（机械设计及理论专业论文）基于成组技术的振动上料系统计算机辅助设计的研究.pdf

摘要 摘要 振动上料器是使用最广泛的定向送料装置，对自动生产系统的成本及可靠性有着 直接的影响。目前振动上料器的设计主要依靠实践经验，而无十分成熟的理论，因此 设计成本高周期长，严重制约了生产的自动化水平。 本文在分析研究零件的外形特征、零件自然姿态特征及定向姿态特征的基础上， 通过引入成组技术对零件特征进行编码，并进一步利用计算机技术，初步构建了振动 上料器的计算机辅助设计系统，为振动上料器的快捷设计提供了方法和条件。 本文所得的主要结论是： 1 将成组技术应用于自动上料系统的设计，通过编码将特征相似的零件归类成组， 再以同一种方案加以处理，节省设计的时间和费用，提高设计效率。 2 通过分析零件特征，充分利用现有编码系统，对零件外形特征、自然姿态特征及 定向姿态特征进行编码，得到更加完善并适用于计算机辅助料斗设计的编码系统。 3 构建了振动上料器的计算机辅助设计系统，在编程软件与数据库及三维软件紧密 结合的基础上，实时快速的查找和产生适合于零件定向整理的料斗、料道，为设计人 员提供参考和帮助。 4 使用s o i i de d g e 的变量化设计技术，通过对参数表中参数的改变，实现料斗本体 的变型设计。 5 系统具有知识学习和经验积累的功能，在使用过程中不断扩展数据库，增强系统 自身的功能。 关键词：振动上料器，成组技术，分类编码，计算机辅助设计 i l l 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i o nf e e d e ri sam o s tp o p u l a rp a r t s f e e d i n gd e v i c e ：i th a sd i r e c t i n f l u e n c eo nt h ec o s ta n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ea u t o m a t i ep r o d u c t i o ns y s t e m a tp r e s e n tt h ed e s i g no ft h ev i b r a t i o nf e e d e ri sw i t h o u ta n ym a t u r et h e o r i e s a n dm o s t l yd e p e n d so nt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e b yi n t r o d u c i n gt h eg r o u pt e c h n o l o g y ，p a r t sc h a r a c t e r sa r ec o d e do nt h eb a s e o fa n a l y z i n gp a r t sf i g u r ec h a r a c t e r s ，p a r t sn a t u r a lr e s t i n ga s p e c t sa n dp a r t s o r i e n t i n ga s p e c t s t h e nu s i n gt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ec o m p u t e ra i d e d d e s i g ns y s t e mo ft h ev i b r a t i o nf e e d e ri sm a d eu p ，w h i c hp r o v i d e sm e a n s o fr a p i d d e s i g no ft h ev i b r a t i o nf e e d e r t h ep r i n c i p l ec o n c l u s i o n so ft h ep a p e ra r e ： 1 g ti su s e di nt h ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e m ，b yu s i n gt h ec o d e s ， p a r t sw i t hs i m i l a rc h a r a c t e r sw i l lb ec l a s s i f l e di n t od i f f e r e n tg r o u p ，o n e g r o u pc a nb ed e a l tw i t ho n em e t h o d ，s om u c ht i m ea n dc o s tw i l lb es a v e da n d t h ee f f i c i e n c yw i l lb ei m p r o v e d 2 b ya n a l y z i n gt h ep a r t sc h a r a c t e r sa n dm a k i n gt h em o s to ft h ec o d i n gs y s t