钢丝绳结构及工艺集成设计系统

摘要：针对钢丝绳实际生产需要，提出基于钢丝绳结构理论设计基础的结构与工艺集成设计系统框架，建立钢丝绳结构设计、性能分析及间隙计算的理论模型，并利用相关数据进行理论值与实际值分析，完成绳锯钢丝绳性能参数的敏感性分析模型和理论修正模型，为钢丝绳结构设计与工艺设计的并行处理提供了理论上的指导，最终实现钢丝绳的智能设计与制造。

关键词：钢丝绳；推理机；集成

0 引言

钢丝绳以热轧高碳线材为主要原材料，具有较高的抗拉强度、疲劳强度和冲击韧性。钢丝绳的结构设计与其它金属制品和机械产品相比有很强的特殊性，主要表现为钢丝绳的生产工艺直接影响钢丝绳的性能，仅从钢丝绳的理论结构计算进行的产品设计往往很难直接用于生产。同时，由于钢丝绳结构设计的实际数学模型涉及的因素很多，如钢丝绳的结构、规格、材质性能、润滑状况、捻距、捻角、车速、变形器结构、拉丝模结构以及设备状况等一系列因素的影响，因而很难全面、准确地建立实际的数学模型，加大了钢丝绳设计的难度，这也决定了钢丝绳的结构设计与工艺设计是密不可分的。

1 系统结构设计

一体化结构与工艺设计系统，在结构设计的基础上，根据设计知识库中的知识进行参数设计修正分析和性能分析，并将相应的产品结构参数传递给CAPP系统进行工艺设计，通过产品数据管理实现两者的信息集成，并不断地交互，从而实现设计的同时进行工艺分析。整个结构如图1所示。

1.1 钢丝绳设计模型分析系统

在设计模型分析系统中，应解决两个问题：一是产品结构及性能的理论计算，二是根据历史数据进行模型的分析和修正。对于一个新产品或变形产品，应从钢丝绳的理论数据和实际生产用的数据进行分析修正，建立系统修正模型，这是对已有理论数据和实际数据的统计和分析，是系统实用的基石；对于一个相似性产品，则应从相似性角度出发，选择一个较为合适的系统修正模型进行钢丝绳的结构设计。整个钢丝绳设计模型分析系统主要包括：产品分类、产品结构计算、钢丝绳理论性能计算、理论间隙计算和结构/性能敏感性分析等模块。

1.1.1 产品分类

不同的产品，其用途和性能要求均有所不同，如：同一种西鲁式的产品，其理论模型一致，但在不同的使用场合，其实际的修正模型将会有显著变化，这就需要进行产品分类。分类的目的是为了建立每个类与修正模型之间的关系。这里，我们将产品的性能参数定义为特征，令Vi=(v1，v2，……，vn )为产品i的特征向量空间，vi为特征参数。

产品的特征参数应包括以下几方面：钢丝绳的结构、规格、类型、材质、性能、润滑状况、捻距、公称抗拉强度、韧性、涂油方式等。为使分类具有一定的智能性质，我们在这里采用自适应谐振理论的ART1网络进行分类，该网络具有无监督自学习功能，可实现动态分类。其网络结构如图2所示。

1.1.2 产品结构设计理论模型

钢丝绳结构理论模型需根据钢丝绳的类型、结构特点分别建立相应的数学模型。从结构特点来看，点接触式钢丝绳相邻钢丝之间呈点状接触，并采用等直径钢丝捻制；线接触钢丝绳各层钢丝之间以线状接触，它分西鲁式、瓦林吞式和填充式三种基本类型，上述四种类型是钢丝绳最基本的结构形式，在此基础上可组成西瓦式、西鲁-填充式等多种变形结构。因而，设计理论模型库只存放点接触式、西鲁式、瓦林吞式和填充式四个模型。对于变形结构理论模型则采用组合方式加以解决。

