基于智能的工業(yè)鍋爐CAD參數(shù)化設(shè)計分析

吳 兵

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

參數(shù)化設(shè)計是一種CAD產(chǎn)品設(shè)計方式，也是CAD技術(shù)的一大主要研究范圍，實際上是指設(shè)計對象結(jié)構(gòu)形狀處于固定狀態(tài)，通過參數(shù)進行尺寸關(guān)系約束，參數(shù)與設(shè)計對象控制尺寸之間存在顯著的相互對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計結(jié)果的修正備受尺寸驅(qū)動影響，因此也稱之為參數(shù)化尺寸驅(qū)動。通過參數(shù)化模型，以調(diào)整參數(shù)的方法對結(jié)構(gòu)的幾何形狀進行適當(dāng)修正與控制，以自動化構(gòu)建最佳產(chǎn)品。參數(shù)化設(shè)計技術(shù)通過有效的草圖設(shè)計與尺寸驅(qū)動修正圖形等相關(guān)功能，逐漸發(fā)展成了設(shè)計的重要手段。而作為主要熱動力與熱生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)鍋爐在現(xiàn)代化生產(chǎn)與生活的各個領(lǐng)域都實現(xiàn)了大力推廣與應(yīng)用，因此進一步提高工業(yè)鍋爐的設(shè)計水平與質(zhì)量，在保證熱效率，節(jié)約資源能源等各個方面發(fā)揮著重要作用。現(xiàn)階段，我國CAD市場并未出現(xiàn)得到廣泛認(rèn)可的工業(yè)鍋爐CAD 軟件，雖然有少數(shù)軟件存在，但是功能并不突出，也沒有將計算機效能充分發(fā)揮出來[1]。對此，為了滿足相關(guān)企業(yè)的多元化需求，設(shè)計開發(fā)工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)，不僅推廣前景良好，而且綜合效益也十分突出。

1 工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架具體如圖1所示。就整體系統(tǒng)而言，不僅要對輸入與輸出進行詳細(xì)分析，還要深入探究系統(tǒng)模型。對于工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)來講，因為計算機能夠直接性參與到設(shè)計中去，并且作為輔助，構(gòu)建設(shè)計圖形與文檔，自動生成各種輸出，其與設(shè)計系統(tǒng)生成過程息息相關(guān)[2]。所以，基于工業(yè)鍋爐設(shè)計的物理模型，導(dǎo)出系統(tǒng)邏輯模型，并對其進行適當(dāng)修正，以期此模式可以滿足計算機多元化要求，同時還要繪制系統(tǒng)邏輯圖，通過圖形模式表述開發(fā)對象各部分間的邏輯性關(guān)系，明確各數(shù)據(jù)流間的相互聯(lián)系，從而實現(xiàn)子系統(tǒng)的智能化協(xié)調(diào)統(tǒng)一。具體工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

圖1 工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

圖2 工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)的邏輯圖

2 工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)參數(shù)化開發(fā)思想

就工業(yè)鍋爐設(shè)計特性而言，進一步明確CAD 系統(tǒng)核心思想應(yīng)基于總方案，以面向方案的智能技術(shù)為載體，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。常規(guī)CAD 繪圖平臺主要是對專業(yè)制圖特點進行探究，把工程圖紙劃分為多個獨立個體圖形單元，并將其作為基礎(chǔ)，設(shè)計工程圖紙。工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)側(cè)重于把設(shè)計方案作為處理對象，針對方案的整個規(guī)劃設(shè)計流程提供多元化途徑，是面向方案的智能化技術(shù)，并始終貫穿整個CAD系統(tǒng)開發(fā)過程[3]。

瀏覽整個工業(yè)鍋爐水管系統(tǒng)圖紙的設(shè)計流程，可知圖形主要是在結(jié)構(gòu)特性與尺寸加以驅(qū)動的?？梢詫⒗L圖過程當(dāng)作函數(shù)執(zhí)行，所得數(shù)值結(jié)果就是水管系統(tǒng)圖，據(jù)此引進參數(shù)化理念。將水管系統(tǒng)圖的水管結(jié)構(gòu)特性尺寸與間距尺寸看作是繪圖程序的自變量，其執(zhí)行結(jié)果相對應(yīng)的就是水管系統(tǒng)圖。在設(shè)計人員根據(jù)具體情況進行結(jié)構(gòu)尺寸改變的時候，則會自動快速生成水管系統(tǒng)圖，以實現(xiàn)全視圖尺寸驅(qū)動功能，將工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)的參數(shù)化與智能化全面展現(xiàn)出來。

