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流水 线上 转盘 称重 设计

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天津工业大学2007届本科生毕业设计（论文）51第一章概述电池是一种能量转化与储存装置，通过反应将化学能或物理能转化为电能。锂是自然界中最轻的非气态金属物质，它的本征电位比任何其他金属都要低。与其他种类的电池相比，以金属锂为负极的锂电池的比容量(单位重量的容量)和体密度(单位体积的容量)都是最高的，具有无可比拟的优势。锂电池的内阻很高，原因是其内部的电解液是胶体而不是水溶液。此外，极低的含水率、理化性能稳定的电极材料还使锂电池可以在很宽的温度范围内安全地工作，个别锂电池可以在-55 的低温环境和+150的高温下工作，锂电池的额定输出电压为2.73.6V。自1958年提出设想以来，锂电池发展极迅速，并很快便投入生产。接着由80年代中到90年代初由SONY 进一步开发研制并形成锂离子电池，由于它具有能量高、电压高、寿命长、无记忆效应、无污染、性价比好且有利的电池、贮能密度最高，可以大大降低移动电话的重量等优点，是电池行业中的佼佼者，也是移动通讯、笔记本电脑、摄录像机等小型便携式电器设备的理想电源。自动化技术是本世纪以来发展极迅速和影响极大的科学技术之一。现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的主要手段之一，对人类的生产活动和物质文明起着极大的推动作用。因此，自动化技术受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。因此，发展我国的机械制造业自动化技术，符合我国社会主义的基本原则，符合我国现代生产的发展规律。 为了加快Li/MnO2高能电池产业的发展，尽快赶上世界先进水平，具有自主知识产权的先进加工制造设备的推出就迫在眉睫。实现自动化，提高生产效率成了当前的主要任务。11 锂二氧化锰电池特点锂二氧化锰电池由英国圣德鲁斯大学于1975年研制成功，于1976年商品化并投放市场，是目前生产量最大的锂电池。它以锂金属为负极，二氧化锰为正极，高氯酸锂（LiClO4）的碳酸丙烯酯（PC）和乙二醇二甲醚（DME）溶液为电解质。具有较高的比能量；可以提供从微电流、小电流、甚至大电流的放电输出； 可在-20 +50 的温度范围内工作；有良好的密封性和贮存性能；每年容量约降2，3年以后容量损失才比较明显。锂锰电池基本电压为3.0V， 最高电容量可达1200mAH。此电池可设计成轻薄短小且容量高的状况。加上放电曲线稳定，因此许多高科技产品如主机板都使用它来当记忆体的备用电池。此外，被设计成圆柱型的锂电池则具有高容量，低内阻，可以瞬间放出大电流，是照相机电池市场的极佳选择。不过，因为它的原料金属锂具有相当高的化学活性，因此不宜使用过多于同一电池中，以避免有产生爆炸的危险。锂二氧化锰电池采用电解或化学锰粉，价格便宜；电性能良好，其能量为干电池的510倍（约275Wh/Kg或550Wh/l），适合于微电流和小电流放电，电流密度一般在几十微安/平方厘米到1微安/平方厘米，此时放电电压比较平稳，负荷电压2.8V。若电流密度增大12倍，则正极利用率下降，输出电压和比能量随之降低，是因为二氧化锰和电解质原因；扣式和低容量锂/锰电池在生产，贮存和使用过程中无公害，安全可靠，较大容量的圆柱形或矩形电池，设计有放电孔，当内压增加一定数量时，自动放气，确保安全；锂/锰电池的品种繁多，有扣式，圆柱形和矩形三大类；锂/锰电池是锂电池中最便宜的一种；有极好的贮存性能，贮存12年后，容量降低小于2%，贮存三年以后，容量才明显下降。可在-2050温度内工作，但在-20时电压为2.2V左右，正极利用率也下降，这与电解质低温下的电导率大幅下降有关。锂二氧化锰电池主要用于小型用电器具，如带耳机的立体声收音机、小型收录机、照相机、多功能电子表、助听器等。锂二氧化锰电池是目前用量最大、价格便宜的锂电池，市场在逐渐扩大，有很好的发展前景。1.2 Li/Mn02电池制造加工技术的发展美国著名战略学家迈克尔.波特认为，竞争优势说到底是由企业所能为客户创造的价值决定，而种价值的多少则主要取决于企业的核心能力技术。技术创新是企业创造核心能力的源泉。制造加工的技术创新是其中重要的组成部分之一。国外电池企业极其重视制造加工领域的技术创新，许多国外企业如美国的Arbin. Maccor、日本的Nee和加拿大海舫公司等等，都下大力气投产Li/MnO2电池组装工艺流水线，产品技术含量较高，加工工艺比较成熟，但大都价格不菲。一般来说，按日产3万只1000mAh电池芯计算，一条进口自动化组装流水线设备的价格约为2亿人民币。从引进的角度看，除了成本过高以外，国外的生产流水线也很难适应国内材料、工艺和配件加工尺寸等具体情况，造成大量资金的投入不能产生预期效果。因此，技术加工的创新还是应该着眼于国内。我国的机械制造业经过50年的建设和发展，已成为工业中最大的产业之一，为我国的国民经济和社会进步与发展做出了突出贡献。目前从机械制造业科学、技术水平看，我国与工业发达国家相比较，还存在着一定的差距。对于先进的制造技术，我国也正在积极认真地系统地进行考察和研讨，在八五计划期间曾进行了局部的研究和实施，“九五”期间国家已经把先进制造技术作为五个重点领域之一列入科技规划，机械工业也把先进制造技术作为“九五”到2010年科技发展的重点。从Li/MnO2电池加工设备角度来看，政府也投资进行了这方面的研究，但是由于材料、工艺、自动化程度以及价格等方面的诸多因素的限制，至今未能推广使用。大部分Li/MnO2电池生产厂家仍停留在手工作业或半机械化的工作方式，生产效率十分低下，在没有高技术含量的制造加工设备的情况下，无法给予客户一个工期迅速、质量合格的满意保证，眼看着大批量的订单白白流走。总之，为了加快Li/MnO2高能电池产业的发展，尽快赶上世界先进水平，具有自主知识产权的未进加工制造设备的推出就迫在眉睫。但这并非朝夕之间的事情，它需要相关行业全方位各个层面技术上的普遍提高，而且仅仅依靠政府的力量也远远不够。1.3本次设计的目的和意义对企业现有的简陋设备、装置逐步改造，提高工业机械化、自动化进程，彻底消灭手工作坊式的生产形式，推行清洁生产，减少企业对环境的污染成了新世纪的新要求。大力发展和推动锂离子电池及其生产线的研究和应用，不仅对社会进步和人类发展起到一定的推动作用，又大大的节约了能源，并且有效的制止了环境的污染，因而锂离子电池及其生产线的应用和发展有着极其深远的影响。发展机械自动化技术，应以企业的生产和技术发展的实际需要及具体条件为导向。只有对合适的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产，才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。目前，国内绝大部分中小型碱锰电池生产企业(除引进国外自动生产线)都采用手工装盘的工艺技术。本设计意于解决Li/MnO2扣式电池生产的厂家的手工装盘工艺技术落后的问题，从而实现电池生产线的全部自动化。由于电池盘中电池放置位置具有一定的间距，因此不能简单地将电池推入盘中，必须设计一个能够将电池分成等间距，并且精确的装入盘中的装置。本设计可减轻工人劳动强度，保证电池性能质量和保证电池的产量，降低成本，提高劳动生产率，为实现扣式电池生产全自动化奠定了基础。第二章Li/MnO2扣式电池自动装盘机总体方案设计2.1引言电池机械在我国还是一个比较落后的行业。由于国内制造工艺、零配件、电子元件的质量及可靠性等问题，国内生产线大多还处于手工或半自动化或简单自动化水平，因而，国内生产线的可靠性也比较差，设备运行不稳定，这些都极大地影响了电池工业的发展。目前，国内仍无理想的成套自动生产设备，许多生产厂家仍然采用手工作坊的生产方式，严重地影响了碱锰电池的性能质量和生产批量，阻碍了锂锰电池的发展。随着锂锰电池生产工艺技术的不断发展和完善，以及国家已经明令禁止含汞碱锰电池的生产销售，这就为碱锰电池自动生产设备提出了更高而且更迫切的要求。国内广大中小型电池企业迫切需要一套效率高、质量好、性能稳定、成本低的电池组装机械来进行企业的现代化改造。因此，进行碱锰电池成套设备的研究是具有深远的现实意义的。目前，在国内的大部分电池生产厂家(除引进国外生产线外)，仍然采用手工装入的方法,即工人用手将电池一个一个地装入到盘内。这种手工装入方法，由于人体对电池生产过程的接触，必然会带进一些有害的杂质，促进自腐蚀，进而影响电池的性能质量。这种手工装配方法，生产效率低，工人劳动强度大，电池成本高，无法满足大批量产业化生产，而国外进口机械价格昂贵，国内一般小电池厂家无力承担。2.2 自动装盘机的原理由于经过电池的组装后，电池表面保留有电解液，由于电解液的黏着作用，因此运用一般的电池料斗加上轨道的分间距的作用不能实现自动装盘的目标，不能准确地分成等间距，然后装入盘中。自动装盘机原理是运用机电气一体化，利用PLC控制气缸，推动机械部分作用，设计特殊的轨道，利用特殊的轨道来精确的约束电池以及滚轮的运动，进而将电池分成等间距，该机械取代以往的手工装盘运用机械电气一体化来实现自动装盘，提高了生产效率，保障电池的质量，并且为生产线全线自动化奠定了基础。2.3自动装盘机设计方案 2.3.1装盘机工艺性分析装盘机工艺性，是指装盘工艺的适应性，即装盘机的结构、形状、尺寸及公差等技术要求是否符加工的工艺要求。工艺性是否合理，会影响到电池的质量以及电池是否能够精确地分成等间距，并且对机械的磨损，以及生产率也会有很大的影响。2.3.2方案的确定由于电池盘的特殊性，并且刚装配后电池的黏着作用，因此本机械从装盘工艺的角度分析，必须满足以下条件：1.实现完全自动化，脱离手工或半手工装盘的方式；2.要将电池分成等间距，并且不能运用一般的振动轨道或滑动轨道。3运行轨迹必须精确，能够严格控制其运行轨迹。根据以上的要求，自动装盘机总体设计如下：1采用立体式双层结构电池生产线上连续运送，因此电池之间没有间距，而电池盘放电池的位置之间存在一定的间距，因此在平面上存在两个自由度，有两个方向的位移，所以需要设计两个特殊的轨道电池轨道和滚轮轨道，将电池分开。采用立体式双层结构，各自具有运行轨迹，运行轨迹准确，通过约束拨爪的轨迹来约束电池的轨迹。由于拨爪在推动电池时具有一定转动，既有纵向的位移也有横向的位移，因此需要有两个转轴来实现。这种结构的优点在于装盘精度高,具有滑动平稳、导向精确可靠、刚性好等优点。结构如图2-1所示：图2-1立体式双层结构示意图按电池的运动的导向方式的不同，电池轨道分为圆弧形和折线形。圆弧形电池轨道加工不方便，但对于拨爪的磨损比较小，过渡平滑，运动连续，并且动力元件运用旋转气缸，而旋转气缸是将缸体本身固定在旋转体上与旋转负载一起旋转，供气组件是固定不动的。 折线形轨道易于加工，导向效果好，但对拨爪的冲力较大，过渡不够平滑，运动不连续，影响装盘质量，从而会影响电池表面质量，并且杆式气缸不具有旋转气缸的输出扭矩大等一些优点。2采用特殊轨道约束拨爪的轨迹为了提高运行的准确率，本设计对推动电池的结构格控制严其运行轨迹，电池和滚轮各自具有自己的运行轨道，对于每个拨爪都有一个滚轮轨道与其相对应，并且中心线必须对齐。3采用PLC控制整个电池装盘过程通过PLC控制，这样的优点在于：干扰小，整个系统稳定，反应速度快，装盘精度高。对于实现自动装盘，具体的实行方案很多，在电池的运行轨迹，推动电池运动的部件的设计，以及一些连接件上都有很多设计方案，但是考虑到诸多因素，经过比较筛选，权衡各方案，确定以下两个方案。2.3.2.1方案I利用圆弧形轨道将电池分成等间距，气动部分运用旋转气缸，由于要分成等间距，因此有两个方向的位移，为确保运行精确性，因此对于电池推动部分，连接于转轴上，并且对于转轴的运行具有严格限制，设定一个滚轮的轨道，来约束拨爪的运行轨迹，最终来实现分成等间距，然后装盘。方案I结构示意图如图2-2所示：图2-2方案I结构示意图2.3.2.2 方案II利用折线轨道也可将电池分成等间距，气动部分运用杆式气缸，为确保运行精确性，因此对于电池推动部分，连接于转轴上，并且对于转轴的运行具有严格限制，设定一个滚轮的轨道，来约束拨爪的运行轨迹，最终来实现分成等间距，然后装盘。方案II结构示意如图2-3所示。图2-3方案II结构示意图第三章Li/MnO2扣式电池自动装盘机机械部分设计3.1概述本次设计Li/MnO2扣式电池自动装盘机，采用大批量集中装盘，直接驱动工作装置，快速性好，运转平稳可靠，易于实现自动化。其工作流程如图3-1所示：进料计数气缸推动装盘图3-1自动装盘机工作流程通过流程图可知，电池自动冲裁机的工作过程如下：1. 送料电池经过过上一步骤组装后，由同步带轮将电池送至自动装盘机工序。2. 计数在同步带下方装有两个接近开关（传感器），用于检测统计电池的数量。3.气缸推动当电池数量达到设定的数量时，PLC便可控制气缸带动拨爪将电池推入盘内。4.