攪拌混合設備三維參數化CAD 系統的研制

李玉林， 吳偉中， 吳群雄， 劉德波

（1. 河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450007； 2. 黃河科技學院，河南 鄭州 450005）

攪拌混合設備在食品工程、化學工程、生物工程等行業中使用非常普遍，它們對工藝效果、產品質量有著重要影響。這類設備的設計包含很多定性分析和定量計算，過程較為繁瑣，往往需要反復修改多次甚至通過試驗方法才能獲得較理想的結果。盡管利用Aspen Plus 等流程模擬軟件能夠進行單元操作和工藝流程模擬[1]，但是它對設計人員的要求高，而且相關軟件的采購培訓費用不是一般工程建設單位、科研單位能夠承擔的。隨著生產工藝的逐步完善和成熟，攪拌混合設備的工藝參數、結構型式等趨于穩定，特別是在工藝操作條件相同僅處理量不同的情況下，這類設備往往只是外形尺寸、容積、功率大小的差別，設備的裝配結構、零部件數量及種類基本相同。這就為攪拌混合設備的標準化、規范化和模塊化設計提供了必要條件。本研究在深入分析各類攪拌混合設備的基礎上，提出了一種基于知識數據庫的三維參數化攪拌混合設備CAD 系統的實現思路和方法。

1 系統研制的目標

實際應用的攪拌混合設備由于工藝目的、介質相系多樣性等原因，一直以來缺乏完善的數學模型和可靠的理論計算方法[2]。因此，本系統立足于目前相對成熟的理論，從已被實踐證明切實可行的設計方案中篩選可靠的計算方法，這樣就避免了數據來源的可靠性問題。系統的整體研發則確定了以下目標：

（1） 符合有關國家標準、行業標準的要求；

（2） 基于流行的軟件系統架構開發，便于維護和擴展；

（3） 盡量充分利用已有的設計資料和設計經驗；

（4） 易學易用，自動化程度高，人工干預少；

（5） 具備較完善的自動推理和糾錯機制。

2 構建知識數據庫

系統最重要的準備過程是知識抽取，要根據現有的設計資料和經驗整理、抽取相關設備的單元操作模型，并在此基礎上構建設備設計總體方案。知識抽取包括兩大部分內容：

（1） 單元操作模型的確立和完善

對攪拌混合設備在整個工藝流程中所起作用做定性分析，并建立起該設備的數學模型。在相對成熟的工藝中，建立這樣的模型不是很復雜。

（2） 設備裝配結構的確立和完善

設備的工藝用途確定后，就可對設備的裝配結構進行確定和完善。常見的攪拌混合設備一般包含有如下部件：筒體、封頭、傳動裝置、攪拌裝置、軸封裝置、接管、附件（手孔、人孔、視鏡等）。設備的型式以立式為主。

以上兩部分內容中，顯然前者是最為關鍵的，必須在這里把設備的工藝用途和相關模型整理完善。由于設備的工藝應用較為成熟，有豐富的實際經驗可供參考，因此抽取和完善的過程可以簡化，不必采用更為復雜的ES 專家系統級別的知識表達機制[2]。系統把抽取后的知識組建成知識數據庫，以數據庫為核心來組織和驅動后續設備設計的過程。圖1 為系統知識數據庫構成情況。

圖1 知識數據庫構成

3 系統流程規劃

攪拌混合設備的具體設計大致包含工藝計算、設備設計和工程繪圖3 個階段。工藝計算是根據工藝要求基于知識數據庫進行工藝數值計算，包括物料衡算、熱量衡算、工藝參數選定等，其結果是進行設備結構設計和傳動設計的依據。設備設計完成后，由工程繪圖模塊完成CAD 模型的創建、修改，并創建相關零部件的工程圖。整個設計過程可以任意回溯，便于對不同的設計方案進行對比分析，從中選擇最佳方案。最終的設計結果則可以從中抽取關鍵數據，加入到知識數據庫，作為以后的設計知識使用。圖2 為系統流程規劃示意圖。

