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石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化,石油,钻机,油井,水龙头,结构设计,优化
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朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化扬州大学广陵学院毕业设计（论文）前期工作材料学 生 姓 名： 朱洋 学号： 100007151 教 科 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目：石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化指 导 老 师： 赵毅红 材 料 目 录序号名 称数量备注1毕业设计（论文）选题、审题表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）实习调研报告14毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）15毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）16毕业设计（论文）中期检查表1 2014 年 3月 12日 扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）题目申报表设计（论文）题目石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化题目类型1题目来源A面向专业机械设计制造及其自动化指导教师赵毅红职称副教授学位从事专业题目简介： 石油钻机是油田油气勘探开发极其重要的工具。旋钻系统是转盘钻机的典型系统，其作用是驱动钻具旋转以及破碎岩层，水龙头是旋转系统的重要组成部分。本课题研究的是石油钻机中水龙头的结构设计和优化。审核意见：审核人签名：年 月 日题目类型1、为结合科研；2、为结合生产实际；3、为结合大学生科研训练计划；4、为结合学科竞赛；5、模拟仿真；6、其它题目来源A.指导教师出题 ； B.学生自定、自拟扬州大学广陵学院毕业设计（论文）任务书教 科 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名: 朱洋 学号: 100007151 毕业（论文）题目：石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化 起 迄 日 期： 2014.2.22-2014.6.10 设计（论文）地点： 扬州大学广陵学院 指 导 老 师： 赵毅红 专 业 负 责 人： 宋爱平 发任务书日期： 2014年 2月22日扬州大学广陵学院本科生毕业论文任务书论文题目石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化年级大四专业机械设计制造及其自动化学生姓名朱洋学号100007151主要内容：通过查阅与石油钻机用相关的文献，了解石油钻机用水龙头的结构组成、工作原理。运用三维造型软件完成石油钻机水龙头SL160的三维建模。对SL160型水龙头的轴承进行安全校核，根据校核结果判断此部件是否能满足工作要求。运用有限元分析ANSYS软件对SL160型水龙头的提环进行有限元的静力学分析和模态分析，找出应力集中位置，根据分析结果判断系统中提环是否满足正常工作要求。主要任务及基本要求（包括指定的参考资料）：主要任务及基本要求：1. 完成15篇以上的相关中英文资料查阅，翻译5000印刷符以上的英文资料2. 完成毕业论文开题报告。3. 成毕业实习报告4. 水龙头总体结构设计5. 绘制水龙头总图和部分零件图，建立水龙头三维造型；6. 对SL160水龙头的典型零件进行有限元分析7. 撰写毕业论文，篇幅不少于1万字。主要参考文献：1 贾秉彦,马广蛇,候文辉,白永宏,等.石油钻机发展中有关问题的探 讨J.石油机械, 2006, 34(3):69-71. 2 孙光鹏,王吉峰.CH 400 型水龙头负荷轴承早期失效分析J.石油矿场机械, 2001, 30(3):49-50. 3 马卫国.石油钻采机械EB/OL.2014-3-8.百度文库.4 刘扬松.转盘和水龙头主轴承寿命估算的新公式J.石油机械, 2000, 28(5):7-8.5 刘扬松.转盘和水龙头主轴承寿命估算的新公式J.石油机械, 2000, 28(5):7-8.6 振威石油网.国内外石油钻机新技术及发展趋势EB/OL.2014-3-8.百 度文库.7 HiJohns.国内外石油钻机技术发展现状及趋势EB/OL.2010-07-08 23:052014-3-8.道客巴巴.8 中国石油天然气集团公司人事部.石油钻机简介EB/OL.20122014-3-8.9 金业权,刘刚.石油钻机概述EB/OL.20122014-3-8.读秀.10 罗超.浅论我国石油钻机技术现状和发展策略J.石油机械, 2003, 31(1):46-49.11 张吴湖,白真权.关于我国石油钻机的发展建议J.石油矿场机械, 2004, 33(2):18-21.12 王进全.关于我国石油钻机技术的现状及其研发思考J.石油机械, 2006, 34(1):7-10.13 尹庆武.浅谈石油钻机电气传动系统的最新发展J.中国科技纵横, 2013(16).14 黄伟.我国石油钻机发展现状探讨J.网络导报在线教育, 2012(10).15 敖沛.国外石油钻机新技术J.石油机械, 2004, 32(4):50-51.16 卢韵皎.SL675水龙头的研制J.石油机械, 2010, 38(10):49-50.17 蒋波,赵毅红,王军领,等.基于ANSYS的提环有限元分析及优化J.扬州大学学 报(自然科学版), 2011, 14(4):60-63.18 杜凤玲,张茂,魏秦文,等.水龙头高压盘根密封失效分析与结构改进J.石油矿场机械, 2007, 36(7):53-56.19 刘扬松,钟宁炎.水龙头和转盘主轴承J.石油机械, 1993，2 1(11):36-39.20 韩传军,张茂,陈珂,等.水龙头耐高压盘根密封及接触压力分析J.石油矿场机械, 2007, 36(9):58-60.21 杨斌,邬柯,高杭,等.水龙头中心管螺纹连接承载能力与密封性能分析J.石油矿场机械, 2006, 35(5):39-41.发出任务书日期： 2014年2月22日完成期限：2014年4月3日指导教师签名：专业主任签名：年月日扬州大学广陵学院毕业设计（论文）实习调研报告学 生 姓 名： 朱洋 学号： 100007151 专 业： 机械设计制造及其自动化 指 导 老 师： 赵毅红 参观实习报告毕业设计（论文）实习调研报告由于自己的喜好和偶然，我去杭州诺贝尔集团面试，并通过了面试，成为了诺贝尔销售团队的一员。公司简介杭州诺贝尔集团有限公司是一家外资企业，于1992年在中国杭州成立，旨在推进中国整个磁砖装饰事业的发展，以人性化的“诺贝尔”产品不断创造品质空间，引领一种全新的生活方式。产品深受非洲和东南亚国家消费者的垂爱，并跻身中国高档品牌三强之列。诺贝尔陶瓷一直坚持不懈地追求全新的技术和独树一帜的设计风格，诺贝尔将继续保持勇于挑战自我、自由创新的“1.001”精神，以诺贝尔与众不同的独特气质引领时代潮流。