e m i ne x i s t e n c e ，t h ep a r t sf i g u r ec h a r a c t e r s ，n a t u r a lr e s t i n ga s p e c t sa n d o r i e n t i n ga s p e c t sa r ec o d e da n dan e wc o d i n gs y s t e mi sm a d e ，w h i c hi s m o r e c o m p l e t ea n da d e q u a t ef o rt h ec o m p u t e ra i d e df e e d e rd e s i g n 3 t h ev i b r a t i o nb o w lf e e d e rc a ds y s t e mi sd e s i g n e d ，o nt h eb a s eo ft h ec l o s e c o m b i n a t i o no ft h ep r o g r a ms o f t w a r e ，t h ed a t a b a s es o f t w a r ea n dt h e3 dd r a w i n g s o f t w a r e ，t h es y s t e mc o u l ds e a r c ht h eh o p p e ra n dt h et r a c kw h i c hi sf i tf o r o r i e n t i n gt h ep a r t s ，i no r d e rt oh e l pt h ed e s i g n e r s 4 b yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r si nt h ep a r a m e t e rt a b l e ，t h es y s t e mi su s i n gt h e v a r i a b l ed e s i g nt e c h n o l o g yo ft h es o l i de d g es o f t w a r et oa c h i e v et h ed e s i g n o ft h eh o p p e r 5 t h es y s t e mh a st h ea b i l i t yo ft h ek n o w l e d g el e a r n i n ga n de x p e r i e n c e a c c u m u l a t i n g ，d u r i n gt h eu s e ，t h ed a t a b a s ew i1 1 l a s te x p a n da n dt h ef u n c ti o n o ft h es y s t e mw il lb es t r e n g t h e n e d k e yw o r d s ：v i b r a t i o nf e e d e r ，g r o u pt e c h n o l o g y ，s o r t i n gc o d e s ，c o m p u t e ra i d e d d e s i g n 独创性声明 y9 67 89 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j ： 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 鸯考 口期：口6 年多月旧日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交沧文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 虢虹 导师繇脓 同期：口多年多月枷日 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 随着柔性制造技术、计算机辅助技术和信息技术的发展，当今世界机械制造业进 入全盘自动化的时代。然而，由于加工技术超前于装配技术许多年，两者已经形成了 明显的反差，装配工艺已成为现代化生产的薄弱环节，现代制造技术的发展使传统的 手工装配工艺面临着严峻的挑战。有资料显示，即使在发达国家某些部门从事装配的 工人人数也要占工人总数的5 0 6 0 。所以，装配自动化是制造工业中需要解决的 关键技术。而装配工艺的自动化，很大程度上取决于一个好的供料系统。供料系统对 自动装配系统有很大的影响，他的开发费用和时间占有很大比例。据报道，振动料斗 及其相关传输装置约占自动装配系统总成本的1 3 。另外，有关研究表明自动化生产 系统失败的事例中约有一半与振动料斗有关”1 。 供料系统主要有三个功能，即储料、定向和供料，其中最重要也是最困难的部分 是对零件的自动定向整理。目前使用最广泛的定向供料装置是电磁式振动料斗，在长 期使用过程中，对料斗轨道已研制出一些标准化定向元件，如挡板、豁口、槽穴、护 板、凸脊、台阶、空气喷嘴等，对于不同零件的不同定向要求，可以选择组合使用“1 。 