g i n e e r 独特的数据结构模式，产品信息可以毫无困难的在不同平 台间流动。 p t c 公司正在以很快的速度更新p r o e n g i n e e r 的版本，不断地修改和更 新人机交互界面，增强p r o e n g i n e e r 的功能，为三维c a d c a m c a e 软件界带 来强大的冲击。现在p r o e n g i n e e r 的最新版本为w i l d f i r e 2 0 版，相信其功 能将更加强大，更易于使用。 p r 0 e n g i n e e r 仅生成实体模型来描述工程师所设计的产品模型，不再应 用线框和表面模型转换成实体模型的手段，思路清晰。由于它有完整而统一 的模型，在整个设计的相关环节上反映出来。p r o e n g i n e e r 采用基于参数化， 特征设计的三维实体造型系统，这样便于在新产品的开发中实现概念设计， 也可方便的依照工业标准的零件族概念建库。 2 0 0 3 年6 月1 0 日，p t c 正式发布了代号为“野火( w i l d f i r e ) ”的版本， 该版本不仅在功能上有了很大的提高，在界面和使用风格上也非常注重与 w i n d o w s 操作系统平台的良好融合，本文使用的具体版本是后来推出的“野 火版2 0 ( w i l d f i r e 2 o ) ”，操作更为简捷、方便，学起来更容易，兼顾了新 用户和资深用户的需求，可让新用户通过“图标板( d a s h b o a r d ) ”来了解工 具；让资深用户通过“直接建模( d i r e c tm o d e l i n g ) ”即直接处理模型，来 加快建模速度。“图标板”专门用来指导用户该去哪里，并告诉用户应该做 什么。用户需要的常用功能可以随时通过游动面板获得。而“直接建模”允 许用户直接使用鼠标处理模型，而无需使用菜单。通过“图标板”和“直接 建模”可实现快速入门和高效使用。 疏浚实验，r 台开发一绞刀三维造型及士壤切削实验监挡系统 从建模模式上来说，p r o e n g i n e e r 分为草绘模式、零件设计模式、装配 模式及工程图模式。不同模式下可进行不同的建模操作：草绘模式主要进行 二维平面图设计；零件设计模式主要进行零件的设计与建模；装配模式主要 将已设计好的零件进行装配；工程图模式主要为己完成设计的模型制作二维 平面工程图；制造模式主要进行模拟制造o “。 2 2 绞刀的结构和分类 绞吸式挖泥船的生产很大程度上取决于绞刀头，它的类型和尺寸不仅依赖 于挖泥船的技术要求( 包括切削力和侧向绞力，绞刀的转数及桥架的重量) ，而 且还依赖于所挖土质的类型。较高的侧向绞力和小的绞刀直径，则可产生较大 的切削力，因而可用于挖掘较硬的土质。相比之下，用同样的切削力挖软的土 质，增大绞刀直径，就可以增加绞刀的切 削量，产量就相应的提高。绞刀的结构组 厂轮毂，一 成如图2 - 2 1 所示 嚣l - 刀臂- 一 2 2 1 绞刀的结构墼j l 绞刀的主体由大环、刀臂、切削元件、 磐l 切削元件 轮毂四部分组成，刀臂安装上各种不同最i 的切削刀刃( 或刀齿) 直接用于切削介质， l _ 丈环 其结构的优劣直接影响至i 绞刀的切削性 能，轮毂直接与绞刀轴相连，起到传递力 图2 - 2 1 绞刀结构组成图 和力矩的作用，大环和轮毂把多个刀臂连 为一个整体，实现切削过程的连续性。 2 2 1 1 刀臂 刀臂通常为5 个或6 个，有时是7 个，刀臂与大环和轮毂的连接方式通常 为焊接。其主要的作用是作为刀片或刀齿座的承载体，刀片或刀齿座通常是焊 接在刀臂上的，在刀片受到严重磨损后，可以把旧的割除，重新焊上新刀片。 刀臂与绞刀轴并不平行，而是成一定角度，该角度一般为4 5 0 左右。 2 2 1 2 切削刀刃 绞刀可分为刀片型和刀齿型两种。装有刀片的绞刀其刀刃可以焊接在刀片 上，也可以采用螺栓与螺母连接到刀片上。