连续采煤机智能设计系统的研究与开发.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 连续采煤机智能设计系统的研究与开发连续采煤机智能设计系统的研究与开发1 宿月文 朱爱斌 陈渭 谢友柏 西安交通大学机械工程学院，现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，西安，710049 E-mailsuyw 摘摘 要要为了全面分析履带式采煤机的行走性能，提出建立以设计、评价专家系统及参数化 建模技术为核心的履带式采煤机智能设计系统。 阐述了该系统的总体结构及各主要模块的功 能描述与设计分析,论述了其关键技术。并以 Solidworks 和 ADAMS 软件为基础平台，用 VB.Net 开发了履带式采煤机智能设计系统。最后以某型 65t 连续采煤机为试验机型进行了 验证。 试验证明该系统可对履带式采煤机的行走性能进行综合评估， 提高了产品开发速度和 精度，降低了开发成本。 关键词关键词连续采煤机 智能设计 虚拟样机 中图分类号中图分类号 TD421 1. 引言引言 短臂采煤与长臂采煤互相补充构成了现代大型矿井的最佳生产模式， 而短臂综采设备和 成套工艺技术及岩层控制技术是制约我国煤矿在这方面发展的主要因素。 连续采煤机是短臂 开采的核心装备， 因此对连续采煤机的探讨研究， 对发展我国采掘工业与国际先进采掘水平， 加速实现连续采煤机国产化具有十分重要的意义。 然而， 受众多因素的影响, 连续采煤机仍 大量依赖进口，而国产机型整机质量较低，具体表现为可靠性差，故障隐患多，开机率和利 用率低，严重制约着工作面高产高效目标的实现。因此,应用现代设计方法，围绕提高煤矿 技术装备的技术性能、可靠性重点，加快缩短与国外技术和设备的差距显得尤为紧迫。 连续采煤机是典型的复杂机电产品，其设计既包括整机机型、功能部件的选择，又包括 关键部件的功能设计、结构尺寸计算优化、空间布局的优化和功率匹配等，是集专家决策推 理、数值计算、仿真优化于一体的过程。本文将专家系统技术、参数化建模技术以及计算机 仿真技术引入连续采煤机的设计中，有利于建立面向整个设计过程，并同时满足数值计算、 知识推理和图形处理的动态设计对象模型， 从而为连续采煤机的全过程、 全寿命设计及系列 化设计提供可靠的技术支撑，推动连续采煤机数字样机和物理样机的快速研发。 2. 系统总体结构及关键技术系统总体结构及关键技术 2.1 总体结构总体结构 现代产品设计融合了系统总体技术、参数化建模技术、多领域协同仿真技术、一体化建 模和信息管理技术等先进技术。 仿真设计集成系统就是应用上述技术通过计算机辅助工具开 发的集成化应用平台， 并利用该平台开发数字样机并缩短物理样机的研发周期。 连续采煤机 智能设计系统包括总体参数设计与评价系统、 参数驱动的自动化建模系统和任意工况下动力 学仿真系统三个核心模块。因此,这三个模块的设计及其有效集成成为该系统研究的重点。 其中，专家系统利用面向对象方法、数据库技术、知识库技术得以实现；同时在参数化建模 软 Solidworks 的基础上，通过专家系统辅助设计获取有效的主参数驱动生成几何模型，然 后利用 CAD/CAE 无缝链接技术利用几何模型进行动力学仿真，完成采煤机虚拟样机的构建。 专家系统和参数化建模系统之间的集成利用 Solidworks 提供的二次开发工具通过 VB.Net 编程实现。 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号20050698016）的资助。 ， ， ， -2- 零件模型 整机装配 仿真 模型 接口 参数 化模 型库 Solidworks系统 动力学仿真模型库 行进 工况 仿真 后退 工况 仿真 转向 工况 仿真 截割 部动 态仿 真 人机交互界面 知识 管理 系统 数据库 产品 进化 模型 库 推 理 机 知识库 ADAMS 专家系统 图 1 连续采煤机智能设计系统结构 2.2 系统功能系统功能 连续采煤机智能设计系统采取将传统的需求分析、概念设计、技术设计和详细设计的 4 阶段设计流程[ ]和基于虚拟样机的产品开发流程[ ]相结合的设计模式。首先针对用户提出 的设计需求和使用条件如地面状况、 环境、 工况等等自然语言描述的内容转化为可量化的 工程语言描述， 形成概念设计模板。 