搅拌混合设备三维参数化CAD 系统的研制

李玉林， 吴伟中， 吴群雄， 刘德波

（1. 河南工业大学机电工程学院，河南 郑州 450007； 2. 黄河科技学院，河南 郑州 450005）

搅拌混合设备在食品工程、化学工程、生物工程等行业中使用非常普遍，它们对工艺效果、产品质量有着重要影响。这类设备的设计包含很多定性分析和定量计算，过程较为繁琐，往往需要反复修改多次甚至通过试验方法才能获得较理想的结果。尽管利用Aspen Plus 等流程模拟软件能够进行单元操作和工艺流程模拟[1]，但是它对设计人员的要求高，而且相关软件的采购培训费用不是一般工程建设单位、科研单位能够承担的。随着生产工艺的逐步完善和成熟，搅拌混合设备的工艺参数、结构型式等趋于稳定，特别是在工艺操作条件相同仅处理量不同的情况下，这类设备往往只是外形尺寸、容积、功率大小的差别，设备的装配结构、零部件数量及种类基本相同。这就为搅拌混合设备的标准化、规范化和模块化设计提供了必要条件。本研究在深入分析各类搅拌混合设备的基础上，提出了一种基于知识数据库的三维参数化搅拌混合设备CAD 系统的实现思路和方法。

1 系统研制的目标

实际应用的搅拌混合设备由于工艺目的、介质相系多样性等原因，一直以来缺乏完善的数学模型和可靠的理论计算方法[2]。因此，本系统立足于目前相对成熟的理论，从已被实践证明切实可行的设计方案中筛选可靠的计算方法，这样就避免了数据来源的可靠性问题。系统的整体研发则确定了以下目标：

（1） 符合有关国家标准、行业标准的要求；

（2） 基于流行的软件系统架构开发，便于维护和扩展；

（3） 尽量充分利用已有的设计资料和设计经验；

（4） 易学易用，自动化程度高，人工干预少；

（5） 具备较完善的自动推理和纠错机制。

2 构建知识数据库

系统最重要的准备过程是知识抽取，要根据现有的设计资料和经验整理、抽取相关设备的单元操作模型，并在此基础上构建设备设计总体方案。知识抽取包括两大部分内容：

（1） 单元操作模型的确立和完善

对搅拌混合设备在整个工艺流程中所起作用做定性分析，并建立起该设备的数学模型。在相对成熟的工艺中，建立这样的模型不是很复杂。

（2） 设备装配结构的确立和完善

设备的工艺用途确定后，就可对设备的装配结构进行确定和完善。常见的搅拌混合设备一般包含有如下部件：筒体、封头、传动装置、搅拌装置、轴封装置、接管、附件（手孔、人孔、视镜等）。设备的型式以立式为主。

以上两部分内容中，显然前者是最为关键的，必须在这里把设备的工艺用途和相关模型整理完善。由于设备的工艺应用较为成熟，有丰富的实际经验可供参考，因此抽取和完善的过程可以简化，不必采用更为复杂的ES 专家系统级别的知识表达机制[2]。系统把抽取后的知识组建成知识数据库，以数据库为核心来组织和驱动后续设备设计的过程。图1 为系统知识数据库构成情况。

图1 知识数据库构成

3 系统流程规划

搅拌混合设备的具体设计大致包含工艺计算、设备设计和工程绘图3 个阶段。工艺计算是根据工艺要求基于知识数据库进行工艺数值计算，包括物料衡算、热量衡算、工艺参数选定等，其结果是进行设备结构设计和传动设计的依据。设备设计完成后，由工程绘图模块完成CAD 模型的创建、修改，并创建相关零部件的工程图。整个设计过程可以任意回溯，便于对不同的设计方案进行对比分析，从中选择最佳方案。最终的设计结果则可以从中抽取关键数据，加入到知识数据库，作为以后的设计知识使用。图2 为系统流程规划示意图。

