论文总字数：25886字

摘 要

关键词：水处理设备 智能化 二次开发

Intelligent CAD System Development for Key Component of TFS-TNi Water Treatment Equipment

02011424 LiuXin

Supervised by Tang Wencheng

Abstract: In this paper the problems which existed in the practical work of producing the water treatment equipment have been solved, including non-standard parts, difficult assembly , low design efficiency and so on, by developing the intelligent CAD system for water treatment equipment with the further development of SolidWorks. Key component selection mechanism is made, the membrane is identified as the main research object. First, researching the method of parametric modeling. Part code is used to describe the instance of part. Chain data structure is applied from top to down to transfer variable value, establish parametric product model. Then, automatic assembly technology is researched. Assembly modeling based on features is established. The assembly sequence planning is generated by using of Assembly Oriented Graph(AOG) representation, and automatic assembly model is realized. Expert system for the component is established and simply intelligentialize is realized. Finally intelligent CAD system for membrane system in water treatment equipment is developed including found parts library of the membrane system. Generte assembly sequence planning of the membrane system, establish the assembly model and realize automatic assembly. Some other functions, such as draw up the engineering drawing automatically and draw the product structure tree, is also been developed in the system. This paper lay a foundation for the intelligent CAD system of the whole equipment. In a way, the difficult of assemble is solved and the reducer design efficiency is improved.

Key Words: Water Treatment Equipment; Intelligent; Further developed

目 录

摘要……………………………………………………………………………………………………...Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………………………………….....Ⅱ

1 绪论 1

1.1 课题来源 1

1.2 水处理设备智能化CAD系统研究背景和意义 1

1.3 污水处理系统及其相关技术研究现状 1

1.4 主要研究任务 2

2 TFS-TNi水处理设备结构分析 3

2.1 设备整体结构 3

2.2 产品工艺流程 3

2.3 零件简化 4

2.4 关键零部件的选择 4

3关键零部件的参数化设计 7

3.1 参数化简介 7

3.2 问题及任务，定义工程参数 7

3.3 参数化模型，参数驱动机制 8

3.3.1 定义工程约束 8

3.3.2 零件编码 8

3.3.3 零件级参数化模型 9

3.3.4 产品级参数化模型 10

3.3.5参数传递链 11

3.4 实例 11

4 关键零部件的自动装配设计 13

4.1 装配层次 14

4.2 装配特征分析 14

4.3 装配模型表示和装配顺序的确定 14

5 智能化CAD系统实现 16

5.1 系统开发方法 16

5.2系统需求分析 16

5.3 总体设计 18

5.3.1 系统体系结构 18

5.3.2 系统功能树 18

5.3.3 系统总体设计过程 19

5.3.4 系统执行流程 20

5.4 膜系统部件参数化零件库的建立 21

5.5 膜壳零件的智能化设计 23

5.5.1 专家系统 23

5.5.2 产生式系统 23

5.5.3 水处理设备关键零部件的知识库 23

5.5.4 膜壳设计知识的表达 24

5.6 膜系统部件自动装配的实现 24

5.7 工程图的自动生成与调整 26

5.8 智能化CAD系统人机交互界面 27

6 系统运行实例及结论 29

6.1 系统运行环境 29

6.2 系统演示 29

7 结论与展望 32

致谢 33

参考文献： 34

1 绪论

1.1 课题来源

本课题来源于与江苏扬州佳镜环境设备有限公司合作的“TFS-TNi系列水处理装备智能化设计系统开发”项目。

扬州佳境环境设备有限公司是一家致力于环保装备的设计开发与组装生产的先进企业。主要产品有水质净化、空气清洁、资源回收等系列，具有单件小批量，非标准设备多，产品总体和结构设计等特点。

公司根据客户需求和产品功能，设计出各种膜系统，实现水净化与溶质回收。根据产品模块功能，公司现将膜系统划分为四个类别，分别为镍浓缩系统、管式滤膜系统、中水回用系统、纯水系统。本文主要研究对象为镍浓缩系统。

1.2 水处理设备智能化CAD系统研究背景和意义

21世纪以来，环境问题日益凸显，全球的环保行业开始进入快速发展阶段。其中水资源的问题尤为严重，甚至有称二十一世纪为“水的世纪”。水环境问题的严重性已日益得到社会各界的重视，2015年4月国务院颁布的《水污染防治行动计划》，将水问题提到了重要位置，充分表明了政府部门对水问题越来越重视的态度。在中国可预见的未来，水处理将成为发展最快的行业之一。

膜法水处理技术是水处理行业的新型技术，它具有出水水质高的特点，在污水处理及回用领域有广阔的发展应用前景。然而我国国内的水处理设备产需矛盾突出，综合生产能力较弱，无法满足国内需求。大部分企业都有以销定产，零件型号、种类繁多，产品标准化总体水平偏低等问题，造成产品装配困难、质量达不到保障等问题。

本文的水处理设备的智能化CAD系统针对的是江苏扬州佳镜环境设备有限公司的镍浓缩系统的设计软件，使得镍浓缩产品对象的设计装配更加自动化、智能化，整个系统更加标准化、规范化，并具有一定的通用性，是整个“TFS-TNi系列水处理装备智能化设计系统开发”项目的基础工作。