而面向方案的智能化技術(shù)與參數(shù)化理念的結(jié)合應(yīng)用，構(gòu)成了獨具特色的工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)面向方案的參數(shù)化思想。其是智能化的具體表現(xiàn)，不僅能夠保證設(shè)計的準(zhǔn)確性、生動性和高效性，還可以保證在優(yōu)先選擇和明確設(shè)計方案的時候更具便捷性與智能性。所以，面向方案的參數(shù)化思想可以充分調(diào)動設(shè)計人員的創(chuàng)新思維與理念，從而獲得良好參數(shù)化設(shè)計效果。

3 智能工業(yè)鍋爐CAD參數(shù)化設(shè)計模式

基于CAD 進行工業(yè)鍋爐開發(fā)，零部件設(shè)計模型構(gòu)建與工業(yè)鍋爐開發(fā)效率息息相關(guān)。在開發(fā)初始階段，零部件的尺寸和形狀太過模糊，需要在裝配驗證與數(shù)控編程后，才能夠進一步確定。對此，應(yīng)促使零部件模型具備容易修正的柔性特性。參數(shù)化設(shè)計方式就是把模型的定量信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱炕?，促使其改變成可以隨意調(diào)整的參數(shù)。而參數(shù)所賦予的數(shù)值大不相同，便能夠獲得各種類型和形狀的零部件模型[4]。

在智能工業(yè)爐中為了實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，構(gòu)建模型是關(guān)鍵所在。參數(shù)化模型代表零部件圖形的幾何與工程約束。其中，幾何約束實際上就是結(jié)構(gòu)與尺寸約束。結(jié)構(gòu)約束就是幾何元素間的拓?fù)浼s束關(guān)系，即平行和垂直等等。尺寸約束就是基于尺寸標(biāo)注的約束關(guān)系，即角度與距離尺寸等等。工程約束則代表尺寸間的約束關(guān)系，以對尺寸變量與其數(shù)值、邏輯關(guān)系進行定義加以表示。在CAD 參數(shù)化設(shè)計中，相關(guān)工作人員就幾何關(guān)系與工程關(guān)系進一步明確設(shè)計要求。為了滿足設(shè)計要求，需要對尺寸、工程參數(shù)初始值進行充分考慮，并在設(shè)計參數(shù)變化的時候，全面維護基本關(guān)系。參數(shù)化設(shè)計的根本在于基于可變參數(shù)作用，系統(tǒng)自動化維護不變參數(shù)。所以，在參數(shù)化模型中，進行約束關(guān)系構(gòu)建，才能夠真正體現(xiàn)出設(shè)計人員的設(shè)計意向與目標(biāo)[5]。

4 基于智能的工業(yè)鍋爐CAD參數(shù)化程序設(shè)計實現(xiàn)

4.1 Auto LISP語言

Auto LISP 程序能夠顯示生產(chǎn)圖形的全部尺寸參數(shù)，還能夠進行動態(tài)化修正，因此，Auto LISP語言對于參數(shù)技術(shù)的實現(xiàn)發(fā)揮著重要作用。Auto LISP 語言是嵌入在Auto CAD 中，并且兩者共存的程序設(shè)計語言，具備自身獨特的圖形處理能力，Auto LISP 程序能夠進行科學(xué)計算與數(shù)據(jù)處理等相關(guān)工作，同時調(diào)用Auto CAD指令，實現(xiàn)兩者結(jié)合，進而發(fā)展成為CAD 專業(yè)系統(tǒng)的主要開發(fā)載體[6]。

4.2 水管系統(tǒng)圖面向方案的參數(shù)化程序設(shè)計

因為工業(yè)鍋爐類型各式各樣，水管系統(tǒng)圖也具備相應(yīng)的不同特性，難以利用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化程序加以表述，因此參數(shù)化思想是對應(yīng)既定工業(yè)鍋爐類型制定參數(shù)化程序，系統(tǒng)圖不同需要不同的程序進行繪制，設(shè)計人員在使用的時候，應(yīng)選擇不同的鍋爐類型，并構(gòu)建開放式結(jié)構(gòu)，促使后續(xù)相關(guān)人員有序便捷地增加內(nèi)容。參數(shù)化繪圖應(yīng)及時根據(jù)所輸入?yún)?shù)明確零部件的形狀與彼此間的關(guān)聯(lián)。在輸入?yún)?shù)的時候，用戶應(yīng)確定參數(shù)所對應(yīng)的圖形結(jié)構(gòu)。單純利用文字進行尺寸參數(shù)闡述，很容易造成混淆，并且用戶也難以理解。對此，智能工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)開發(fā)了圖文并茂參數(shù)輸入系統(tǒng)[7]。