装盘电池装入盘后，而气缸回到原位，同时阻挡块回位，准备下次装盘。3.2重要零件的设计和标准件的选择3.2.1位移机械结构部分设计由于盘子中电池位置具有间距，而电池是连续送料，没有间距，因此分成等间距，需要有两个方向的位移，因此对于位移部分设计，上下用压板来固定，中间由固定转轴，转动转轴，轴承来组成。固定转轴和转动转轴各自影响一个方向的位移，固定转轴在推板的槽中有横向的位移，转动转轴带动拨爪沿着电池轨道的轨迹运动。具体结构如图3-2所示。图3-2位移控制部分结构图3.2.2电池轨道设计3.2.2.1方案I电池轨道设计电池型号为2032，直径为20 mm，厚度为3.2 mm，因此电池轨道设计为20mm，因为最终装盘后，电池间的距离为25 mm，各圆形轨道直径为150mm，170 mm，173mm，194 mm，198 mm，219mm，222 mm，243 mm，244 mm，264 mm，因此设计电池轨道板宽度为278 mm，长度为280 mm。所以设计如图所示，各圆形轨道的圆心如图3-3所示，由于所有轨道不可能在同一个圆心上，因此加工需要加工中心，加工有些麻烦。 图3-3方案I电池轨道3.2.2.2方案II电池轨道设计电池型号为2032，直径为20mm，厚度为3.2mm，因此电池轨道设计为20mm，因为最终装盘后，电池间的距离为25 mm，折线最小角度为156度，最大角度为156度，因此电池轨道设计为宽度为75mm,长度为260mm所以设计如图3-4所示，设计成折线形状。对于该形状便于加工，在一般的数控铣床上即可加工。图3-4方案II电池轨道3.2.3 滚轮轨道设计3.2.3.1方案I滚轮轨道设计对于滚轮轨道各轨道的中心线必须与电池轨道的各轨道的中心线重合，这样才能保证能够准确运行，由以上的电池轨道设计和位移机械结构部分设计可知，由于存在压板，为了防止干涉，因此需要缩小滚轮轨道的宽度，为了保证滚在推板里有足够的移动距离，设计推板长度为184mm，结构如图3-5所示。图3-5方案I结构图因此设计宽度为330mm，长度为378mm，并且要保证板的强度，因此设计承受压板的板的宽度为12mm，轨道的宽度为13mm，圆形轨道各半径为152 mm ，165 mm，177 mm，190 mm，202 mm，215 mm，228 mm，241 mm，253 mm，266 mm。设计如图3-6所示。图3-6方案I滚轮轨道3.2.3.2方案II滚轮轨道设计对于滚轮轨道各轨道的中心线必须与电池轨道的各轨道的中心线重合，这样才能保证能够准确运行，由以上的电池轨道设计和位移机械结构部分设计可知，由于存在压板，为了防止干涉，因此需要缩滚轮轨道小轨道的宽度，为了保证滚轮在推板里有足够的移动距离，设计推板长度为300mm，结构如图3-7所示。图3-7方案II结构图因此设计宽度为285mm，长度为232mm，并且要保证板的强度，防止干涉，因此设计轨道的宽度为13mm。结构如图3-8所示。图3-8方案II滚轮轨道3.2.4拨爪的设计3.2.4.1方案I拨爪的设计电池型号为2032，直径为20mm，高度为3.2 mm,因此设计拨爪的推动电池部分长度大于20mm，高度为大于3.4mm,宽度设计为17mm，由于轨道为圆弧型，因此拨爪做成弧形以便于转向，如图3-9所示。图3-9方案I拨爪3.2.4.2方案II拨爪的设计设计同方案I，外形可以做成直线型。设计如图3-10所示。图3-10方案II拨爪3.2.5轴的设计 轴承的选择由于轴仅承受一定的扭矩，并且很小，因此轴和轴承只要满足结构要求即可，不需进行强度等方面校核，由于特殊性，先选择轴承，后选择轴。3.2.5.1轴承的选择 由于轴的两端直接通过轴承固定在同步带轮支架上，所以根据要求，应选用滚动轴承。滚动轴承一般由外圈1、内圈2、滚动体3和保持架4 组成。滚动体是滚动轴承中的核心元件，由于它的存在，相对运动表面间才为滚动摩擦。滚动体在内、外圈的滚道上滚动，内圈装在轴上，外圈装在轴承座孔中。保持架使滚动体均匀地分布在轴承中。滚动体的种类有球、圆柱滚子、圆锥滚子、滚针等。工作时在滚动体及内、外圈滚道的接触处作用有接触应力。为使滚动轴承具有一定的承载能力和使用寿命，通常滚动体和内外圈采用含铬的专用的滚动轴承钢制造，此种材料还可达到很高的硬度和精度。为减小滚动体与保持架间的滑动摩擦，保持架一般用低碳钢板冲压制成，高速轴承多采用青铜、塑料等减摩材料制造。与滑动轴承相比，由于滚动轴承为滚动摩擦，因而具有摩擦系数小、效率高、起动灵活、润滑简单等优点；由于滚动轴承已标准化并由轴承厂大批生产，因而还具有成本低、互换性好、使用及维护方便等优点。也正是由于滚动轴承的这些优点，使它得到广泛的应用。滚动轴承的缺点主要是抗冲击载荷能力较差、高速时有噪声、工作寿命有限，在这些方面不如液体摩擦的滑动轴承。滚动轴承类型的选择选择滚动轴承的类型非常重要，如选择不当，会使机器的性能要求得不到满足或降低了轴承寿命。在选择轴承类型时，应从具体工作条件出发，考虑各类轴承的特点及应用场合，从中选出比较合适的轴承类型。在选择轴承类型时，一般要考虑所承受的载荷的大小、方向、性质和转速的高低以及刚度、调心性能、结构尺寸大小、轴承的装卸和经济性等要求。 由于所受的载荷较小，所以本次设计选用深沟球轴承即可。查机械设计手册：选用代号为604的深沟球轴承，内径为5mm，外径为13mm。3.2.5.2轴的设计轴是机器中的重要零件之一，它用于支撑传动件和轴上其他零件并传递运动和动力。轴的设计包括设计计算和结构设计两部分。轴的结构设计重在协调轴与周围零件的关系，应满足制造安装要求，定位和固定要求，减小应力集中要求等。轴在变应力的作用下，其失效形式只要是疲劳断裂。疲劳断裂是一个损伤累积的过程。在初期，由于表层的某种缺陷，如夹渣，气孔或成分偏析等，在零件表层形成微裂纹。随着应力循环次数的增多，裂纹不断扩展。同时，在断层上，轴每转一周受一次挤压作用，由于反复多次的挤压，呈现光亮状态。而在轴的产生裂纹的街面上没断裂的截面积在不断加少，因而其上的工作应力不断增大，当工作应力超过许用应力且不足以承受外载荷时，就会突然断裂。突然断裂区呈现粗糙状态。 轴的设计主要解决互相联系的两个方面的问题：1.设计计算。为了保证轴具有足够的承载能力，要根据轴的工作要求对轴进行强度计算，有些轴还要进行刚度或震动计算。2.结构设计。根据轴上零件拆装，定位和加工等结构设计的要求，确定出轴的形状和各部分尺寸。轴的结构设计主要是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。影响轴的结构的因素有很多，因此周的结构没有标准形式。设计时，必须针对轴的具体情况具体分析，全面考虑解决。轴的结构设计的主要要求是：1.轴应便于加工，轴上零件应便于装拆（制造安装要求）。2.轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置（定位固定要求）。3.轴的受力合理，尽量减小应力集中等。设计时以初估轴径为基础，边画图边定尺寸，逐步形成结构。通常按照这些要求设计出的是阶梯轴。 应指出，虽然阶梯轴是常用的结构形式，但是，在某些行业，例如组合机床，由于特殊要求，常采用等直径的光轴，而用其他措施实现轴的固定，安装和要求。对于该机械由于存在两个方向的位移，因此设计时一根转动转轴在推板里移动，另一个固定转轴在滚轮轨道里移动。轴的位置布局结构如图3-11所示。图3-11轴的布局结构图所以对于固定转轴，根据滚轮的轨道直径为13 mm，确定该段轴径上配合的轴承外径为13 mm ，根据轴承的选择该段轴径为5mm，轴肩约为（0.070.1）d，所以确定轴肩高度约为5(0.070.1)=0.350.5mm，轴承运用弹簧垫圈和轴肩定位，所以开一个宽1.1mm，深0.3mm的槽，根据轴径为5mm，轴肩约为（0.070.1）d，所以确定轴肩高度约为5(0.070.1)=0.350.5mm，又因为滚轮轨道的厚度为10mm，。由此确定出轴的结构设计，如图3-12所示。图3-12固定转轴所以对于转动转轴，根据滚轮的轨道直径为13 mm，确定该段轴径上配合的轴承外径为13 mm ，根据轴承的选择该段轴径为5mm，轴肩约为（0.070.1）d，所以确定轴肩高度约为5(0.070.1)=0.350.5mm，轴承运用弹簧垫圈和轴肩定位，所以开一个宽1.1mm，深0.2mm的槽，根据轴径为5mm，轴肩约为（0.070.1）d，所以确定轴肩高度约为5(0.070.1)=0.350.5mm，所以该段轴径为6mm，再根据轴肩约为（0.070.1）d，所以确定轴肩高度约为6(0.070.1)=0.420.6mm， 所以该段轴为7mm，同理可以设计右端轴，又因为滚轮轨道的厚度为10mm，。由此确定出轴的结构设计，如图3-13所示。图3-13转动转轴33其它机械部分的设计331电池阻挡块的设计由于本部分设计是生产线上的一部分，因此电池在生产线上一直运行，而该设计是需要间歇工作，需要有专门的机械来周期性的阻挡电池的运动，两个方案都巧妙的运用阻挡块来阻挡电池，如图3-14所示。图3-14阻挡块当电池经过拨爪后，检测到一定数量后，气缸推动电池向前运行，在拨爪推出的瞬时，阻挡块在弹簧作用下弹出，将后面的电池挡住，当电池装入盘后，拨爪退回原位将阻挡块压回到原位，电池继续运行，继续前面所述运动。第四章Li/MnO2扣式电池自动装盘机气动部分设计4.1概述4.1.1气动原理典型的气压传动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。气压传动简称气动，是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化，自动化的一门技术。它是流体传动及控制学科的一个重要分支。因为以压缩空气为工作介质，具有防火、防暴、防电磁干扰、抗振动、冲击、辐射，无污染、结构简单、工作可靠等特点，所以气动技术与液压、机械、电气和电子技术一起，互相补充，已发展成为实现生产过程自动化的一个重要手段，在机械工业、冶金工业、轻纺食品工业、化工、交通运输、航空航天、国防建设等各个部门已得到广泛的应用。4.1.2气压传动的优点1空气随处可取，取之不尽，节省了购买、贮存、运输介质的费用和麻烦；用后的空气直接排人大气，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路，因而也不存在介质变质、补充和更换等问题。2因空气粘度小（约为液压油的万分之一），在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。即使有泄漏，也不会像液压油一样污染环境。 3与液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞。4气动元件结构简单，制造容易，适于标准化、系列化、通用化。5气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。6空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，也便于贮气罐贮存能量，以备急需。 7排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。4.1.3气压传动的缺点1空气具有可压缩性，当载荷变化时，气动系统的动作稳定性差，但可以采用气液联动装置解决此问题。2工作压力较低（一般为0.4-0.8MPa ) ，又因结构尺寸不宜过大，因而输出功率较小。 3气信号传递的速度比光、电子速度慢，故不宜用于要求高传递速度的复杂回路中，但对一般机械设备，气动信号的传递速度是能够满足要求的。 4排气噪声大，需加消声器。气动传动同其他几种传动形式相比较其优缺点如表4-1所示。表4-1几种传动控制方式性能比较表由上表可知：宜选用气动控制驱动装置。4.2气动元件的选择气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能的装置。它包括气缸和气马达。气缸用于直线往复运动或摆动，气马达用于实现连续回转运动。气缸包括，单作用气缸，双作用气缸，组合气缸，特殊气缸等，这里主要介绍单作用气缸，双作用气缸，还有旋转气缸。4.2.1 单作用气缸单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。 其原理及结构如图4-1所示。 图4-1单作用气缸1缸体；2活塞；3弹簧；4活塞杆；4.2.2 双作用气缸双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。其工作原理见图4-2。图4-2双活塞杆双作用气缸a）缸体固定；b）活塞杆固定1缸体；2工作台；3活塞；4活塞杆；5机架4.2.3 回转气缸如图4-3 a）所示，主要由导气头、缸体、活塞、活塞杆组成。这种气缸的缸体3连同缸盖6及导气头芯10被其他动力（如车床主轴）携带回转，活塞4及活塞杆1只能作往复直线运动，导气头体9外接管路，固定不动。