基于云计算的起重机协同设计应用研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

第 13卷2013年第 9期9月V01．13，NO．9September， 2013基于云计算的起重机协同设计应用研究刘超然，王宗彦，秦慧斌 ，车 璐(中北大学 机械工程 与 自动化 学院，太原 030051)摘要：深入研究了云计算技术，提出了云设计概念，在研究传统设计模式的基础上，针对机械产品设计领域中设计方法复杂、设计成果重用度不高、设计时长难控制等问题，制定 了“云客户请求端／云服务器提供端／云服务平台”的工作模式。结合起重机参数化变型设计技术和云平台并行工作原理，构建了基于云计算的起重机网络协同设计系统，并以起重机 小车设计 实例进行验证 。该平 台的搭 建，为 实现我 国起重机快速设计提供 了实例 依据 。

关键词：云计算；网络协同设计；参数化变型设计；起重机中图分类号 ：TH21；TP391 文献标志码 ：A 文 章编 号 ：1671—1807(2013)O9一O161～O6起重机是一种非标准机械设备，通常是按订单生产的。一般情况下 ，首先根据用户对设备提出的性能参数、外形尺寸、质量、价格等方面的要求进行设计，为了满足市场多样性和个性用户的特殊要求 ，开展起重机协 同设计技术研究 已经变得非常迫切 。在 当今全球化制造 的激烈竞争 态势下，制造厂 想要拿到订单，就必须快速响应市场；要能快速响应市场，产品设计是关键的一步 ]。

综合国内外研究现状，我们可以发现国外先进设计方法 已经能很好地应用于产品设计过程 ，在起重机设计方面也取得了一定的成果 ，国内对 CAD技术与参数化技术研究和应用比较多，但仍然存在一些问题 ：1)现有的起重机设计软件大多采用单机版或基于局域网，资料共享性、扩展性和更新性差，计算机资源没有得到合理的利用；2)起重机企业越来越感觉 到产 品设计过程 占用的时间比例越来越大，出图纸和手工设计计算占整个设计时间的 6O ～8O ，同时手工计算不能保证结果 的准确性 ，这不仅延缓 了产品出厂的时间，而且 由于重复劳动占用了大量的设计时间，使得设计人员不能把主要的精力投人到新产品的开发 中去l3]。

本文以桥式起重机为研究对象，结合桥式起重机金属结构的特点将其划分为合理的模块，在客户需求的驱动下实现云环境下对不同设计地点、类型、工作级别、起重量、跨度的起重机产品进行快速协同设计。

l 云概念1．1 云计算云计算是一种通过 Internet以服务 的方式提供动态可伸缩的虚拟化的资源的计算模式 ，同时也是一种全新的网络服务方式，是集群计算、网格计算、公用计算等各种技术发展融合的产物，它将分布式资源进行虚拟化集 中分配管理 ]。

传统模式下 ，在协同设计之初 ，设计人员必须配备高配置的计算机，云模式下只需简单的接人互联网终端设备，云环境为用户提供硬软件资源使设计环境更安全 、稳定、流畅。传统模式下 ，对某一部件的设计在时间上需要串联消耗，而在协同设计时，设计人员通过网络实时交互，在强大 的云服务器 的服务 功能下，能够实现异地交互设计 ，并且服务于整个部件从设计到应用的全生命周期的监测、销售、安装等外围服务。综合来看云环境下的协同设计具有得天独厚的优势。

1．2 分布式协同设计网络环境下机械产 品的协同设计长久以来都为机械设计行业的攻关难点 ，协同设计可解决产品设计领域中设计方法复杂、设计成果重用度不高、设计时长难控制等问题，但在信息发达的今天，应用于网络的机械产品协同设计并未得到广泛推广 ，其原因就在于基于广义网的协同设计中数据冗余、信息交互冲突频繁 ，不同设计人员硬软件环境不稳定所造成的时序紊乱等问题没有得到解决。面临这些问题，笔者在研收稿 日期 ：2013—06—22基金项 目：山西省 自然科学基金(2008012007)；山西省科技攻 关计 划(20090321024)作者简介：刘超然(1988一)，男，黑龙江安达人，中北大学在读硕士生，研究方向：计算机集成制造。

