（机械设计及理论专业论文）基于智能配置的岸边集装箱起重机设计技术研究.pdf

摘要 本课题来自上海市高等学校科学技术发展基金项目( 编号：0 2 i k l 0 ) 。 本学位论文是研究一种基于智能配置的岸边集装箱起重机设计技术，并以岸边集装箱起重机 大车部件为对象，应用相关技术提出起重机设计的产品配置方法，开发针对岸边集装箱起重机设 计的专门c a d 模块，实现由基本产品模型配置出新的派生的系列化产品，提高岸边集装箱起重机 设计的自动化程度。 针对岸边集装箱起重机的设计，本文分析了基于功能分解的产品族设计方法和基于变异的产 品族设计方法。在融合了规则推理和实例推理的基础上，设计了基于混合推理的岸边集装箱起重 机的产品配置器，构建了岸边集装箱起重机大车部件的图形库、实例库和知识库。建立了岸边集 装箱起重机大车部件配置系统的基本框架并对其系统功能模块进行了分析。最后，以集装箱起重 机大车部件为对象，实现了大车部件从零件到部件的整个配置过程。 论文研究方法是在美国s o l i d w o r k s 公司s o l i d w o r k s 软件提供的资源功能上进行二次开发， 开发适应于集装箱起重机设计的产品配置模块。在s o l i d w o r k s 系统界面环境中，利用系统提供 的资源进行实体造型，数据信息储存于系统数据库中，利用s o l i d w o r k s 系统提供的a p i 开发工 具，通过对系统数据库的访问，提取特征模型的数据信息，采用v b 语言编制各功能模块。 论文研究内容对大型港口机械自动化设计，提供一种新的理论和方法，以缩短产品开发周期， 提高产品质量和降低产品成本，满足各产品生命周期对产品模型的需求，推动企业制造过程的信 息化( 数字化) 进程。论文研究将对新型港口起重机的研究开发具有重要的实际意义和理论意义。 关键词智能c a d ：混合推理：产品配置：实例库；知识库 a b s t r a c t t h i st h e s i sc o m e sf r o mt h es c i e n t i f i c t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tf u n do fs h a n g h a ia d v a n c e d e d u c a t i o n ( n o ，0 2 1 k 1 0 ) t h i st h e s i si sa i m e dt or e s e a r c ht e c h n o l o g yf o rt h ec o n t a i n e rc r a n ed e s i g nb a s e do ni n t e l l i g e n t c o n f i g u r a t i o n ，a n dt a k ec o n t a i n e rc r a n e sg a n t r ya sam o d e l ，m a k eu s eo f r e l a t e dt e c h n o l o g yt os u g g e s t p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm e t h o do fc r a n ed e s i g n ，t od e v e l o ps p e c i a lc a dm o d e l sf o rc o n t a i n e rc r a n e d e s i g n s oc a l lr e a l i z ec o n f i g u r en e w s e r i a lp r o d u c tf r o mb a s i cp r o d u c tm o d e l s ，a n dp r o m o t e a u t ，o m a t i c l e v e lo f c o n t a i n e rc r a n e d e s i g n f o rt h ed e s i g no fc o n t a i n e rc r a n e ，p r o d u c tf a m i l yd e s i g nb a s e df u n c t i o n a l d e c o m p o s i t i o no f p r o d u c t s a n dv a r i a t i o ni s a n a l y z e d o nt h e b a s i co ff u s i n gr u l e - b a s e d r e a s o n i n ga n dc a s e - b a s e d r e a s o n i n g ，d e s i g nc o n t a i n e rc r a n e sp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nb a s e db l e n dr e a s o n i n g c o n s t r u c tac a s e d a t a b a s eo fc o n t a i n e rc r a n e sg a n t r y b u i l dac o n f i g u r a t i o ns y s t e m sb a s i cf