固转气缸的结构如图4-3 b）所示。为增大其输出力采用两个活塞串联在一根活塞杆上，这样其输出力比单活塞也增大约一倍，且可减小气缸尺寸，导气头体与导气头芯因需相对转动，装有滚动轴承，并以研配间隙密封，应设油杯润滑以减少摩擦，避免烧损或卡死。 图4-3回转气缸原理图 a）原理图；b）结构图1活塞杆；2、5密封圈；3缸体；4活塞；6缸盖；7、8轴承 9导气头体；10导气；11中盖；12螺栓4.3气缸的选择4.3.1旋转气缸4.3.1.1引言普通气缸一般是缸体本身通过安装附件固定在机座上，而由活塞往复运动带动或赛杆前进与后退，从而对负载实现推或拉的动作。而旋转气缸是将缸体本身固定在旋转体上与旋转负载一起旋转，供气组件是固定不动的。这样的结构与普通气缸的结构是不同的。如果在一个旋转缸体与不旋转的供气阀之间采用轴承连接，就可使气缸很灵活地旋转。这样，气缸在旋转的场合也可应用了。旋转气缸具有先进完美的气动装置：单个移动零件，对于四分之一回转运动，旋转气缸是最简单、最 合理、最可靠的机构。直接安装位置指示器和操作过程调节装置。没有曲柄或齿轮，没有动力损失或碰撞力 确保精确定位。 .结构紧凑 节省空间以最小的尺寸提供最大的输出扭矩。输出恒定的扭矩没有扭矩损失，只有一个移动零件，无需驱动额外零件。旋转气缸结构如图4-4所示。 4.3.1.2旋转气缸的选择图4-4旋转气缸在本设计中，气缸选择缸径为15mm，尺寸如表所示。经过计算，旋转气缸需要输出20N，输出引线长为0.2m，因此转矩为4N.m，根据图4-5可查，需要1.0MPa，因此型号为CDRB1BWU15-90SE-R73S。图4-5转矩图4.3.2双作用单活塞杆式气缸气动系统中应用最广的是普通双作用单活塞杆式气缸，结构尺寸如图4-6所示。其设计计算方法，一般是在已知气缸负载大小和气缸行程的条件下按如下步骤计算。(1)气缸作用力气缸活塞杆的推力F1和拉力F2分别为 F1（D2/4）p（N） （4-1） F2（D2d2）/4p（N） （4-2）式中，D、d分别为气缸内径（m）和活塞杆直径（m）；p为气缸工作压力（Pa）；为负载率。负载率与气缸工作压力p有关，且综合反映活塞的快速作用和气缸的效率。的最佳值为0.30.5，气缸高速运动或垂直安装时取0.5。对于作夹具用的夹紧气缸，取0.80.9。由于设计行程为92.5mm，所以选用行程为100mm的气缸。查资料：选用CJ2系列双作用标准型气缸。型号为CDJ2B10F-100AR-C73。结构尺寸如图4-6所示。缸径D=10mm 活塞杆直径d=4mm 工作压力p=1.0MPa 取=0.4带入上式，得：F1（D2/4）p=3.14（1010-3） 21060.44=31.4NF2（D2d2）/4p=3.14（1010-3） 2（410-3） 2 1060.44=27N 图4-6双作用单活塞杆式气缸 (2)耗气量的计算气缸耗气量与其自身结构、动作时间以及连接管道容积等有关。一般连接管道容积比气缸容积小得多，故可忽略。因而气缸一个往复行程的压缩空气耗量q为： q（2D2d2）s/（4vt） （m3/s） （4-3） 换算成自由空气耗量qz为： qz1（p/p0）q （m3/s） （4-4） 式中，s为气缸行程（m）；t为气缸一个往复行程所用的时间（s）；v为气缸容积效率，一般取v0.90.95；p、p0分别为气缸工作压力（MPa）和大气压力（MPa），p00.1013MPa。 取s=100mm t=0.251=0.25s v=0.9 p=1.0 p0=0.1013代入上式，得：q（2D2d2）s/（4vt）()=3.142（1010-3） 2（410-3） 2100（40.90.25）=6.4210-2 m3/s qz1（p/p0）q=1+（1.00.1013）1.6610-3=129.3 m3/s(3)缓冲计算气缸运动速度很快，一般达1m/s。为了使活塞与端盖在行程末端不发生碰撞，常设置缓冲装置。在活塞接近行程末端时，利用缓冲塞将柱塞孔堵死，使封在气缸右腔内的剩余气体被压缩，并经节流阀缓慢流出，被压缩的气体起到吸收活动活塞动能的缓冲作用。缓冲室内气体被急剧压缩，属绝热过程，其中气体所吸收的能量Ep为 Epk/（k-1）p2V2（p3/ p2）（k1）/k1 （4-5） 式中，k为绝热指数，对空气k1.4；V2为缓冲柱塞堵死柱塞控时，环形缓冲气室的容积（m3）；p2为气缸排气背压力（绝对压力，Pa）；p3为缓冲气室内气体被压缩最后达到的压力，其最高值等于气缸安全强度所容许的压力（绝对压力，Pa）。运动部件在行程末端的动能Ev为 Evmv2/2 （4-6） 式中，m为运动部件总质量（kg）；v为活塞运动行程末端的速度（m/s）。按能量平衡原则应有 EpEdEvEgEf （4-7） 或近似为 Ep Ev 式中，Ed为进气缸给活塞的压力能（J）；Eg为气缸非水平放置时重力产生的能量（J）；Ef为摩擦力产生的能量（J）。若不满足式要求，则应采取一定措施，如增大缓冲行程或关小节流阀阀口等，以满足缓冲要求。但p3不应太高，一般p35p2，故对高速、运动能量大的负载应采用其他方法进行缓冲，如采用缸外缓冲，以防气缸尺寸过大。4.3.3电磁换向阀的选择电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。气动系统中，电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来调整压缩空气的各种状态，气动系统还需要其他元件的配合，其中包括动力元件、执行元件、开关、显示设备及其它辅助设备。动力元件包括各种压缩机，执行元件包括各种气缸。这些都是气动系统中不可缺少的部分。而阀体是控制算法得以实现的重要设备。 本次设计中用传感器控制气动原件，所以电磁换向阀必不可少。具体回路中电磁换向阀的选择见气动控制回路。4.4气动系统的管道设计4.4.1.管道气动系统中常用的有硬管和软管。硬管以钢管、紫铜管为主，常用于高温高压和固定不动的部件之间连接。软管有各种塑料管、尼龙管和橡胶管等，其特点是经济、拆装方便、密封性好，但应避免在高温、高压、有辐射场合使用。4.4.2管接头管接头是连接、固定管道所必需的辅件，分为硬管接头和软管接头两类。硬管接头有螺纹连接及薄壁管扩口式卡套连接，与液压用管接头基本相同。对于通径较大的气动设备、元件、管道等可采用法兰连接。4.4.3管道的布置a所有气压传动系统管道应统一根据现场实际情况因地制宜安排，尽量与其它管道（如水管、煤气管、暖气管网等）、电线等统一协调布置；并在管道外表面涂敷相应颜色的防锈油漆和标识环，以防腐和便于识别。b管道进入用气车间首先应设置“压缩空气入口装置”，即压力表、流量计、油水分离器、减压阀和阀门等。c车间内部干线管道应沿墙或柱子顺气流流动方向向下倾斜35敷设，在干管和支管终点（最低点）设置集水管（罐），定期排放积水、污物。d沿墙或沿柱接出的支管并须在干管的上部采用大角度拐弯后再向下引出。在离地面1.21.5m处，接入一配气器。在配气器两侧接分支管引入用气设备，配气器下端设置排污装置。e为保证可靠供气可采用多种供气网络：单树枝状管网、双树枝状管网、环形管网等。其中单树枝状管网结构简单，经济性好，较适于间断供气的工厂或车间使用；双树枝状管网相当于两套单树枝状管网，能保证对所有气动装置不间断供气。环形管网供气可靠性高，且压力较稳定，末端压力损失较小，但成本较高。4.5 气动控制回路任何机械设备的气压传动系统，都是由一些气压基本回路组成的。所谓基本回路，就是由有关的气压元件组成，用来完成特定功能的典型气路。本次设计的气动控制回路如下图4-7所示。图4-气动控制回路如图4-7：气缸和电磁换向阀相连接，电磁换向阀接收到传感器的信号后控制气缸往复运动。第五章Li/MnO2扣式电池自动装盘机电器控制设计5.1 PLC的工作原理PLC的工作过程式周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输入点状态的更新、编程器键入响应和显示更新、及CPU自检等功能。最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：1.继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。2.PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图5-1所示。图5-1PLC工作过程1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。5.2传感器的选用5.2.1光束传感器的选用光束传感器工作原理和电气结构光束传感器的发射器和接受器两者分离，且彼此相对固定，如图5-2所示。发射器和接受器之间的光束遇障碍物时产生传感信号，其电气结构见图5-3：发射器包含一个同步脉冲发送器、放大器及发光二极管。脉冲信号经放大后，触发发光二极管。接受器包含一个接受信号的光敏器件，输入信号经放大及整形后送入输出电路。光束传感器的接受器特性理想的光束传感器的发送器及接受器应位厂同一光轴上。在接受器 图5-2光束传感器的前方有一个近似于椭圆形的二作区，能接收发送器的信号。发射器和接受器的横向误差（ g ）是不可调节的。因此，在设计和安装光束传感器时要按其特性曲线对传送距离进行计算。图5-3光束传感器的电气结构5.2.2感应式接近传感器的选用感应式接近传感器（感应式无触点接近开关）适用于非接触式测量，如铁、不锈钢、黄铜、铝及紫铜，特别适用于空间有限情况。感应式接近传感器的外型有螺纹型、圆柱型和长方体型，其探头结构可分为有屏蔽的及无屏蔽的。无屏蔽探头的测量距离较有屏蔽的测量距离为大。 感应式接近开关的工作原理是，当金属物体置于感应线圈漳磁场中时，金属表面会产生涡流，使线圈漳能耗增加，品质系数 Q 下降。感应式接近开关由振荡器、感应线圈、斯密特电路及输出电路组成，见图5-4。在感应式接近开关的端部产生电磁场，形成一个有限范围的作用区。当金属材料或导电材料进人这个作用区时由于线圈 Q 值下降，引起振荡器停止振荡；反之，当金属材料移出这个作用区时，振荡器又开始振荡。大多数感应式接近开关采用晶体管输出电路。其基本原理有两种：二线制的电流输出电极开路（电压）输出。图5-4感应式接近开关第六章Li/MnO2扣式电池自动装盘机三维建模6.1前言CADComputer Aided Design,计算机辅助设计：是指工程技术人员、工人和计算机所组成的系统中以计算机为工具，辅助人类完成产品的设计、分析、绘图等工作，并达到产品的设计质量，缩短产品的开发周期、降低产品成本的目的，一般认为CAD系统的功能包括：（1） 概念设计（2） 结构设计（3） 装配设计（4） 复杂曲面设计（5） 工程图样绘制（6） 工程分析CAE(Computer Aided Engineering)（7） 真实感及渲染（8） 数据交换接口等Pro/E是美国PTC公司出品的软件。他们才真正的实现了三位立体设计和强有力的尺寸驱动，他才是真正融合了从设计到分析到加工一个综合性软件。特点：（1）外观造型好（2）复杂零件的曲面设计（3）复杂精密的装配设计（4）运动仿真（5）结构强度仿真（6）疲劳分析工具（7）塑料流动性分析工具（8）热分析（9）公差分析及其优化（10）基本数控编程包（11）多轴数控编程包（12）NC仿真及其优化（13）模具设计（14）优化的二次开发工具包。随着机械行业的迅速发展和市场竞争的日益激烈,如何提高产品品质,增强产品的市场竞争能力,缩短产品开发周期,降低成本已成为企业十分重视的问题。现代化的开发手段是提高企业竞争力的重要保证。企业应用Pro/ E 后,可改变传统的设计方法,显著缩短了新产品的设计周期,为新产品占领市场创造了有利的条件。6.2 PRO/E应用的发展前景使用Pro/ E 软件进行零件设计与传统的设计方式完全不同,其主要不同点在于使用该软件,实际上就相当于设计人员自己把零件从毛坯开始加工成所需的零件。在这“加工”过程中,能非常直观地发现问题,及时加以纠正。在设计过程中,首先根据功能要求,创建关键零部件的实体模型,然后进行强度、刚度分析,同时考虑加工工艺,反复进行结构调整和参数优化,直到设计出结构合理、工艺性强和生产便利的产品。利用实体模型能更好地进行结构和参数优化,提高设计品质。Pro/ E 具有二维工程绘图、三维实体造型的动态装配和应力分析等功能模块,尽管目前我们只在三维实体造型、模拟装配方面进行了初步应用,但是从使用效果来看,Pro/ E 对实现产品自动化和增强企业竞争力方面已经发挥了重要作用。6.3 Pro/E简介Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。6.4三维建模的意义用Pro/ E 软件中的装配模块对各零部件进行三维实体装配的顺序一般是: 首先建立一总装任务,再在其下面建立相应于各组件或部件的子装配任务;然后,把各零件从相应的库中调出,把相关零件装配成部件,再把相关部件装配成组件;最后把各组件装配成整机。