复杂机械 篇1
统计表明,企业90%的产品设计任务属于变型设计和适应性设计[1]。企业在长期产品开发中积累了大量的产品实例资料。基于实例的推理(case-based reasoning,CBR)方法能用过去的实例或经验来解决新的问题,极大程度地解决了传统的知识工程中知识获取的瓶颈问题,在包括工程设计等诸多领域中得到了大量的研究和应用[2,3],但针对复杂机电产品设计,基于实例设计面临以下几个问题:①产品、子系统、部件及零件多层实例表示及实例库结构问题,即实例表示应能反映相应对象的功能、结构等特征,实例库结构应能反映产品的分解结构,实例表示及实例库结构应能满足设计人员对实例检索的习惯和要求;②产品、子系统、部件及零件等大量实例库建立及修改工作量巨大,需要研究实例建库工具,达到高效建库及编辑修改;③实例学习问题,设计中新产生的产品、子系统、部件及零件等各个层次的新的实例应加入相应的实例库。
针对这些问题,本文研究产品、子系统、部件、零件实例表示及实例库结构,研究实例定制和实例学习。
1 复杂机械产品的设计特征
机电产品一般存在相对固定的产品分解结构,一般采用面向装配和面向功能的分解[4],一个复杂的产品可逐层分解为一系列的子系统(部件),而子系统(部件)可进一步分解。利用产品分解结构可将复杂产品设计问题逐步简单化,通过层级分解结构实现复杂产品设计的可管理性。
复杂机械产品设计过程是在产品分解结构的基础上进行分析、分解和综合的过程,在该过程中要尽可能应用以前成熟的产品、子系统、部件和零件,以满足新产品设计要求。设计人员开始新的设计任务,首先从产品层总体上寻找与新的设计需求满足程度高的已有产品实例,并以此作为新产品开发的基础;通过产品结构分解,对满足设计要求的子系统(部件)直接重用,对不能满足要求的子系统(部件)进行改进或重新设计,子系统(部件)设计仍然应用类比设计的模式,从所有已存在的子系统(部件)实例中选择满足程度高的实例;同样通过子系统(部件)结构分解,对不能满足要求的零件,从已有的零件实例中选择满足程度高的零件实例进行修改或重新设计。各个层次修改或重新设计的对象通过设计综合完成产品设计,这一过程往往要不断地试探和反复修改,最后得到令设计者满意的设计。
在产品分解结构的基础上,实现各层设计对象实例库的建立,能更好地支持大量的变型产品设计和适应性设计。
2 复杂机械产品的层级实例库
2.1 实例表示
一般认为,实例至少要包括实例问题描述和实例解描述。产品分解结构各层设计对象实例可通过产品功能-行为属性、组成产品的模块属性、模块关系属性以及实例标识来描述[5,6,7],形式化表示为四元组〈CI, P,M,C〉,CI为实例识别特征集,P为产品功能-行为属性,M为组成产品的模块集,C为模块间的关系集,CI、P、M、C均可用相应的属性来描述。其BNF (backus-naur form)表示方式如下:
Case ∷=〈CI〉 〈P〉 〈M〉 〈C〉
〈CI〉∷=〈ID〉 〈Person〉 〈Date〉
〈P〉∷=〈Function〉 〈Behavior〉
〈M〉∷=〈KM1〉 {〈KM2〉} ……
〈C〉∷=〈3D〉 〈2D〉
其中,Case为产品分解结构各层设计对象实例。ID为实例标识码;Person对于自设计件为设计人员(Designer),对于采购件为供应商(Supplier);Date为设计或供应日期。设计对象实例的功能-行为集P表征设计对象实例的功能、实现方式、程度及其对环境的影响;Function-实例功能描述集;Behavior-实例实现方式、程度及其对环境的影响描述集。M为组成设计对象实例的模块集,对于零件它退化为自身;KM1表示组成设计对象实例的关键模块1;KM2表示组成设计对象实例的关键模块2,KM2为可选,并可根据情况增加关键模块KM3等。模块间的关系集C,鉴于直接描述模块间关系的复杂性,采用三维或二维装配或零件几何模型来隐含表示,也可采用方案图表示;3D表示三维几何模型;2D表示二维几何模型。产品、子系统、部件表示模型的元组C可用装配模型表示,而零件表示模型的元组C可用零件模型表示零件与其他零件、系统的连接界面。M、C以及CI元组是对实例设计结果的描述。