r a m e w o r ko fc o n t a i n e r c r a n e so a n t r y , a n da n a l y z ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e m sf i m c t i o n a lm o d e l a tl a s t , w et a k ec o n t a i n e r c r a n e sg a n t r ya sam o d e l ，t or e a l i z et h ew h o l e c o n f i g u r ep r o c e s sf r o mp a r t st oc o m p o n e n t s i nt h i st h e s i sw et a k ea d v a n t a g eo fs o l i d w o r k ss o f t w a r e ，a n dt oh a v ef u r t h e r - d e v e l o p m e n to n r e s o u r c ef u n c t i o n sw h i c hs o l i d w o r k sh a v eo f f e r e d ，f o rd e v e l o p i n gp r o d u c t c o n f i g u r em o l d o fc o n t a i n e r c r a n e i nt h es u r r o u n d i n go fs o l i d w o r k ss y s t e mi n t e r f a c e ，m a k eu s eo fr e s o u r c e sw h i c h s y s t e mo f f e r e d t om o d e lf e a t u r e ，t h e ns a v ed a t ai n f o r m a t i o ni n s y s t e md a t a b a s e ，a n du s ea p id e v e l o pt o o lo f s o l i d w o r k s ，b yc a l l i n g o ns y s t e md a t a b a s e ，t oo b t a i nf e a t u r em o d e l sd a t ai n f o r m a t i o n u s ev b l a n g u a g e t oo r g a n i z ef u n c t i o nm o d e l t h i st h e s i sh a v ep r o v i d eak i n do fn e wt h e o r ya n dm e t h o df o ra u t o m a t i cd e s i g no f l a r g e - s i z e dp o r t m a c h i n e s ，i tc a ni m p r o v ea u t o m a t i cl e v e lo fp o r tc r a n e sd e s i g n ，s h o r t e nt h ep r o d u c t sd e v e l o pp e r i o d ， i n c r e a s ep r o d u c tq u a l i t ya n dd e c r e a s et h ec o s ta n dm e e tp r o d u c tm o d e l sn e e do fp r o d u c tl i f ec y c l e ， p r o m o t et h em a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o np r o c e s so fe n t e r p r i s e t h i st h e s i sw i l lh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a l a n dt h e o r e t i c a lv a l u ef o rt h er e s e a r c h d e v e l o p m e n t o f n e w p o r tc r a n e k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc a d ；b l e n d r e a s o n i n g ；p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ；c a s ed a t a b a s e ； k n o w l e d g e d a t a b a s e 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文 中除了特别加以拯注和致谢的地方外r 不包含其他人或鼬胡构已经苦毛襄或 撰写过的研究脎其他同志对本：研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并装示了谢意i 作耧名：缝塑整日期：丝丝! ： 本人同意e 海海运学院有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权 保留送变论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学；婀以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文保密的论 文在解密后遵守此规定 作者签名：日期：型叠：! 