在装配中,特别是复杂零部件的装配,零部件间的干涉是很难避免的,过去往往要到零部件加工结束后,实际装配时才能发现。这不仅造成经济损失,更重要的是延误了研制周期。现在应用了Pro/ E 中的装配模块,能非常容易的发现零部件之间的干涉,及时对相关零件作修改,把问题消灭在设计过程中。Pro/ E 具有强大的实体建模功能,通过旋转、放大可以清楚看到装配中的不合理情况,这对保证产品在生产过程中一次装配成功尤为重要。Pro/ E 除了能进行实体建模和装配外,还可生成二维装配图,它比传统的二维图先进,且效率成倍增长,实体和图样绝对一致,图面错误大大减少,避免了设计人员的实体概念与产品图表达的偏差,使设计人员从从繁琐的图文处理中解脱出来,把更多的时间用在概念设计上。Pro/ E 可以改善产品的设计方法、缩短产品的开发周期Pro/ E 为设计人员提供的协同工作环境极大地改进了产品的设计过程,可以使设计人员在设计过程中并行工作。协同工作的环境可以使设计人员在产品开发的全过程相互保持联系,以确保与产品开发的所有的设计人员均使用统一的产品设计数据,从而保证产品数据的一致性。利用Pro/ E 进行三维实体造型和模拟装配能及时发现并更正产品设计时存在的问题,可缩短产品开发周期60 %左右,并且产品的设计品质也得到保证与控制。使用Pro/ E 可以增强对数字化产品的分析能力,提高产品的设计品质利用Pro/ E 可以开发出未来的数字样机,利用这种方法进行设计,可以在没有制造出物理样机和实际投产之前,使有关人员获得关于产品外形、性能和成本等方面的详细资料。由于消除了不必要的样机生产等中间环节,从而缩短了产品的开发周期,产品品质随研制开发的全过程而得到自然的、内在的保证与控制。6.5方案建模6.5.1方案I三维建模对于方案1由于电池轨道和滚轮轨道设计的特点，因此三维建模显得更加重要，可以直接生成基代码，选择好刀具之后，然后在数控中心上进行对刀，就能将其加工出来。建模如图6-1所示。 图6-1方案I三维建模6.5.2方案II三维建模 对于该方案，轨道加工仍是重点，对于电池轨道和滚轮轨道需要数控铣床上加工。建模如图6-2所示。图6-2方案II三维建模6.6结论Pro/ E 软件具有零件设计、产品组合、NC加工、铸件设计、造型设计和应力分析等功能,应用Pro/ E 软件是提高新产品设计能力的重要手段之一。要设计出高品质的新产品,我们必须熟悉和掌握三维概念性数字样机设计模式,掌握CAE、CAM 技能,以适应全新的设计理念,才能不断设计出高新科技产品。结论本次设计的Li/MnO2扣式电池自动装盘机有以下特点：(1) 本设计解决了Li/MnO2扣式电池生产的厂家的手工装盘工艺技术落后的问题，实现了该工艺过程的自动化，能够减轻工人劳动强度，保证电池性能质量，降低成本，提高劳动生产率，为电池生产线的全线自动化奠定了基础。(2)由于盘子中电池存在间距，而电池在生产线是零间距的，并且刚组装的电池表面有电解液的黏着作用，因此要将其分成等间距，在运行平面存在两个自由度，两个方向的位移，本设计采用双层立体式的结构，能够精确定位，保证运行轨迹，提高了生产效率，并且设计巧妙，通过拨爪推动电池，保证了电池运行的稳定性；而电池轨道和滚轮的轨道以及转动转轴和固定转轴确保了电池分成等间距；阻挡块的巧妙运用，阻挡住生产线上的电池，为后续装盘奠定基础。该设计结构合理，新颖实用。(3) 使用Pro/ E 软件进行零件设计与传统的设计方式完全不同,其主要不同点在于使用该软件，实际上就相当于设计人员自己把零件从毛坯开始加工成所需的零件。在这“加工”过程中,能非常直观地发现问题,及时加以纠正。应用了Pro/ E 中的装配模块,能非常容易的发现零部件之间的干涉,及时对相关零件作修改,把问题消灭在设计过程中，并且由Pro/ E建的模型，能够通过加工中心直接输出加工。参考文献1 杜柯.薄膜锂电池的研究进展.电池.2005，35（4）：22 李天佑冲模图册M北京机械工业出版社.19883 刘心治冷冲压工艺及模具设计M重庆大学出版社.19954 孙俊杰.IC业带动半导体清洗设备市场增长.半导体技术.2005，30（2）：715 雷天觉.新编液压工程手册.北京理工大学出版社.1998年6 上海煤矿机械研究所.液压传动设计手册.上海人民出版社.1974年7 吕呜祥.化学电源M.天津大学出版杜1992，3273288 胡绍杰)锂离子电池工业的发展与展望J电池.2000，30(4)：1711749 (德)Werner DeppertKurt Stoll著，李宝仁译. 气动技术低成本综合自动化北京机械工业出版社199910 薛盒生，童湘绮卷式锂一二氧化锰电池的新进晨电池技术1991，1(1)：10附录附录一：外文材料3D Modelling and Indexing for CAD-based Object RecognitionLeda Villalobos and Francis L. MeratElectrical Engineering DepartmentCenter for Automation and Intelligent Systems ResearchCase Western Reserve University, Cleveland, OH 44106-7221AbstractA 3-D object recognition system for parts designed with a form feature CAD is presented. Objects are modelled as organized compositions of instantiated form primitives.Because of this, the burden of part recognition is shifted from matching the scene to the part database to matching the scene to the primitive database, which is usually a significantly smaller database. In this paper, we briefly review our approach to primitive and object representation, the architecture of the system, hypotheses generation, and primitive indexing. Results obtained with both synthetic and actual range images are presented.1. IntroductionIncreased production efficiency and quality are the fundamental promises of Computer Integrated Manufacturing (CIM). These promises have prompted massive research initiatives into the different aspects of CIM. among them concurrent engineering 7,8, automatic program generation 4, and autonomous manufacturing5. The growing interest in CIM has also made an impact on the philosophy of object recognition for manufacturing,since the use of CAD descriptions for automatic objectmodelling leads to considerable time savings in the development of vision systems 1,2.In this paper, an ongoing research effort to develop a 3-D object recognition system for CAD form features, e.g. hole, slot, pocket, etc., will be discussed. The heart of the approach resides in modelling objects as collections of inter-related manufacturing primitives. This allows the main recognition task to be broken down into less stringent.System architecture is briefly described in section 3, while hypotheses generation and verification are presented in sections 4 and 5. Results for synthetic and actual range images are shown in section 6, with conclusions in section7.2. 3D form Feature ModellingCentral to the design of a recognition system is the scheme adopted for object modelling. Model representation plays a fundamental role in database organization, choosing search and matching algorithms, processing the original image data, and in the specification of the overall flow of information and control. In this research, objects are constructed from the combination of a selected set of form manufacturing primitives. In the following sections, these primitives and their modelling scheme are introduced.2.1. Manufacturing PrimitivesThe topological/geometrical primitive representation is examined in the context of a selected, reduced set of manufacturing primitives. Nine form manufacturing primitives were chosen: through hole, blind hole, boss, rib, through slot, step, step to shoulder, pocket, and edge cut.Their variety is sufficient for designing a substantial number of different parts, thus validating recognition methodology; nevertheless, they are simple enough to facilitate implementation and testing. Surface connectivity graphs for these primitives appear in Figure 1.Primitives are modelled at two levels: surface topological arrangement, and surface geometry. ones of qukitative primitive identification. 