但由于零件复杂、多变，定向要求各不相同，单件物品在进入加工工位前自动定向或 排队，仍是自动机械和自动生产线设计中的一个较为复杂的问题。尤其对于一些形状 复杂的工件，相应的定向机构几乎难以用通常的视图来表达，在实际设计与加工过程 中，只能凭设计人员的经验，选择设计定向元件，试制料斗轨道，边调整边修磨，加 工周期很长。此时，实际经验、钳工劳动起着主导作用，由于缺乏有效的理论指导， 这些许多年积累而得的设计经验只能通过师傅教徒弟的方法口头传授，没有得到有效 总结整理，同时由于料斗设计完全靠设计者的经验，对于同一个零件，不同设计者设 计的轨道可能各不相同，其成本、送料效率、可靠性也会有很大的差别。 成组技术g t ( g r o u pt e c h n o l o g y ) 是一门工程技术学科，研究如何识别和发掘生 产活动中有关事物的相关性，并充分利用它：即把相似的问题归类成组，寻求解决这 一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益”1 。将成组技术应用于零件 的自动上料整理，参考以往相同或相近零件的料斗轨道设计，其价值是显而易见。 制造业自动化信息化水平的不断提升，要求设计人员不断提高料斗设计质量、缩 短设计周期、加快更新速度。本课题的提出，经过相应的市场调研，针对上述的现实 需要，在对大量典型零件特征和现有成组技术编码系统进行分析研究的基础上，利用 计算机技术，使用数据库将以往振动料斗轨道设计经验保存起来，并通过零件编码对 江南大学硕士学位论文 轨道进行检索，为料斗轨道的快捷设计提供了有效的途径。 1 1 2 课题目的意义 本课题主要围绕提高振动料斗设计效率减轻设计人员负担而展开，通过对分析待 定向零件特征的分析，引入成组技术理论对零件编码，使振动料斗的设计更加系统化、 理论化；并且初步构建一个计算机辅助设计系统，对设计者的要求快捷的响应并通过 程序引导设计者完成设计。 其目的和意义如下： 1 ) 利用成组编码技术对零件特征进行编码，将相似零件归类成组，减少了重复 性设计的费用和时间，提高了设计效率。 2 ) 利用编程、数据库、三维建模等手段，将以往成功的振动料斗设计实例按照 零件编码存储在数据库中，使用计算机对料斗进行辅助设计，从而进一步提 高设计质量和效率。 3 ) 对振动料斗的新设计进行有效的总结和整理，不断充实系统数据库，为今后 的设计提供更多参考。 1 2 研究背景及现存问题 1 2 1 研究背景 成组技术理论于5 0 年代中期形成了较为完整的理论体系，自其产生以来就在机 械制造领域得到了广泛的应用，在不同时期不同国家分别产生了多个零件分类编码系 统，如o p i t z 分类系统，k k 一3 分类系统，j l b m 一1 分类系统等，用于指导产品设计制 造及生产的组织管理。在零件的自动装配领域，成组技术并没有得到广泛的应用，相 关的研究开展的也较少。美国麻州大学的b o o t h r o y d 是将成组技术应用于振动料斗设 计的先驱。他基于大量的设计实例，对常用零件及其定向装置进行了系统的分析与研 究，推出了u m a s s 编码系统“1 。o u y a n g 等利用计算机辅助技术，结合u m a s s 编码 系统，对待定向零件进行分类，然后根据最终设计方案确定相应的定向机构，并使用 a u t o c a d 软件实现料斗定向轨道图的输出。l i m 等也进行了类似的研究工作，并对工 件及其定向机构的编码方法进行了改进。 零件在料斗中的自然姿态( n a t u r a lr e s t i n ga s p e c t ) 是指零件从一定高度自然 垂直降落到料盘水平底面上所呈现的稳定姿态。因各自然姿态出现的概率一般不同， 而且经常相差很大，故基于不同自然姿态所设计的定向机构在送料率方面一般也相差 很大。因此，有关零件各自然姿态出现概率的研究对振动料斗定向机构的设计有着十 2 第一章绪论 分重要的意义。b o o t h r o y d 等基于能量位垒( e n e r g yb a r r i e r ) 概念对柱状零件各自 然姿态出现概率进行了成功的数学描述与预测8 3 。n g o i 等基于质心立体角概念对柱状 工件各自然姿态出现概率进行了数学描述与预测，也取得了较为理想的效果。 1 2 2 现存问题 综上所述，成组技术在零件自动上料系统设计领域的应用，虽然已有专家学者开 展了一些研究，取得了一定的成果，但随着时代的进步，尤其是计算机技术的普及应 用，仍然有很多方面有待深入研究： 首先，振动料斗的设计依然停留在经验设计手工修磨的阶段，不仅设计效率低时 间长，而且以往的设计经验无法有效的总结利用，造成资源的浪费，增加了设计的难 度和费用。引入成组技术，通过对零件进行分类编码，同一编码的零件的料斗设计经 验可以重复使用，可以有效的促进设计工作。 其次，计算机技术，尤其是数据库技术、三维绘图技术等还没有在设计工作中得 到充分的利用，很多设计经验不能有效的保存以及再利用，而相应的定向机构又几乎 难以用通常的视图来表达。因此计算机辅助设计的研究工作是很有必要的。 