生：l d 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 产品配置技术简介 产品配置设计是指在标准化、系列化的基础上，根据客户需求，对产品的功能、 机构和部件等进行调配布置，从而提供满足客户个性需求的最终产品( 即配置产品) 的过程。产品配置过程是产品属性特征与客户需求的逐级匹配过程，也是一个逻辑类 产品逐步实例化的过程。 在产品实现层面，产品配置技术使大规模个性化生产成为一种新设计观念。按订 单设计使产品设计目的由单一产品设计转变为系列化设计，一个设计方案即一种产品 结构，表示一系列不同产品，产品结构通过各种不同组件之间组合描述。订单生产可 根据用户订单要求，提出产品体系结构，根据不同功能，加入不同部件。在元件层面 则允许根据可能的功能对元件进行系列组合。由此可见，产品配置过程是一个将多种 产品特征变量进行捕捉，并将其模型化为单一数据模型的过程。在产品销售层面，通 过精确理解用户具体需要，得出关于产品变量的完全描述，这一步骤称为产品配置。 其功能是对给定的用户要求及可提供的产品系列，在其间找出一个可行设计方案，配 置涉及选择和安排零件以配合约束。配置可定义为一类特殊设计，其藿要特征是设计 的结果只可按预定义的方式连接。配置的核心任务是选择和安排零件以满足一些特定 的要求。配置任务包括两个方面，就是其一般特征和所设计产品的特殊性。一般特征 包括对象的应用和它们之间的关系。所设计产品的特殊性包括产品必须满足其功能要 求，及尽可能的在达到要求的情况下优化尺度。结果会产生一系列所选的零部件和产 品的拓扑结构。 “产品配置”一词的英文“p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ”含义是“t h ea c to fm a n a g i n g t h ea r r a n g e m e n to fp a r t so fap r o d u c t ”，表示管理产品中零部件排列的行为。 将产品内部的所有零部件按照数量、性质及相互关系编组，称为产品配置。产品配置 的相关对象包括零部件、零部件版本以及样件。 ( 1 ) 零部件 零部件是产品配置管理中最重要的对象之一，是进行配置管理的基础。零部件作 为一个对象有自己的属性集，这些属性描述了零部件的不同方面，如工程几何属性、 供应商、价格、体积和重量等，其中比较重要的两类属性是装配接口和功能接口属性。 ( 2 ) 零部件版本 在产品设计过程中为了充分考虑零部件的加工条件和用户需求，往往会同时设计 第1 章绪论 多个零部件。同一零部件的多个版本具有相同的装配接口和功能接口属性，亦即就可 装配性和功能有效性而言，不同版本具有互换性。版本是零部件的实例化。零部件实 例也有自己的属性集，这些属性描述版本的有效性、状态等。 ( 3 ) 样件 样件是零部件的抽象，它代表了具有相似形状和功能关系的一个零部件特征集 合。这些零部件具有相同或者相似的功能。样件具有一组接口和功能参数，但并没有 具体取值。样件的实例化是零部件，实例化时通过限定参数取值确定样件实例。样件 之间的关系可分为装配数量关系和装配约束关系。装配数量关系表明相关的两个样件 在数量上的搭配。有3 种基本的数量关系：l ：1 、1 ：n 、n ：m 。1 ：1 表示某样件的1 个 实例可以和另一个样件的1 个实例相关；1 ：n 表示一个样件的实例可以和另一个样件 的多个实例装配在一起：同样地，n ：m 表示一个样件的多个实例与另一个样件的多个 实例之间存在装配关系。样件之间的装配约束关系分为物理约束和功能约束。物理约 束一方面指样件几何拓扑方面的要求，这可以通过一些c a d 系统进行验证，另一方面 是指样件之间的物理装配接口规则。功能约束主要是指样件之间的功能接口规则。 集装箱起重机械的产品设计是个性化、系列化设计，而目前采用的设计方法是采 用类比法，将以前设计过的图纸作修改来设计新的图纸，这种方法存在着大量重复劳 动。因而，采用产品配置技术来进行集装箱起重机械的设计是可取的。 1 2 产品配置及系列化设计的研究现状 在国外，z a h e ds i d d i q u e ，d a v i dw r o s e n 提出了一种用于生成产品及产品族 的配置推理系统( p f r sp r o d u c tf a m i l yr e a s o n i n gs y s t e m ) 。该系统提供了相关的 数学模型和工具，通过对企业中现有相似产品的目的设计空间、连接设计空间、装配 设计空间和通用设计空间的分析，经过实例推理后，得到通用的产品族设计平台配置 和基于该平台的相似产品配置。r a v i r a ju n a y a k ，w e ic h e n 等人。