2.2. Topological Modelling Contrary to most vision systems which restrict aspect views or aspect ,for short-to be purely edge constructions, our approach introduces a topological representation graph for each primitive aspect. An aspect is topologically described by a combination of surfaces with specific unary and binary relational properties.At the topological level, the only unary feature included is the shape of the surface patch. To generate the topological graph representation of an aspect, three binary relations are extracted for every pair of surfaces: their relative orientation, spatial proximity, and geometric equivalence. Since relative orientations are local, intrinsic properties,they are frequently used as f e a m for 3D modelling. Therelative orientation between two surfaces is given by the angle formed by their orientation vectors. For this purpose,the orientation of a planar surface is given by its normal; for a cylindrical surface, it is given by the axis direction.Because of the characteristics of the selected primitives, we classify the orientation relations as parallel, perpendicular,or oblique.In terms of spatial proximity, we are interested in establishing whether the surfaces are physically adjacent.The condition of adjacency requires the surfaces to share at least aportion of their physical boundaries; the shared edge is either concave or convex. Geometric equivalence refers to those cases in which noncontiguous surfaces exhibit the same geometric characteristics. A summary of the topological features which can exist between any two surfaces for the selected primitives is given in TABLE 1. Representative examples of topological relational graphs for two aspects are shown in Figure 2. It should be emphasized that the simplicity of the selected primitives makes compact topological graphs possible. For primitives involving complex surface parametrization, such as splines, the representation of topological Properties would require more elaborate relational trees.One of the as cts and topological raphr for (a) a blind hole, and F a boss. Thick, dark inks in the gra h indicate a L/C to logkai relatlon; thick light I d s indicate a LEC rei%on; and thick, dashed links indicate a UD relation.2.3. Boundary ModellingBoundaries are used to complete surface modelling by detailing geometry. In this research, we use boundary modelling as a tool far verifying/rejecting primitive hypotheses. The geometric descriptions include the type of surface and any available boundary information. Faces are qualitatively described by construction of relational edges or boundary groups. since it is considered that attempting the detection of loops might be an unnecessarily expensive task.Surface geometric descriptions can be done by tracing the edges identified through the application of classical edge detectors or by detecting the transitions from one surface patch to another. Because of the difficulties in dealing with edge detectors, this later approach is preferred.2.4. Part ModellingIn the part database. each part is described as an organized aggregate of instantiated manufacturing primitives. A primitive is instantiated by indicating the dimensions of its characteristic parameters, and its location in the part with respect to a global reference frame.The characteristic parameters are instantiated following the convention shown in Figure 3. For example, a through hole is characterized by its radius and the orientation of its axis. The Z axis of the local frame runs along the axis of the hole, pointing out of the material, while the origin is located at the opening of the hole.Primitive geometric parameters and definition of iocai reference frames. (a A throu h hole is completely cheracterized by its radius and t k axis orientation. (b) The geometry of the step is defined bythe dimensions of the cut.To instantiate the location of a primitive, a global reference frame which remains available throughout the fabrication of the part, is first chosen. The pose of a primitive is given by the rotation matrix between the global and local reference frames, and the position vector which goes from the origin of the global reference frame to the origin of the local reference frame.The model of apart has four slots. The first slot identifies the part with an ID number and a descriptive label. Next, thesecond slot gives the dimensions of the stock, while the third one indicates the types of primitives present in the part.Finally, the last slot lists the instantiated primitives organized as follows: the primitive type, the number of occurrences of that primitive type in the part, and the full description of the primitives. This description includes an identification number and two vectors, one with the geometric parameters and the other with the pose. Figure 4. shows the model of a vise jaw created with two steps and a through hole. This information can be readily obtained from the standad output of a form feature CAD system 61.It is important to emphasize that, with this modelling style, the part database becomes a collection of compact,simple linguistic descriptions. Even more, the addition of new models to the database does not involve any modifications to the structure of the recognition system itself. This is so because, for recognition purposes, indexing specific items from the part database first requires the identification of the primitives present in the image.A part and its composite primitive lescription.Primitive indexing is described in the following sections.3. System ArchitectureA block diagram for the architecture of the recognition system appears in Figure 5. The system has five major modules: an expert system, a bank of neural networks, static and dynamic databases, and an image segmentation module. Brief