161y 业d 产y 和∞技T科e科技和产业 第 1 3卷 第 9期究了云计算的思想后 ，将云环境下的分布式协同设计整合到机械产品设计 中来。分布式协 同设计是指在不同地点的设计小组之间的协作，它包括协同工作环境、分布式数据库管理和数据传输等一系列内容。其特点是由分布在不同地点的产 品设计人员协同完成产品设计 ，不同地点的产品设计人员通过网络进行产品信息的共享和交换，通过网络进行设计方案的讨论、设计结果的检查与修改，使产品设计工作能够跨越时空进行 。云平台为设计环境提供存储、维护、传输、容错、安全等一系列保障，使协同设计真正意义上走 向企业 。

表 1 传统协同设计 与云计算协同设计传统协 同设计模式 云设 计模 式客 需要较高配置的计算机 简单的 能够接入 互端 联 网的终 端设备客 户 需购买、安装、升级 、 制造 平 台统
一 管理 ； 应 用 维护
；数量有 限；客 户端／ 丰 富的
互联 网 应 用程序 服 务 器 (c：／s)模 式；浏 览 程序
；软件即服务；器／服务器(B／S)模式服务 针对产 品 某 一 部件 提 供 面向 设 计 全 生命 周范围 设计服务 期提供设计服务花费大量资金购买计算机 成本低 (规模 经 济)
；经济 和应 用程序 ，不使用 时闲 采
用 服 务 器 集 中管 性 置
；企业计算机使 用量大、理 ，能耗相对较小使 用时间长、耗 电量大效率 设计制造 周期 长 设计快捷 、效率高2 云平台2．1 云设计对传统协同设计模式进行了详细研究后 ，对 比分析传统协同设计与基于云计算设计模式 ，本文在此提出云设计概念 。定义如下 ，云设计应用于机械产品协同设计 ，其技术核心为协同设计技术、参数化技术、云计算技术，在云环境下的设计人员可以享受虚拟软硬件服务 ，这样避免了时序紊乱 以及信心交互冲突，云设计可为产品的全生命周期服务，在整个周期中，可实现高校、工厂、研究所、设计院、电控设备提供公司等的设计人员提供并行设计环境 ，在当今产品快速发达的今天，有效的提高了产品的市场竞争力。图 1为云设计平台示意图。

2．2 云计算平台模式构架基于客户机／服务器 (Client／Server，C／S)结构的系统 ，具有较强的数据操纵 和事务处理能力 ，数据的安全性和完整性较高 ，但协同开发环境中的项 目成员是不断变化 的，c／s结 构不能适应这 种变化 。因1 62图 1 云 设计平 台此，经过分析本文建立了“云客户请求端／云服务器提供端／云服务平台”模式构架如图 2，云计算请求端也叫云客户端 ，为用户提供某机械产品进行定制与设计等相关服务，可实现设计过程中的实时通讯；云计算服务端综合解决协同设计过程中数据冗余 、信息交互冲突频繁 ，不同设计人员硬软件环境不稳定所造成的时序紊乱等问题；云服务平台为用户提供设计产品应用环境 ，针对不 同产品、不同部件提供相对应的服务 ，可对云计算服务端传输的用户设计信息进行处理，同时根据云计算请求端需求为其提供模型驱动、图纸生成 、工艺信息表等成果。

