CN115587517B - 一种基于云计算的机电设备数智化设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云计算的机电设备数智化设计系统，包括客户端app、后台服务端和云端服务器；所述客户端app，用于用户输入设计参数，经云端服务器计算后输出设计结果；所述后台服务端，用于接收设计参数进行处理，根据电机设备应用场景选择对应的设计模板，并进一步对计算任务进行拆分后推送到云端服务器进行计算；所述云端服务器，用于提供计算服务和数据层服务；云端服务器上部署有CAE软件，根据推送的计算任务进行参数化计算，把满足约束条件的方案进行全部求解和数据罗列后返还给后台服务端；后台服务端对返还的方案数据进行筛选，把筛选后的方案数据输出到客户端app进行设计结果的展示。利用本发明，可以在最短的时间输出最优选的方案。

Description

一种基于云计算的机电设备数智化设计系统

技术领域

本发明涉及机电设备设计领域，尤其是涉及一种基于云计算的机电设备数智化设计系统。

背景技术

动力系统对电机的设计指标要求越来越高，电机设计到制造的研制过程涵盖的内容以及需要输出的报告图纸内容越来越多，而电机多物理场软件分析设计的流程复杂且应用门槛较高。企业对电机工程师的要求也越来越高，需要一人身兼数职，跟进多个项目的设计要求，且工程师本身在电磁结构、热管理、NVH等不同领域的知识之间存在一定的壁垒，要完成完整的电机设计工作需要的学习积累过程很耗时。工程师经常面临着要在最短的时间内完成从需求响应到仿真设计再到样机加工与测试的全闭环，同时还要输出设计加工生产过程所需要的所有图纸。

市面上较为成熟的电机多物理场分析软件多是基于用户个人计算机的性能配置来计算。如公开号为CN106682321A的中国专利文献公开了一种电机集成设计仿真系统及其方法，公开号为CN107977518A的中国专利文献公开了一种针对伺服电机设计的多学科联合仿真方法。但是由于个人计算机的算力非常有限，需要大量任务数的情况下需要的计算时间非常长。同时，用户个人计算机的软件或是硬件问题导致的计算失败常有发生，耽误仿真进度的同时也浪费了宝贵的时间。

一般的仿真流程中电磁结构仿真、热仿真、NVH仿真、图纸绘制等过程是独立进行的，其中某一环出现问题都会产生多米诺骨牌效应导致整体设计需要修改、产品的研发周期变长等问题，增加了研发成本，因此目前电机割裂式的研发流程与创新型产品研发和快速市场反应的社会需求不适应。也有一些软件能够通过特定的整合平台实现对其他仿真平台的同时调用从而实现较为全面的仿真设计，但是由于多平台间的版本兼容问题、算法问题以及数据调用过程中的错误等，计算过程的稳定性，计算结果的准确性都会受到影响，且由于计算量很大，计算过程耗时很长。

因此，亟需设计一种电机的数智化涉及系统来代替实际设计工程师的工作，从而起到事半功倍的效果。

发明内容

本发明提供了一种基于云计算的机电设备数智化设计系统，可以将复杂的机电设备设计优化、计算分析工作隐藏至后台，通过手机或类似终端上的APP操作，系统自动“云化”完成机电设备设计和仿真计算，在最短的时间输出最优选的方案。

一种基于云计算的机电设备数智化设计系统，包括客户端app、后台服务端和云端服务器；

所述客户端app，用于用户输入机电设备设计参数，经云端服务器计算后输出设计结果；输入的设计参数包含机电设备应用场景、机电设备类型、机电设备需求、约束条件、优化目标、参变量范围以及需要计算输出的设计结果；

所述后台服务端，用于接收用户输入的设计参数进行处理，根据机电设备应用场景选择设计模板，并根据设计模板进一步对计算任务进行拆分，利用分布式消息中间件RocketMQ消息队列将拆分后的计算任务推送到云端服务器进行计算；

所述云端服务器，用于提供计算服务和数据层服务；云端服务器上部署有CAE软件，根据后台服务端推送的计算任务进行参数化计算，把满足约束条件的方案进行全部求解和数据罗列后返还给后台服务端；后台服务端根据用户对于机电设备需求对云端服务器返还的方案数据进行筛选，把筛选后的方案数据输出到客户端app进行设计结果的展示。