descriptions of these modules are given next.The expert system operates as the central controller of data flow and interpretation, carrying out deductive functions and generating hypotheses. Primitive aspect models (topological and geometric), and object models are stored in thnx static databases. All intermediate hypotheses and the results of their verification routines are kept in dynamic databases. Hopfield neural nets are used far graph matching in hypotheses pruning tasks. Surface and edge segmentation are neural based 91. IGURE 6. Constructi the topological raph of a segmented image. (a)%gmmted range kage with4. Topological Primitive IndexingAs it was mentioned before, the core of recognition bycomponents is the detection and identification of instances of form primitives in the image data. In this section, we present the primitive indexing paradigm in detail.4.1. Topological GraphsAn undirected, attributed graph G is used to describe the topological relations between the surfaces of a segmented image. Each surface visible in the segmented image is assigned a node in the graph, and for any two adjacent surfaces, there is a link connecting their corresponding nodes. Nodes are labeled according to the type of the associated surface, while links are labeled according to the topological relations of the surfaces interactions. The dictionary of topological relations is the same as that introduced in Table 1. An example of a topological graph constructed for a segmented image appears in Figure 6.4.2. Preliminary Topological IndexingThe goal of the preliminary hypotheses generation paradigm is to produce acoverture P of G, P=Pb j=1,2, .,K) , where P, is a path of G for which there is supporting topological evidence that it could correspond to an instance of a primitive. Each path P, has associated two sets of hypotheses, Hc, and Hpj. Hc, is the set of complete aspect hypotheses, while Hp, is the set ofpartial aspect hypotheses for path Pi. Complete aspect hypotheses are those primitive instances for which P, could be a topological isomorphism; partial aspect hypotheses are those primitive instances for which P, could be a topological sub-isomorphism. The generation of hypotheses from topological information is done by first finding all paths in the topological image graph which are compatible with the form primitives. Valid paths are created with a breath first search on the connectivity of each node in the image graph.The search in each branch of the tree is pruned whenever the corresponding qualitative connectivity graph does not match any primitive pattem.4.3. Topological Hypotheses OrganizationSince graph matching is a computationally intensive task, the actual evaluation of preliminary topological hypotheses needs to be done in an organized, hierarchical fashion. To this end, preliminary hypotheses are organized in levels according to their potential evaluation return rates, estimated with two heuristics:Intuitively, a path having a qualitative correspondence with a complete aspect carries on more information than, say, a path corresponding only to a sub-set of an aspect Primitive indexing is more reliable when primitives appear without occlusion or are not otherwise ambiguous.If there are two paths, one longer than the other, the longer path has the potential to reduce the entropy of recognition more than the shorter path. This heuristic is motivated on the fact that several primitives can betopologically interpreted as being composed of simpler primitives. For example, a step to a shoulder can be seen as the interaction of two steps.Based on these heuristics, we have grouped the preliminary hypotheses in three levels. The highest level of the hierarchy includes those paths which are not subsets of other paths, and have a non-empty set of complete aspect hypotheses. The next level includes those paths which are not subsets of other paths, and have a nonempty set of partial aspect hypotheses. Notice that it is possible to find the same path in both the first and second hierarchical levels.The last level of the hierarchy includes all remaining preliminary hypotheses paths. We refer to the first level of the hierarchy as the primary topological hypotheses, to the second as the secondary topological hypotheses, and to the third as the tertiary topological hypotheses. The third level is seldom used and we will not make any further reference to it in this paper.Once hypotheses are divided, they are pruned. Not all hypotheses are tested, though. Initially, only primary hypotheses examined. If the evaluation of these hypotheses is not sufficient to fully explain the scene, selected secondary hypotheses are also evaluated. Finally, selected tertiary hypotheses might have to be evaluated, although this situation would be extremely rare. Pruning is performed by evaluating the isomorphism or sub-isomorphism of the topological graph of the path with respect to the graph of the hypothesized primitive instance. This verification is carried out with optimizing neural networks. Neural net pruning is explained in Section 5.4.4. ExamplesTwo representative examples are given next. Example I. Figure 7 shows a very simple part and its surface connectivity graph. The part is composed of a step with an attached boss and hole. In this case, three primary topological hypotheses are generated. Surfaces 1 and 2 are considered to be either part of a through hole (aspect 1). Or a blind hole (aspect 2). Surfaces 7 and 8 are considered to be part of a boss (aspect 3). Finally, surfaces 2,3,4,5,an d 6 are considered to be part of a step (aspect 10). No secondary topological hypotheses are generatedExample 2. Topological hypotheses for a more interesting part appear in Figure 8. The part has two primitives, a step to shoulder and a through slot. A number of primary topological hypotheses, some of them incorrect, are generated. As it will be seen in Section 5, the false hypotheses are pruned once the connectivity pattems of each (c) FIGURE 7. initial generation of topolo lcal . (a) A part consisting of a step, wfh a through-hole and a boss. (b) its corresponding surface connecthrity graph; and (c) primary and secondary topological hypotheses.Inode in the surface connectivity graph is analyzed. The correct hypotheses for the step to shoulder (aspect 2) and thethrough slot (aspect 8), are also generated. There are also several secondary hypotheses, which appear because portions of the image graph partially match the pattems that qualitatively define both primitives. IGURE 8. Initial generation of topological h potheses.5. Neural Net Hypotheses VerificationThe plnpose of this matching is twofold. First, success/ Mure at matching the graphs further prunes the set of hypotheses; second, should the matching be successful, the solution of the surfixe correspondence pblem would greatly simplify future hypotheses verification through surface fitting or edge tracing, since it becomes a model driven task.Multiple examples of Hopfield neural nets for object identification through graph matching have been reported in the literature 3. The common denominatar in these applications is that a graph created by extracting significant features from the image is matched against the graph of a part model. Nodes in the graphs represent features and their local properties; links represent relational properties or constraints, such as distances between features.5.1. Surface correspondence constraintsThe desired solution to our topological isomorphism problem requires the satisfaction of three types of constraints: Uniqueness correspondence; each surface in the image eventually matches only one surface in the model, and vice versa.Shape correspondence; the shape of an image node must be identical to the shape of the associated model node. Topological correspondence; the connectivity pattem of an image node must be identical to the connectivity pam of the associated model node. We have encoded these constraints in the energy function of a Hopfield optimization neural net IO. The final stable state of the network indicates whether the matched primitive and image graphs are isomorphic. In case they are isomorphic, the neurons activation pattem shows the surface correspondence existing between both graph.5.2. Neural Net Indexing ExamplesTwo representative examples are given. In the first example, the correspondence problem is solved for two isomorphic topological graphs. The second example consists of examining the possibility of finding a correspondence mapping between an image graph and a madel graph which are not isomorphic.Exumple 3. In this example, the problem consists in matching the surface connectivity graph of a region of interest to the model of a steps aspect. as shown in FIGURE 9. Solving the surface correspondencc problem with a neural net. (a) A model aspect of a step (b) its correspondin surface connectivity graph; (c)surface assignment k r an image region of interest; d) urface connectivity graph; (e) final stab state for a particular correspondencc solutbn; (f )stable state for another feasible correspondence solutlon. Due to symmetry, there are two solutions. In the first solution, the correspondence pairs (IijUj) between the i-th image surface and the j-th model surface are (1,2),(2,1),(3,4),(4,5),(5,3). In the second solution, the comspondence pairs are (1,3),(2,5),(3,4),(4,1),(5)1.Any one of these two solutions can be the final stable state of the neural net. Example 4. Here, the neural net tries to find a correspondence function for a steps aspect and a portion of the image of Example 2. As it is seen in Figure 10, from the final state of the network it is evident that no isomorphism could be identified.6. Recognition ResultsRepresentative results obtained with both synthetic and actual range images are presented next.6.1. Synthetic Range ImagesIn Figure 11 we revisit Example 2. Recall that the set of primary topological hypotheses included a number of false indexings. Note how well the neural nets prune the initial set of primary topological hypotheses.Detecting a failed raph matching. (a) A model aspect of a step; (b)y a set of surfaces hypothesized as matchlng the model; and (c) final neural net state. Notice that no isomorphism is 1 ound. verify the presence of a step to shoulder (aspect 2) and a hrough slot (aspect 8).I Primary-hypotheses = hypomesis(path(4,5,6,7,8,9)=pecYW. ITo logical hypotheses for synthetic ran e image of Empie 2. (a Pseudo-intensity image ancf(b) primary hypotheses. Loth the through slot and the step to shoulder primitives are properly recognized.In Figure 12, we have an image with two objects, one composed of a step with a hole, and the other of two bosses. Here again the system succeeds at properly identifying the individual CAD primitives. There are two hypotheses to explain surfaces 3 and 5. The first hypothesis considers the surfaces to be part of a through hole, and the second to be part of a blind hole. The geometric verification routines would examine both