0 引言

采煤机设计过程复杂，涉及的知识具有重复利用率高、涵盖范围广、数量大等特点。目前采煤机设计存在设计资料分散、知识共享困难等问题[1-3]。随着网络与信息技术的发展，利用网络平台获取和使用创新知识与资源成为设计过程中必要的手段[4]。国外关于创新设计的平台很多，如TRIZ Journal[5]以TRIZ理论为核心，理论性强但互动性较弱；CREAX[6]提供了很多帮助创新的应用服务，但理论介绍很少，对于不熟悉创新设计的访问者来说很不方便。近年来，国内的创新设计平台层出不穷，如亿维讯[7]提供了丰富的创新案例、培训资料，但缺少应用服务，内容仅限于TRIZ；计算机辅助创新设计平台Pro/Innovator[8]借助其强大的创新方案库，帮助不同领域的设计人员快速获得可操作的高效解决方案；四川大学创新设计服务平台[9]提供了基于产品创新设计过程的创新方法、产品在线创新设计、创新培训服务，是国内比较有特色的创新设计类网站。然而，具有产品设计服务功能的创新设计平台较少，采煤机领域的创新设计平台更是鲜有报道。本文开发了采煤机创新设计服务平台，有助于激发设计人员创新思维，为采煤机设计提供创新方案。

1 平台框架

采煤机创新设计服务平台主要分为用户界面层、功能模块层和数据服务层。

(1) 用户界面层：主要负责用户与平台的交互，以文本、图形等形式为用户提供详细信息，使用户与平台形成友好访问。

(2) 功能模块层：属于平台核心部分，包括支持创新设计的各功能模块，为用户提供相应的应用服务内容，同时用户可访问平台中各类知识库。

(3) 数据服务层：为平台提供数据支持，包含本地资源和远程资源。

采煤机创新设计服务平台框架如图1所示。

图1 采煤机创新设计服务平台框架
Fig.1 Framework of innovation design service platform of shearer

2 平台关键技术

2.1 基于Python的专用型网络爬虫

传统的搜索引擎在获取搜索结果后仍需人为进行信息筛选[10]，这样会耗费设计人员大量时间和精力，不利于采煤机设计创新。因此，平台利用基于Python的专用型网络爬虫技术，为采煤机设计人员提供方便、快捷的检索通道，可直接查询资料文献，节省设计人员跨平台查找资料的时间，提高创新效率。

爬虫流程如图2所示，具体步骤如下。

(1) 将待爬取的URL作为爬虫对象放入URL管理器中。

(2) 从URL管理器中提取URL地址传送给网页下载器，下载相应的网页内容。

(3) 网页解析器获取网页内容并使用BeautifulSoup库分析源代码结构，确定需要爬取对象相对应的元素及类名称，如文献名称、作者、摘要等。

(4) 采用正则表达式从网页中提取有用数据后，将数据进行本地保存，存储格式为.xls文件。

图2 爬虫流程
Fig.2 Flow of crawler

2.2 基于WebGL的三维模型网页显示

为使采煤机设计人员直观了解零部件的三维构造与结构属性，平台采用基于WebGL的三维模型网页显示技术[11]，实现采煤机零部件三维模型展示。设计人员能完整掌握零部件信息并调用零部件模型，直接对零部件模型进行平移、旋转、缩放等操作而无需安装任何浏览器插件。三维模型网页显示实现关键步骤如下。

(1) 建立场景，场景相当于一个大容器，对应现实三维空间，所有对象都被添加到场景中。

(2) 根据不同情况选择相机并设置相机位置。

(3) 添加合适的光源来展示场景的视觉效果。

(4) 调用渲染器的渲染功能，使三维空间模型显示为二维平面图形。

(5) 利用格式转换工具将已建立的三维模型转换成.3mf格式的文件，模型加载到场景中进行显示。

(6) 通过控制three.js框架[12]的OrbitControl对模型进行平移、旋转和缩放，实现用户与三维模型的交互。

2.3 基于组件技术的采煤机远程参数化CAD/CAE集成设计

在参数化设计思想的基础上，利用组件技术将参数化CAD建模和参数化CAE分析方法集成，实现设计与分析过程集成化、组件化、智能化[13]。

2.3.1 远程参数化CAD建模

UG/Open API是UG中最普遍使用的二次开发工具。在UG/Open API的外部开发模式下，设计人员无需启动UG软件，通过网络调用服务器端的应用程序即可进行参数化设计。因此，采用UG/Open API的外部开发模式实现远程参数化CAD建模[14]，具体步骤如下。

(1) 分析零部件的结构特征，提取描述模型的特征参数，建立特征参数表达式。

(2) 启动UG建模模块，利用参数化设计思想绘制零部件三维模型。

(3) 建立程序框架，采用UG/Open API的外部开发模式编写参数化建模程序。

(4) 将步骤(3)中的程序封装成COM_PARA_DESIGN组件。

(5) 利用.NET技术从客户端获取零部件参数，按照一定语法规则写入文本文件，通过调用COM_PARA_DESIGN组件和相应UG/Open API函数完成客户端参数输入和服务器端模型输出，实现远程调用UG进行参数化建模的功能。

2.3.2 远程参数化CAE分析

参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)是一种解释性语言，用于ANSYS二次开发来实现远程参数化CAE分析[15]，流程如图3所示，具体步骤如下。

图3 远程参数化CAE分析流程
Fig.3 CAE analysis flow of remote parameterization

(1) 客户端输入CAD模型实际工作时的各种载荷、约束条件与有限元模型网格尺寸等，服务器端利用ASP.NET技术获得模型几何信息和有限元模型信息。

(2) 利用VB.NET文本处理函数将界面输入参数写入APDL文本文件中(数据写入以文本追加的方式实现)，转换成ANSYS软件能够处理的ASCII文件，并生成ANSYS命令流文件。通过VB.NET中Process组件的Start方法，调用ANSYS自动读入命令流文件并解算。

(3) 求解过程完成后生成ANSYS计算结果并输出结果文件，供设计人员下载。

2.3.3 CAD/CAE集成方法

利用参数传递的自定义接口程序实现CAD/CAE集成，具体步骤如下。

(1) 将零部件CAD模型的相关参数转化成ASCII文件，供ANSYS直接调用。

(2) 利用APDL读取ASCII文件，须在ANSYS中说明有限元模型的载荷、材料、网格尺寸等参数，模型参数应与文件中数据的存放顺序、读取格式保持一致，形成有限元分析参数文件。

(3) 利用.NET技术调用ANSYS软件，自动读入有限元分析参数文件，进行参数化有限元分析。

3 结语

采煤机创新设计服务平台提供了大量创新知识与创新资源服务，有助于打破采煤机设计人员的思维定式，达到提高设计人员产品创新能力的目的。该平台为设计人员提供了特定的创新设计信息抓取、采煤机零部件三维模型网页显示、远程参数化CAD建模与远程参数化CAE分析等功能，提高了采煤机创新设计效率和设计人员创新设计能力。

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