成为“全球最优秀的装饰用品供应商”是我们的梦想，协和希望通过我们创造的每一款前所未有的产品，与全世界每个人分享生活的惊奇和喜悦。诺贝尔愿与中国人民一起创造美好的人居佳境！ 也许就是因为诺贝尔拥有先进的技术和优秀的企业文化，诺贝尔的年销售额已经突破85亿，现在公司总投资4.3亿，厂房面积3800亩，员工1.1万，年生产能力4800万平方米。目前，诺贝尔旗下拥有完全玻化抛光砖、亚光砖、欧式复古砖、微晶玻璃陶瓷复合板、陶质釉面墙地砖、瓷质釉面墙地砖及其各种装饰配件等“诺贝尔”和“塞尚印象”系列产品，并演绎出多种全新的产品理念。多年来，诺贝尔在加强研发力量建设的同时，还积极与世界顶级的工艺设备厂商、原材料供应厂商和知名的设计公司、陶瓷研究院等进行广泛合作，在国内乃至全球率先开发出了多款创新的磁砖产品。截至2011年底，公司共开展研发项目100余项，其中15项被列为省级新产品，1项被列入省重点技术创新项目计划，1项省重点高新技术产品开发项目计划，6项省级重点新产品计划，1项进入国家重点新产品试制计划。总共申请专利467项，授权专利448项，申请发明专利20项，其中已授权发明专利6项。世界顶尖的技术和不断创新的专利，造就了诺贝尔的旗舰级产品。目前，诺贝尔已获得了“中国环境标志产品认证证书”、“陶瓷行业十大最具影响力品牌”、“中国建筑陶瓷行业特殊贡献奖”、“国家重点支持领域的高新技术企业”“中国驰名商标”、“国家认定企业技术中心”等多项荣誉。 杭州诺贝尔集团有限公司技术中心成立于2000年，2006年被认定为“浙江省企业技术中心”，2010年被评定为“国家认定企业技术中心”，并于2011年建立了博士后科研工作站。 目前，技术中心拥有专业技术人员500余人，其中高级专家13人，博士3人；承担各类科研项目近270余项，其中通过国家、省部级科技成果鉴定达20余项，获中国建筑材料科学技术奖1项、浙江省科学技术奖1项，列入国家重点工业新产品试制计划项目1项，省级高新技术重点产品试制计划1项，省级重点新产品6项。共申报各类专利近500项，其中发明专利20余项。强大的科研及设计力量为诺贝尔磁砖提供了持续创新的源动力，使公司的技术和研发水平始终走在行业的前列，是诺贝尔磁砖持续发展的有力保障。 诺贝尔的21年，是在中国落户、发展的21年。我们坚持不懈地追求全新的技术和独树一帜的设计风格，保持勇于挑战自我、自由创新的“1.001”精神，旨在成为“全球最优秀的装饰用品供应商”。诺贝尔希望，我们创造的每一款前所未有的产品，都能满足人们对高品质生活的追求，为创造更美好的人居环境作出更大的贡献！世博馆奥林匹克公园 公司企业文化v 企业目标：成为全球最优秀的装饰用品供应商v 经营宗旨：提供健康优质的品质生活v 经营理念：品质、创新、服务、价值v 企业精神：1.001精神v 企业文化：倡导学习、注重竞争、重视业绩、共同进步培训小结我在公司现在属于储备业务员培训，经过一系列的企业文化和销售知识的传授，我觉得收获很大。 作为中国高档磁砖的引领者，诺贝尔引进了世界一流的生产线，包括意大利宽体进口窑炉、高能压机、ROTOCOLOR、ROLLFEED和意大利Kerajet数码喷印等代表世界领先技术的生产设备和工艺技术，依据完善的ISO9001质量管理体系、ISO14001环境管理体系及ISO10012.1计量检测体系，保证每一块磁砖的卓越品质。 对于专业知识，现在诺贝尔属于中国中高端瓷砖的供应商，产品系列有诺贝尔系列，优客系列和塞尚。印象系列。产品覆盖了玻化石，大理石，微晶砖，抛釉砖，瓷片等。基本覆盖了所有的室内外用砖，经过这么多年的发展，诺贝尔已经连续12年进入中国民营企业500强。连续13年诺贝尔系列在业内也是单一销售量和市场占有率行业第一。并且我们的砖也走遍全国和世界，全国有55家销售分公司，3000多人的销售团队。众多的工程的案例体现出诺贝尔的优秀品质，人民大会堂，中央军委大楼，世博会场馆，广州白云机场，成都双流机场，奥运会部分场馆等都使用了诺贝尔产品。优秀的品质让诺贝尔绽放光芒。也希望我能在诺贝尔能给我的职业生涯带来好运。扬州大学广陵学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名： 朱洋 学 号：100007151 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计(论文)题目： 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化 指 导 老 师： 赵毅红 2014年 3 月 12 日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化题目来源指导老师出题题目类型为结合科研指导教师赵毅红学生姓名朱洋学 号100007151专 业机械设计制造及其自动化开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。）本毕业设计（论文）课题应达到的目的：通过查阅与石油钻机用相关的文献，了解石油钻机用水龙头的结构组成、工作原理。运用三维造型软件完成石油钻机水龙头SL160的三维建模。对SL160型水龙头的轴承进行安全校核，根据校核结果判断此部件是否能满足工作要求。运用有限元分析ANSYS软件对SL160型水龙头的提环进行有限元的静力学分析和模态分析，找出应力集中位置，根据分析结果判断系统中提环是否满足正常工作要求。本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起止日期工 作 内 容2014-03-01至2014-03-292014-03-30至2014-04-302014-05-01至2014-05-152014-05-16至2014-06-05查阅资料，完成文献综述，参观实习，完成实习报告、开题报告、外文翻译。使用三维绘图软件完成水龙头的各个零件图，并完成装配图。运用有限元分析ANSYS软件对SL160型水龙头的提环进行有限元的静力学分析和模态分析，找出应力集中位置，根据分析结果判断系统中提环是否满足正常工作要求。完成毕业设计说明书，按照相关要求打印装订成册。准备论文答辩。文 献 综 述摘要 现代钻机机械属于一套联合机组，深井钻机属于重型机械。我国的石油钻采机械起步较晚，但发展较快，各石油机械零件设计已经发展到了新的高度。水龙头属于钻采机械旋转系统的一部分。根据水龙头所要完成的任务，水龙头由旋转部分，固定部分，承转部分组成。本文中对钻采机械的发展做一些简述，对水龙头的组成，结构，功用，特性等做一些简明的研究。对一些常见的水龙头做一些简单的介绍，并对其应用范围和特点进行分析。关键词： 钻采机械 水龙头 结构分析 一：本课题研究背景及钻机机械发展趋势 我国钻采机械行业和其他传统机械行业一样，起步较晚。虽然发展较快，但是总体仍未达到国际先进水平。国内对机械零件优化80%以上仍然局限于简单的机械零部件。而今石油钻采机械优化设计已经不再是简单的零部件优化，而是复杂的零部件或者整机甚至组合产品系列化的优化。石油化工机械设备正在朝着机械设计更高的水平发展，我国的科研工作者也正在抓住这跨越式发展的机遇，让我国的钻采机械设计达到崭新的高度。 二：水龙头的结构与特性分析2.1：水龙头的组成水龙头是旋转系统的重要组成部分。根据水龙头在钻井过程中所起的作用，其结构可分为三部分：1. 承载系统：中心管及其接头、壳体、耳轴、提环和主轴承（负荷轴承）等；2. 钻井液系统：鹅颈管、钻井液冲管总成（包括上、下钻井液密封盒组件等）；3. 辅助系统：扶正轴承、防跳轴承、机油密封盒组件及上盖等。 