1 提出了一种基 于变异的产品平台设计方法( v a r i a t i o n b a s e dp l a t f o r md e s i g nm e t h o d o l o g y ) ， 其目的是在产品族设计过程中，通过最小的产品更改设计来满足产品族内一定范围的 性能需求。j e f f r e yb d a h m u s ，k e v i nn o t t o 等人8 7 提出了一种共享通用模块的产品 族设计方法。将各产品进行功能分解，画出各个产品及其产品族的功能结构图，图中 包括产品族内各种不同的功能模块及其相互关系：然后引入启发模块划分规则，即主 流、支流、转换传输流三种启发规则，实现从功能结构图向产品模块的映射，并通 过对模块矩阵的定性分析进行模块聚类，确定出具有通用和共性的功能模块，以此作 为产品平台。f r e e ke r e n s 等人研究了产品族的建模技术，并从概念和管理层次上 第1 章绪论 分析了关于产品族的一些关键要素；j x j i a o 等人。1 对产品族的建模问题进行了研 究，给出了面向大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 的产品族建模方法和过程， 但对机械产品开发中的某些关键因素却没有进行分析。 在国内，该领域的研究也极为广泛，西安交通大学朱斌，江平字“1 论述了大批量 生产与产品族设计的关系，提出了产品族设计系统框架，且对产品族设计的实现方法 进行了介绍。华中科技大学的张劲松，王启付等人”1 基于对产品模型的分析，介绍了 基于模型的产品配置过程，讨论了产品配置知识库的构建方法，提出了基于产品模型 的智能化配置框架，并给出了智能产品配置的推理求解步骤。大连理工大学刘晓冰等 人。1 针对大规模定制生产模式研究了一种面向产品族的建模技术，提出了产品族模型 的组成和表达方法；清华大学谭同德等人9 1 对产品结构设计的数据模型进行了研究， 提出了结构基元、结构变元的概念和结构变元设计，以结构变元为基础建立了产品结 构设计数据模型：哈尔滨工业大学钟诗胜等人“”对大型水轮机选型设计系统进行了研 究，把基于实例的推理技术引入水轮机选型设计，探讨了一个基于人工智能技术的水 轮机选型设计系统。另外，参数化建模是产品建模修改和变形设计的基础，也是设计 自动化所采用的关键技术之一。原武汉交通科技大学曾对港机参数化设计进行过研 究，但至今未能满足港机产品设计的实际需要。 目前产品配置技术方面的研究多数集中在大批量定制生产、产品族设计方面，而 关于单件小批量生产方面的研究不多，特别地，将产品智能配疑技术应用于大型集装 箱起重机设计，还未见有关报道。所以对此方面的理论工具或配置策略仍有待进一步 研究的需要。 1 3 论文选题依据及内容安排 集装箱起重机械生产是一种基于客户定单的典型单件小批量生产模式，这种生产 模式使得集装箱起重机械的产品设计趋于个性化、系列化。目前集装箱起重机械的产 品设计主要采用传统的设计方法和理念，生成2 d 工程图纸，3 d 模型设计还处于初级 阶段，在设计阶段仅考虑产品的功能要求，很少考虑产品生命周期中的其他阶段对产 品模型的需要，即使是一些国内外定制产品的图纸也是如此。更为重要的是，对于个 性化、系列化的产品设计，目前采用的主要方法是，根据客户定单的功能要求，采用 类比法对与定单相类似的图纸作修改设计，设计出新的产品图纸，这种设计方式存在 大量的重复劳动，影响了设计效率和质量的提高，影响了企业制造过程的信息化( 数 字化) 进程。 三维造型是产品设计的必然趋势，是制造过程各阶段的所需数字模型的必由之 第l 章绪论 路。在港口机械自动化设计方面，原武汉交通科技大学曾对港口机械的参数化设计进 行过研究，但至今未能满足港机产品设计的实际需要。在产品配置技术应用到港口机 械方面，至今没有任何有关报道。集装箱起重机主要由起重机粱、臂架、门架、旋转 和运行支承结构等钢架组成的间歇性的搬运机具，其中金属结构设计是起重机设计中 的一个关键环节，因而强度刚度约束是一个关键要素。基于上述原因，专门研究集装 箱起重机的产品配置策略和方法是必要的，该研究对于新型集装箱起重机的研究开 发，具有重要的实际意义和理论意义。本论文以产品三维模型为基础，提出一种基于 集装箱起重机设计的专门智能配最方法。该设计方法从一开始就考虑产品生命各周期 各阶段的需求信息，建立港机设计的原理模型、产品结构模型和智能配置器，根据客 户定单的功能要求和参数，最大程度的对历史设计模型进行动态配置，生成新产品的 零部件：若无法由配置器生成的零部件，则由设计者重新设计，并归入产品结构的数 据模型。 本论文内容安排如下：第1 章是绪论，主要介绍了智能配置技术，智能配置及系 列化设计的研究现状及论文选题依据；第2 章是对产品族设计方法的分析，介绍了产 品族设计的基本概念，基于功能分解的产品族设计方法在岸桥设计中的应用分析，和 基于变异的产品族设计方法在岸桥设计中的应用分析；第3 章是对岸边集装箱起重机 的智能配置器的研究，简单介绍了岸边集装箱起重机的设计过程，岸边集装箱起重机 的智能配置器设计，并构建了产品系统数据库；第4 章主要是对岸边集装箱起重机的 智能配置系统的设计，建立了智能配置系统的基本框架，简单介绍了s o l i d w o r k s 软 件的二次开发工具，和岸桥大车行走机构的智能配置系统设计与实现：第5 章以集装 箱起重机大车部件为例，实现大车部件的智能配置；第6 章是总结和展望部分。 第2 章产品族设计方法分析 第2 章产品族设计方法分析 2 1 产品族设计的基本概念 大批量定制生产是一种先进的制造哲理，需要有先进的产品设计方法支持。