第三，使用计算机对零件及定向机构进行处理，首先要对待整理零件进行编码， 现有的零件及其定向机构的编码方法不完全适用于指导料斗轨道的设计，为此需要建 立针对计算机辅助振动料斗设计的零件编码系统。 1 3 振动上料器概述 与其它供料机构相比，振动上料器结构简单，能耗小，工作可靠平稳，通用性好， 是一种高效的上料装置。被广泛应用于轻工、电子产品的自动加工、装配领域。 振动上料器的主要优点：无需机械传动装置，没有相互摩擦的运动部件，无需润 滑，易于维护，故障少，可靠性高；它是靠微小的振动送料，没有强烈搅拌、碰撞等 现象，故上料平稳；适用范围很广一般中小型零件都能适用，特别适用于那些尺寸 小、重量轻的零件自动上料，送料率高，且易于调节。其缺点是可能有噪声，但设计 正确和调整合适时，可以减小或避免噪声；不宜输送尺寸和重量较大或有油污、水渍 的工件“。 振动上料器从结构上分直线料槽往复式( 简称“直槽式”，如图1 1 所示) 和圆 盘料斗扭动式( 简称“圆盘式”，如图l 一2 所示) 两类。直槽式一般作为不需要定 向整理的粉粒状物料的给料器，或用于对物料进行清洗、筛选、烘干、加热和冷却的 操作机；圆盘式一般作为需要定向整理的上料器，多用于具有一定形状和尺寸的物料 的场合。从激振方式来区分，振动上料器还可分为电磁激振式、机械激振式及气动激 江南大学硕士学位论文 振式等。课题主要目的是研究零件的上料过程中的定向整理，因此讨论的对象是圆盘 式电磁振动上料器。 图1 一l 直槽式电磁振动上料器图1 2 圆盘式电磁振动上料器 2 振动上料器结构及工作原理 典型结构：如图1 2 所示，振动上料器由带螺旋糟的料盘1 ，支承弹簧2 ，电磁 振动器3 ，底座4 及减振橡胶5 等构件组成。当交流电经半波整流后通入电磁铁3 的 线圈中，料盘1 被带动作高频的上下往复振动，并通过倾斜安装的板弹簧2 同时产生 水平扭振。工件在惯性力、重力和摩擦力的综合作用下，沿料盘内壁的螺旋槽向上跳 跃前进，并在上移过程中通过定向机构实现自动定向，然后由料盘上部出口处进入输 料槽，送往指定位置。 工作原理：为便于说明我们以直槽式上料器为例，其工作原理与圆盘式是相同的。 如图l 一1 所示，料槽l 由固定在底座上的板弹簧3 支承，电磁振动器的铁心和线圈 5 固定在底座6 上。衔铁4 固定在料槽底部。当工频交流电或经半波整流的脉动电流 通入线圈后，在电流从零升到最大的1 4 周期内，电磁引力逐渐增大，料槽被吸引 向左下方运动；而当电流从最大逐渐降到零时，料槽在支承弹簧的作用下向右上方返 回，由此不断产生往返振动。位于料料槽上的工件在惯性力、重力和摩擦力的综合作 用下便产生自左向右的上升运动。图中b 称为振动升角、由称为弹簧倾角”1 。 工件在料槽上的基本运动形式有3 种：向上滑移、向下滑移和腾空跳跃。料槽 的振幅与工件的运动状态密切相关。若令a 。：表示料槽在工件移动方向上的最大振 幅，则a 。a x 大于某一值a + 1 时，工件产生向上移动；当a 。大于某一值a 一1 时，工件产 生向下移动；当a 。；大于某一值ao 时，工件便会产生腾空跳跃。关系如下： 当a 一 a + 1 a 1 a o 时，工件与料槽一起来回振动，不能相对移动； 当a + l a 。 a 1 ao 时，工件仅作单向向上滑移； 当a + l a 一1 a 。； a o 时，工件出现向后滑移； 当a + 1 a 一1 ( ao a 时，工件出现腾空跳跃。 4 第一章绪论 在实际生产中，一般是通过调节电磁铁的供给电压来改变料斗的振幅，从而使料 斗以较高的送料率平稳送料。 1 4 本论文研究的主要内容 针对上述的问题，为减少重复设计，提高设计的效率，缩短设计时间，使料斗设 计工作更加系统化、理论化，本文主要做了以下工作： 1 ) 搜集整理大量零件实例，在对零件几何特征及零件在振动上料器中定向过程 进行仔细分析后，提取了零件外形几何特征、自然姿态特征、定向姿态特征等零件特 征进行研究和分析。 2 ) 基于成组技术的原理，通过应用定向理论和姿势概率理论，在充分利用现有 编码系统的基础上，对零件外形几何特征、自然姿态特征、定向姿态特征进行编码， 建立了更有适合于计算机辅助振动料斗设计的编码系统。为辅助系统的构建奠定理论 上的基础。 3 ) 设计了振动料斗轨道的系统结构，通过设计系统功能的设定，以零件库、轨 道库等数据库为基础，引导用户完成料斗轨道的设计工作，并提供以往设计实例供用 户参考选择。 4 ) 设计了振动料斗本体的系统结构，对料斗料盘的结构尺寸参数进行计算，并 通过变量化技术实现料斗料盘的变型设计。 5 ) 设定动态数据库，包括新零件库、新轨道库及信息库，用户使用系统进行的 料斗轨道新设计被记录在动态数据库中，并通过数据库管理模块对动态数据库进行管 理，从而不断扩展系统的功能。 江南大学硕士学位论文 第二章待定向零件的特征分析和提取 由于新料斗的设计具有继承性，使往年累积并经过考验的有关设计和制造的经验 再次应用，这有利于保证产品质量的稳定，同时也加快了设计速度，节约了生产时间。 遗憾的是目前振动料斗设计的理论还不够系统化，设计工作主要靠设计者的实际经验 和钳工修磨，相关经验不能有效的得到保存和重复使用。为此本课题利用数据库技术 对轨道设计实例进行存储。经过分析研究，我们发现待定向零件的上料轨道设计主要 与零件的几何特征、初始状态及最终的定向姿态相关。