2.2水龙头的 功用：水龙头通过提环挂在大钩上，可随大钩运行而上提下放；下部接方钻杆，连接下井钻具；上部通过鹅颈管与水龙袋相连。由此可见，水龙头是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的“关键”部件。1）悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分乃至全部钻具重量；2）向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液；2.3对水龙头的要求：1）水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命（因为水龙头的主轴承几乎是在全 图1 石油钻机工作示意图 图2 水龙头结构图部钻具重量下振动、旋转，工作条件十分恶劣）；2）高压钻井液密封系统（或称冲管总成）必须工作可靠，寿命长，更换快速、方便；3）机油密封良好，能制动补偿工作过程中密封元件的磨损；4）各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应具有足够的强度和刚性。 水龙头的寿命和工作质量主要取决于主轴承的结构类型、轴承布置方案和钻井液密封系统的结构型式。 2.4、结构特点水龙头内轴承布置方案和冲管总成的结构型式最能反映水龙头的结构特点：轴承布置方案不同，冲管总成型式（钻井液密封装置的结构型式）不一样，便可完全改变水龙头的内部结构，并决定着水龙头的工作质量。2.4.1. 轴承布置方案依扶正轴承相对于主轴承位置，轴承布置方案可分为两大类：1）两扶正轴承分置于主轴承两边特点：a. 扶正轴承间距A大，扶正效果好；中心管摆动小，工作稳定；有利于钻井液密封及机油密封；b. 防跳轴承布置在上扶正轴承的下方，或只采用一个锥滚轴承，起扶正和防跳作用；这样，即可增大扶正间距，又可使结构紧凑。 2）两扶正轴承同在主轴承下侧特点：a. 扶正轴承间距A小，扶正效果差；b. 在扶正轴承发生磨损时，中心管易发生摆动，工作不稳定；这种摆动将过早地破坏钻井液密封，加速机油密封磨损，使钻井液漏入油池，恶化了轴承润滑条件，缩短其寿命。 图3 两扶正轴承分置于主轴承两边 图4两扶正轴承同在主轴承下侧2.4.2. 钻井液密封装置（冲管总成）结构型式冲管总成是水龙头中最关键的组件，也是水龙头最薄弱的环节。因为钻井液压力高，磨砺性强，稍有泄漏即会加速密封和冲管的磨损；冲管与中心管之间是转不转的动密封。分为两大类型：1）固定式冲管，V形机封式密封冲管固定于鹅颈管上，工作时不转动，也不能轴向移动。10个V形橡胶或橡胶石棉密封圈，借助弹簧力进行密封。利用中心管上部作为密封盒，密封盒压帽与中心管由丝扣联接。这种结构型式存在的问题： a冲管刚性固定，中心管略倾斜，易破坏钻井液密封； b密封圈数目多，润滑条件差，摩擦损失大； c密封圈不易压紧，砂粒较易进入密封圈，加速了密封圈和冲管磨损； d更换冲管密封圈时，必须卸下水龙头上盖，这对安全、快速钻井非常不利。目前已经不再使用。 2）浮动冲管，Y形液压自封式密封、快卸机构特点：a. 浮动冲管：冲管浮立在鹅颈管过渡接头和中心管之间，工作时不转动，但允许略有轴向窜动，冲管磨损均匀；b. Y形密封圈与钢制隔环交迭布置，密封圈可借助钻井液压力自行封紧；它的唇部在钻井液压力作用下可始终贴住冲管外壁，工作过程中，即使在密封圈不断磨损的情况下，仍能靠钻井液液压力涨开唇部而很好密封。c. 密封圈数目少，可通过密封盒上黄油嘴注入黄油，润滑条件好，大为减少了摩擦能量损失和磨损；d. 冲管和中心管同心性好，密封盒有定位止口，圆柱配合面定心，可提高加工及配合精度，保证冲管与中心管有很好的同心性，不易产生偏磨，延长了冲管和密封盒的寿命；e. 能快速拆装，更换方便。只需将上、下密封盒压帽旋出，就可取出冲管总成，更换密封圈或冲管。无需像老式水龙头那样要拆卸水龙头上盖和鹅颈管，对安全、快速打井具有重要意义。 三：总结水龙头作为钻采机械中承上启下的关键性组成部分，其质量和工作情况决定着钻机的工作情况。对水龙头的要求也显得要有必要的苛刻性，对其结构的优化和寿命的延长也有很多要求。对水龙头结构各组成部分的技术要求都比较严格。水龙头的主轴承寿命和密封性是其最重要的两个环节，在设计和优化过程中要严格要求。本次研究的课题主要的技术难度也在此几处。参考文献：1 贾秉彦,马广蛇,候文辉,白永宏,等.石油钻机发展中有关问题的探 讨J.石油机械, 2006, 34(3):69-71. 2 孙光鹏,王吉峰.CH 400 型水龙头负荷轴承早期失效分析J.石油矿场机械, 2001, 30(3):49-50.3 马卫国.石油钻采机械EB/OL.2014-3-8.百度文库.4 刘扬松.转盘和水龙头主轴承寿命估算的新公式J.石油机械, 2000, 28(5):7-8.5 刘扬松.转盘和水龙头主轴承寿命估算的新公式J.石油机械, 2000, 28(5):7-8.6 振威石油网.国内外石油钻机新技术及发展趋势EB/OL.2014-3-8.百 度文库.7 HiJohns.国内外石油钻机技术发展现状及趋势EB/OL.2010-07-08 23:052014-3-8.道客巴巴.8 中国石油天然气集团公司人事部.石油钻机简介EB/OL.20122014-3-8. 读秀.9 金业权,刘刚.石油钻机概述EB/OL.20122014-3-8.读秀.10 罗超.浅论我国石油钻机技术现状和发展策略J.石油机械, 2003, 31(1):46-49.11 张吴湖,白真权.关于我国石油钻机的发展建议J.石油矿场机械, 2004, 33(2):18-21.12 王进全.关于我国石油钻机技术的现状及其研发思考J.石油机械, 2006, 34(1):7-10.13 尹庆武.浅谈石油钻机电气传动系统的最新发展J.中国科技纵横, 2013(16).14 黄伟.我国石油钻机发展现状探讨J.网络导报在线教育, 2012(10).15 敖沛.国外石油钻机新技术J.石油机械, 2004, 32(4):50-51.16 卢韵皎.SL675水龙头的研制J.石油机械, 2010, 38(10):49-50.17 蒋波,赵毅红,王军领,等.基于ANSYS的提环有限元分析及优化J.扬州大学学报(自然科学版), 2011, 14(4):60-63.18 杜凤玲,张茂,魏秦文,等.水龙头高压盘根密封失效分析与结构改进J.石油矿场机械, 2007, 36(7):53-56.19 刘扬松,钟宁炎.水龙头和转盘主轴承J.石油机械, 1993, 21(11):36-39.20 韩传军,张茂,陈珂,等.水龙头耐高压盘根密封及接触压力分析J.石油矿场机械, 2007, 36(9):58-60.21 杨斌,邬柯,高杭,等.水水龙头中心管螺纹连接承载能力与密封性能分析J.石油矿场机械, 2006, 35(5):39-41.扬州大学广陵学院毕业设计（论文）外文资料翻译教 科 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 朱洋 学 号： 100007151 外 文 出 处： 附 件： 指导老师评语 签名： 年 月 日基于事例推理的夹具设计研究与应用摘要:根据基于事例的设计方法,提出采用工序件的特征信息和夹具的结构特征信息来描述夹具的相似性,并建立了包括这2方面主要特征信息为基础的事例索引码,设计了事例库的结构形式,创建了层次化的事例组织方式;同时,提出了基于知识引导的夹具事例检索算法,以及事例的修改和采用同族事例码进行相似事例的存贮,形成了基于事例推理的夹具设计.