本发明中，机电设备可包含电机、变压器、电感、作动器和传感器等，当机电设备为电机时，输入的涉及参数还包括冲片类型。

进一步地，所述客户端app输出的设计结果包含机电设备设计报告、仿真虚拟实验报告、产品图纸、三维模型、BOM表、成本估算及工艺文件；展示的设计结果由与机电设备应用场景对应的设计模板决定。

进一步地，所述的后台服务端基于SpringCloud微服务架构搭建，其通讯方式采用HTTP/HTTPS或Socket。

进一步地，所述的后台服务端包含用户模块、设计模块和结果模块；其中，用户模块用于提供用户注册、登录、注销、验证的功能；设计模块用于提供项目新建、保存、获取详情、计算的功能；结果模块用于获取计算进度、查看计算结果数据及图表文件；

当后台服务端接收到客户端app的数据请求时，首先通过用户模块进行用户身份校验，接受数据后保存设计参数，然后设计模块利用设计参数创建任务数据，对计算任务进行拆分，利用分布式消息中间件RocketMQ消息队列将计算内容推送到云端服务器进行计算；当云端服务器的结果数据返还后，通过结果模块从数据中定位筛选出需要的结果数据，并利用这些数据生成客户端页面展示内容以供用户查看。

后台服务端中，设计模块利用设计参数创建任务数据，对计算任务进行拆分具体包括：根据机电设备需求确定有限元计算设置参数，根据约束条件确定结果筛选条件，根据优化目标确定优化算法的具体执行策略，根据参数化扫描确定需要计算的算例数量。若机电设备为电机，则进一步根据冲片类型从数据库中确定冲片。

云端服务器上部署的CAE软件包含电磁场仿真软件、温度场仿真软件、结构场仿真软件和NVH仿真软件。

云端服务器根据后台服务端推送的计算任务进行参数化计算时，首先根据计算任务来弹性调用云端服务器的计算算力，然后根据机电设备的应用场景及设计模板来固化不需要更改的数据，并将需要联动更改的数据与CAE软件进行联动计算。

云端服务器中，计算服务包含参数化计算、流程框架LiteFlow以及弹性计算；数据层服务包含文件数据服务器、云对象存储以及业务数据库；

云端服务器进行计算服务所需的项目数据和模板数据来自文件数据服务器，对于电机的冲片类型的数据从业务数据库中获取；计算产生的中间数据和最终结果将存储至云对象存储中，并返还到后台服务端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、节省人力投入及研发成本。本发明依靠强大的计算算力以及智能的优化设计方法，一方面可以节省企业软件以及硬件设备的投入。另外一方面可以节省人员的投入，可以实现多位工程师工作任务的输出能力。

2、可提供能够直接生产的产品方案。本发明不止于设计工具，更准确的定义是一个能够提供产品全套解决方案的系统。能够快速响应企业研发及生产制造过程中所需要的各类文件及图纸的输出。

3、可显著提升研发效率及准确率。本发明融合多项先进技术，应用于机电设备设计研发领域，为企业提供了全新的产品研发工具，紧密结合企业实际产品和运营特性，快速提供产品设计和优化方案，完成海量计算和方案优选等原来不可能完成的任务，极大提升技术研发效率同时能够实现方案设计的“百发百中”。

4、可帮助建立企业研发到生产的标准流程。本发明可以帮助企业建立标准化流程，建设各类标准化模板和数据库，从研发设计到生产、直至贯通产业链上下游，推动企业数字化转型。

5、可助力可控及规范化的研发体系建设。本发明可提供标准流程和各类基本模板，帮助企业建立规范化的设计流程。一方面将行业先进的标准化流程置入企业运营管理活动中，起到了标准化规范企业研发流程的作用。另一方面，是研发流程数字化的体现，增强了企业研发流程及数据的可控化。