_刈络环境起再 厂 f 1 阈 f。‘]提出业务 l l 输出处理结果i 求 {I I(数 产 或服务)功能层I各类制造资源 l攫塞j匹配组合I凋崩管珊1 l 9~-I；1]J’·账号／j数据管用／I发布制造任务1 I平台测试与维护{ I制定规范和标准1 1， {； {≥灶 重 资源层机 n 霭 丽 嘶i 园 匹琵 f丽 i 五 1． ，， ．．一 l ．．．． ， 一 【 ， ， ．．．．_ l汁 r—————] r一 ———] —————一—] ——■——] r——一 ——] 尊 l生产能力l l物料资源I I运输工具【1人力资源I · I平 连接厶 f物联l删 。 f {别设备f f适 器 f f嵌入式技语义Web 高性能技 { ． I虚拟 ＼二、虚拟接入 1 l U 援八(CUSP) 霉图2 起重机云计算模式构架图2．3 云设计系统总体结构基 于云计算 的起重机协 同设计应用研究整个云计算平 台可分为设 计层模块、分析层模块、制造层模块。设计层综合运用计算机辅助参数化设计技术、模块化设计技术 、优化设计技术 、可靠性设计技术 、反求工程设计技术 ，以三维设计软件为开发基础完成起重 机设 计平台 的开发 ；分析层模块采用CAE软件分析与人工智能优化技术构 建；制造层主要开发成果生成、成果传递等辅助功能。

通过 Internet信息服务创建 ftp站点搭建“云客户请求端／云服务器提供端／云服务平台”网络体系结构实现产 品数据文档 的实 时共 享和管理下载 ，利 用Wamp Server 5集成语义 Web服务环境开发网站并发布云客户端软件 ，最终实现整个系统的搭建 。系统总体结构框架如图 3所示。

图3 云计算系统总体结构3 起重机参数化协同设计技术3．1 云平台并行工作原理文件传输协议(File Transfer Protoco1)是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议l8]。FTP实现用户与服务器实 时通讯 ，保持数据共享 ，利用 Internet控件 ，以项 目为单位 ，即为下载当前 的根 目录 ，用户只能下载当前项 目下驱动完毕的设计文档 。产 品数据管理(Product Data Management)是将在不同地点分布的信息系统有机地集成起来的一种设计方法，PDM是对产品过程和全生命周期数据进行有效管理的工具_g]。用户在客户端通过人机交互 界面向服务器提交产品的设计参数，服务器端接收信息后进行相应的处理 ，并将结果存储到数据库中，同时向工作站发出开始工作的指令，工作站接收到工作指令便开始进行模型驱动和有限元分析校核等工作 ，生成相应的产品数据文档，并以项 目为单位 自动检人到电子仓库中，服务器监听工作站 的工作状态 ，并实时 向客户端发送状态信息，用户一旦获得驱动完成的信息便可以在客户端查看或下载相关 的数据文档_1 。工作模式如图 4所示 。

3．2 参数化技术参数化设计的关键是对已有模板的重用过程，是对其规则的几何关系和拓扑关系进行再开发的过程，通过参数化概念能很好的契合了云设计的思想。根据参数化设计理念 ，首先 ，开发对象的选择是最重要的环节，桥式起重机金属结构单一 ，框架清晰、变形属性易设置参数链接；其次，根据业内规范建立模型模板；通过对 Solidworks／API函数的开发 ，将设计数据】63[二㈠ -二 L厂 L 厂 ● L 科技和产业 笙 堂 塑!塑息；最终将生成的数据文档上传到 ftp服务器，供用户下载使用 。具体如图 5所示 。

与相应模板参数进行链接，进行模型驱动；开发已设计模型的工程图可视程序；统计设计部件的工艺信确定参数化对象编制设汁汁算程度GB38 II一2{)(18：[西亟圃 [ 面圈 !：[豆 二] [ 亟 ：巫塑圆 匪 哇四 匪亟莲团 — 卫 模型、工程图、BOM表、ISS信息服务 (f【p)图4 并行工作模式图 5 桥式起重机参数化设计路线3．3 平台开发过程桥式起重机 的接 口模块开发阶段 ，协 同设计 时，不同用户对同一部件进行设计过程 中，常常会出现数据处理混乱、信息交互冲突，本平台通过对 FTP接口函数开发 ，确定多工作站并行工作模式 ，创建了用户开发权限模块，使用户具有对指定部件的设计权限。