图2 系统流程规划

4 设备设计模块

工艺计算后的设计方案作为设备设计的原始条件。首先从工艺模型数据库中检索确认和完成总体结构，再结合设备设计数据库进行具体的零部件设计，主要的设计内容包括：

（1） 筒体和封头设计

确定设备的容积、直径和高度等关键尺寸，选择封头类型。根据设备介质特性选择合适的筒体和封头材料，计算筒体和封头的厚度，并进行强度和刚度校核。

（2） 搅拌装置设计

根据搅拌物料的容积、粘度、搅拌速度和搅拌目的等条件选择合适的搅拌装置，进行搅拌轴的强度和刚度校核，最终选定搅拌轴的直径。必要时需进行临界转速的验算。

（3） 传动装置设计

根据搅拌所需轴功率、功率损耗等确定电机功率，再由搅拌轴的转速确定传动比i，最终选定电机、减速机、机架、底座、联轴器等传动部件。

搅拌功率通常是根据算图或图表计算，或者通过类比法确定。本系统既可提供理论计算数值，也可从知识数据库中检索类似设计内容，供设计者参考选择。

（4） 轴封装置设计

选择搅拌轴的密封装置形式，如填料密封、机械密封、磁力密封。

（5） 其 它

包括设备的接管、人孔、手孔、视镜、挡板等附件的选择和设计。

完整的设计流程参见图3。设计得到的结果保存到设计报表中，后续CAD 绘图模块从中读取有关数据，绘制或自动生成设备工程图。

图3 设备设计流程

5 实例图形数据库

5.1 数据库结构

在具体的设计过程中，往往已经积累了大量的图纸资料，因此，除了整理完善相关工艺数学模型和力学模型外，系统还要构建实例图形数据库。图4 为实例图形数据库的结构。

图4 实例图形数据库

实例图形数据库及相关功能模块相当于一个内置的PDM 系统，同一工况下已有的图纸不必再重新生成，甚至不必重新设计，直接通过有关接口检索并调用即可，而全新设计的设备也可通过该数据库调用诸如电机、减速机、搅拌桨叶、机架、联轴器、密封件、法兰等标准图形，实现了设备的模块化、标准化设计，最终完成的图纸又能作为新实例添加到实例设备数据库中，充分利用设计成果，避免了多次重复设计。具体设计和绘图流程参见图5。

图5 设计和绘图流程

5.2 参数化标准图库

实例图形数据库既包含了可以直接调用的成熟设备图纸，还包含有参数化标准图形库，并和相关CAD 系统自身的图库如资源中心等有机结合。参数化标准图形库是基于三维CAD 系统创建的，例如，INVENTOR 的iPart、iFeature 和iAssembly 技术[4]。这种参数化的三维图库可以做到“一次创建、永久使用”，而在其基础上创建、生成的三维零件模型或装配体，又可以在CAD系统内进行初步的有限元分析或动力学分析，必要时也可输出到ANSYS 进行更深入的分析。

6 系统实现

系统基于Windows 平台利用Visual Studio 2008 开发，知识数据库基于Access 数据库管理系统构建，设计报表和设计结果文档则保存为EXCEL 表格。

全新开发CAD 系统的难度大、代价高、兼容性差。市面上成熟的CAD 系统比较多，例如，设计人员常用的AutoCAD、PRO/E、SolidWorks、INVENTOR 等，所以设备零部件的模型和工程图创建基于成熟CAD 系统开发是比较合理和恰当的。本系统的绘图模块基于INVENTOR 开发，这是考虑到以下几个因素：

（1） INVENTOR 易学易用，界面友好，具有优秀的二次开发功能；

（2） 基于源于ACIS 技术的ASM 核心，支持变量化设计技术（参数化设计的扩展）；

（3） 具有“自适应”的装配设计功能，能够实现基于装配关系的设计数据关联，基于该功能进行二次开发可实现设备的自动化建模和装配；

（4） 资源中心包含丰富的标准件图库，可以直接作为系统标准图库的一部分；

（5） 工程图功能比较完善和优秀，和 AutoCAD 的兼容性是最好的（同为AutoDESK 公司的产品），工程图能转换成DWG 格式修改；

（6） 能够较方便的输出BOM 信息，为后续零部件的制造加工提供管理数据；

（7） 可以充分利用已有的DWG 图纸资 源。

7 结 论

搅拌混合设备CAD 系统基于知识数据库实现了工艺计算、设备设计和绘图的流程化和标准化，设计效率比一般的设计手段更高，也易于保证设计质量；设计结果能够保存到知识数据库的机制提高了系统的可扩展性，减少了重复设计的工作量。实例图形数据库的应用则实现了设备设计和绘图过程的参数化、标准化和规范化，创建工程图更加快捷、准确，从而帮助设计人员把主要精力用在创新设计过程而不必花费大量时间去绘制图样。

[1] Aspen Technology, Inc[EB/OL]. http：//www.aspentech. com/

[2] 贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册[M]. 北京：化学工业出版社, 2002. 995-1069.

[3] 王嘉骏, 冯连芳, 顾雪萍, 等. 搅拌设备化工设计系统的混合知识表达机制[J]. 计算机与应用化学, 2000, 17(5)： 394.

[4] 陈伯雄, 董仁扬, 张云飞. AutoDESK INVENTOR Professional 2008 机械设计实战教程[M]. 北京： 化学工业出版社, 2008. 11-23.