圖2 系統流程規劃

4 設備設計模塊

工藝計算后的設計方案作為設備設計的原始條件。首先從工藝模型數據庫中檢索確認和完成總體結構，再結合設備設計數據庫進行具體的零部件設計，主要的設計內容包括：

（1） 筒體和封頭設計

確定設備的容積、直徑和高度等關鍵尺寸，選擇封頭類型。根據設備介質特性選擇合適的筒體和封頭材料，計算筒體和封頭的厚度，并進行強度和剛度校核。

（2） 攪拌裝置設計

根據攪拌物料的容積、粘度、攪拌速度和攪拌目的等條件選擇合適的攪拌裝置，進行攪拌軸的強度和剛度校核，最終選定攪拌軸的直徑。必要時需進行臨界轉速的驗算。

（3） 傳動裝置設計

根據攪拌所需軸功率、功率損耗等確定電機功率，再由攪拌軸的轉速確定傳動比i，最終選定電機、減速機、機架、底座、聯軸器等傳動部件。

攪拌功率通常是根據算圖或圖表計算，或者通過類比法確定。本系統既可提供理論計算數值，也可從知識數據庫中檢索類似設計內容，供設計者參考選擇。

（4） 軸封裝置設計

選擇攪拌軸的密封裝置形式，如填料密封、機械密封、磁力密封。

（5） 其 它

包括設備的接管、人孔、手孔、視鏡、擋板等附件的選擇和設計。

完整的設計流程參見圖3。設計得到的結果保存到設計報表中，后續CAD 繪圖模塊從中讀取有關數據，繪制或自動生成設備工程圖。

圖3 設備設計流程

5 實例圖形數據庫

5.1 數據庫結構

在具體的設計過程中，往往已經積累了大量的圖紙資料，因此，除了整理完善相關工藝數學模型和力學模型外，系統還要構建實例圖形數據庫。圖4 為實例圖形數據庫的結構。

圖4 實例圖形數據庫

實例圖形數據庫及相關功能模塊相當于一個內置的PDM 系統，同一工況下已有的圖紙不必再重新生成，甚至不必重新設計，直接通過有關接口檢索并調用即可，而全新設計的設備也可通過該數據庫調用諸如電機、減速機、攪拌槳葉、機架、聯軸器、密封件、法蘭等標準圖形，實現了設備的模塊化、標準化設計，最終完成的圖紙又能作為新實例添加到實例設備數據庫中，充分利用設計成果，避免了多次重復設計。具體設計和繪圖流程參見圖5。

圖5 設計和繪圖流程

5.2 參數化標準圖庫

實例圖形數據庫既包含了可以直接調用的成熟設備圖紙，還包含有參數化標準圖形庫，并和相關CAD 系統自身的圖庫如資源中心等有機結合。參數化標準圖形庫是基于三維CAD 系統創建的，例如，INVENTOR 的iPart、iFeature 和iAssembly 技術[4]。這種參數化的三維圖庫可以做到“一次創建、永久使用”，而在其基礎上創建、生成的三維零件模型或裝配體，又可以在CAD系統內進行初步的有限元分析或動力學分析，必要時也可輸出到ANSYS 進行更深入的分析。

6 系統實現

系統基于Windows 平臺利用Visual Studio 2008 開發，知識數據庫基于Access 數據庫管理系統構建，設計報表和設計結果文檔則保存為EXCEL 表格。

全新開發CAD 系統的難度大、代價高、兼容性差。市面上成熟的CAD 系統比較多，例如，設計人員常用的AutoCAD、PRO/E、SolidWorks、INVENTOR 等，所以設備零部件的模型和工程圖創建基于成熟CAD 系統開發是比較合理和恰當的。本系統的繪圖模塊基于INVENTOR 開發，這是考慮到以下幾個因素：

（1） INVENTOR 易學易用，界面友好，具有優秀的二次開發功能；

（2） 基于源于ACIS 技術的ASM 核心，支持變量化設計技術（參數化設計的擴展）；

（3） 具有“自適應”的裝配設計功能，能夠實現基于裝配關系的設計數據關聯，基于該功能進行二次開發可實現設備的自動化建模和裝配；

（4） 資源中心包含豐富的標準件圖庫，可以直接作為系統標準圖庫的一部分；

（5） 工程圖功能比較完善和優秀，和 AutoCAD 的兼容性是最好的（同為AutoDESK 公司的產品），工程圖能轉換成DWG 格式修改；

（6） 能夠較方便的輸出BOM 信息，為后續零部件的制造加工提供管理數據；

（7） 可以充分利用已有的DWG 圖紙資 源。

7 結 論

攪拌混合設備CAD 系統基于知識數據庫實現了工藝計算、設備設計和繪圖的流程化和標準化，設計效率比一般的設計手段更高，也易于保證設計質量；設計結果能夠保存到知識數據庫的機制提高了系統的可擴展性，減少了重復設計的工作量。實例圖形數據庫的應用則實現了設備設計和繪圖過程的參數化、標準化和規范化，創建工程圖更加快捷、準確，從而幫助設計人員把主要精力用在創新設計過程而不必花費大量時間去繪制圖樣。

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

[2] 賀匡國. 化工容器及設備簡明設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社, 2002. 995-1069.

[3] 王嘉駿, 馮連芳, 顧雪萍, 等. 攪拌設備化工設計系統的混合知識表達機制[J]. 計算機與應用化學, 2000, 17(5)： 394.

[4] 陳伯雄, 董仁揚, 張云飛. AutoDESK INVENTOR Professional 2008 機械設計實戰教程[M]. 北京： 化學工業出版社, 2008. 11-23.