1.3 污水处理系统及其相关技术研究现状

随着我国城市化水平的不断提高，水污染的问题也越来越严重，特别是流域内有比较大的城市的河流、河水不同程度被污染，长江、珠江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染^[1]。因此，提高污水处理的效率和处理技术仍然是当前我们所面临的主要任务。

污水处理是对污水进行净化使其达到排放指标或再利用标准的要求的过程。污水处理综合系统主要包括预处理装置、水净化及溶质回收系统、污染物处理装置三大部分。其中水净化及溶质回收系统主要作用是去除污水中胶体和溶解状态的无机和有机污染物，分为溶质溶液分离系统、固液分离系统、中水回用系统及纯水系统四种类型^[3]。

近年来欧美国家通过污水处理厂的一体化设备与自动控制已将污水处理的效率和稳定性大幅度提高^[5]。

参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法^[15]，这是由于产品的整个设计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过程。

参数化研究工作最早可追溯到60年代早期，Sutherland在他开发的Sketchpad系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来Light、Gossard^[16][17]进一步发展了这一思想，并使其实用化。在应用此方法(数值迭代法)的过程中，人们也发现了该方法的诸多弊端如迭代收敛性问题等等。由此人们又提出了符号法^[18]用以克服这些问题，但符号法的计算量很大，在实用中受到了很大的限制。另外，人们也提出了一种应用人工智能思想的方法—几何推理法^[19][20](或称规则法)。这种方法把约束集及所约束的几何元素用图论的方法表示出来，然后对约束图进行几何推理以确定各几何元素的参数值。这种方法由于简洁、计算量小，因而在实际应用系统中得到了广泛的应用。

1.4 主要研究任务

课题研究基于SolidWorks平台的二次开发，对TFS-TNi系列水处理装备中的关键部件——水处理模块做了参数化设计、自动装配等方面的研究，有一定的使用价值，对整个水处理装备的参数化设计提供了参考价值。采用参数化技术，建立了水处理模块的参数化零件库；建立由产品到零件的较为完整的参数传递链，实现产品系列主变量对所有零件的尺寸驱动；建立产品预装配模型，实现产品系列对象的自动装配。有助于解决公司现在以销定产，标准化程度低，产品装配随意性大，开发周期长等问题。

本文主要研究内容：

1. 对TFS-TNi系列水处理装备进行模块划分，选取关键的核心零部件；
2. 对关键零部件进行整理，建立参数化零件库；
3. 实现产品级参数化，建立由产品到零件的参数值传递链；
4. 系统还可实现自动生成简单的工程图，自动建立BOM结构树，零部件三维效果图以及工程图的查看等功能。

2 TFS-TNi水处理设备结构分析

2.1 设备整体结构

该设备是利用膜分离处理法，对工业含镍、锰废水经过多种、多级膜分离过滤，使得废水中的镍离子得到有效的隔离浓缩，最终达到优良产水的水处理装置。该装置直接采用纯物理分离浓缩技术，不添加任何化学药剂。废水经处理后，水质达到环保排放要求，同时回收废水中的镍、锰离子等资源，真正实现了零排放。该装置产品图如图2-1所示。

图2-1 TFS-TNi水处理设备实物图

2.2 产品工艺流程

如图2-2所示，为该水处理设备的工艺流程图。

图2-2 TFS-Fni水处理系统工艺流程图

废水处理过程叙述如下：（1）待处理废水经来水口进入，首先在水质调节模块调节ph值，经浓缩槽1和提升泵1提升流体压力后，流入Ⅰ级处理模块做第一阶段的物理过滤处理；（2）经第一阶段处理后，浓水回流到前期的浓缩槽中，处理过的纯水流入浓缩槽2中准备下次的过滤处理；（3）当来水过浓时，保安过滤器会将来水导入到浓缩槽3中，进而流入Ⅲ级处理模块，进行Ⅲ级处理装置的过滤处理；（4）同样处理后残余的浓水回流到浓缩槽3，处理过的纯水流入浓缩槽2中；（5）浓缩槽2中集中了Ⅰ级、Ⅲ级处理模块处理后的纯水，流入Ⅱ级处理模块中做第二次过滤处理，处理后的纯水经中和槽、离子交换器后即得到达标水排放。

2.3 零件简化

该装置零件多达上百个，零部件繁多，且许多的连接件、固定件等均为企业按照每次实际装配需要自己制作生产的，没有标准可循。因此整理和分析零部件结构及其相互关系对于之后的研究、产品建模等具有重大意义。

分析产品结构，基于以下规则对原产品进行局部简化。

（1）忽略检测仪表：如压力表、电导率仪等，这类仪表的作用主要是检测水的各项参数，意义主要体现在功能上，而对于产品的结构方面影响不大；

（2）忽略阀门、管道等零部件：在整个水处理设备中，管道作为整个系统物质和能量流动的主要渠道，从头到尾贯穿整个系统，然而管道排布的灵活性以及其结构和功能的单一性，使得其对整个设备产品的装配结构影响不大，因此可以先行忽略，作为单独的一部分进行优化研究；

（3）合并位置固定不可拆分的零部件：例如将浓缩槽1与液位计两者合并为浓缩槽1，它们功能具有依赖性且结构相连、不可拆分，可以将类似的这类零件合并，作为一个零件来考虑。

简化后得到共得到27个零件，产品零件清单如表2-1所示。

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