高炉泥炮打泥机构智能型计算机辅助设计

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.s2.015 第16卷增刊 北京科技大学学报 VoL 16 1994年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nom.1994 高炉泥炮打泥机构智能型计算机辅助设计 卞致瑞 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要提供了一种机械设备的智能型计算机辅助设计系统，它的特点在于，根据设备设计各个阶 段的特点，分别采用了智能推理、类比设计的人工智能选型、机械罩件常规的设计计算及零件的 优化设计. 关键词高炉泥炮，机械设计 中图分类号TF321.5.TH122 The Intelligent CAD for the Plugging Device of Blast Furnace Mud Gun Bian Zhirui Mechanical Engineering College,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT An intelligent CAD system for an mechanical equipment is addressed in this paper.According to the differences of various design steps,some methods are adopted in this system,such as intelligent reasoning engine,analogical design,normal design and optimized design for equipment parts. KEY WORDS blast furnace mud gun,mechanical design 根据高炉的具体情况配备理想的泥炮，不但要依靠一些成熟的参考计算公式，而且要利 用经验性较强的技巧性知识和半经验半理论的知识，而后者只有丰富的领域专家才能很好地 把握，其中经验性较强的知识，在设备选型的初级设计阶段，有效性更为突出，因此，利用 专家知识，建立智能型高炉泥炮计算机辅助设计系统，对于提高设备设计水平，减少设计工 作量，缩短设计周期，有十分现实的意义· 打泥机构是泥炮最基本的组成部分，也是各类泥炮必不可少的部件·本文以建立打泥机 构智能型计算机辅助设计为例，探讨这种系统的内容、基本层次结构和功能， 1 基本结构 系统由3部分组成：①智能选型；②参数计算；③参数化绘图· 控制结构依据“设计一评价一再设计”的基本策略，按照不同的功能，将系统设计成 独立的模块，如图1所示· 1994-03-01收稿 第一作者男44岁副教授项士

第 卷 增刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 疏 示 高炉泥炮 打泥 机构智能型计算机辅助设计 卞致瑞 北京 科技大 学机械 工 程 学 院 ， 北 京 〕 】 摘要 提供 了 一 种机械设备 的智 能型 计算机辅助 设计系 统 它 的特点 在于 ， 根据设备设计各个阶 段 的特点 ， 分别 采 用 了 智能 推理 、 类 比设计 的人工 智 能 选型 、 机械零件 常规的设计计算及零件的 优化设计 关挂词 高炉 泥炮 ， 机械设计 中图分类号 下 ， ’ 刀王 习 川沈 锣 ， ， 氏石毗 兀旧 ， 巴 蓝℃ 叫 心涨过 刀 汪 代泊昭 ， 记 回 邓 ， ， 让 在对 叹 记 万 ， 以 根据 高炉 的具 体情 况 配备理 想 的泥炮 ， 不 但要 依靠 一 些 成熟 的参考计算公 式 ， 而且要 利 用经验性 较强 的技 巧性 知识 和 半 经验半 理论 的知 识 而 后 者 只 有 丰 富 的领域 专家才能很好地 把握 ， 其 中经验性较强 的知 识 ， 在设 备选 型 的初级 设计 阶段 ， 有 效性更 为 突 出 因此 ， 利用 专家知识 ， 建立智 能型 高炉 泥炮 计算 机辅助 设计系 统 ， 对于 提 高设备设计水平 ， 减少设计工 作量 ， 缩短设计周期 ， 有 十分 现 实 的意 义 打泥机构是 泥炮最基 本 的组成部分 ， 也 是各类 泥炮 必 不 可 少 的部 件 本文 以 建立 打泥 机 构智能型计算机辅助设计 为例 ， 探讨这 种 系 统的 内容 、 基 本层 次结 构 和功 能 基本结构 系 统 由 部分组成 ① 智能 选 型 ② 参数计算 ③ 参数化绘 图 控制结构依据 “ 设计 一 评价 一 再设计 ” 的基 本策 略 ， 按 照 不 同 的 功 能 ， 将 系 统设计成 独立 的模块 ， 如 图 所示 卯礴一 一 收 稿 第一作者 男 岁 副教 授 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．s2．015