随着产品设计实例的增加,产品各层设计对象实例依据产品分解结构构成产品树状层级实例库,见图1。产品树状层级实例库的每个节点表示该节点对应的设计对象实例库,也称为层级产品实例库的子实例库,每个节点对应的子实例采用上述实例表示方法,每一个子实例库可以单独使用。根节点为整机产品实例库,树状层级实例库的层次由产品设计时对该对象的具体化程度决定。
层级实例库由一组相关联的子实例库集合的递归结构表示,子实例库标识可用二维数组表示:Casei,j,其中,i表示子实例库所在的分解层,j表示子实例库所在层的位置,如整机子实例库,i=1, j=1,整机实例库表示为Case1,1。子实例库标识Casei,j和子实例库对应的设计对象一一对应。
树状层级实例库的每个节点对应的设计对象各不相同,因此其实例具体表示也不同,定义或表示各个节点的子实例库以及子实例库的修改是很复杂和繁琐的工作。为了有效地定义、表示设计实例,必须研究通用的、可定制的实例定义方法,模板是定制与复用树状层级实例库的有效方法[8]。
2.2 基于模板的层级实例库定制
定义1 设计实例模板是同类设计实例的抽象描述,任一个同类设计实例均是设计实例模板的具体化。实例模板可表示为三元组:CT=〈ID, F, R〉,其中F为除ID以外的实例表示元组CI、P、M、C的特征属性集合,F={f1, f2, …, fn}, R为实例模板之间的父子关系,反映设计对象实例的层级分解关系。不同的特征属性值对集合定义不同的实例。
定义2 设计实例元模板是设计实例模板的抽象描述,任一设计实例模板均可通过设计实例元模板产生。实例元模板可表示为三元组:CTB=〈BID, NAME, FS〉,其中BID为实例模板的唯一标示,NAME为实例模板的名称,FS为实例模板描述的实例类的特征属性定义集合,FS={ID, F},不同的特征属性定义值对集合定义不同的实例模板。
图2为基于可定制模板的产品层级实例库建库示意图。图中不同的实例类通过实例元模板及配置器定制产生相应的实例模板;不同的实例通过相应的实例模板实现对实例的操作,如定义、编辑实例,存储到实例库,建立产品层级实例库。
基于模板的产品层级实例库的设计既要反映设计对象作为整体的特性(整机产品),又要反映设计对象构成部分的个体特性(子系统、部件、零件);通过实现不同层次上的定制化,以适应产品分解结构不同设计对象实例库建立的个性化需求,同时适应不同产品实例库的定义。
2.3 实例学习
变型设计和适应性设计产生大量的产品实例,对于复杂机电产品,有以下几种情况:
(1)产品系列化设计,产品系列扩展,产品及其组成模块的原理、结构没有改变,如QLY50、QLY32轮式汽车起重机设计。
(2)产品关键模块的不同配置上的变化,满足用户对产品性能/价格上的不同需求。如汽车起重机关键件发动机、变速箱、驱动桥、液压系统可配置国产品牌或国外品牌,形成性能/价格差异化的产品体系。
(3)产品组成模块间的装配关系发生变化,即产品的布局改变,如汽车起重机变幅缸由后置改为前置。
(4)产品组成模块的原理、结构或材料发生变化,往往带来产品性能的提升。如变幅臂的伸缩形式由多级缸伸缩改为单级缸同步伸缩机构,变幅臂的截面型式由六边形改为卵圆形,起重机变幅臂材料由普通高强度钢改变为超高强度钢等。