6、可实现企业知识和技术数字化管理与储存。本发明的应用，可为企业技术资料等知识资产带来全新的管理方式，可将企业研发体系流程化、模板化，并融入企业自身积累的技术成果和资料，所有数据系统化整理保存和使用；数据和技术资料云端存储和备份，方便随时随地调取应用。

附图说明

图1为本发明一种基于云计算的机电设备数智化设计系统的框架原理图；

图2为本发明机电设备数智化设计系统设计过程中的数据流程图；

图3为本发明云端服务器中计算服务和数据层服务的示意图；

图4为本发明实施例中机电设备数智化设计系统的设计流程图；

图5为本发明实施例中机电设备数智化设计系统的整体结构流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的核心在于对多场耦合的工业软件技术、云计算与大数据技术、制造和生产技术、以及电机行业大数据的整合，以智能优化设计算法为基础，以云计算的强大算力为支撑，实现机电设备方案的快速设计和优化以及生产制造所需文件的快速输出。本发明实施例中，以机电设备中的电机为例进行详细的描述。

如图1所示，一种基于云计算的机电设备数智化设计系统，包括客户端app、后台服务端和云端服务器。

在前端，基于电机快速设计技术、电磁场仿真技术、2D/3D建模技术、热仿真技术、结构应力仿真技术、振动噪声仿真技术、多场耦合CAE技术、控制与电机耦合仿真技术、参数化与遗传算法优化设计技术以及电机行业大数据，建立了操作逻辑简洁易懂、操作步骤直观清晰的客户端APP。APP界面采用列表、二维与三维图、文字等方式清晰地呈现所有的输入输出项，其中包括电机设计报告、仿真虚拟实验报告、产品图纸、三维模型、BOM表、成本估算、工艺文件等输出内容，输出内容有着默认的输出模板，也可以根据客户的需求对模板进行更改，以达到输出文件直接指导生产作业的目的。

后台服务端基于SpringCloud微服务架构搭建，通讯方式采用HTTP/HTTPS或Socket。服务模块主要包括三方面，一是用户模块，即提供用户注册、登录、注销、验证等内容的模块；二是设计模块，即提供项目新建、保存、获取详情、计算等功能的模块；三是结果模块，即获取计算进度、查看计算结果数据及图表文件的模块。

如图2所示，当接收到客户端的数据请求时，先进行用户身份校验，应用层接受数据后保存计算参数并利用计算参数创建任务数据，之后对计算任务进行拆分利用分布式消息中间件RocketMQ消息队列将计算内容推送到云端进行计算；当云端结果数据返还后，利用用户在客户端的输入数据建立优化排序筛选策略，快速从云端返还的海量数据中定位筛选出需要的结果数据，并利用这些数据生成APP端页面展示内容并返还给用户端以供用户查看。

云端服务器，提供计算服务和数据层服务。如图3所示，计算服务包括了参数化计算、流程框架LiteFlow以及弹性计算。数据层则包括了文件存储服务器、阿里云oss、以及利用mysql和redis进行存储的海量业务数据库。当云服务器接收到服务端推送的分布式信息后，利用阿里云弹性计算伸缩组(集群)对海量算例进行快速计算，计算所需的项目数据和模板数据来自文件数据服务器，还有一部分例如冲片信息的数据从业务数据库中获取，计算产生的中间数据和最终结果将存储至阿里云OSS(Object Storage Service)中，方便服务端的调取。

如图4所示，当客户有电机类产品的研发需求时，可打开客户端APP，根据项目需求选取合适的应用场景，进入对应的场景后选择需要的电机类型，并输入电机的基本需求，基本需求可以根据用户的需要进行拓展；确认基本需求后根据项目的要求设定必要的约束条件(成本、效率等)，然后从数据库中选取自己需要的定子转子冲片类型，再根据需求确定优化目标，选择合适的参变量范围，并选择需要计算输出的内容后，对项目进行命名便可开始计算。