这种 环境下的产品设计不再是针对单一的产品进行，而是在产品的概念设计阶段就考虑一 族产品的设计，即产品族( p r o d u c tf a m i l y ) 设计，在满足客户个性化需求的同时， 实现生产规模的批量经济性，以达到低成本、高效率的目的。 产品族是以产品平台为基础，通过添加不同的个性模块，以满足不同客户个性化 需求的一组相关产品，产品族包括产品平台和由其衍生出的能满足客户不同需求的个 性化产品。产品平台是产品族的基础，是能够被某一系列产品共享的、可重用的模块 集合，一般具有相对稳定的结构，一个有效的产品平台是产品族的核心，是产品族内 相关系列产品的基础，它具有产品族内所有产品的共性特征。以产品平台为基础，并 且能够满足不同客户对产品特殊特征和功能需求的相关系列产品集合构成一个产品 族。 传统的产品族设计方法是为产品族内的每一个产品进行单独设计，或在已有产品 基础之上根据客户对所需产品功能和性能要求的差异，而进行简单的局部修改，经整 理、归类后而形成一个新的产品族。这样设计的产品往往缺乏零部件之间的通用性， 不宜实现标准化和模块化，其导致的结果必然是变异零部件增加、成本难以控制和利 润降低。 产品族设计的基本思想是开展“平台战略”，它旨在利用一个通用、成熟的产品 平台，通过匹配、色彩、性能等不同的定制模块，以最短的开发周期、最低的成本， 向市场提供不同系列的产品，以满足不同用户群的需求。 产品族设计框架可描述为如图2 一l 所示。 图2 - 1 描述了产品族设计的基本流程，从图2 - 1 中可以看出，产品族设计是从识 别客户和市场需求开始的，产品平台是产品族设计的核心，是衍生新的变异产品的基 础。一个完整的产品族设计框架，必须有新的产品族设计方法和产品族评价系统组成。 通过客户关系管理，客户可以对自己所关心的产品功能直接进行动态配置，并且客户 得到的最终定制产品，也能够通过客户将产品功能映射到产品族框架结构上。 第2 章产品族设计方法分析 图2 - i 产品族设计的基本流程 2 2 基于功能分懈的产品族设计分析 2 2 1 基于功能分解的产品族设计方法 基于功能分解的产品族设计方法，提出了将一系列产品在功能模块的基础上分为 通用模块和个性模块。注意在对产品分块时应将设计、制造、供应和生命周期方面的 标准这些因素都考虑进去。产品的功能分解有多种方法。f a s t ( v a l u ea n a l y s i s i n c o r p o r a t e d ，1 9 9 3 ) ，h a t l e y 和p i r b a h a i ( 1 9 8 7 ) ，以及其他功能逻辑框图都试图 来准确地描述产品。产品族的功能结构对辨别在产品族中的通用模块和个性模块是个 有效的工具。功能结构是组通过支流来连接的子功能。对于用户对产品的不同功能 要求，确定一个支流。然后在产品设计中追溯这一支流。不同的功能决定了这一支流 的流向。这样，就为产品概念生成了功能结构。对这些功能结构进行比较分析，考虑 满足产品设计通用化、标准化的要求，设法找到通用、个性模块，以此作为产品平台， 以适应大批量定制生产。功能分解包括以下内容： ( 1 ) 产品功能单元划分及其排列。按照产品中要求实现的不同功能来划分该产 品，并按照功能的重要性与否进行排列，首先考虑主要功能，然后考虑次要功能。 ( 2 ) 从产品功能单元到实际零部件的映射。对已经划分了各功能单元的产品， 实现各功能单元和实际零部件之间的映射。明确指出实现该功能的是哪一个或哪些零 部件，实现其他功能的又是哪一个或哪些零部件。 6 第2 章产品族设计方法分析 ( 3 ) 零部件之间的装配、连接规范( 模块耦合) 。各零部件之间的装配、连接涉 及各功能单元模块之间的耦合。模块之间耦合越强，一个模块的改变越会造成另一模 块的改变1 。这就要求设计人员必须了解该产品的基本技术和该产品的总的布局，从 而确定这些模块是怎样耦合的。 2 2 2 基于功能分解的产品族设计方法在岸桥设计中的应用分析 在集装箱起重机设计中，我们可以利用基于功能分解的产品族设计方法。首先将 集装箱起重机按其实现的各个功能分为各个机构，如起升机构，运行小车系统，俯仰 机构，大车行走机构等等。其中，起升机构是实现集装箱或吊具吊梁升降运动，它是 集装箱起重机的最主要的工作机构。运行小车系统是使集装箱或吊具和上架作水平往 复运动的机构总成。 第二，实现从其各个功能到实际零部件的映射。如起升机构包括电动机、联轴器、 制动器、减速器、卷筒等部件。运行小车系统包括运行小车总成、运行小车驱动机构、 小车钢丝绳卷绕和安全保护装置。 最后，确定集装箱起重机中各零部件之间的装配、连接规范。确定起升机构与俯 仰机构之间的连接方式，俯仰机构、前大梁、后大梁、运行小车系统之间的连接方式， 以及一个零部件的变化引起另一个零部件的变化，等等。 2 3 基于变异的产品族设计分析 2 3 1 基于变异的产品族设计方法 基于变异的产品族设计方法，通过先设计一个通用平台，这个平台要最大化的包 含产品族中的标准化部件，并且同时考虑整体所必须要满足的功能1 1 ”。然后，根据单 个产品所要满足的其他性能要求，分别在此产品平台的基础上进行设计。其目的是在 产品族设计过程中，通过最小的产品更改设计来满足产品族内一定范围的性能需求。 