所开发的原型系统在型号工程夹具设计等项目的设计过程中得到了应用,并取得了令人满意的使用效果.关键词: 基于事例的推理 夹具设计 CAD 夹具是以确定工件安全定位准确为目的的装置，并在加工过程中保持工件与刀具或机床的位置一致不变。因为夹具的结构依赖于产品的特点和在企业规划中加工工序的地位,所以它的设计是制造过程中的瓶颈,制约着效率的提高. 夹具设计是一个复杂的过程,需要有从大量的设计论文中了解质量知识的经验，这些设计论文包括工件的结构设计、涉及加工工艺，和加工环境。当用这些擅长绘制详细设计图的传统的CAD工具（如Unigraphics、CATIA、Pro/E)时,这仍然是一项非常耗时的工作，但是利用以往的设计经验和资源也不能提供一些益处,而这正是提高效率的关键因素. 基于事例推理 (CBR) 的方法适应以往个案解决的办法,建立一个新问题的方法,主要有以下四步骤:检索、利用、修改,并保留.这是一个比用专业系统模仿人类思维有用的使用方法，因为提出一个类似的情况,和采用一些修改,似乎不言自明,而且比人类更直观.所以支持不同事例的设计工具已经在诸多领域中发展起来，如在注射成型及设计、建筑设计、模具设计投死, 规划过程中,还有夹具设计. 孙用六个数字组成代码参数,包括工件的形状、机械部分、轴衬,第一定位装置,第二定位装置和夹紧装置. 但这个系统不能用于除钻床夹具外的其他夹具类型,不能解决储存需要保留的同一参数代码的问题,这在CBR中是非常重要的. 1事例参数和事例图书馆的建立1.1事例参数事例参数应该由工件的所有的特征组成，来区别不同的夹具. 使用他们能够使操作方便. 因为零件的形状是多种多样的, 在生产企业中制造的技术要求也不断发展,许多特征作被用做事例参数将会使搜索速度降低,其主要特征是不重要的,因为分配给每个特征的比重必须减少. 另一方面,事例参数包含所有的特征是困难的。 因此,考虑到实际和快速设计的需求,事例参数要包含工件的主要特征和夹具的结构。事例参数代码由16位数组成：13位数是事例特征 3位数是事例识别数字。 前13位数代表13个特征。 每个数字与特征的一个属性相一致,这可能是*、？、1、2，A、B,，Z，等其中的一个。其中，*是指任何一个,?代表不确定,0代表没有。 系统规定:夹具的类型，工件的形状，位置模式不能是*和?。在设计系统时,三个项目的属性信息没有这些选择,这就意味着必须选择确定的属性。最后三位数是事例识别号码,如果事例特征的13位数是一样的,这三个数字就用来区别他们。该系统还规定:000是用于修正的一个典型事例,其他事例001、002、,这些是用于设计师查找参考事例的. 如果其中一个偶尔需要改变成典型事例,首先它必须要求改成000,前面的自动变成参考事例. 事例索引码的结构如图1所示。 1夹具类型； 6工件重量； 11夹紧模型； 2工件形状； 7工件刚度； 12夹具体； 3工件材料； 8加工内容； 13其他； 4批 量； 9过程所有物； 14到16事例识别码； 5工件比例； 10定位模型； 图1 事例索引码的结构1.2事例库事例库由许多预定义的事例组成。事例的描述是基于事例推理的最重要的问题之一。所以由索引码复合。1.3 事例的层次化夹具的结构相似被认为是整个夹具，成分和内容相似。所以，整个夹具事例库，成分事例库，夹具的成分事例库形成相同。整个夹具的设计资料通常是由工件资料和工件加工资料组成,这就意味着夹具的设计应满足特别功能的需求.全部夹具事例是由功能成分组成，它是用功能成分的名字和数字来进行描述的。成分事例代表成员（成分功能和其他结构成分，主要驱动参数，数字，和它们的约束关系）。成分事例（夹具的最低层）是功能成分和和其他成分的结构。在现代夹具设计中有很多参数化准件和普通非标准件。所以成分事例图书馆应记录特殊参数和保持它们的方法。2事例修改的策略在基于事例的夹具设计中，最重要的是相似点的修改，这样能有助于获得最相似的事例，以及缩短适应时间。根据夹具设计的需求，事例修改的策略使最接近的事例方法和知识指导结合起来。首先在深度上查找，然后在宽度上；知识指导策略意味着在来自客观事物根源的知识规则上查找，这就要首先查找固定类型，然后查找工件的形状，第三查找定位方法。例如，如果事例索引码包括夹具类型的磨削夹具，就只查找所有的磨削夹具，然后查找工件形状的盒子，第三查找一个平面两个销的定位方法。如果没有合适的，就查找深度标点，然后回到最上层，然后再找所有与宽度相关的事例。 修改方法：根据夹具事例库的事例索引信息，查找有关事例库。将事例索引码与事例库的每个事例码匹配，然后计算相似尺寸的价值。整理相似尺寸的次序，最大的架子是最类似的事例。两个事例之间的相似点是基于两个事例特征之间的相似点。相似点尺寸的计算依靠特征的类型。相似点的价值可以通过数字化的价值来计算，例如比较重量分别是50kg 和 20kg的工件。非数字化的价值也能计算，例如，现在前13位索引码都是非数字化的价值。一个夹具的相似尺寸的计算公式如下：其中S表示通用夹具的相似尺寸，n表示索引特性数，表示每个特性的重量，表示事例库中特性和相关夹具的特性的相似尺寸。同时， ，数值计算如下：其中表示第i个特征的索引特性值，表示事例库中第j个事例的第i个特征的特性值。 所以有两种方法选择相似夹具。一个方法是建立数值。如果通用事例的相似尺寸值比给定的数值小，这些事例就不能选来作相似事例。事例库最初建立的时候，只有一些事例，数值可以建小一点。如果有大量的相似事例，数值就应该建的大一些。另外一个方法是只建立相似事例的数字（例如10），这是类型单里相似尺寸的最大值。3 事例的修改和存储3.1事例的修改 夹具设计中相似事例的修改包括以下三个阶段：成分的替代保持形式不变，调整成分的特性模型重新设计如果夹具的成分是普通的物品，它们能通过使用工具被修改，代替以及删除，这些已经被设计好了。3.2事例的存储 在将一个新的事例保存到事例库之前，设计者必须考虑保存是否有价值。如果这个事例不能增加系统的知识，就没有必要把它保存到事例库里。如果它有价值的话，设计者在保存之前必须分析一下，看看这个事例是否作为标准事例或参考事例被存储了。一个标准事例是一个描述同族事例主要特征的标准。一个同族事例是有事例库中索引码前13位相同而最后三位不同的那些事例组成的。一个标准事例的最后三位通常是“000”。一个参考事例属于同族标准事例，最后三位用不同数字区分。从被解释的概念中，可采用以下方法：1）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族一致，和一个存在的标准事例的前13位数相同，那么这个事例就不能存储因为已经这种标准事例了。或者只能作为一个参考事例保存（最后三位不是“000”，而且和其它的不一样）在事例库中。 2）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族一致，并且被认为代替这个事例族要比以前的标准事例好，那么这个标准事例就被这个新的事例代替，以前的标准事例作为一个参考事例保存。 3）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族不一致，一个新的事例族将会自动产生，并作为标准事例保存到事例库中。4夹具设计中基于事例推理的过程根据夹具设计的特性，夹具设计的基本信息，例如夹具的名字，零件，生产和设计者等等，必须先输入。然后，输入或设计工件的模型。输入有关工件的细节信息，建立事例索引码，然后CBR开始依靠相似尺寸查找相似事例，选出最相似的事例。如果需要的话，事例要满足通用性设计，再存储到事例库中。程序流程图如图2所示图2 基于事例推理的夹具设计流程图5基于事例推理的夹具设计说明这是一个工件如图3所示。