(5)在产品标准配置的基础上增加附加装备,满足用户多方面的需求。如汽车起重机驾驶室增加空调设备,提高舒适性;汽车起重机增加棘爪工作机具,扩展起重机工作领域。
在一个复杂机电产品开发过程,上述情况有几种或全部出现,设计所产生的整机产品、子系统、部件、零件等,各个层次的设计实例应加入到层级产品实例库中,用以扩大层级实例库中实例的数量,实现实例学习。新的产品实例加入层级产品实例库有以下几种情况:
(1)设计对象实例类不改变,仅增加新的设计对象实例。如上述第1、第2种产品设计情况。
(2)先编辑已有的设计对象实例类(子实例库),增加、编辑或删除设计对象实例类的属性,其次增加新的设计对象实例,并编辑已有的实例。如上述第3种、第4种产品设计情况。
(3)先增加新的设计对象实例类(子实例库),依据新的设计对象实例表示确定实例类的属性特征,其次增加新的设计对象实例。如上述第5种产品设计情况。
通过上述方式,可有效地获得产品设计实例各个层次的设计实例,解决实例库数量少的问题。
3 应用实例
全液压汽车起重机是一类重要工程起吊装备,由上千个零部件组成,产品开发涉及机械、汽车底盘、结构、液压、电气、工艺等多学科知识[9]。企业设计人员通常在已有的产品实例上进行新产品开发,建立这一类复杂产品的层级实例库对支持新产品开发和管理企业产品实例知识有重要意义。图3所示为全液压汽车起重机产品部分分解结构,一级分解子系统(部件)主要由上车、底盘、液压系统和电气系统组成,各子系统(部件)可继续向下分解。
以起重机主臂为例说明设计对象的实例表示:
Main boom case ∷=〈CI〉 〈P〉 〈M〉 〈C〉
〈CI〉 ∷= 〈ID〉 〈〈设计人〉 〈设计日期〉
〈P〉 ∷=〈最大起吊重量〉 〈基本臂最大起重力矩〉 〈变幅缸布置〉 〈伸缩方式〉 〈截面形状〉 〈主臂节数〉 〈主臂长度〉 〈重量〉
〈变幅缸布置〉 ∷= 〈前倾双缸〉 〈前倾单缸〉 〈后倾式〉 〈后拉式〉
〈伸缩方式〉 ∷= 〈顺序伸缩〉 〈同步伸缩〉 〈独立伸缩〉 〈程序伸缩〉
〈截面形状〉 ∷= 〈矩形〉 〈五边形〉 〈大圆角六边形〉 〈卵圆形〉
〈M〉 ∷= 〈基本臂长度〉 〈基本臂材料〉 〈BOM〉
〈C〉 ::= 〈3D模型地址〉 〈2D模型地址〉
上述实例表述中,BOM表示主臂组成零部件的明细。
本文开发的基于实例的起重机设计工具集实现了以下几种功能:①基于实例元模板的实例类定义、编辑、删除,定义起重机整机实例类、底盘实例类、主臂实例类、车架实例类、转台实例类、液压系统实例类等;②基于实例模板的实例对象添加、编辑、删除等,添加具体实例进入实例库,如整机实例进入整机实例库,主臂实例进入主臂实例库等;③产品树状层级实例库视图管理,可按照图3所示的起重机产品分解结构定义起重机产品树状层级实例库视图,便于设计人员按照设计习惯检索查询已有产品层级实例;④按照一定的检索算法实现实例检索,并实现实例的三维模型快速预览功能。
4 结论
(1)企业多年积累的产品实例是新产品开发的可重用资源,需要建立产品及其组成模块多层次的产品实例库,支持产品不断改进设计以适应市场和用户的个性化需求。
(2)机电产品一般有固定的分解结构,与分解结构对应的树状层级产品实例库可表示复杂产品及其组成模块的实例,定义和编辑树状层级实例库的每个节点对应的实例库是很复杂和繁琐的工作,模板是定制与复用树状层级实例库的有效方法。
(3)设计所产生的产品实例,包括整机产品、子系统、部件、零件等各个层次的设计实例应加入层级产品实例库,扩大实例库中实例的数量,实现实例学习。复杂机电产品开发过程往往有多种不同产品开发模式,不同模式开发的新产品实例加入层级产品实例库有不同的特点。