这种设计方法需要解决的问题是：在已知的一组相似产品的设计参数中，如何确 定出哪些参数可以作为产品平台参数，哪些参数是非平台参数，也即产品族个性化参 数【1 3 】。判断标准一般是看这个参数对于实现产品不同的性能时是否有大的影响，如果 对于实现不同性能的产品该参数变化不大，则可将该参数作为平台参数。否则，就不 能作为平台参数，而只能作为非平台参数。 2 3 2 基于变异的产品族设计方法在岸桥设计中的应用分析 第2 章产品族设计方法分析 在集装箱起重机设计中，我们可以利用基于变异的产品族设计方法。例如，集装 箱起重机设计中的金属结构部分，对于其承载的结构件的设计可以建立一个通用平 台，这个平台最大化地包括了该结构件系列的通用部分。如果该结构件的结构差异太 大，一个平台不能解决的话，可以建立几个通用平台。然后，根据该结构件要满足的 性能要求，可以在通用平台的基础上进行设计。在建立通用平台时，应考虑确定哪些 参数作为平台参数，哪些作为非平台参数。基本上，对于结构相似的机构件，其尺寸 参数如结构件的厚度、长、宽等可以作为平台参数，而一些特征参数，如结构件上的 加强筋等可作为非平台参数。 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 3 1 岸桥大车行走机构设计简介“” 起重机是一种间歇性工作的搬运工具。重物悬挂于起重机的承载构件( 例如钢丝 绳或链条) 上，可以在垂直方向作起升或下降运动，也可以在一个或多个水平方向运 动。岸边集装箱起重机是在码头前沿进行集装箱装卸作业的装卸设备。 31 1 岸边集装箱起重机的基本部件 1 、起升机构 起升机构的作用是实现集装箱或吊具的升降运动，它是岸边集装箱起重机最主要 的工作机构。起升机构除了采用集装箱吊具起吊集装箱外，还可以通过吊钩粱对零件、 件杂货进行装卸作业。起升机构由驱动机构、钢丝绳卷绕系统、吊具和安全保护装置 组成。驱动机构包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒、支承等部件。 2 、俯仰机构 在岸边集装箱起重机上，实现前大粱绕大梁绞点作俯仰运动的机构称之为俯仰机 构。俯仰机构由驱动机构、钢丝绳卷绕系统、安全钩装置及安全保护装置等组成。俯 仰机构驱动装置由电动机、连轴器、制动器、减速器、卷筒及支承等组成。钢丝绳卷 绕包括钢丝绳、动滑轮、平衡滑轮均衡装置以及钢丝绳街头等装置，安全钩装置包括 钩体、电动液力、配重、支承座、限位开关等部件。 3 、运行小车机构 在岸边集装箱起重机上，使集装箱或吊具和上架作水平往复运动的机构总成称之 为小车系统。它包括运行小车总成、运行小车驱动机构、小车钢丝绳卷绕和安全保护 装置。运行小车的驱动机构有自行式和钢丝绳牵引式两种。自行式小车包括驱动机构、 车轮组、起升滑轮组、小车架、司机室、缓冲器、水平轮、防风锚定装置、修理用的 顶升和断轴保护装置、安全限位装置等。 4 、大车行走机构 在岸边集装箱起重机上，大车运行机构的作用是实现整机沿着码头前沿轨道作水 平运动。在岸桥上，大车运行机构的作用是实现整机沿着码头前沿轨道作水平运动。 大车行走机构由设在门框下的4 组行走台车组成。为使每个行走轮受力均匀，装有两 个车轮的行走台车通过上平衡梁、下平衡梁再与门框下横梁绞接。整个岸桥的重量通 过4 个支座法兰或销轴耳板传给上平衡梁，再通过下平衡梁，使重量均布到行走台车 9 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 上。每个大车行走台车组，由一套或多套驱动装置驱动。电机经减速器或开式齿轮传 动驱动车轮从而实现起重机沿轨道行驶。 5 、应急机构 当码头高压断电，或电控系统出现故障时利用码头备用交流电源，通过手动的 联接方式将应急机构联接到原有的驱动机构上，以较慢的速度使它脱离作业位置，回 到停机安全装置或设定的安全位置或将负荷安全卸下等的驱动机构称之为应急机构。 应急机构一般有俯仰应急机构、起升应急机构、小车应急机构。应急机构可以是各自 独立的，也可以是利用一套共用的移动式应急机构( 对于钢丝绳牵引式小车) 。 6 、安全钩装置 当大梁仰起至8 0 。左右位置时，安全钩装置将大梁锁住。它可以是自动的，也 可以是手动的。无论是自动还是手动，均需由推杆或油缸来控制。 7 、拖绳装置 大伸距岸边集装箱超重机上还配置了拖架小车和多辊式托辊托绳装置。拖架小车 一般有两台，分别位于运行小车的海测和陆测端，其位置始终位于大梁端部起升改向 滑轮和主运动小车之间的中间部件。其功能是：通过布置在海、陆侧托架小车上的钢 丝绳托辊，有效托起钢丝绳，缩短钢丝绳的悬挂长度，减少钢丝绳的下绕度，减缓钢 丝绳的弹跳，从而达到削弱因钢丝绳的弹跳对吊具的影响。 除上述机构外，岸边集装箱超重机设计还包括机器房和通风设备、换绳装置等附 属设备，载人户外电梯，理货室及俯仰机构操作室，车档、防风锚定装嚣、大车轨道 等码头附属设备。 3 1 2 岸桥大车行走机构的基本设计 本论文针对集装箱起重机大车行走机构部件，来实现大车行走机构的产品智能配 置，在3 1 1 节介绍岸边集装箱起重机的基本部件时概述了大车行走机构的作用以及 其组成的零部件，这里不再累述。以下简要介绍了大车行走机构主要部件的约束条件 以及大车行走机构的运行支承装置和行走台车车轮布置。 3 1 2 1 大车行走机构主要部件的约束条件 大车行走机构的基本要求： ( 1 ) 主动轮数必须保证车轮总数的一半，否则应进行起制动时车轮的打滑验算。 ( 2 ) 由于岸桥自重大，起制动时惯性大，特别是在制动时要求先减速，起制动时间 一般控制在l o s 。 1 0 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 ( 3 ) 具有性能良好的防止相邻两台岸桥碰撞的措施。 ( 4 ) 有可靠的安全保护装置，包括减速和终点限位开关、端部缓冲器、防爬器、断 轴保护块。 ( 5 ) 安全可靠的防台风锚定和防台风钢索固紧装置或其他安全可靠的防风措施。 ( 6 ) 应装设性能良好的轨道清扫器。 1 、大车行走机构电动机的选型 ( 1 ) 电动机的选择 大车行走机构电动机，选择取决于驱动装置的布置形式。起动性能和大的过载能 力，其选型必须满足下列要求： ( a ) 功率计算：要求满足克服机构工作过程中最大运行阻力的功率。 ：土型 m 1 0 0 0 r 式中：所大车部件运行时的总阻力，n ； m 驱动电机台数； v 大车部件运行速度，m s ； 玎传动机构效率。 ( b ) 起动能力校核： b ：! 竺垫 1 3 7 5 ( m qm j ) 式中：m q 平均起动力矩； 蚴大车运行机构的静阻力转化到电机上的转矩； n 电机转速； g d 2 】传动机构加速惯性转化到电动轴上的总飞轮矩。 ( 2 ) 减速器的选择 大车机构部件减速器常用型式有：立式安装或卧式安装的圆柱伞齿轮减速器、 立式安装或卧式安装的行星伞齿轮减速器、平行轴式圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速 器等，减速器主要根据电动功率和驱动装置的布置形式来选择。 ( 3 ) 车轮的选型计算：车轮应满足的要求是承受所受的最大载荷和保证在正常作业 情况下车轮无过度磨损。 t 1 r r a e a 厂n u l 蔓1 8 p l ( 3 1 3 8 p l 3 - - 6 ) f 西一蔓 () 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 式中：d 车轮直径，m m ； b 轨道有效宽度，m m ； 凡极限比压，与车轮材料有关，n m m 2 ： p 。a n i l l 车轮在m 类载荷组合情况时所承受的平均载荷，n ； 车轮校核中n 个因素的计算： 第一，平均载荷的计算。确定平均载荷的步骤是考虑车轮在所讨论的载荷情况 下所承受的最大和最小载荷，即确定p 卅一i 和p m e a n f i 时，起重机处于正常作业状态但 不计动力系数中，确定p 。a n l l l 时，起重机处于非工作状态。在3 种载荷情况下p m 一值 用下式确定： p m 。- 坠坐生! ! 竺型( 3 7 ) 3 第二，轨道有效宽度b 的计算对于具有平面承压面、总宽度为1 和每边圆角半 径为r 的轨道，有：b = z 一2 r a ， 对于具有凸面承压面的轨道，有：b = ，一( 3 - - 8 ) j 第三，极限比压r 的确定。它是制造车轮所用材料的抗拉强度的函数。可以 依表查得。 第四，确定系数c 。c l 值取决于车轮转速，是车轮直径和行走速度的函数。 也可由表中得出。 第五，确定系数c ：。c ：取决于机构的分级组别。 大车行走机构部件，除上述约束条件之外，还有上平衡梁、下平衡梁、台车等非 标准件设计的强度、刚度约束和几何约束。强度、剐度约束采用与s o l i d w o r k s 软件 接口的c a e 系统进行校核分析；几何约束包括参数化约束和装配约束。大车部件非标 准件设计参数之间的各种关系，有许多是无法用一般约束表达式表示的，而且随着参 数设计知识的更新，需要对参数化约束提供修改、扩充等交互处理机制。装配约束， 一方面指部件几何拓扑方面的要求，可采用s o l i d w o r k s 软件三维建模方法进行验证。 另一方面指部件之间的几何装配接口规则和功能接口规则。 3 1 2 2 大车行走机构的运行支承装置和行走台车车轮布置 1 、车轮布置形式 集装箱起重机门框下的每套行走台车组的车轮数量通常为8 轮、1 0 轮和1 2 轮。 按照台车、平衡梁的构造形式和车轮数量，其典型布置形式有如下几种： ( 1 ) 8 轮行走台车布置形式，如图3 1 所示。 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 图3 - 18 轮行走台车布置形式 ( 2 ) 1 0 轮行走台车布置形式，有如图3 2 所示两种布置形式。 图3 - 21 0 轮行走台车布置形式 ( 3 ) 1 2 轮行走台车布置形式，主要有如图3 3 所示三种布置形式。 图3 - 31 2 轮行走台车布置形式 南面忝而 第3 章 岸桥大车行走机构的智能配置器研究 2 、驱动形式布置 ( 1 ) 立式驱动如图3 - 4 所示。 图3 4 立式驱动布置 ( 2 ) 卧式驱动如图3 5 所示。 ( 3 ) 单轮驱动( 无开式齿轮) 如图3 6 所示。 、 1 燮里卜瓠二鼎 h 。 _ d 喳r - ? 上震 芝 l 彤i ：遵 一 图3 - 5 卧式驱动布置形式 ( 4 ) 平行轴减速器驱动如图3 7 所示。 ( 5 ) 蜗轮蜗杆驱动如图3 8 所示。 ( 6 ) 全轮制动的驱动形式如图3 - 9 所示。 