随着我国经济的持续发展, 各种金属、非金属、化工矿物等物料的社会需求量和生产规模的日益扩大, 需要破碎的物料量迅速增加, 因此, 破碎机的需求也越来越大。自20世纪50年代起, 我国开始生产颚式破碎机, 在破碎机的设计方面经历了类比、仿制、图解法设计等阶段, 目前正处于向计算机辅助设计阶段过渡。由于破碎机设计的不确定因素很多(如物料的硬度及给料方式等), 所以通常以按经验公式设计为主, 很难作出精确的理论计算。随着计算机技术的发展, 如何将前人积累下来的经验转变为可重用的设计知识, 借助于先进的三维计算机辅助设计系统软件, 将传统设计计算、方案优化与三维参数优化设计、动态分析等集成在1个应用软件里, 已成为提高颚式破碎机设计水平的重要环节。国内现有的破碎机计算机辅助设计系统的研究大部分是在AutoCAD 的二维环境下研制的, 也有少数学者以低端的三维CAD 软件如So lidWorks为基础平台进行了相应的研究, 这些系统虽然在一定程度上缩短了产品设计的周期, 节约了人力物力, 改善了产品的设计质量, 但是其自动化程度、知识融合等方面还有欠缺, 对使用这些系统的设计人员素质也有很高的要求。再从知识工程研究角度来看, 任何产品的设计都是知识驱动的创造性过程, 国内外已有大量成功应用KBE 技术与方法于产品设计的先例, 但是将知识工程的原理、方法与技术运用到颚式破碎机设计中的研究报道几乎未见。
针对上述情况, 以NX系统软件为平台, 运用知识工程的基本原理, 将知识工程的实用技术、NX 产品系统工程设计方法及NX 二次开发技术**地结合起来, 研究开发了基于NX 的PE 型颚式破碎机快速设计系统。
PE型颚式破碎机快速设计系统流程
PE 型颚式破碎机是集国内外同类产品的成功经验, 为矿山、采石场和筑路等工业部门专门设计的岩石破碎机, 该产品规格齐全, 给料粒度从210 mm到1 200 mm, 破碎物料的抗压强度可达300MPa, 是初级破碎的可以选择设备。
针对PE 型颚式破碎机的设计特点, 项目组确定了图1所示的系统结构与工作流程图。系统以知识库、数据库为基础, 运用所获取知识进行颚式破碎机的快速设计。在必要的时候, 也可以在系统中对知识库进行有关知识的操作。这种知识在总体上融合于产品模板中, 它包括成熟的PE 型颚式破碎机产品、PE型颚式破碎机设计标准、有关工程数据、*经验、科研结论等各种形式的知识。在进行产品设计时, 系统中嵌入了设计推理和设计过程引导机制, 故只需设计者根据设计过程的引导通过人机界面按定单输入用户对产品的要求, 例如进料口宽度、长度、啮合角等主要工程参数, 进行简单的操作, 推理机就会运用这些事实与知识库中的每个规则的前提部分依次进行匹配, 将该规则的结论部分作为新的事实加入到产品设计过程中。整个设计基于系统工程方法, 从产品配置推理、总体设计、部件设计到零件设计逐层深入, 并驱动数据库进行相应更新, 直到完成产品所有零部件设计, 最后以产品的装配形式提供给设计者进行设计质量审核, 如果审核成功,则可以自动生成工程图、BOM 表及其他; 如果设计人员需要针对本次设计进行零部件的局部修改, 则可以人工修改对应部件的相关参数重新更新模型;如果设计者希望这种修改能被以后的设计所使用,则可以通过知识管理器对知识库中的知识进行添加或修改, 知识管理器自动将这种修改保存到知识库中, 同时驱动数据库更新模型, 并保证下次自动智能设计时自动选用这种修改。
PE型颚式破碎机快速设计系统关键技术
知识库的建立
实现PE 型颚式破碎机快速设计系统的关键之一是建立完善的知识库系统, 包括知识挖掘获取、分类和存储。在PE 型颚式破碎机设计过程中, 有两种不同类型的知识, 一种是明确规范的知识, 一般来自理论、书本或文献, 是该领域*同的一些专业知识, 该类知识的获取比较容易; 另一种是启发式知识, 即*解决问题的经验, 常带有某种主观性、随意性和模糊性, 它们是关于如何利用**种知识进行破碎机设计的知识, 将这部分知识概念化, 形式化, 是获取破碎机设计知识的难点所在。系统研究中, 针对PE 型颚式破碎机的设计特点, 将设计知识进一步细分为公理知识、设计原理性知识、设计流程知识、推理判断性知识及产品结构知识。
(1)公理知识。公理知识包括来自设计标准、手册、规范及国内外成熟产品的范例等相关知识。如客户对破碎机的性能要求、破碎机的主要型号参数、产品设计的国内外标准等。
(2)设计原理性知识。颚式破碎机设计具有规范化、模块化等特点, 破碎机及各部件的很多设计问题已归纳出具体的数学模型, 如破碎机电机功率的确定、动颚偏心主轴转速的计算、飞轮与齿板等零件的尺寸确定与强度校核、轴承及带轮的计算与选择等。