本章主要通过运用成组技术， 对待定向零件的几何特征、初始状态特征及定向姿态特征进行了分析和提取，并在充 分利用现有编码系统的基础上，运用定向理论及自然姿态概率理论，设计了针对零件 定向上料的编码系统。本章的研究为计算机辅助设计系统的构建奠定了理论上的基 础。 2 1 待定向零件的特征分析 2 1 1 零件外形几何特征的分析 一种零件往往具有包括形状尺寸的、材料的、精度的、 工艺的等多方面的许多特征，例如图2 一l 所示的一根轴， 形状特征：回转体、外轮廓上有台阶等；尺寸特征：l d 。4 ； 材料特征：低碳钢：精度特征：高精度：工艺特征：车制， 调质等。 在零件的上述特征中，并不是每一个都与零件的定向 上料相关，我们通过对定向过程的分析，提取其中与料斗轨 道设计有关的形状尺寸特征进行分析。 图2 1 零件的特征分析 零件的形状尺寸特征包括形状特征和尺寸特征，其中形状特征又包括零件的基本 形状特征似、零件上所具有的形状要素特征( 如外圆、孔、平面、螺纹、锥体、键槽、 齿形等) 及其在零件上的布置形式特征；尺寸特征是指零件尺寸( 尤其是最大外轮廓尺 寸) 特征。 2 i 2 零件的初始姿态特征的分析 零件的初始姿态，也称为自然姿态( n a t u r a lr e s t i n ga s p e c t ) 就是指从一定高 度自然垂直降落到料盘水平底面上所呈现的稳定姿态。一个零件，当它倒入料斗中的 时候，会有多种自然姿态。 如图2 2 所示的杯形零件，它落入料斗时有三种自然姿态：姿态a ，姿态b ，姿态 6 第二章理论研究 c 。容易知道，在料斗中这三种姿态稳定存在的零件数目是不相同的。现设零件的长 径比l d = i 2 ，重心偏置e = o 4 ，经过实际测算，这三种姿态的零件各自所占的比例大 致如表2 1 ： 图2 2 杯形零件幽2 3 杯形零件的一种上料轨道 表2 1 杯形零件的自然姿态概率 1 零件姿态姿态a姿态b 姿态c f 所占比例 1 0 8 8 7 02 i 姿态概率 o 10 8 8 o 0 2 如果要求零件以姿态a 送出，由上表可知，姿态a 的自然姿态概率为o 1 。而零 件为姿态b 的概率为0 8 8 。若将非a 姿态的零件全部剔除，显然只有少数零件符合 姿态要求能够顺利上料，大部分零件将落回料斗，等待重新上料，而落回料斗可能得 到正确姿态的概率也只有0 1 ，再加上料斗振动等因素的影响，料斗上料的效率是很 低的。为提高零件的上料速度，我们在设计轨道时增加定向机构来调整零件姿态，如 图2 3 所示。在上料过程中，零件依次经过台阶、圆形缺口和负角轨道。通过合理 设定台阶高度，可以使一部分初始姿态为b 和c 的零件改变为姿态a ，提高姿态为a 的零件数目。此后再经过缺口和负角轨道，分别用来剔除姿态仍然为c 和b 的零件。 可见，不同零件的自然姿态概率对滑道设计的有很大影响。而各自然姿态出现的 概率一般不同，并且经常相差很大，故基于不同自然姿态所设计的定向机构在送料率 方面一般也相差很大。如果事先了解零件的自然姿态概率，就能减少设计的盲目性。 2 1 3 零件的定向姿态特征的分析 待定向零件的定向姿态是指零件经过整理后从料斗轨道输出的零件姿态。通过设 计适合的料斗轨道定向元件，在上料过程中零件由自然姿态转变为符合最终要求的定 向姿态。通常情况下，零件的定向姿念出加工或装配的要求决定的，用户根据定向要 求设计轨道。对应于同一零件，如果要求的定向姿态不同，设计出的上料轨道往往也 不相同。 如图2 2 所示的杯形零件，当要求定向姿态为封闭底面着地，即定向姿态为姿 7 江南大学硕士学位论文 态a 时，料斗轨道如图2 3 所示。若要求定向姿态为侧面着地，即定向姿态为姿态 b 时，料斗轨道如图2 4 所示。 图2 4 杯形零件的另一种上料轨道 由以上分析可知，待零件的定向姿态是影响料斗轨道设计的重要因素，轨道设计 前必须充分考虑零件的定向姿态要求。 2 2 待定向零件的特征提取 应用成组技术对零件分类成组的方法主要有三种：视检法、生产流程分析法及编 码分类法。视检法是由有生产经验的人员通过对零件图纸仔细阅读和判断，把具有某 些特征属性的一些零件归结为一类。它的效果主要取决于个人的生产经验，多少带有 主观性和片面性。生产流程分析法p f a ( p r o d u c t i o nf l o wa n a l y s i s ) 是以零件生产 流程及生产设备明细表等技术文件，通过对零件生产流程的分析，可以把工艺过程相 近的，即使用同一组机床进行加工的零件归结为一类。采用此法分类的正确性与分析 方法和所依据的工厂技术资料有关。按编码分类，首先需将待分类的诸零件进行编码， 即将零件设计、制造等方面的信息转译为代码( 代码可以是数字或数字、字母兼用) 。 为此，需选用或制定零件分类编码系统。由于零件有关信息的代码化，就可以根据代 码对零件进行分类”。 零件分类编码系统使零件有关生产信息代码化，可以在宏观上描述零件而不涉及 零件的细节，有助于应用计算机对零件信息进行识别和处理的基础。本课题中，零件 的分类编码是计算机辅助振动料斗设计的基础。针对2 1 节对零件特征的分析，下面 通过建立编码系统对零件特征进行提取。 