数字化设计制造及在带式输送机中的应用

1、数字化设计制造及在带式输送机中的应用边海涛【摘要】数字化设计制造是融合了计算机技术、信息技术、电子技术、虚拟技术及其网络技术等多种学科的一种先进制造技术。其核心内容主要包含计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助工程CAE技术，计算机辅助工艺设计CAPP技术和逆向工程技术。在带式输送机设计过程中，对整体设计进行优化，对关键部件如滚筒进行有限元分析，对输送机进行动态分析，并对运行过程实施实时监控，从而提高产品的使用性能，增强产品的竞争力。【关键词】制造业；数字化设计制造；输送机数字化设计制造是传统制造技术与计算机技术、信息技术、自动控制技术等现代高新技术交叉融合的结果，是一个集机械

2、、电子、信息、材料、能源与管理技术于一体的新型交叉学科，它使制造技术的内涵和水平发生了质的变化，是先进制造技术的核心部分。将其应用在带式输送机的设计使用过程中，可以缩短产品的生产周期，提高产品的竞争能力。1.数字化设计制造的发展数字化是指以计算机软件、硬件及网络通信技术为基础，将连续的、模糊的、不确定的现象以及人的经验和技能等离散化，进而转化为数字信息的过程。机械制造的数字化包括产品数字化、设计数字化、制造数字化、消费数字化、服务数字化、信息数字化和知识数字化。数字化设计制造是指利用计算机技术、虚拟技术、信息技术、电子技术及其网络环境，实现产品开发过程的一种先进制造技术。即在网络和计算机辅助下

3、通过产品数据模型全面模拟产品的设计、分析、制造、装配等过程1。数字化设计制造的发展大致经历了4个阶段：20世纪50年代后期，随着计算机技术的发展，使应用计算机进行工程图纸的绘制成为现实，使工程技术人员从繁重的手工绘图中解脱出来，由于受阻于技术的发展，数字化制造还无法成为现实；进入70年后，随着飞机和汽车制造业的飞速发展，需要进行大量的曲面设计，传统的曲面设计方法不能满足要求，法国人创造了贝塞尔算法，使得计算机能够处理曲线和曲面问题，三维曲面建模系统软件的问世使计算机从简单的三维绘图中解脱出来，实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，为数字化制造奠定了基础；80年代初，随着数控机床的发展，一些公

4、司开始寻求数字化设计与制造一体化，出现了实体造型技术，能完整的描述产品零件的信息，结合数控机床的新技术使数字化制造成为了现实；进入90年代，数字化设计制造进入了系统化和集成化，各大公司相继推出花样繁多、功能齐全的CAD、CAM软件，一种新的设计方法开始出现参数化实体造型方法，其特点是基于特征、全尺寸约束、全数据相关和尺寸驱动设计修改2。2.数字化设计制造的内涵数字化设计与制造集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通信技术等，其核心内容主要包括计算机辅助设计CAD技术，计算机辅助制造CAM技术，计算机辅助工程

5、CAE技术，计算机辅助工艺设计CAPP技术和逆向工程技术。2.1计算机辅助技术CAD技术CAD是人与计算机紧密结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而完成设计任务的一种综合技术科学。包含了合理建模、创新构思、工程分析、性能仿真等内容。典型的CAD结构设计的过程为：启动CAD系统，调用几何构型软件，根据设计者的主观意志或利用设计专家系统进行计算机辅助几何造型，从而完成方案设计；调用几何构型软件，审查或修改方案设计，确定设计对象的几何形体、结构，选定尺寸和形状参数，进行结构细节设计并存储在几何模型中；调用结构分析软件进行结构与机构运动学、动力学分析，完成强度计算工作，按照反馈的数据分析计

6、算结构并对原结构设计进行参数优化；调用工作仿真模块软件进行数字仿真，并在计算机屏幕上观察所设计结构的工作过程。2.2计算机辅助制造CAM技术CAM技术指利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。其输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹和数控程序，核心是计算机数值控制，即将数控技术应用于各种机床，其发展趋势是各种数控加工中心。计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面，硬件方面包括数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等；软件方面包括数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制

7、与调度、计算机辅助质量控制等。2.3计算机辅助工程CAE技术CAE是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，从而解决许多实际工程需要解决而理论分析又无法实现的复杂问题，其研究内容包括静态结构分析和动态分析。2.4计算机辅助工艺设计CAPP技术CAPP是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功

8、能来制定零件机械加工工艺过程。是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时也为企业的管理部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节，是连接设计与制造之间的桥梁。2.5逆向工程技术逆向工程也称反求工程，其大意为根据已有的东西和结果，通过分析来推导出具体的实现方法。其工作原理是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据，之后再使用软件计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪对物体作全方位的扫描，然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。3.数字化设计制造在带式输送机中的应用带式输送机是由驱动装置通过摩擦驱动支撑在托辊上的皮带以输送散粒

9、物料或成品的连续输送机械。其基本构成是输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、拉紧、改向、装载、卸载、清扫等装置，广泛地应用在冶金、煤炭、交通、水电、化工建材、电力、轻工、粮食、港口、船舶等部门。将数字化设计制造技术应用于带式输送机的设计，使使用性能和经济性能达到最优化组合，缩短产品的设计生产周期，增强输送机的市场竞争力。3.1优化设计在整体设计过程中的应用输送机进行整体结构设计时，需要同时考虑使用性能与经济性能，即要求输送张力最大，单位消耗功率最小，满足强度要求的情况下输送带张力最小。因此将输送机的整体结构设计转化为一个多目标的优化问题的求解3。确定目标函数和设计变量为求出问题的最优解，需建立一个用