当用户点击了“开始计算”后，用户设定的参数便会被提交至后台服务端进行处理，后台服务端会对计算任务进行拆分利用分布式消息中间件RocketMQ消息队列将计算内容推送到云端服务器进行计算。计算所需的项目数据和模板数据来自文件数据服务器，还有一部分例如冲片信息的数据从业务数据库中获取，计算产生的中间数据和最终结果将存储至阿里云OSS(Object Storage Service)中，最后返还到后台服务端，服务端利用用户在客户端的输入数据建立优化排序筛选策略，快速从云端返还的海量数据中定位筛选出需要的结果数据，并利用这些数据生成APP端页面展示内容并返还给用户端以供用户查看。用户在APP结果界面中可以很直观地查看默认模板的结果数据、图表和生产制造相关文件，并可以在平台上直接实现分享与下载功能(分享功能支持部分常用的第三方交流软件)可将技术方案数据分享给相关技术人员进行沟通，也可将文件发送给生产厂家直接指导生产。

本发明专利基于电机仿真设计技术和云计算的基础，一次性解决电机工厂“人，机，料，法，环，测”六大环节的产品技术问题，同时为电机产品从“需求-设计-报告-报价-图纸-工艺-生产-制造-测试-批量化”整个链条提供完整的解决方案和相应文件的输出。用户可以仅用一部手机或是平板类的便携终端上，就完成所有的电机设计仿真工作，且仿真用时会比从常规的仿真软件缩短上千倍，同时基于大数据和仿真优化算法，计算的准确性将远高于常规仿真软件。除此之外还可以基于大数据、各种类型的数据库以及仿真结果自动生成产品图纸、三维模型、BOM表、成本估算、工艺文件等。用户在手机或是平板类的便携终端上便可以实现对所有结果数据的查阅，部分内容支持后处理，并可以将结果数据直接在平台上进行分享。

下面以水泵电机为例，进一步对本发明的机电设备数智化设计系统的工作流程进行介绍。

参考图5，用户通过电脑或者手机输入需要设计电机的基础数据，选择电机的应用场景；数智化设计系统会自动根据用户输入的数据来结合电机的设计理论选择一套设计的流程出来。对于水泵电机的应用有标准的国标来约束运行的工况(转速、转矩、功率、过载的要求)，这类的标准系统已经固化到程序中，用户直接选择调用即可。

用户输入的电机基本性能指标(转速、转矩、功率、过载的要求)也会转化成设计的目标量作为后面设计方案的筛选条件。数智化设计系统在进行参数化或者基于优化算法设计的过程中达不到用户输入的功率、转速、效率的要求的自动过滤。

对于企业来讲，不同的应用场景会对应一套专用的设计报告、图纸、BOM表及工艺文件，对于设计过程而言需要替换的是其中的数据以及图片化的模板。系统可以根据客户的应用场景以及提供的模板来固化不需要更改的数据，需要联动更改的数据可以进行联动处理用于支撑设计优化方案到最后输出的数据联动。

数智化设计系统会根据客户提供的水泵电机的全套图纸模板中和电机核心的设计数据无关的量及图形固化下来，如机壳、端盖、轴的形式及尺寸。其它和设计方案有关的数据和CAE软件EasiMotorOnline进行联动。

通过用户的输入，数智化设计系统可以把用户的输入数值转换成为有限元仿真工具所需输入的条件以及判定的约束条件。

水泵电机的用户会输入电机应用的电压、电流、功率以及约束的尺寸等，数智化设计系统会根据电压、电流、功率转化成有限元输入的激励条件，在进行EasiMotorOnline求解的时候会以表达式的形式写进EasiMotorOnline计算的激励中，另外用户输入的约束尺寸电机的重量、体积等会转化成为电机的外径、叠长等优化的变量约束等。

数智化设计系统可以根据用户输入的变量条件来判断所需要调用的云平台的计算算力。具体的讲，水泵电机的设计需要更改电机的叠长(50mm-100mm步长为10mm)以及匝数(20匝-50匝步长为2匝)，这样如果采用参数化优化总的计算量为6*17＝102个案例，这样后台会启动102台机器进行同步的计算。这里会根据用户的输入进行弹性的调用计算。