2 2 1 零件外形几何特征的提取 迄今为止世界上己有几十种应用于成组技术的通用机械零件编码系统，我们选 择其中较为典型几个系统进行分析。 1 米特洛凡诺夫分类系统 8 第二章理论研究 米特洛凡诺夫分类系统是一种典型的无编码分类系统，是苏联米特洛凡诺夫在五 十年代提出的，是以组织零件的机械加工为目的的一种初级形式的零件分类系统。其 分类成组的根据是零件加工的设备、工装和工艺过程的相似性。 这种分类方法，简易、灵活，易于实现( 可以不改变平面布置) ，也能取得显著效 果。其缺点是：不能促进产品设计合理化，零件分组缺乏固定性和严密性，对多工序 零件加工的生产管理不方便。随着计算机的普及和广泛使用，米特洛凡诺夫对原来的 编码系统进行了修改，提出了使用计算机的多位数字代码分类系统，该系统对回转类 零件和非回转类零件分别用4 5 位和8 0 位代码加以标识0 1 。 2 o p i t z 零件分类编码系统 o p i t z 零件分类编码系统是一个十进制九位码的混合结构零件编码系统。前五位 主要描述零件基本形状要素，第一位用来区分回转体与非回转体类的零件类别，第二 至五位用来区分形状及加工特征。第六至第九位是辅助码，主要用于描述零件主尺寸、 材料、毛坯和精度特性。o p i t z 码缺点是码位过少，分类标志不全，难以区分零件的 细节差别。o p i t z 零件分类编码系统的主要优点是： ( 1 ) 功能多，用途广。由于它综合地描述了零件图纸的主主要信息( 形状、加 工、尺寸，材料、毛坯、精度、热处理等) ，从而丌创了分类系统在设计、工艺和管 理上均能应用的先例。 ( 2 ) 码位较少，应用方便。用了九位主辅结构的混合码描述了多种信息类别。 既适于计算机数据处理，也适用于无计算机的企业。 ( 3 ) 结构科学、规律性强。其形状码按类、外、内、平、辅的码位排列，不仅 符合由“整体到局部”、“由表及旱”、“由粗到细”的认识规律，而且也大致反应 了加工顺序( 对数量较多，形状简单的回转件) ，对每类特征项目均按“出简到繁”的 规律进行针对性选择排列。 3 j l b m l 零件分类编码系统 儿b m l 零件分类编码系统是我国原机械工业部为在机械加工中推行成组技术 而开发的一种零件分类编码系统。该系统以机床行业为实施对象，也适用于其他机械 制造业，适用于中等和中等以上规模的多品种，中小批生产企业，适用于机械加工零 件的图纸检索、成组加工和改善生产管理，编码力求简单，有规律，便于应用，是十 进制十五位码的混合结构零件编码系统，使其既能用于无计算机的企业，也能适用于 有计算机的企业。它克服了o p i t z 系统的分类标志不全的缺点，与o p i t z 码相比，它 具有分类标志全，分类细，适用范围大的特点“。 以上的编码系统分别是不同国家不同时期编制形成的编码系统，在生产实际中应 用多年，是比较成熟可靠的编码系统。但是，这些编码系统主要侧重于加工工艺方面， 比如这些系统中，很多位编码是用来反应零件的加工特征、材料、精度等信息，对零 9 江南大学硕士学位论文 件的定向上料这些特征信息是不必要的。但这些编码系统的分类规则和方法对我们很 有启发和帮助。 4 u m a s s 编码系统 美国麻州大学的b o o t h r o y d 是将成组技术应用于振动料斗设计的先驱。他基于大 量的设计实例，对常用零件及其定向装置进行了系统的分析与研究，推出了u m a s s 编码系统。 u m a s s 编码系统主要将零件按其形状特征编码，通过忽略零件上的台阶、凸部及 凹槽等外形特征，确定完全包容零件的最小圆柱体、棱柱体、长方体，称为最小包容 体，这样按照包容体的形状可将待整理的零件分为旋转型、三棱柱或四棱柱型、长方 体型、难送型。编码的第一位数字即按零件的类型及尺寸比确定。第二和第三位数码 按零件的第一个数码并根据零件的结构特征选取，对简化过程中忽略的台阶、凸起及 凹槽等外形特征编码。最后得到一个三位数表示一个零件的外形特征。 表2 2 是回转体零件的u m a s s 编码表1 ，u m a s s 编码全表及编码用语的含义 可在在文末附录中查到。 表2 2 回转体的u m a s s 编码 第一位第二位第三位 o回l d o 8o 零件a 对称 o1 3 可以端面与端面相接运送 _ _ _ 对 1转 0 8 4 = l d = l - 52非 在外表面上有1 3 对 2零b 对 只在侧面上 a 称的台阶或斜面仆称的 3对 b 对称侧面和3非凸起只在端面上 称 的槽、通底面都 1 3 4孔或凹有4 对 侧面、端面上都有 沟 称 55 外表端向可见的通槽 面上 6与外部特征无关的6有非侧向可见端面上 b 对称内部特征 1 3 对 的通槽 7 1 3 对称的非台阶、 7 称的 侧面上 斜面、锥面过小者 槽、 81 3 对称的台阶、斜8 孔、 端向不可见的孔或凹 面、锥面过小者 沟 沟 9 具有形状以外的特 9 具有形状以外的特征 征 这些编码表，可以反映小形零件的输送和定向特性。相同编码的零件，在定向和 1 0 第二章理论研究 输送过程中，需要解决的问题也是一样的。 为了进一步说明u m a s s 编码表的结构和使用方法，下面我们对几个具有一定代表 性的几个零件进行编码，如图2 5 所示。 