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 图3 - 6 单轮驱动布置形式 图3 7 平行轴减速器驱动布置形式 图3 - 8 蜗轮蜗杆驱动布置形式 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 图3 9 全轮制动的驱动布置形式 312 3 大车行走机构设计过程的简介 集装箱起重机大车行走机构的设计是在其他机构设计完成之后进行的。整个集装 箱起重机的重量通过4 个支座法兰或销轴耳板传给上平衡梁，再通过下平衡梁，使重 量均布到行走台车上。大车行走机构的设计过程简单描述如下： ( 1 ) 根据整个集装箱起重机的重量，和用户提出的功能要求，如轨道可以承受 的压力等，可以确定车轮数量。按照车轮数量和台车、平衡梁的构造形式，就可以确 定车轮的布置形式。 ( 2 ) 确定大车行走机构设计的初步方案。选择大车行走机构的标准件，确定非 标准件的主要参数及尺寸，如上平衡梁的高度、板厚及截面形状等。 ( 3 ) 对初步确定的方案进行初步校核。根据用户要求的规范，用户要求的大车 在工作状态和非工作状态下的风速，大车起、制动加速度等进行有关约束条件的校核。 ( 4 ) 进行大车行走机构非标准件的建模并校核。建模后应进行结构的强度、刚 度等校核，如果满足约束条件，则该非标准件的设计成功；如果不满足，则对该非标 准件进行改动，如板厚变薄、高度减小等，并重新建模校核，直到满足条件为止。 ( 5 ) 应用几何装配接口规则和功能接口规则，对大车行走机构的非标准件进行 装配匹配，若匹配结果不满意，则再对非标准件进行重新设计，返回到第四步。最后 对大车行走机构的标准件进行装配匹配。 3 2 岸桥大车行走机构的智能配置器设计 32 1 规则推理机制 规则推理( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ，r b r ) 是一种演绎推理方式，通常将领域知 1 6 第3 章 岸桥大车行走机构的智能配置嚣研究 识用产生式规则的形式表达出来( 有的用框架的形式) “。产生式规则用i f t h e n 的形式来表达问题领域概念间的逻辑关系。它求解问题时搜索知识库，如果i f 子句 匹配成功则激活t h e n 子句。这种推理的前提是需要将丰富的领域知识抽取出来，以 规则的形式存储在计算机中。在集装箱起重机的智能配置设计中，有许多确定性的逻 辑判断，必然存在着规则推理问题。 规则推理归纳起来主要有以下几个方面的特征：( 1 ) 规则推理的基础是逻辑判断， 它有比较宏观的范围。( 2 ) 规则推理的理论基础是数理逻辑，而且规则推理基本上是 确定性的。( 3 ) 规则推理所要求的知识需要预先从专家那里抽取出来，并以规则的形 式存储在知识库中。规则推理中的知识需要明晰化、形式化地表达出来，而且要求这 种表达方式是人们可以识别的，从而也是能够评价的。( 4 ) 规则推理基本上是顺序处 理方式，而不是并行处理方式。( 5 ) 规则推理通过采用前向搜索或后向搜索策略在知 识库中进行规则匹配，形成搜索链，以图求得精确的匹配。 总之，规则推理的优点在于解释能力强、运行过程中人可以干预、接口友好、有 一些比较成熟的开发工具、易于检验评价。其缺点是系统开发时间较长、知识工程困 难，数据必须是完整而且没有错误的，学习是静态的。 3 2 2 实例推理机制 实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 这一人工智能技术在产品设计领域的应 用越来越多。基于实例的设计方法是指在以前成功设计的实例库中搜索与用户需求的 设计目标特征最相匹配的一个设计实例过程“”。基于实例推理的设计方法与人类的决 策思维过程类似，都是通过联想以前的类似问题的解决方法，并对其进行适当的修改 来应用于新问题的解决。与基于规则的知识表达方法适用于领域非常完善的情况相 比，基于实例的知识表达方法用于领域知识不能够完全清楚的表达设计问题。因此， 这种方法是对已有设计知识积累和获取的有效手段，实例推理方法已经得到越来越多 的重视，并且在许多领域得到广泛的应用“。类比法是目前港口机械设计中常见设计 方法之一，存在大量的订单设计的港机图纸和实例库。因此，需要采用实例推理来解 决港口机械智能配置设计中的推理问题。实例推理的设计过程可以分为四个部分： ( 1 ) 获取相似的旧实例( r e t r i e v e ) 。推理系统通过一系列的搜索和相似度的计 算，将实例库中的实例过滤，取出与本次需要解决问题最相似的若干实例。 ( 2 ) 使用获取实例中的信息和知识提出解决方案( r e u s e ) 。推理系统比较新、旧 实例的差异，选取认可的实例解决方案。 ( 3 ) 对解决方案修改或重新设计( r e v i s e ) 。若对前阶段系统给出的方案不满意， 第3 章岸桥大车行走机构的智能配置器研究 推理系统将对此方案进行修改或重新设计后再提交。如果仍不满意或推理系统认为调 整修改的代价太大，则停止此阶段工作。 ( 4 ) 回收新实例( r e t a i n ) 。保留这次工作中有价值的经验和知识，分析新实例， 若有必要则将其纳入实例库中。 一个产品设计实例主要包含设计需求、设计任务和设计方案三部分内容。其中， 设计需求可以分为产品性能需求、设计制造成本约束以及产品应用环境约束等。然而， 把所有影响产品设计的因素都考虑进来以表达一个设计实例不但繁琐，而且也十分困 难；此外，用大量的影响因素来表达一个设计实例不利于基于实例设计的其他阶段