材料是45钢，底座，形状为块状，生产批量为中批等。需要设计成一个用来旋转孔的旋转夹具。图3 需要设计夹具的一个工件（最大尺寸80mmx49mmx22mm）工件的特征值，属性值，事例索引码和重量在表1中列出。 表1 工件的事例索引码和重量 特征名称 特性值 索引码 重量 夹具类型 车床夹具 1 100 工件形状 块状 9 90 工件材料 中碳钢 3 70 批量 中批 2 60 工件比例 小 5 60 工件重量 轻 5 60 工件刚度 硬度强 1 60 加工内容 孔 3 80 程序要求 完成加工 3 70 定位方法 三个平面 1 100 夹紧方法 不确定 ？ 90 夹具体 复合 4 80 其他 没有 0 60 通过查找和计算相似点，最相似的事例的事例索引码是19325513321402000，细节信息在表2中列出。 表2 最相似事例的事例索引码特征名称 特性值 索引码夹具类型 车床夹具 1 工件形状 块状 9 工件材料 中碳钢 3 批量 中批 2 工件比例 小 5 工件重量 轻 5 工件刚度 硬度强 1 加工内容 孔 3 程序要求 完成加工 3 定位方法 三个平面 1 夹紧方法 不确定 ？ 夹具体 复合 4 其他 没有 0 相似点的计算如下： 所以夹具的相似尺寸值是0.806，这是在事例库中用于设计的最相似的事例，最相似的事例的结构如图4所示图4 最相似的夹具当成分替代，修改定位模型和夹紧模型，以及调节相关尺寸之后，新的夹具被设计出来，图形如图6所示 图5 需要设计的新夹具因为在事例库中没有相似夹具，新夹具被储存到事例库中。事例索引码是19325523311402000。6 结论 基于事例推理，作为一个问题解决的方法，是一个比模仿人类思想的专业系统更有效的方法，已经在很多难获取知识的领域里得到发展。基于事例推理的优点如下：它和人类的思想很相似；一个事例库通过保存新事例获得自学能力，它比有惯例库更快更容易，它可以更好的传递和解释新的知识，这和惯例库有很大的不同。基于事例推理中提出的一个夹具设计的框架已经被实行了，使用的是支持基础数据的VC+，UG电脑绘图软件。这个框架也已经和普通成分库和典型夹具库结合起来。这个发展的标准系统，用于航空项目，帮助夹具设计者提高设计效率和重新使用先前的设计资源。Application and developmentOf case based reasoning in fixture design Abstract: Based on the case based designing (CBD) methodology, the fixture similarity is in two respects: the function and the structure information. Then, the computer aided fixture design system is created on case based reasoning (CBR),in which the attributes of the main features of workpiece and structure of fixture as case index code are designed for the retrieve of the similar cases, and the structure and hierarchical relation of case library are set up for store. Meanwhile, the algorithm based on the knowledge guided in the retrieve of the similar cases, the strategy of case adapt at ion and case storage in which the case ident if cat ion number is used to distinguish from similar cases are presented. The application of the system in some projects improves the design efficiency and gets a good result .Keywords: case based reasoning ;fixture design; computer aided design(CAD) Fixtures are devices that serve as the purpose of holding the workpiece securely and accurately, and maintaining a consistent relationship with respect to the tools while machining. Because the fixture structure depends on the feature of the product and the status of the process planning in the enterprise, its design is the bottleneck during manufacturing, which restrains to improve the efficiency and leadtime. And fixture design is a complicated process, based on experience that needs comprehensive qualitative knowledge about a number of design issues including workpiece configuration, manufacturing processes involved, and machining environment. This is also a very time consuming work when using traditional CAD tools (such as Unigraphics, CATIA or Pro/E), which are good at performing detailed design tasks, but provide few benefits for taking advantage of the previous design experience and resources, which are precisely the key factors in improving the efficiency. The methodology of case based reasoning (CBR) adapts the solution of a previously solved case to build a solution for a new problem with the following four steps: retrieve, reuse, revise, and retain 1. This is a more useful method than the use of an expert system to simulate human thought because