岁 图a图b 锣 幽c 图2 5几个待编码零件 图d 图a 是一个标准件螺母，它是一个正六棱柱，因此包容体是一个圆柱，查附 录中的表1 。零件长径比l d 为0 9 ，第一位码值为1 ：零件是关于0 轴对称的，第 二位编码为0 ；零件可以端面和端面相接运送，第三位码为0 。所以，该零件的u m a s s 编码是1 0 0 。( 编码用语的具体含义参见附录中u m a s s 编码表注释) 图b 是一根轴，振动上料器一般只能对中小零件进行整理上料，所以图中的轴也 应当是尺寸较小的，不过只要零件尺寸在合理范围内，在编码时我们并不需要知道具 体的尺寸大小而只需要知道尺寸比，该零件包容体为圆柱体，查附录中表1 。零件长 径比l d 为2 5 ，第一位码值为2 ；零件是关于d 轴对称的，第二位编码为o ；零件 只在侧面上有关于0 对称的凸起，第三位码值为2 。所以，该零件的u m a s s 编码是2 0 2 。 图c 是一个轨道基座，它的包容体是一个长方体，查附录中表3 。零件最长边比 次长边a b 3 ，最长边比最短边a c 3 ，第一位编码值为7 ；由观察可知零件姿态只由一个主要特征描述，且零件 t f 江南大学硕士学位论文 有一个对称平面，因此第二位编码值为4 ：查后一个第三位表，此零件的主要特征是 凸起的台阶圆盘，所以第三位码值是0 。零件的u m a s s 编码是7 4 0 。 通过u m a s s 编码系统，我们较好的解决了零件外形特征的提取问题，零件的外形 特征可以用一个三位十进制的编码对应表示。 2 2 2 零件初始姿态特征的提取 零件的自然静止姿态概率对自动上料系统的上料效率有着直接的影响。要改进现 有编码系统，有必要先对零件的自然静止姿态概率做一番更深入的研究。 这里我们通过能障假设确定零件的静止姿势概率。 零件落在硬表面上时，棱边或角上受垂直的碰撞力发生跳动，阻止改变零件姿势， 如图2 6 a 所示。四棱体零件落在硬平面上倾斜一定角度，它沿a 旋转必须有足够的 能量使重心位置改变，同时还有阻碍它改变姿势的所谓能障，当重心由b 上升至e ， 零件处于刚要改变姿势的位黄“”“。 x 惠 a ) y 向 舳，向 b )c ) 图2 6柱体姿态改变时的重心位置变化 由图2 6 c 可知，重心上升量： b c ：i x 2 + 1 2 c o s ：一口) 胆一c o s ( p 一口) ( 2 1 ) f = ( x 2 + y2 ) 1 7 2 ( 2 2 ) 卢= a r c t a n l y ) ( 2 - 3 ) b c 的长度示于图2 6 b 中。设以端面着地为姿势a ，以侧面着地为姿势b 。 当0 从一卢变化到卢时，由上式得出的一系列b c 长度将组成图2 7 a 所示的阴 1 第二章理论研究 影面积部分。这个面积就表示零件以端面着地总的能量障碍e a b ：零件以侧面着地总 的能量障碍e 。；如图2 7 b 中的阴影面积。 若零件经过每个姿势所具有的动能的概率与倾斜角度无关，那么，零件不能克服 能障的概率就与能障的面积成正比。 呵 a ) h ) a ) 由姿势a 到姿势bb ) 由姿势b 到姿势a 图2 7 四方柱体的能障 能障面积可由b 。长度一式积分得到，但积分上下限分别为+ p 和一卢，也可通过 图2 - 7 中的几何关系计算得出： 崭a 2 p + q - a l q 2 _ y 】 耻z 2 a 2 p 2 + q - 刮 p = 甭忙j z + 2 q = 妄= - + 唼，2 a ，：。r c 。i 。0 ) 1 a 22a r c s l n p 由于四方柱体有两个端面和四个侧面， 的姿势a 出现概率为： 只= 彘 姿势b 出现概率为： ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 相同形式面着地概率应相等，所以，零件 ( 2 一l o ) 只= 1 一只 ( 2 - 1 1 ) 用能障法计算柱体和长方体零件各姿势概率如图2 8 和图2 9 所示“： 1 3 江南大学硕士学位论文 幽2 9 长方体的姿态概率 综合考虑各种因素，参考以往的编码系统，我们使用一位十进制数表征零件的自 然姿态特征，即零件的自然姿态编码。通过自然姿态编码，我们可以了解某个具体零 件初始的姿态状况，这对我们决定定向姿态及设计料斗轨道有很大的参考意义。下面 详细描述各个码值的具体意义。 零件的自然姿态概率与其包容体的类型有关，具体可以分为两类：回转体和正三 棱柱及f 四棱柱为一类，统称为柱体类零件；长方体为一类，称为长方体类零件。对 于两类不同的零件，我们分别为其编码。 对于柱型零件，观察图2 8 可知，当长径比l d 2 时，零件是细长棍状的，以底面着地 的概率很小，也只有不到o 1 。考虑到实际情况下料斗振动以及零件间相互碰撞的影 响，这一概率还要更加小，这样的面显然是不能用来做定位面的。因此，当l d 2 时第四位编码设为1 ，零件以侧面着 地。对于柱型零件，我们可以归纳为如下几个主要特征：台阶、斜面、凸起、孔、槽、 凹部，其中对零件稳定姿态有影响的主要是台阶、斜面及凸起。其中台阶和斜面都是 关于b 对称的，可以归为一类。