·68· 北京科技大学学报 人机对话接口模块 初步选型设计模块 No 初步评价模块 数据库 知识库 解 Yes 参数计算详细设计使块 器 评价模块+ 输出方案模块 图1控制结构图 Fig.I Structure chart of controi (1)人机对话接口模块：从该模块，设计人员以屏幕提示的方式输入机构的使用环境和 要求，例如：高炉容积、高炉压力、风口平台高度，计划投资多少等等， (2)初始选型设计模块：此模块设计也可称作为推理机，它根据用户给定的使用要 求，利用知识库中的规则，求出驱动装置类型、驱动油缸运动方式、泥缸外形及过渡管形式 等，进行各部位“拼装”，准备进入下一模块， (3)初步评价模块：对设计结果进行评价和分析，若不符合设计要求，回溯到需要修 改的深度，修改后再评价，如果所选方案各部件都不符合要求，回溯到顶层，修改初始条件 后再选择.根据使用者意愿，也可在方案选定时人为干预，从而产生另一种可行方案，使设 计者参与挑选比较，并通过解释器对所选方案阐述理由， (4)参数计算，详细设计模块：对所选部件进行详细计算、优化设计和强度校核， (5)评价模块：再评价是否满足使用要求，如不满足，回溯重新选型。 (6)输出方案模块：输出图纸。 2智能技术 智能技术主要用于设备选型阶段.知识库分为初始选型和结果评价两部分·这样求解时可 以缩短历程，知识库采用框架结构.据国外统计，新的机械设备设计，60%以上是现有机 械设计的再使用，为使方案设计更可靠，采用Case一based Reasoning方法，将现有泥炮打 泥机构的若干种方案，通过分解分类、归纳，以不同的部件存于知识库中，便于类比设计， 根据功能不同，炮身各部件分解为4部分，每个部分都有多种系列不同的规范化结构和 尺寸.见图2. 知识库中每一客体用数组结构表示： struct object char name [80];

人 机 对话接 口 模块 初 步评 价模块 数据库 知 识库 解 释 器 亘到 － 十 输 出方 案模块 图 控制结构 图 电 加匹加代 坦 万山 人机 对话 接 口 模 块 从该模块 ， 设计人员以 屏幕提示 的方式输 人 机构 的使用 环 境 和 要 求 ， 例如 高炉 容 积 、 高 炉压 力 、 风 口 平 台高 度 ， 计划 投 资多 少等等 初 始 选 型设计模 块 此 模 块 设 计 也 可 称 作 为 推 理 机 它 根 据 用 户 给 定 的使 用 要 求 ， 利 用 知 识库 中的规则 ， 求 出驱 动装 置类型 、 驱 动油 缸 运 动方 式 、 泥 缸 外 形 及 过渡 管形式 等 ， 进行 各部 位 “ 拼 装 ” ， 准备进 人 下 一模 块 初 步评 价模 块 对设计结 果 进行评价 和分 析 ， 若不 符 合设 计 要 求 ， 回 溯 到 需 要 修 改 的深 度 ， 修改 后再评价 ， 如果 所 选方 案各部件都 不符合要 求 ， 回溯到 顶层 ， 修 改初 始条件 后 再 选 择 根 据使用 者意愿 ， 也可 在方 案选定 时人 为干 预 ， 从而 产 生另 一 种可行方 案 ， 使设 计者参 与挑 选 比较 ， 并 通 过解 释 器 对所 选方 案 阐述理 由 参数计算 ， 详 细 设计模 块 对所 选部 件进行 详细 计 算 、 优化设计 和强 度校 核 评 价模 块 再评 价是 否 满 足 使用要 求 ， 如不 满 足 ， 回 溯 重新 选 型 。 输 出方 案模 块 输 出图纸 。 智能技术 智 能技 术 主要 用于 设 备 选 型 阶段 知 识库分 为初始选型和结果评价两部分 这样求解 时可 以缩短 历程 知识 库采 用 框 架结构 据 国外 统计 ’ ， 新 的机 械设 备设计 ， 以 上 是 现有 机 械设计 的再使用 为 使方 案设 计 更 可 靠 ， 采 用 一 服 方 法 ， 将 现 有 泥 炮 打 泥机构 的若 干种方 案 ， 通 过 分 解 分类 、 归纳 ， 以 不 同的部 件存于 知 识库 中 ， 便 于类 比设计 根 据功 能 不 同 ， 炮 身各部件分解 为 部 分 ， 每 个部分 都有 多种 系列 不 同的规范化结 构 和 尺寸 见 图 知 识库 中每 一 客体用 数组 结 构表 示 喊 【