这些切削刀刃可以以采用割掉旧的， 更换新的，也可以将旧刀刃从工作位置上拆除而予更新。常用的切削刀刃有以 下几种类型。 扁平切削刀刃。这种刀刃适宜于中等土质，比如砂和泥炭，以及在有大量 树根、钢丝缆等存在的区域进行挖掘，此时若用齿型绞刀易被缠绕。 方齿切削刀刃。这种刀刃产生巨大的单位表面压力，因此很适合适合挖粘 土、砂质粘土等。 河海大学硕t 学位论文 第二章纹刀的三维造型 尖齿切削刀刃。遮种切削刀刃用于坚硬土，困为挖坚硬土需要巨大的压力 娃甥入劳破碎该类刀刃醣设诗和王终位置决定了它起餮凿子豹佟瘸。 切削刀刃在制造过程中被分成两段或兰段，具体分法依绞刀大小而定，采用 这种部硒使其搬运方便，另外便于各段在磨损后拆卸。 2 2 i 。3 刃鸯 除去装在刀片止的各种可更换刀刃的绞刀外，齿型绞刀也可更换刀齿。齿 测绞刀的刃烤有两个主要部分，齿座和一个带棒头孵刀齿，黩座焊在乃甓上， 考虑到密耗，刀齿锖l 戒可更换型，刀齿之阏有一定静间距，靠雌雄榫头米接合。 常用的刀齿有以下几种： 赢齿，翊于砂与豢冬切翔。 凿齿，翔于挖掘光渗透性的坚硬物料，如石灰石。 尖齿，用于挖掘肖渗透性的坚硬物料，如珊瑚。 麓工主葳特栏决定是选择刃片墅绞刃述是刀齿型绞刀，嗣时还决定了选择 那种类型的切削刀刃或刀齿。 2 2 。2 绞刀的分类 2 2 ，2 1 按绞刀组成缩构的不阎划分 根据组成结构的不同，可以把绞刀分为刀片型绞刀和刀齿型绞刀，刀片型 绞刃又哥棂攮所采熙甥女刀刃瓣不霞分为纛平甥削刀刃绞刀、方盍谣g 刀刃绞 刀和失齿切削刀刃绞刀三种，刀齿型绞刀根据所采用的刀齿的不同分为扁齿绞 蓬2 量2 2 刃片型绞刀强 蓬2 2 3 了丁齿鼙绞刃鎏 刀、凿齿绞刀和尖齿绞刀三种。刀片型绞刀和刀齿型绞刀如图2 - 2 2 和2 2 - 3 所示。 六2 2 2 按绞刀刃譬攘囱刘分 绞刀的分类还可以依刀臂旋转方向而定，旋转方向分顺时针旋转和逆时针 旋转嚣种。绞刀可分顺向刀臂绞刀和逆爨刃鹫绞刀弼种。如图2 2 - 4 和2 - 2 5 新示。 疏竣实验p 台开发一绞月兰维造型及十壤切削实验监拧系统 癣癌 图2 2 - 4 顺向刀臂绞刀图 图2 - 2 5 逆向刀臂绞刀图 2 2 2 3 按绞刀切削土质特性划分 根据绞刀切削介质的不同，可把绞刀分为三种类型： 硬质土：绞刀头适于承受一个或多个齿上的压紧力，因而它重且坚实。 刀齿与刀头的连接器应可承受高强度磨损，且最好有精确的刀齿定位。 切削的碎片尺寸不能超过泥泵泵体的最小通道大小，见图2 2 6 ( a ) 无粘性土：绞刀头适用产生高的生产效率并且要有良好的的混合形式， 有许多可换横刃( 宽的或窄的) 或切削刃。截面宽且平，这样可避免较 大摆动：特别是切削元件，耐磨性要高。同样也需要精确的刀刃定位能 力，见图2 - 2 - 6 ( b ) 粘性土：绞刀头不可被堵塞，因而其截面大而且圆，比通常要少一个刀 片( 即五片) 。在碎片搅削的粘性土要有良好的挖掘性能，常用平面刃或 齿形刃，见图2 - 2 - 6 ( c ) 图2 - 2 6 不同类型土质对应的绞刀类型 而世界著名的疏浚公司i h c 公司的绞刀设计思路是，无论对软质土还是硬 质土，绞刀的基本形状保持不交，这样进入吸泥口的泥桨都以相同的流线向前输 移。从这一思路出发，研制出两种主要的绞刀类型： 挖松软土的通用绞刀。可根据工程土质，选用扁平刀片或方齿刀片的刀片 型绞刀。 挖硬质土的绞刀。可根据工程土质，选用安装有尖齿、凿齿、扁齿三种刀 齿中的任一种的刀齿型绞刀“”。 1 4 河海大学硕士学位论文 第二章绞刀的三维造型 2 3 基于p r o e 的绞7 j - - 维造型 三维实体造型又称为三维几何造型，依靠这种技术设计者能借助计算机将 头脑中的或已有的产品形体，转变为可视、可分析、可修改、可进一步模拟加 工的实体模型。它是c a d c a m 技术的核心，为其后的产品设计、分析、检验、 制造提供基础【l ”。 本质上说，机械产品都是具有三维空间形状的物体。如果考察一个产品的 设计过程，设计者头脑