proposing a similar case and applying a few modifications seems to be self explanatory and more intuitive to humans .So various case based design support tools have been developed for numerous areas2-4, such as in injection molding and design, architectural design, die casting die design, process planning, and also in fixture design. Sun used six digitals to compose the index code that included workpiece shape, machine portion, bushing, the 1st locating device, the 2nd locating device and clamping device5. But the system cannot be used for other fixture types except for drill fixtures, and cannot solve the problem of storage of the same index code that needs to be retained, which is very important in CBR6.1 Construction of a Case Index and Case Library1.1 Case index The case index should be composed of all features of the workpiece, which are distinguished from different fixtures. Using all of them would make the operation in convenient. Because the forms of the parts are diverse, and the technology requirements of manufacture in the enterprise also develop continuously, lots of features used as the case index will make the search rate slow, and the main feature unimportant, for the reason that the relative weight which is allotted to every feature must diminish. And on the other hand, it is hard to include all the features in the case index.Therefore, considering the practicality and the demand of rapid design, the case index includes both the major feature of the workpiece and the structure of fixture. The case index code is made up of 16 digits: 13 digits for case features and 3 digits for case identification number.The first 13 digits represent 13 features. Each digit is corresponding to an attribute of the feature, which may be one of“*”, “？”, “1”, “2”,“A”,“B”, “Z”, etc. In which, “*” means anyone, “?” uncertain, “0” nothing.The system rules: fixture type, workpiece shape, locating model cannot be “*”or“?”. When the system is designed, the attribute information of the three items does not have these options, which means the certain attribute must be selected. The last three digits are the case identification number, which means the 13 digits of the case feature are the same, and the number of these three digits is used for distinguishing them.The system also rules: “000” is a prototype case, which is used for retrieval, and other cases are “001”,“002”, which are used for reference cases to be searched by designers. If occasionally one of them needs to be changed as the prototype case, first it must be required to apply to change the one to “000”, and the former is changed to referential case automatically.The construction of the case index code is shown in Fig.1.1.2 Case libraryThe case library consists of lots of predefined cases. Case representation is one of the most important issues in case based reasoning. So compounding with the index code,.1.3 Hierarchical form of CaseThe structure similarity of the fixture is represented as the whole fixture similarity, components similarity and component similarity. So the whole fixture case library, components case library, component case library of fixture are formed correspondingly. Usually design information of the