為了正確輸入界面的所有尺寸參數(shù)，屏幕上應(yīng)展示出爐型具體樣圖，以字母形式表示尺寸參數(shù)，在用戶點擊參數(shù)的時候，樣圖會產(chǎn)生一定反應(yīng)，以此使得用戶可以生動直觀體驗參數(shù)所對應(yīng)的樣圖結(jié)構(gòu)尺寸。在操作過程中，在屏幕菜單上詳細(xì)陳列參數(shù)名稱，在用戶點取之后，在命令行，作出文字闡述，并且將圖形編輯區(qū)域的樣圖對應(yīng)部分轉(zhuǎn)變成鮮艷的顏色，這時用戶可以在命令行輸入?yún)?shù)值。而為了實時查看輸入數(shù)據(jù)信息，工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)還提供了基于文本方式展示參數(shù)現(xiàn)時數(shù)值的變量查詢功能，以此促使輸入數(shù)據(jù)界面更加形象化、直觀化，易于理解，從而實現(xiàn)便捷實用的目標(biāo)。

4.3 爐墻繪制面向方案的參數(shù)化程序設(shè)計

工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)根據(jù)爐墻特性，對不同類型爐墻共性進行了詳細(xì)分析，打破了傳統(tǒng)繪圖模式，通過參數(shù)化設(shè)計思想進行開發(fā)，制定了多元化的爐墻參數(shù)化模式，使得工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)中的爐墻繪制極具獨特性，并在很大程度上提高了智能化水平。在繪制爐墻的時候，基于菜單調(diào)用，出現(xiàn)爐墻類型選擇的對話框。其中，不同類型爐墻都是通過圖像按鈕形式得以展示，并配置了與之相對應(yīng)的幻燈片，設(shè)計人員在使用時更具直觀性與生動性。用戶可以就具體繪圖需求，科學(xué)合理選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｊ?，并基于結(jié)構(gòu)尺寸自動繪制爐墻。在工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)中，在選擇爐墻類型之后，會出現(xiàn)爐墻參數(shù)化特性尺寸輸入對話框，其中用戶可以給出此形式爐墻的參數(shù)化特性尺寸，以此為參數(shù)化繪圖程序調(diào)用提供幫助。工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)主要是依據(jù)爐墻材料，自動化填充剖面線的對應(yīng)圖案。在整個過程中，因為參數(shù)化繪圖程序的積極參與，實現(xiàn)了命令執(zhí)行的智能化發(fā)展[8]。

4.4 爐排繪制面向方案的參數(shù)化程序設(shè)計

爐排繪制的重復(fù)工作量比較繁重，極易出現(xiàn)事故。工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)能夠有效解決這一問題，優(yōu)先比較并靈活選擇設(shè)計方案，操作流程簡單，實用性非常強。在爐排繪制的時候，基于菜單調(diào)用，工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)在程序中以六噸位界限，對爐排片尺寸與間距的差異進行了充分考慮，以此促使相關(guān)工作人員只需要給出爐排傾角、片數(shù)、起點，便能夠在指定位置上生成爐排，以便于用戶使用。以用戶所選擇爐排類型為依據(jù)，通過Auto LISP 程序調(diào)用圖塊，在用戶指定插入點位置，插入圖塊，根據(jù)編輯框所輸入的爐排數(shù)量，以及規(guī)定中給定的爐排間距以水平方式進行陣列，此操作應(yīng)在新圖層上開展，避免干擾其他環(huán)境。然后選中圖層所有物體，就編輯框的水冷梁傾角為依據(jù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以構(gòu)成所需要的爐排[9]。

4.5 省煤器繪制面向方案的參數(shù)化程序設(shè)計

在工業(yè)鍋爐中，省煤器發(fā)揮著不可替代的重要作用，一般來說，其繪制難度較大，重復(fù)工作任務(wù)較重。工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)對于常用鑄鐵與鋼管省煤器繪制都做了進一步研究開發(fā)，使得繪制效率與質(zhì)量顯著提升，為方案優(yōu)化與修正提供了有力幫助。通過Auto LISP語言調(diào)用Auto CAD繪圖命令進行子單元繪制，并調(diào)用陣列Abbay命令，依舊編輯框內(nèi)部所輸入的橫向、縱向節(jié)距以及排數(shù)進行自動化陣列繪制，以此完成整張圖設(shè)計流程，其具備較高的智能化與自動化水平，可以大大提高設(shè)計人員的積極性與主動性。

5 結(jié) 論

通過研究分析，工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)中利用面向方案的參數(shù)化理念，對于方案的比較選擇而言具有重要意義。工業(yè)鍋爐CAD 系統(tǒng)具備相對較高的智能化水平，通過此系統(tǒng)進行方案優(yōu)先選擇的時候，用戶只需要輸入相應(yīng)的設(shè)計條件，程序就能夠自動化、智能化完成鍋爐水管系統(tǒng)視圖繪制與尺寸標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)工作，并將系統(tǒng)圖的全尺寸驅(qū)動功能全面發(fā)揮出來。與此同時，參數(shù)化設(shè)計技術(shù)在工業(yè)鍋爐CAD系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了使用的便捷性，其以圖文并茂的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)與簡單易懂的對話框，促使設(shè)計人員快速完成了數(shù)據(jù)輸入，而方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化也十分便利。