无论是点接触式或线接触式，其单一的理论模型建立基本上可分以下几个步骤：
钢丝绳直径的确立
根据钢丝绳的破断拉力F0、钢丝绳的破断拉力换算系数K和钢丝绳的公称抗拉强度R0进行计算。其公式如下：D=〖KF(〗(F0/(K′R0)
建立股与绳的捻制系数方程
其方程式为：
Ck2m4-2CK2m3-(k2+π2)m2＋2π2m-π2=0 
其中：C=(tg(a))2；a=180/n；m = D /d；n --股的数目；k --捻距倍数。

由于该方程式是高阶方程，可采用高阶弦位法求解捻制系数。求出股径后即可继续进行股中钢丝的设计。由于股的结构不同，因此要根据不同结构进行相应的股结构计算。

股结构设计
根据股的直径、捻距倍数以及相应的结构类型分别建立相应的方程。基本方法是：首先建立未捻制状态下的钢丝丝径比例关系，然后进行多次叠加，逐步逼近，达到一定精度停止求解。这里，以瓦林吞式为例作简要说明。瓦林吞式具有以下特点：①股中各层钢丝捻角不同，捻距相同；②股外层钢丝数目是次外层钢丝数目的二倍，且外层钢丝由粗细两种丝径的钢丝组成，两种钢丝数目相同（见图3）。

瓦林吞式由于内层钢丝与外层钢丝呈线接触，所以不能直接进行计算，须采用迭代方法计算股中各层丝的丝径比，即首先在未捻制状态股中各钢丝都以圆形断面相切的情况下，根据各层钢丝相切关系求出各层钢丝之间的丝径比，根据相应的丝径比求出各层钢丝的捻距和捻角，然后根据椭圆任意半径公式求出相应的椭圆半径，由各层钢丝相切条件再求出丝径比，再由新计算出的丝径比进行下一次计算，如此进行多次迭代，即可计算出规定精度的丝径比，接着由各外层丝径比求出相应各层丝径。

1.1.3 钢丝绳理论间隙计算

根据实际直径进行钢丝绳层间钢丝和同层钢丝之间理论间隙的计算。在钢丝绳捻制过程中会发生钢丝之间的挤压和变形，一般情况下，钢丝的实际规格均大于理论值，从而保证实际捻制后的产品符合用户的需要。通过理论间隙计算，为找出理论间隙与钢丝绳实际值之间的映射关系提供基础数据。

1.1.4 钢丝绳理论性能计算

钢丝绳性能主要包括抗拉强度、韧性、疲劳强度等，是产品结构设计是否合理的重要指标。由于实际捻制用的钢丝规格均比理论计算值大，因而通过对理论结构和实际结构的性能计算分析，找出其中的映射关系，可使设计趋于合理。由于性能计算涉及的参数很多，在系统中采用经验公式进行计算。

1.1.5 结构/性能敏感性分析

该模型根据上述四种模型提供的理论值与实际值等一系列数据，分析各参数对性能的影响程度，将有关的分析结果存入产品设计知识库中，并建立模型修正参数表。在系统中，我们采用摄动分析法分析各参数对钢丝绳性能的影响。

在产品结构模型设计系统中分别涉及三个库：

(1)钢丝绳历史结构参数库。记录为满足实际使用的需要在理论计算基础上经修正的实际丝径等参数，即库中记录了理论结构数据与实际结构之间的关系数据。
(2)钢丝绳设计知识库。该库中存放了对钢丝绳结构设计所要考虑的约束条件，包括产品结构特征要求和生产制造要求。前者如性能、捻制方法等；后者如为了提高计划批量值，根据生产的实际需要，将几种不同规格的钢丝统一为一种钢丝丝径等。
(3)产品相似性知识库。记录对产品分类所需要考虑的特征以及产品的分类法则。