whole fixture is composed of workpiece information and workpiece procedure information, which represent the fixture satisfying the specifically designing function demand. The whole fixture case is made up of function components, which are described by the function components names and numbers. The components case represents the members. (function component and other structure components， main driven parameter, the number, and their constrain relations.) The component case (the lowest layer of the fixture) is the structure of function component and other components. In the modern fixture design there are lots of parametric standard parts and common non standard parts. So the component case library should record the specification parameter and the way in which it keeps them. 2 Strategy of Case RetrievalIn the case based design of fixtures ,the most important thing is the retrieval of the similarity, which can help to obtain the most similar case, and to cut down the time of adaptation. According to the requirement of fixture design, the strategy of case retrieval combines the way of the nearest neighbor and knowledge guided. That is, first search on depth, then on breadth; the knowledge guided strategy means to search on the knowledge rule from root to the object, which is firstly searched by the fixture type, then by the shape of the workpiece, thirdly by the locating method. For example, if the case index code includes the milling fixture of fixture type, the search is just for all milling fixtures, then for box of workpiece shape, the third for 1plane+ 2pine of locating method. If there is no match of it, then the search stops on depth, and returns to the upper layer, and retrieves all the relative cases on breadth.Retrieval algorithms:1)According to the case index information of fixture case library, search the relevant case library;2)Match the case index code with the code of each case of the case library, and calculate the value of the similarity measure;3)Sort the order of similarity measure, the biggest value, which is the most analogical case.Similarity between two cases is based on the similarity between the two cases. features. The calculation of similarity measure depends on the type of the feature. The value of similarity can be calculated for numerical values, for example, compareWorkpiece with the weight of 50kg and 20kg. The value can also be calculated between non numerical values, for example, now the first 13 digits index code is all non numerical values. The similarity measure of a fixture is calculated as follows: where S is the similarity measure of current fixture, n is the number of the index feature, is the weight of each feature, is the similarity measure of the attribute of the i2th feature with the attributeof relative feature of the j-th case in the case library. At the same time, , the value counts as follows:.Where is the value of the index attribute of the i-th feature, and is the value of attribute of the relative i-th feature of the j-th case in case library.So there are two methods to select the analogical fixture. One is to set the value. If the values of similarity measure of current cases were less than a given value, those cases