hypotheses and eventually declare the blind hole an invalid one.6.2. Actual Range ImagesResults for actual range images are given in Figures 13 and 14. These images were originally scanned at the Pattem H potheses eneration for synthetic range ima e. 6) Pseudo-henatty image, and (b) correspont&g topological hypotheses.Recognition and Image Processing Laboratory, Michigan State University, and are now available in an archive set up at Washington State University by Professor P. Flynn. They were produced with a Technical Arts loOX scanner.In Figure 13, we have an image of a block with a column, which can be described as a boss attached to a rib. Two primary hypotheses are topologically verified by the neural nets, one for a rib (aspect l), and the other for a boss.Primary-hypotheses = hypothesis(path(3.4), aspect(bs3).assignment(?,2 ), hYpothesis(path(l,21), 1 aspeWrbZ),assignment(t, I)Hypotheses generation for actual ran image of a column. (a) Pseudo-intensity image, and p corresponding topological hypotheses.Figure 14 shows results for an image of a tape roll. In terms of our CAD primitives, the tape roll can be described as being composed of a boss with a through hole. Here again, the boss is correctly identified, while the hole is explained as being either a blind hole (aspect 2) or a through hole (aspect1). Note how the topological description simplifies dealing with incomplete surfaces, making recognition robust.Hypotheses generation for actual range mage of a tape roll. (a Pseudo-Intensity Image, and b) corresponding topological hypotheses.7. ConclusionsWe have described a 3-D object recognition system for parts designed with a form feature CAD system. In this system, objects are modelled as organized compositions of instantiated form primitives. Primitives are modeled at the topological and geometrical levels. At the topological level,primitives are described as collections of surfaces with specific topological relations. Primitive indexing is done in two steps: a fast, qualitative pattem matching, and a more attentive, relational graph matching.This scheme offers the following advantages: In terms of computational recognition time, the representation shifts the burden of sub-graph matching fkm the object model database to the CAD primitive model database. Since the size of the primitive database remains constant for a particular CAD system and is considerably smaller than the object database, the matching costs are substantially reduced. . Addition of new items to the object database has little impact on recognition complexity both in m s of matching time and in modification of recognition heuristics.Since the core of an object representation is its manufacturing feature description, interfacing with CAD/CAM software is simpli!ied thus permitting easy compatibility within the CIM production system.8. Referencesl Annan. F., and J.K. Aggarwal. “CAD-Based Vision: Object Recognition in Cluttered Range Images Using Recognition Strategies,” CVGIP. Image Understanding, Vol. 58. No. 1. pp. 3342,19932 Flynn, P., and A.K. Jain, “CAD-Based Computer Vision: From CAD Models to Relational Graphs,” IEEE Trans. Panem Analysis and Machine Intelligence, Vol. 13, No. 2, pp. 114132.1991.3 Lin. W-C. F-Y. Liao, C-K. Tsao, and T. Lingutla, “A Hierarchical Multiple-View Approach to Three- Dimensional Object Recognition,” IEEE Trans. on Neural Net., Vol. 2, No. 1, pp. 84-92, 1991.4 Masotti, G. andT. Bombardi, “Automatic production of NC code for machining from features in generic parts,” Computing and C o d Engineering Journal, Vol. 3. No. 6.5 Marefat, M. M. Sandeep. and R.L. Kashyap. “Object-Oriented Intelligent Computer Integrated Design, Process Planning, and Inspection,” Canputer. Vol. 26. No. 3, pp. 54-65,1993.6 Merat, F., and G. Radack, “Automatic Inspection Planning within a Feature-Based CAD System,” J. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, Vol. 9. No. 1, pp. 6 1 -69,1992.7 Prasad, B., R.S. Morenc, and R. Rangan, “Information Management for Concurrent Engineering: Research Issues, Concurrent Engineering: Research and Appfic&*om, Vol. 1. No. 1. pp. 3-20.1993.8I Sarkar.B. andC-H. Menq,“Smooth-surface approximation and reverse engineering.” Computer Aided Design. Vol. 23,9 Villalobos. L., and F. Merat, “Neural Net Range Image Segmentation for Object Recognition,” Proc. Applicatwns ofArtiid NeurdNetworhW, SPIE 1965, Orlando, 1993. 101 Villalobos, L. and F. 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No. 1. pp. 3342,1993.附录二：中文材料基于CAD的物体识别的三维造型和建模作者:李德.卫勒劳波斯和弗朗西斯.瑞特电机系中心自动化和智能化系统的研究西部储备大学,克利夫兰,44106-7221摘要-运用特征CAD软件进行三维物体识别系统的部件设计的一种形式在这篇文章中将呈现给大家.很多数据是运用图元的例子进行说明,因此对象被很形象的说明.因此,部分数据是来自和现实情况匹配的图元数据库,这些数据库一般都很小.在这篇论文中, 我们简单地回顾我们对于对象表示, 系统的结构,情况假设,与图元建模的做法.运用综合手段和一些现实的例子获得的结果呈现给大家.一、 简介计算机集成制造(CIM)是提高生产效率和质量的根本保证。 这些目的是促使大批研究主动提高各方面的集成,其中包括:并行工程，程序自动生成和自主制造。由于在这一具有远大发展前景的系统中,使用CAD自动对象建模,节省了大量时间,因此在CIM上的运用在目标识别制造上产生了巨大影响。为此,提出了正在进行中的研究方向,建立一个三维物体识别系统的CAD形式特征,例如: 孔,缝隙等将被讨论。这一方式的核心是将建模对象作为一些除相关制造业的元素。这使得主要的识别任务可细分为不是特别严格的快速初步假定.混合的中心网络和基于规则的专门系统正被发展成为来执行这一特征识别。在第二部分，我们引进了被识别系统支持的图元，这一表现方案被用来仿造这些图元和对象。系统架构在第三部分作了简要介绍，第四第五部分介绍了一些假设产生与验证。第六部分介绍了合成结果和图象列，第七部分，主要介绍结论。二、三维形状特征建模 这一识别系统的核心是选择方案进行对象建模，在数据库，选择搜索和匹配算法中, 处理原图像数据,并在具体的整体的信息流动和控制中模型的构造发挥了重要作用, 在这项研究中, 从一套精选的制造图元的形式进行对象构造的组合。在以下几节中，这些图元和他们的建模方案将被介绍。2.1.图元制造 拓扑/几何图元的表示方法，在一套选定的，还原的图元制造环境制造下进行检测。选择了九种形式的图元制造，通孔,盲孔, 轮毂，肋板，滑槽，阶梯板，凸肩，底部加深，切边。这些形式能够充分展现不同部位的设计,从而验证识别方法；不过,他们很简单,便于实施和测试。这些图元的连接见图1。这些图元分两个层次：表面拓扑的安排，表面几何。22拓扑建模 在这个研究中，以观察者的视角去表达图元形式，这一表达方式就是拓扑的性质。对于大多数要求有严格的形态视角的视觉系统相比