卞致瑞：高炉泥炮打泥机构智能型计算机箱助设计 ·69· struct attribute alist /pointer to list of attribute }ob; struct object k base [MAX];/holds the knowledge base * struct attribute char attrib [80]; struct attribute next /use linked list at; 其中包括客体名称和属性表.客体表示各个不同层次的零部件，属性表有大有小，不能确定 属性数目，故采用链表数据结构， 推理方法用反向推理和正向推理相结 出泥口位置居中 合的方式，由用户提出的使用要求，先以 前过波段 出泥口位置下偏 反向推理方法，求出打泥机构设备类型， L出泥口与泥缸圆周相切 然后再以此为驱动数据，通过正向推理， 厂细长 得出拼装的可行设计方案，并通过回答系 一泥缸段 一粗 统询问，找出重复解，供设计者人为干预 炮身 儿中粗 参加选择， 厂缸运动 油气)缸段一 由于机械设备设计结果的多样性，而 L杆运动 推理机首先搜索匹配出的解是位于知识库 厂法兰式 ·泥炮各段联接 前边位置的客体，因此、在构造知识库 L凸缘式 时，应将设计者认为最佳的结果放在知识 图2炮身各部位分体图 库的前边·多重解是以知识库建造者的优 Fig.2 Different parts of barrel 劣评判标准为次序出现的，如：对于容积 较小的常压高炉，推荐使用泥缸尽量细长的方案，这样、一方面由于炮嘴直径接近泥缸直径， 可减小泥缸与炮嘴之间过渡管形状变化所产生的推力损失，另一方面，使用了大直径的油缸 活塞，可降低液压系统压力，减少系统投资和维护费用，甚至可用气缸代替油缸，投资将更低· 3主要计算 计算主要存在于详细设计模块， 以类比方法确定了设备方案后，对设备王要参数按常规机械零件计算方法计算，得出可 行数据，以此为初始点，再对参数进行优化设计.将设备投资及运行维护费用定为最小目标 函数，建立数学模型，这个目标函数的结果、也作为设备评判标准之一，设备投资这项指标 实际包含了设备的重量和零件加工复杂程度两部分内容，在计算公式中，各种不同的部件都 给定了加工复杂程度系数，此系数基本反映了零件加工费用的大小· 优化后，还要对零件进行校核， 4结束语 高炉泥炮打泥机构智能型计算机辅助设计是一种机械设备的智能计算机辅助设计系统， （下转74页)

卞 致瑞 高 炉 泥炮 打泥 机 构 智 能 型计算 机辅助设计 刀 掀 一 【 」厂 加 厂 其 中包括 客体名称 和 属性 表 客 体表示 各个 不 同层 次 的零部 件 属性 数 目 ， 故采用 链 表 数据结 构 推理方 法 用 反 向推理 和 正 向推理 相 结 属性 表 有大 有小 ， 不 能 确定 出泥 口 位置居 中 出泥 日 位置下 偏 出泥 与泥 缸 圆周 相 切 细 长 粗 中粗 缸 运 动 杆运 动 法 兰 式 凸 缘 式 段 一段联 一 ︸一接一 段动渡 缸段一 泥油﹄ 过缸炮广各 ‘ 炮 身 州卜匕 合 的方 式 由用 户提 出的使用要 求 ， 先以 反 向推理 方 法 ， 求 出打 泥 机 构 设 备 类 型 ， 然后再 以此 为驱 动 数据 ， 通 过 正 向推 理 ， 得 出拼 装 的可 行设计方 案 ， 并 通 过 回答 系 统询 问 ， 找 出重复解 ， 供设计 者 人 为干预 参加 选 择 由于 机械设 备设计结 果 的多 样性 ， 而 推理 机 首先搜 索 匹 配 出的解是 位 于 知 识库 前 边 位 置 的 客 体 因 此 ， 在 构 造 知 识库 时 ， 应将设计 者 认 为最 佳 的结 果放 在 知识 库 的前边 多 重解 是 以 知识库建造 者 的优 劣评判 标 准 为次序 出现 的 如 对于 容积 图 巍 炮身各部位分体 图 肠伍州田 钾允 甘代 较小 的常压 高炉 ， 推荐使 用泥 缸 尽量细长的方案 这样 ， 一方面 由于炮 嘴直 径 接 近 泥缸 直 径 ， 可 减小 泥缸 与炮 嘴之 间过 渡 管形状 变化所 产 生 的推 力损 失 ， 另一方 面 ， 使用 了大 直 径 的油 缸 活塞 ， 可 降低液压系统压力 ， 减 少系统投资和维护费用 甚至可 用气缸 代替油缸 ， 投资将更低 主要计算 计算 主要存 在于 详 细设 计模块 以类 比方法 确 定 了设备方 案后 ， 对设 备 王 要 参数按 常规机 械零 件计算方 法计算 ， 得 出 可 行数据 ， 以此 为初 始点 ， 再 对参数进行优 化设计 将设 备投 资及 运 行 维 护费用定 为最 小 目标 函数 ， 建 立 数学模 型 这 个 目标 函 数 的结果 ， 也作 为设 备评判 标 准 之 一 设 备投 资这 项指标 实 际包含 了设备 的重量 和零 件加 工 复杂 程 度 两部 分 内容 在计 算公式 中 ， 各 种 不 同的部 件都 给定 了加 工复杂程 度 系数 ， 此 系数基 本反 映 了零 件加 工 费用 的大 小 优化后 ， 还要 对零 件 进行 校 核 结束语 高炉 泥炮 打泥机构智 能型计算机辅助设计是 一 种 机械 设 备 的智 能 计 算 机 辅 助 设 计 系 统 下 转 页