1.2 钢丝绳工艺设计系统

工艺设计包括绳/股的捻制工艺和钢丝拉拔工艺。主要功能有：工艺路线生成、设备选定、实际捻距计算、钢丝拉拔工艺生成、钢丝绳实际性能计算和不松散理论计算等。如果通过产品分类能找到与其类似的模型，则其工艺设计就变得相当简单。在设计模型分析系统中，结构/性能敏感性分析和相关分析模型是根据历史数据进行分析的，已经考虑了可制造性，相关的库中已经记录了与工艺有关的特征，只需简单的推理分析即可。对于一个新产品，即通过产品分类发现其不属于其中的任何一类，则必须通过推理机完成工艺的生成工作，它根据设计人员选定的设备、典型工艺和工艺设计知识库中的有关知识，生成相应的捻股/捻绳工艺路线和拉拔工艺。在工艺制定过程中，通过钢丝绳实际性能计算模块所选用的设备、实际捻距，计算钢丝绳的破断拉力、韧性等，并根据不松散理论，计算钢丝绳的前变形、后变形等参数，此过程须反复多次，直到满意为止。

新产品设计合格后，相关的设计参数和工艺参数就存入系统中，作为未来系统进行新/变形产品设计的数据源。由于产品分类采用ART1神经网络，能实现边学习边分类的能力，保证了系统对相似性产品分析的合理性和准确性，也能更准确地找到各类与修正模型之间的关系。在工艺设计系统中涉及典型工艺库、设备库、公差标准库和材质库等，它们由产品数据管理模块集中统一管理。

2 产品数据管理/系统集成

2.1 产品数据管理

产品数据管理需要完成对所有产品结构库、产品工艺库的修改、增加、删除、显示工作，主要有：①产品库：按照镀前丝、电镀丝、制绳丝、股、绳等层次进行产品结构的管理，为实现与MFG/PRO系统集成作铺垫；②工艺库：主要有工艺流程编码库、绳典型工艺库、钢丝典型工艺流程库、典型拉丝工艺库；③设备库：主要有工字轮与绳径对照表，成绳机/捻股机设备性能库、拉丝机性能库、拉丝模规格参数库；④标准库：主要有钢丝绳直径公差库、钢丝绳直径允许偏差表、钢丝公称抗拉强度偏差表、钢丝最小锌层重量表；⑤材质库：主要指钢号参数库，该库中记录该材质的主要元素含量。

2.2 系统集成

系统集成包含两部分：一是钢丝绳结构设计和工艺设计之间的集成，二是相关的钢丝绳结构参数和工艺信息与生产管理系统之间的集成。

2.2.1 钢丝绳结构设计与工艺设计集成

结构设计与工艺设计的集成，主要解决在设计的同时考虑钢丝绳的可制造性问题。由于钢丝绳的性能不仅与结构有关，而且与工艺密切相关。不同的设备、不同的加工工艺可导致钢丝性能在捻制过程中发生较大的变化，因而结构设计与工艺设计必须集成。结构设计给工艺设计的信息有：钢丝绳规格、钢丝直径、捻制方式；工艺设计给结构设计的信息有：工艺知识、设备特征、实际捻距、实际性能等。

2.2.2 钢丝绳设计系统与ERP系统的集成

完成产品结构、工艺流程与企业管理ERP系统─MFG/PRO的集成，首先，系统将相关的信息转化成MFG/PRO系统能接受的格式，然后通过CIM-LOAD接口载入MFG/PRO系统中。

3 结语

通过将钢丝绳的结构设计与工艺设计结合在一起，进行理论分析，建立相应的修正模型，并对已有设计知识的继承和分析，为新产品和变形产品的设计与开发提供了一条新路子，也避免了钢丝绳结构设计数学模型过于复杂、只能靠经验设计的模式，使系统设计更趋合理。目前我们已经开发了相关的功能，它能有效解决企业产品结构设计与工艺脱节的问题，从而大大缩短了新产品的设计周期。