在平台结构构建中，以行业的设计标准和经验为前提，综合运用建模最大化原则、自顶向下参数化建模技术对桥式起重机进行设计 。

桥式起重机的参数化建模阶段 ，在零件的可重用1 64性设计和配置设计原则的基础上 ，建立零件特征汇总表，将模型的重量、密度、材料、图号、数量等属性同三维软件参数表进行匹配 ，实现全息建模 。平台前期开发以 160t通用桥式起重机金属结构为模板，包括桥架和附属结构两个部分 ，其 中桥架有主梁、副主梁 、端梁、轨道等 37个零部件，附属结构有司机室 、司机室框架、平台 、栏杆、电缆滑架等 41个零部件 ，每个零部件均有对应的参数表、参数设置界面、三维模型、工程图以及模型驱动和工程图调整模块。

桥式起重机基于云服务模块的开发阶段 ，云服务器在网络中为实现信息发布 、资料查询、数据处理等诸多应用搭建 的基本平 台。利用 WampServer 5集成云环境，在 Web环境下安装集成服务器软件 ，构建P2P运行环境 。配置语义 web服务 ，为多客户协同设计搭建云设计平台，使在线协同设计云端化。

4 实例 验证以某型号桥式起重机小车为例 ，简要说明基于云计算的起重机参数化协 同设计 系统设计过程。该小车钢结构包括端梁一、端梁二 、套筒支撑梁 、主起升箱型梁、主起升工字梁、副起升定滑轮梁 、卷筒 、吊钩 以及一些附属结构 ，电气部分包括电动机、减速器、制动器 小车导电架、开关装配等。主任设计师根据设计部件来分配该起重机小车设计任务 ，梁结构设计可由A、B、C设计院共同设计 ，卷筒可由 D设计部门进行基于云计算的起重机协同设计应用研究设计 ，吊钩由指定 E设计部门完成 ，电气部分 由 F部门进行选配 ，相关设计部门通过云平台来完成相互信息传递和实时交流，在设计页面能迅速更新相关设计院对部件的设计信息，实现了在不同地点不同时间不同设计人员的协同设计 。当设计部 门通过协同设计完成数据提交后，云服务器向云平台提交驱动申请，云平台向云服务器提取小车设计参数生成新的模型和相关图纸。设计界面如图 6所示 ，驱动后生成设计模型如图 7。

图6 桥式起重机小车设计界面图 7 桥式起重机小车驱动后模型5 结论基于云计算的协同设计模式在机械行业具有巨大的发展空间，若其在起重机行业能够得到成功应用 ，对加快业 内资源整合 、缩短机械产 品设计制造周期、降低成本有着长足的优势。然而现阶段基于云计算的设计制造平台只停 留在初步试验层面，其运行的理论基础 、关键技术 、过程管理 、产品质量控制等层面的问题还需进一步研究。要将理论成功应用于实践 ，对于当前机械设计行业 的广大研究人员和制造企业而言仍然任重道远。

参考文献[1]李伯虎，张霖，柴旭东 ．云制造概论 [J]．中兴通讯技术 ，2O10，16(4)：5—8.

E2]田凌．网络化产品协同设计理论及支持技术研究[D]．北京：清华大学，2002.

[3]LI Y L，et a1．Design and implementation of a process—orien—ted inteligent colaborative product design system[J]．Corn—puters in Industry，2004，53：205 229.

r4]李伯虎。柴旭东，朱文海，等 ．复杂产品协同制造支撑环境技术的研究[J]．计算机集成制造系统，2003，9(8)：691—697.

[5]高曙明，何发智 ．分布式协同设计技术综述EJ]．计算机辅助设计与图形学学报，2004(2)：149—158.

[6]MCDOWELL D L，PANCHAL J H，HAE-JIN CHOI，et a1.

Distributed colaborative design frameworks[J]．IntegratedDesign of Multiscale，2010(16)：313 349.