·74· 北京科技大学学报 2 (a) b) 7 ( (d) 图4又关网格形成 参考文献 1 Kardestuncer H Norrie D H.Finite Element Handbook.McGRAW-HILL BOOK COMPANY,1987 2康贵信，邹家样.有限单元法极其在冶金机械中的应用.北京：冶金工业出版社，1991 3朱以文，有限元专用CAD系统ViCd及其使用，水电部天津勘探设计院，北京四通集团武汉四 通公司，1991.9 的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的的钟的的的的的的的钟的响响 (上接69页) 它的特点在于：根据设备设计的各个阶段的特点，分别采用了智能推理、类比设计的人工智 能选型方法、机械零件常规的设计计算及零件的优化设计.做为一个尝试和研究，把现代计 算机技术和工程设计结合起来，从而提高了设计自动化和现代化程度· 参考文献 1 Bardasz T.Zeid I.Cognitive Model of Memory for Mechanical-design problems.Computer-aided Dsim,1992,24(6):327 2徐金梧.Turbo C使用大全，北京科海培训中心，1990 3王群等，机械设计专家系统的实现，机械设计，1992(3)：5

。 。 北 京 科 技 大 学 学 报 伪 琶井“ ‘ 图 叉关网格形 成 参 考 文 献 别 切以叉 们巴 面 】 蓝泊 洲〕 一 』 侧 ， 康贵信 ， 邹 家祥 有 限单元法 极 其在 冶金 机械 中的应用 北京 冶金工 业 出版社 ， 卯 朱 以 文 有 限元 专用 系 统 访 〔 妞 及 其 使 用 水 电部 天 津 勘 探设计 院 ， 北 京 四 通 集 团武 汉 四 通公 司 ， 卯 械 》 令补 侧和卜令卜 峭共 》 叫 树 加 《 吨冷均令均令 州械》 今卜畔冷供 加叫共 卜 侧械加侧和卜 叫 械卜咬冷 侧 耗 ， 叫树 ， 材 ， 侧 械卜树 知 今卜 枷卜 侧 挑 卜 今卜 械知侧 拱知 怜均令 侧和卜 侧 械卜侧 械 ， 今卜峭冷今卜 械》 今卜 州羚 叫羚 卜 上 接 页 它 的特 点在 于 根 据设备设计 的各个 阶段 的特点 ， 分别 采 用 了智能推理 、 类 比设计 的人工智 能选 型方法 、 机 械零件 常规的设计计算及零 件 的优化设计 做为一个尝试和研究 ， 把现代计 算 机技术 和 工程 设计结合起来 ， 从而提 高 了设计 自动化和 现代化程 度 参 考 文 献 泊川朋 ， 及 娜 二 司 习一 七 日汀巧 卜 夭‘ ， 卯 ， 徐金梧 使 用 大 全 北 京科 海培 训 中心 ， 男 王 群等 机械设计 专家 系 统 的 实现 机 械设计 ， 卯