(3)设计流程知识。主要指颚式破碎机的设计步骤、结构参数的设计、破碎腔及机构的设计、动颚部件与机架结构的分析及评价标准等。
(4)推理判断性知识。推理判断性知识是解决破碎机设计过程中特定问题的经验知识, 是*长期从事破碎机设计工作的知识和经验的总结。如根据进料口尺寸确定钳角、动颚摆动行程与偏心轴的偏心距、破碎腔高度、破碎腔形状等。
(5)产品结构知识。产品结构知识主要反映产品模块划分, 产品中零件的几何结构、尺寸, 以及零件之间的空间约束关系、装配关系等, 设计中主要涉及到动颚、机架、齿板、肘板的结构设计。建立知识库的过程, 就是将获取的知识进行表达与管理。有效的知识表示方式是实现知识融合及知识重用的关键。在颚式破碎机快速设计系统的知识表示中, 采用了机械产品设计中常用的产生式规则、框架及面向对象3种知识表示方法。如在偏心主轴强度设计中, 其规则表示为: If偏心主轴轮的转速较大, THEN 采用扭转强度校核, E lse 采用弯曲强度校核。框架表示。对PE 型颚式破碎机的主要结构参数, 其框架表示: 框架名为PE600×900 同类槽为PE1200× 1500, 进料口尺寸为600mm×900mm, 较大进料粒度为500mm, 排料口调整范围为65~ 160mm。面向对象的知识表示。如颚式破碎机齿板设计中齿板对象类的定义, 齿板数据集合是指齿板的设计参数、精度、齿形、材料等,齿板操作方法是指齿板的结构设计、强度计算及二维工程图的绘制。
NX系统工程产品设计方法
实现PE 型颚式破碎机快速设计系统的关键之二是建立适合于快速设计的产品级参数驱动的PE型颚式破碎机三维数字化模板。对于像破碎机、汽车、飞机等大型复杂产品, 往往包含成千上万个零件, 其内部结构复杂、零部件间关联性很强。为了便于产品设计的管理, 使得产品设计更加方便快捷, 易于实现模型总体装配的快速更新, 完成产品的系列化及变型产品的快速设计, 需要采用NX 系统工程产品设计方法NX WAVE技术。该技术起源于车身设计, 成功地解决了复杂产品设计中产品级的参数驱动问题, 可以在产品级设计中控制零部件, 为产品设计团队的并行协同工作提供了一个良好的环境。把概念设计与详细设计的变化自始至终地贯穿到整个产品设计过程中, 使得产品设计的定义、控制和评估成为可能。系统工程方法与自**向下设计方法类似, 但采用模块化设计技术, 将一个大型复杂产品分解为总体控制结构和若干具有关联性的子系统, 避免了过于庞大的装配结构。如图2所示为采用NX 系统工程方法进行PE型颚式破碎机产品数字化模板设计的规划图。根据破碎机的结构、功能以及各部分的连接关系, 将PE型颚式破碎机产品划分为定颚部、动颚部、机架部、调整装置、保护装置及其他附件6大模块。通过总体设计可以对破碎机总体布置设计建立一个总体控制结构, 包括各个模块所在的位置平面, 破碎机的长、宽、高等尺寸信息; 对各个系统可再建立各自的子系统, 如动颚部子系统的动颚、偏心轴系等, 可以对子系统建立子控制结构, 如动颚子控制结构可包括偏心轴系所在位置中心线, 动颚草图、动颚安装位置平面等; 对不需要进行再次细分的子系统的各个零件, 可以通过产品相关设计信息关联发布的方法进行各个零件结构的详细设计。
工程应用实例
图3所示为该PE 型颚式破碎机快速设计系统的引导式调用菜单。图4为开发的PE 型颚式破碎机快速设计系统正在进行PE600×900颚式破碎机数字化模型的更新。
工程实践表明, 该系统可以实现PE 型颚式破碎机的系列化产品快速设计。在输入不同型号产品的各自工程参数之后, 系统可以在10~ 15m in内自动完成产品三维模型的更新设计, 并自动更新出基本符合国标、只需少许修改即可输出用于指导生产的二维工程图。在使用该系统后, 新产品的设计周期缩短80% ~ 90% , 从原来半个月左右减少到1.5~ 2个工作日, 设计成本降低40% ~ 50% 。所以很明显, 该系统成功地实现了三维环境下的设计并大大提高了设计效率。
充分利用NX系统工程设计方法的优点建立了PE 型颚式破碎机的三维参数化模板, 基于VC+ + 、NX Open API、U ISty ler及KBE 等技术开发了基于NX 的PE 型颚式破碎机快速设计系统。使得设计过程简洁明了, 减少了设计时间和新产品开发周期, 同结构类型产品只需变更参数就可以简单实现参数化快速设计, 新类型产品也只需要对三维参数化模型做相应修改即可实现, 在企业需求的时间内快速开发出合格的产品。
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