[7]廖敏，殷国富，罗中先．ASP模式的机械产品分布式协同设计165科技和产业 第 13卷 第 9期的研究[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2005，17(6)1341— 1346.

[8]聂岩峰，彭向军，徐先超 ．FTP服务器枢纽中的文件处理擎设计EJ]．计算机工程，2o1o，22(IO)：20 22.

[9]范玉成，刘飞，祁国宁 ．网络化制造系统及其应用实践[M].

北京 ：机械工业 出版社 ，2003：191 193.

[IO2王乔，王宗彦，黄飞 ．面向并行工程的产品变型设计系统研究[J]．煤矿机械，2Oli，33(7)：222 224.

Crane Collaborative Design Research Based on Cloud ComputingLIU Chao—ran，WANG Zong—yan，QIN Hui—bin，CHE Lu(The College of Mechanical Engineering and Automation，North University of China，Taiyuan 030051，China)Abstract：W e study Cloud computing technology and put forward the concept of cloud design．By analyzing the traditional computing model andcloud computing model，aiming at the problems of low level of information sharing，slow transmission of information，repetitive work in the designprocess of crane．we formulate the work patterns of“Cloud clients／Cloud server／cloud platform”．Combine the parametric variant design and principle of cloud platform’work in parallel of crane，we put forward the construction method of collaborative design system based on cloud computingand verified with its components design．Though build the platform，it provides theoretical and practical examples basis to realize our country’scrane fast design.

Key words：cloud computing；online collaborative design；parametric variant design；crane(上接第 158页)M ethods of Improving Boiler Energy EfficiencyPENG Jian—hua 一，WANG Xiao—hui ，LI Shu—wei ～，GU0 Nai—li(1．National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；2．Zhongce Testing Technology Co．Ltd，Chengdu 610021，China)Abstract：The testing of the energy efficiency for boiler has been investigated within the input output(direct)and heat lOSS(indirect)methods andthe dominated factors，affecting the energy efficiency have been found by calculation．The research on how to improve the energy efficiency forboiler indicates that it is very necessary to monitor the air temperature of entering the boiler in real—time and control the excess air coefficient to a—void the excess of the oxygen．In other hand，the heat exchanger can be installed in the stack to use the exhaust fumes from the combustion to heatthe feed water of the boiler．In addition，the increasing of 1 mm thickness for quite thin scale would lead to the energy loss of～ 6 ．As a result，the feed water must experience a softening process t0 avoid the formation of the scale，and it is necessary that the scale in the boiler system shouldbe cleaned periodically.

Key words：boiler energy efficiency；excess air coefficient；heat exchange；scale(上接第 160页)参考文献[1]田锋社．水力驱动消防排烟风机：中国：CN ZL201020286778[P]．2010—08—06．.

E2]姚志民 ．水轮机原理及水力设计[M]．北京：清华大学出版1999：128 152.

New Hydraulic-driven Design and Study of Fire Smoke Exhaust FansNING Yu，TIAN Feng—she(Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang Shanxi 712000，China)Abstract：New hydraulic driven fire smoke exhaust fans used fire engines to provide currents，replace the motor—driven fan with water turbines asprime movers，achieve the purpose of smoke．The water turbines comprises turbine shell，turbine room，turbine，nozzles，inlet pipe，outlet pipe，drive shafts and other components．The turbine shel and the turbine room were formed by a sealed connection，which jointed by the front shelbody and has variable section oval spiral road of the back shell body；Nozzles were welded on within wall of the front shell body；The turbine installed in the turbine room，The turbine and fan were installed on a same axis，which supported by two bearings；The inlet pipe and the outlet pipeinstalled on the back shell body，At the inlet pipe and the outlet pipe end all have a buckle．The design used 90m high water pressure，bringing theexhaust fan speed to 2600r／min，the smoke exhaust was24000 m3／h．New hydraulic—driven fire smoke exhaust fans had simple structure and highhydraulic efficiency，easy to move，water recycling，can save a lot of fire—fighting water resources.

Key words：fire engines；water pressure；water turbines；recycling；save；water resources166