这样，我们首先确定零件影响姿态稳定的特征，将柱 型零件分为四类，即a 、b 都对称的零件、有b 对称的台阶或斜面的零件、有非b 对 称的凸起的零件和有台阶也有凸起的零件( 编码用语意义参照附录中u m a s s 编码表注 释) 。对每一类零件，通过比较侧面及底面着地概率的大小，进一步分为两个编码值， 零件的自然姿态概率的计算如前文所述，本课题构建的辅助设计系统中通过输入零件 尺寸就可以由系统计算得到概率值。 第二章理论研究 对长方体零件，由图2 9 可知，若c b o 9 ，则零件三条相交的边长近似等长， 零件以三个面a b ，a c ，b c 定位的概率也近似相等。对于长方体零件，影响其稳定的 主要是凸台和凹部，又因为长方体有三对共六个面，所以确定着地面要麻烦一些。我 们知道b c 面是所有面中面积最小的，我们在编码中将它忽略。零件自然姿态编码如 表2 3 所示。 表2 3 零件自然姿态编码 表a 柱体类零件 0 l d 2 2零件a 对称、b 对称侧面着地概率大 - 。 3 端面着地概率大 4有b 对称的台阶或斜面 侧面着地概率火 、。 5端面着地概率火 6有1 b 对称的凸起 侧面着地概率人 _ 。 7 端面着地概率大 8有台阶也有凸起侧面着地概率火 _ 。 9 端面着地概率人 表b 长方体类零件 0 c b o 4 1 没有显蕲影响稳定的特征 2 有凸台或影响a b 面 3凹部等影 影响a c 面 4响所在面 影响a b 、a b 面 5稳定的特 影响a b 、a c 面 6征 影响a b 、b c 面 7 影响a c 、a c 面 8 影u f l a c 、b c 面 9 影响两个以上的面 江南大学硕士学位论文 2 2 3 零件定向姿态特征的提取 零件定向姿态特征的编码方式与其自然姿态特征类似，首先我们将零件分为柱体 及长方体两类，为两类零件分别建立编码表。如表2 4 所示。 表2 4 零件定向姿态编码 表a 柱体类零件 o零件a 对称、侧面着地输出 lb 对称 底面着地输出 2有1 3 对称的台侧面着地，小底面在前输出 3阶、斜面、孔 侧面着地小底面在后输出 4 或凹槽 小底面着地输出 5 大底面着地输出 6 有非b 对称的特征在底面侧面着地输出 7凸起或凹部底面着地输出 8 特征在侧面侧面着地输出 9 底面着地输出 表b 长方体类零件 o 零件关于三根轴都1 8 0 。a b 面着地 1 对称 t i c 面着地 2 b c 面着地 3 零1 1 有台a b 面着地与定向特征平行 4 阶、斜面、 与定向特征垂直 5通槽等定 a c 面着地与定向特征平行 6向特征 与定向特征平行 7 b c 面着地与定向特征平行 8 与定向特征平行 9 零件定向特征不明显 第三章系统方案构想 第三章料斗辅助设计系统方案构想 3 1 总体方案设想 本系统希望达到如下目的： 1 ) 改变振动料斗手工化的设计方式，减少设计过程中的盲目性局限性，使设计 工作更加系统化规范化。 2 ) 将设计人员从重复性劳动中解脱出来，提高设计效率，缩短设计周期，加快 产品更新速度。 3 ) 根据零件的不同特征及用户的具体要求，系统能够提供不同的设计方案供用 户选择，为设计者提供参考。 4 ) 系统要易学易用，即使是缺乏料斗设计经验和知识的设计者也可以在系统引导 下完成设计任务。 5 ) 系统要有学习功能，也即经验积累功能，不断扩大系统的零件库和实例库。 系统可以有效的引导和帮助用户迸行振动料斗设计，同时设计人员的新设计也被 系统记录下来。这样，系统可以不断的增长和积累经验，从而进一步提高系统的使用 效率，形成一个良性的循环。 3 2 系统总体框架 电磁振动料斗主要由料斗本体和料斗轨道两大部分组成，系统把本体设计和轨道 设计分为两个分系统，为了使系统的动态数据库得到有效管理，我们设置了数据库管 理分系统。因此系统共有三大分系统构成，其总体结构如图3 1 所示。 轨道设计分系统：料斗轨道的设计，一直是振动料斗设计中一个最棘手的问题， 主要依靠设计人员和钳工的经验，很多的设计经验不能理论化系统化。因此，本系统 的重点也主要放在料斗轨道设计上。轨道设计分系统包括四个模块：零件编码模块、 定向姿态模块、零件信息库模块、轨道实例库模块。每个模块都具备各自独立的功 能，同时各模块又有着内在联系，四个模块合在一起，覆盖了轨道设计的全过程。 本体设计分系统：料斗本体的设计涉及到很多相关的参数的计算，包括给料速度， 振动升角，振动频率，调谐值，激振力等等，这方面的研究开展的较深入，相关的计 算方法已经较为成熟。本系统将主要针对振动料斗的外形进行设计，通过参数化的方 法，动态的实现振动料斗本体三维模型图的绘制。主要包括三个模块：料盘尺寸设计 模块、弹簧尺寸设计模块、和造型设计模块。通过编制程序对所需的尺寸参数进行计 算，再由造型模块动态的生成料斗本体的三维模型图。 1 7 江南大学硕士学位论文 数据库管理分系统：前文已经提及，为了使系统具备知识学习和经验积累的功能， 系统设置了动态数据库，用来记录用户使用系统设计零件的过程和结果。动态数据库 主要通过数据库管理分系统进行管理。该分系统包括分析评价模块和数据库整理模 块。系统管理员与振动料斗专家将定期对数据库进行管理和维护，分析和评价动态数 据库中用户设计的价值，把其中有价值的设计充实到静态的料斗轨道实例库中。这样