该设计模板可通过自动化接口模型被 CAD/CAE 软件所识 别。上述为需求分析向概念设计的映射，而形成模板则对应概念数字样机模型，从而实现了 将两种设计模型的结合。 概念设计完成采煤机的功能设计和总体布局设计， 并经概念数字样 机评估后返回给用户， 通过友好的用户界面， 用户可根据专家系统对该方案的评价及其可信 度进行选择；然后，在技术设计阶段，采煤机将分为若干子系统，进行实现性设计，相应的 概念设计模板将派生出各个子系统设计模板。 子系统设计模板同样可自动的形成子模型及整 机工程虚拟样机。此时，工程虚拟样机能够完全实现用户所要求的功能。然而，性能产品设 计的关键，而性能包括功能和质量 。因此，在详细设计阶段，将对各子系统模型的性能进 行评估和设计，最终获得产品性能数字样机。每个设计阶段对应不同精度的样机模型，用户 可进行即时仿真分析， 其分析结果可以作为评价专家子系统进行评价的依据。 若不满足要求 则返回重新设计，最后得到用户满意的设计结果，并把设计成功的样机模型作为实例存储， 从而实现了设计的可回溯性。 3. 系统各主要模块及实现系统各主要模块及实现 3.1 专家系统模块专家系统模块 专家系统主要负责与设计人员的数据、信息的交互。专家系统模块包括人机交互界面、 推理计算和知识库，知识库中收集各种已有设计经验、规则，供用户参考。同时，专家系统 还负责接收用户输入的数据， 并将其它模块的计算信息反馈给用户。 复杂的机电产品设计过 程比较烦琐， 专家系统模块可以有效地辅助设计人员进行设计。 人机交互采用参数驱动技术， 用户可以通过人机交互界面输入技术要求和初始参数， 还可以对界面中的图形或者参数值进 行操作，使设计过程更加直观、方便。推理计算部分获取参数数据之后，依据知识库进行推 理及设计计算，并将结果反馈回人机交互界面。在某个设计阶段，设计模型定型后，专家系 -3- 统将该设计模型规范化为设计模板，存储于设计进化库中。然后自动转入下一个设计流程。 针对连续采煤机，时间维度上分为结构选型，几何建模和仿真分析三个设计活动，每个设计 阶段都由上述三个设计活动循环迭代，直至满足要求。在系统层次上，将连续采煤机分为行 走子系统、 截割子系统和输送子系统和其它四个部分。 专家系统将负责上述设计活动和系统 模型的组织和管理。图 2 所示为连续采煤机设计流程。 设计任务生成 概念设计模型 详细模型 仿真分析 产品模型库 设计知识库 图 2 连续采煤机智能设计系统结构 图 3 几何模型生成模块界面 3.2 几何模型生成模块几何模型生成模块 用户设计参数在经过知识库专家系统处理后成为几何结构设计参数， 并被输入几何模型 生成模块。 该模块主要是根据已确定初始几何参数， 自动进行零部件的几何建模以及整机模 型的自动装配， 从而生成整个采煤机几何模型。 综合考虑软件功能及其软件之间的集成性问 题，选用 Solidworks 软件为虚拟产品开发平台，以 VB.Net 软件和 Solidworks API 技术为开 发工具，实现采煤机专家系统和自动化几何建模的紧密集成。其实现步骤为 （1）设计者从 用户需求中提出初始设计参数和技术要求进行方案设计，进而获得设计所需的特征主参数 即能够独立变化的特征参数； （2）参数设计专家系统通过访问参数算法库、数据库，根据 特征主参数驱动获得设计所需的其他参数； （3）根据设计参数，通过 SolidWorks 二次开发 程序，访问 Solidworks 中的参数化模型库，提取相应的参数化模型，并修改其关键尺寸获 得所需的部件模型； （4）将各关键部件装配成整机。图 3 为几何建模界面。 3.3 动力学仿真优化分析模块动力学仿真优化分析模块 连续采煤机动力学仿真分析模块主要针对连续采煤机的行进、后退和转向等机动性能， 以及截割部动力性能进行仿真评估。采用 ADAMS 软件作为采煤机系统多体动力学仿真支 撑。ADAMS 具有开放式的程序结构和多种接口，并且支持命令行的操作方式来完成相应的 功能， 可实现与其它模块的有效集成。 开发的自动建模模块在各项机械结构的参数数据确定 之后， 可以直接生成机械系统虚拟样机模型命令文件。 该模型文件中包括创建各部件的几何 模型,部件间的各种适当约束以及材料特性、质量等，从而组成机械动力学仿真模型。通过 连续采煤机的动力学仿真，可分析各种工况下整机工作性能，以及各零部件的速度、加速度 和应力应变状态。 4. 