数智化设计系统调用云端服务器部署的CAE软件EasiMotorOnline，EasiMotorOnline优化软件会把满足用户指标的方案进行全部求解和数据的罗列。数智化设计系统会根据用户的需求进行方案的筛选，并同时把筛选后的方案的数据进行数据的互通到相应的模板(电磁报告/BOM/图纸/工艺文件)中。最后数智化设计系统输出的就是一套满足客户所需要的完整的文件，无需客户进行复杂的CAD及CAE软件的应用及操作。同时，所有的生成的文件支持一定格式的下载和在线编辑。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于云计算的机电设备数智化设计系统，其特征在于，包括客户端app、后台服务端和云端服务器；

所述客户端app，用于用户输入机电设备的设计参数，经云端服务器计算后输出并显示设计结果；输入的设计参数包含机电设备的应用场景、机电设备类型、机电设备需求、约束条件、优化目标、参变量范围以及需要计算输出的设计结果；

所述后台服务端，用于接收用户输入的设计参数进行处理，根据机电设备应用场景选择对应的设计模板，并根据设计模板进一步对计算任务进行拆分，利用分布式消息中间件RocketMQ消息队列将拆分后的计算任务推送到云端服务器进行计算；

所述云端服务器，用于提供计算服务和数据层服务；云端服务器上部署有CAE软件，根据后台服务端推送的计算任务进行参数化计算，把满足约束条件的方案进行全部求解和数据罗列后返还给后台服务端；后台服务端根据用户对于机电设备需求对云端服务器返还的方案数据进行筛选，把筛选后的方案数据输出到客户端app进行设计结果的展示；

所述的后台服务端包含用户模块、设计模块和结果模块；其中，用户模块用于提供用户注册、登录、注销、验证的功能；设计模块用于提供项目新建、保存、获取详情、计算的功能；结果模块用于获取计算进度、查看计算结果数据及图表文件；当后台服务端接收到客户端app的数据请求时，首先通过用户模块进行用户身份校验，接受数据后保存设计参数，然后设计模块利用设计参数创建任务数据，对计算任务进行拆分，利用分布式消息中间件RocketMQ消息队列将计算内容推送到云端服务器进行计算；当云端服务器的结果数据返还后，通过结果模块从数据中定位筛选出需要的结果数据，并利用这些数据生成客户端页面展示内容以供用户查看；

其中，设计模块利用设计参数创建任务数据，对计算任务进行拆分具体包括：根据机电设备需求确定有限元计算设置参数，根据约束条件确定结果筛选条件，根据优化目标确定优化算法的具体执行策略，根据参数化扫描确定需要计算的算例数量。

2.根据权利要求1所述的基于云计算的机电设备数智化设计系统，其特征在于，所述机电设备包含电机、变压器、电感、作动器和传感器。

3.根据权利要求1所述的基于云计算的机电设备数智化设计系统，其特征在于，所述客户端app输出的设计结果包含机电设备设计报告、仿真虚拟实验报告、产品图纸、三维模型、BOM表、成本估算及工艺文件；展示的设计结果由与机电设备应用场景对应的设计模板决定。

4.根据权利要求1所述的基于云计算的机电设备数智化设计系统，其特征在于，所述的后台服务端基于SpringCloud微服务架构搭建，其通讯方式采用HTTP/HTTPS或Socket。

5.根据权利要求1所述的基于云计算的机电设备数智化设计系统，其特征在于，云端服务器上部署的CAE软件包含电磁场仿真软件、温度场仿真软件、结构场仿真软件和NVH仿真软件。

6.根据权利要求1所述的基于云计算的机电设备数智化设计系统，其特征在于，云端服务器根据后台服务端推送的计算任务进行参数化计算时，首先根据计算任务来弹性调用云端服务器的计算算力，然后根据机电设备的应用场景及设计模板来固化不需要更改的数据，并将需要联动更改的数据与CAE软件进行联动计算。

7.根据权利要求1所述的基于云计算的机电设备数智化设计系统，其特征在于，云端服务器中，计算服务包含参数化计算、流程框架LiteFlow以及弹性计算；数据层服务包含文件数据服务器、云对象存储以及业务数据库；

云端服务器进行计算服务所需的项目数据和模板数据来自文件数据服务器，计算产生的中间数据和最终结果将存储至云对象存储中，并返还到后台服务端。

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