would not be selected as analogical cases. When the case library is initially set up, and there are only a few cases, the value can be set smaller. If there are lots of analogical cases, the value should get larger. The other is just to set the number of the analogical cases (such as10), which is the largest value of similarity measure from the sorted order.3 Case adaptation and Case Storage3.1 Case adaptation The modification of the analogical case in the fixture design includes the following three cases:1) The substitution of components and the component;2) Adjusting the dimension of components and the component while the form remains; 3) The redesign of the model.If the components and component of the fixture are common objects, they can be edited, substituted and deleted with tools, which have been designed.3.2 Case storageBefore saving a new fixture case in the case library, the designer must consider whether the saving is valuable. If the case does not increase the knowledge of the system, it is not necessary to store it in the case library. If it is valuable, then the designer must analyze it before saving it to see whether the case is stored as a prototype case or as reference case. A prototype case is a representation that can describe the main features of a case family. A case family consists of those cases whose index codes have the same first 13 digits and different last three digits in the case library. The last three digits of a prototype case are always “000”. A reference case belongs to the same family as the prototype case and is distinguished by the different last three digits.From the concept that has been explained, the following strategies are adopted:1) If a new case matches any existing case family, it has the same first 13 digits as an existing prototype case, so the case is not saved because it is represented well by the prototype case. Or is just saved as a reference case (the last 3 digits are not “000”, and not the same with others) in the case library.2) If a new case matches any existing case family and is thought to be better at representing this case family than the previous prototype case, then the prototype case is substituted by this new case, and the previous prototype case is saved as a reference case.3) If a new case does not match any existing case family, a new case family will be generated automatically and the case is stored as the prototype case in the case library.4 Process of CBR in Fixture DesignAccording to the characteristics of fixture design, the basic information of the fixture design such as the name of fixture, part, product and the designer, etc. must be input first. Then the fixture file is set up automatically, in which all components of the fixture are put together. Then the model of the workpiece is input or designed. The detailed information about the workpiece is input, the case index code is set up, and then the CBR begins to search the analogical cases, relying on the similarity measure, and the most analogical case is selected out. If needed, the case is adapted to satisfy the current design, and restored into the case library. The flowchart of th
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