实例运行实例运行 通过某 65 吨机型的设计流程对该连续采煤机智能设计系统进行有效性验证。针对设计 需求，利用工程语言对其进行规范化描述后生成设计模板（图 4a） ，由专家系统根据其知识 -4- 库对设计模板进行可行性校核；当可行性通过后，该设计模板将成为第一版设计模型 （Model_1） ，供其他模块和设计流程使用。几何建模模块载入设计模型并进行模式识别和 参数提取，实现采煤机的零部件自动化建模和整机装配（图 4b） ；动力学仿真模板则通过载 入设计模板形成仿真任务和流程，并且在交互界面中选择不同的工况进行仿真（图 4c） ，例 如直走、转向、采掘等过程仿真动画的同时，还可同步输出该时刻不同学科系统的性能状态 曲线，如机械部件运动速度、位移等状态曲线；液压系统流量、压力状态曲线；各个液压缸 液压力的输出，主要受力部件的应力应变等特性等。综合比较仿真结果，与设计需求对比， 如不符合，则返回修正设计模板，形成第二版设计模型（Model_2）,进入下一个设计循环， 直到满足设计要求，得到最终的设计模型（Model_n） ，如图 4c。 ab c d 图 4 某型连续采煤机设计流程 5. 总结总结 本文对连续采煤机行走机构智能设计系统的实现技术进行了探讨。 通过将专家系统知识 和 CAD/CAE 设计工具的结合，实现了连续采煤机结构参数的初步设计、细化以及几何模型 自动生成， 乃至针对不同工况的整机动力学性能仿真评估的整个流程的自动化、 知识化和智 能化， 从而有效地缩短了设计人员开发该类产品的周期， 降低了成本并且提高了产品的设计 质量，为连续采煤机实现真正国产化奠定基础。 参考文献参考文献 [1] 刘建平. 我国煤矿连续采煤机国产化发展现状与思考[J]. 采矿技术，2006，63437-439 [2] E Frankenberger, P Badke-Schaub et al. Designer The Key to Successful Product Development. New York Springer, 1998 [3] 熊光楞，郭斌，陈晓波等. 协同仿真与虚拟样机技术[M]. [4] 谢友柏. 现代设计理论[J],机械工程学报 Development of Intelligent Design System for Continuous Miner SU Yue-wen, ZHU Ai-bin, CHEN Wei ，XIE You-bai1 Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049 Abstract In order to generally analyze the perance of continuous miner, a intelligent design plat based expert system and parametric modeling was proposed. The fame structure and its major components are introduced. Every function module of the plat is given detailed account. The plat is developed based VB.Net using Solidworks and ADAMS as computing engines. The accuracy of the plat was validated taking a 65t continuous miner for test. Results show this intelligent design plat can provide a comprehensive assessment of walking mechanism of continuous miner, improve the speed and accuracy of product development , and lower the development expenses. Keywords continuous miner; intelligent design ; virtual prototype 作者简介作者简介宿月文，男，1979 年生，博士研究生，主要研究方向是现代设计理论与应用研 究，摩擦学设计研究。