10、于评选最优方案的目标函数，最优化问题即求解。输送机的输送能力用表示为：式中 装料系数带速 物料的有效截面积 物料的堆积重度输送机的功率用表示为：式中 驱动力 运行速度输送带最大张力表示为式中 最大张力前一点的张力 两点间的阻力之和取设计变量为式中 最小张力 带的层数 上托辊间距采用线性加权法建立总目标函数确定约束条件在进行优化过程中，给出每个参数的边界约束，并满足带式输送机设计的条件：托辊间悬垂度条件 式中 输送带的张力输送带强度条件 皮带不打滑条件 建立模型后，给定初始数值，编写程序，求解优化后的数据组合，并将其作为输送机的设计参数。3.2应用有限元分析对滚筒进行优化滚筒是输送机中的重要部件

11、，根据需要分为传动滚筒、改向滚筒和拉紧滚筒，其结构形式分为装配辐板式、辐条式和整体辐板式。图1为滚筒的结构形式。图1 传动滚筒的结构形式1轮毂 2辐板 3轴 4筒体 5胀套 6透板传动滚筒的设计一直是输送机设计的一个难点，结合行业特点生产的新型滚筒还没有通用的设计系列，其计算公式也是各不相同。除典型的滚筒轴有比较成熟的公式外，其它如筒体和辐板的受力变形情况仍没有权威的解释。为满足输送机械行业的需求，生产厂家将数学、力学等最新研究成果与数字化相结合，产生了应用广泛的现代设计方法，有限元分析法就是其中之一。有限元分析方法的通常步骤为：首先分析滚筒的受力情况，建立有限元模型；应用有限元分析软件如AN

12、SYS、COSMOS/S等对模型进行分析计算，得出滚筒应力图和位移变形图，图2为对滚筒进行有限元分析得到的位移变形图；由变形图分析出滚筒各个部分的受力情况，对易破坏部分进行必要的加强，并对滚筒参数进行优化处理4。图2 滚筒位移变形图3.3带式输送机的动态分析随着带式输送机朝长距离、大输送量发展，长距离、大功率带式输送机的动态特性以不容忽视，起制动的加减速度对输送机的影响越来越显著，同时要求输送机的起制动系统能平稳起制动，连续地、长时高效的运行，故需对输送机进行动态分析，从而使输送机的动态冲击降到最小，提高输送带的使用寿命和降低强度等级5。建立动态分析模型力学模型的分析方法主要有解析法和数值法。

13、完整的带式输送机的连续模型的动力学方程很难实现解析求解，通常需对简化模型进行数值求解。采用KelvinVogit粘弹性模型建立输送机的力学模型，如图3所示。图3 输送机的力学模型动态分析与计算机仿真模型建立后，应用计算机仿真软件如Simulink、AMESim等对模型进行分析，调整各模块的特征参数，得到起动速度曲线、张力曲线和位移曲线，通过分析带速和张力的变化，从而得到合理的设计参数。3.4输送机运行过程中的实时监控带式输送机在输送过程中会出现输送带跑偏、打滑、撕裂等事故，如果不能及时发现、处理事故，会影响输送的正常进行。因此，实施对输送过程的实时监测、及时处理事故，是输送机正常输送的重要保证

14、。对输送机的实时监控通常采用网络连接上位机和下位机进行监控，网络通常采用以太网，上位机监测软件通常采用InTouch组态软件或WinCC软件，下位机通常采用可编程控制器PLC6。系统的结构图如图4所示。图4 监控系统结构图实时监控系统的主要功能：主界面对总体系统进行监视，监视画面对输送带的各种电流、电压各种参数进行监控，实施对输送机的启停控制；实时曲线实时控制输送带的速度，历史曲线记录输送带的电枢电流和输送带速度，所有变量的历史记录按时间顺序统一存到硬盘上带有时间信息的文件中；历史报警记录历史报警信息，包括报警时间、报警日期、所属报警组、报警值等，一旦系统发生报警，实时报警画面自动弹出，给出报

15、警信息并驱动PLC采取动作避免事故发生，报警结束，画面自动关闭；实时报表记录电机的各种参数，历史报表记录电机的各种历史参数。对输送机运行过程实施实时监控，及时地发现各种故障甚至事故的准确位置，从而查出问题并采取相应的控制措施，提高运行的可靠性。4.结束语随着计算机技术的不断提高，网络技术的普及和应用以及用户的不同需求，数字化设计制造技术自身的不断完善，集成技术的向前推进，数字化设计制造技术具有如下的发展趋势：（1）利用基于网络的数字化设计制造集成技术，实现产品全数字化设计与制造。（2）数字化设计制造技术与企业资源计划、供应链管理、客户关系管理相结合，形成制造企业信息化得的总体构架。（3）数字化

16、设计制造技术与虚拟技术、虚拟制造、虚拟企业、敏捷制造及网络制造密切结合，并朝制造全球化发展。（4）以提高对市场的快速反应能力为目标的制造技术如并行工程技术、模块化设计技术、快速原型成形技术、快速资源重组技术、大规模远程定制技术等将得到快速发展和广泛应用。为适应输送机高产、高效、集约化生产的要求，输送机的设计朝着长距离、高带速、大运量、大功率方向发展，这就要求研发新的技术和元部件如高性能的可控软启动技术、动态分析技术、监控技术等，以满足高性能和可靠性的要求。在带式输送机的设计生产过程中，充分利用数字化设计制造技术，从而缩短输送机的开发周期，提高产品质量，增强企业的市场竞争力。参考文献：1白明龙. 制造业信息化的关键技术数字化设计与制造. 科技信息. 2008，第30期.2潘紫薇. 数字化设计与