(4)以基于实例的全液压汽车起重机设计工具开发为例,说明层级实例库建库工具和建库方法的应用。
摘要：分析了复杂机械产品的设计特征;建立与复杂产品分解结构相对应的树状层级实例库,层级实例库是一组相关联的子实例库集合的递归结构表示;通过模板定制与复用实现子实例库的定义和编辑,提高了产品树状层级实例库的建库效率;分析了新产品开发的各种模式,并给出了整机产品、子系统、部件、零件等各个层次的设计实例加入层级实例库的方法;以全液压汽车起重机基于实例的设计工具开发为例,说明层级实例库建库工具和建库方法的应用。
关键词：产品实例知识,CBR,层级实例库,实例模板,实例学习
参考文献
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复杂机械 篇2
复杂机械产品从产品设计到产品完成, 大致可以分为产品设计、工艺设计、加工装配、产品验收四个重要的阶段。以传统的机械设计生产方式来说, 产品设计阶段所消耗的成本最大。在传统的机械设计中, 是以手工设计复杂机械产品, 用特殊的方式进行计算和画图, 然后通过反复修改完成机械产品设计的工作。这个过程耗时长、设计人员耗费的精力多、修改起来十分麻烦, 而且传统流程使机械产品的设计所需要消耗的成本极大。将CAD/CAE技术应用到机械产品设计中, 它能用数字的方法自动地完成产品计算分析、性能仿真、优化设计、自动绘图等工作, 通过该种方法进行设计, 能使设计的产品信息化和集成化, 使设计出的产品根据产品需要打破距离限制发送到任何需要设计图的工作岗位。CAD/CAE目前被广泛地应用到机械设计中, 特别是复杂的机械产品设计中, 通过CAD/CAE软件的应用, 更能体现出机械产品信息化的重要作用。
2 CAD/CAE在机械产品设计中的应用流程
CAD/CAE并行开发是指借用CAD/CAE类软件, 使复杂机械产品的设计与开发流程可以同时进行, 通过信息化的方式使复杂的机械设计以成本少、速度快、质量好的方式完成设计和开发的全部工作。本文以设计和开发一款复杂机械设计中常用的齿轮为例, 介绍CAD/CAE软件在复杂机械产品设计的全部流程。
2.1 选用Pro/E设计
根据机械设计的要求, 该次设计选用Pro/E软件, 该软件是根据CAD/CAE/CAM领域的新标准设计出的专门满足机械设计需要的软件。
1) 标准的参数设计。在设计和绘图时, 要求用户直接输入大量的标准参数, 软件能根据用户给出的参数不断设计出模型, 用户通过不断地修正参数来完成产品的开发, 通过该种方式能完成设计和生产一体化的过程, 实现CAD/CAE并行开发的过程。
2) 使用模块化设计。在复杂机械产品设计的过程中, 有数种绘图要求, 比如任务规划、概念设计、结构设计、工程分析等不同流程。在不同的流程中, 绘制图的细节也有区别, 该款软件针对机械设计的需要, 用模块化的方式区分各个设计与生产的绘图方式, 通过模块化的方式绘制图形, 让它能在不改变原图设计的情况下, 使设计出的产品能直观地表现出不同的效果。
3) 智能生产模型。用户在完成参数设计的绘制工作后, 会根据机械设计的一些特点, 要求用户给予一些常用的模型参数, 只要用户能够完成参数设定, 软件就可智能地生成需要的模型。同样, 如果用户对设计出的齿轮不满意, 则可不断修正参数, 直到满足用户的需求为止。
4) 实用的工具包。该软件提供了大量的工具包, 用户在设计时可以根据工具包用不同的角度对设计出的作品进行观察和调整, 它形成的工具包能让用户非常直观地、全方位地看到产品设计的效果, 并随时可对产品进行修改, 直到产品设计真正满足用户的需求。
2.2 使用齿轮渐开线生成原理完成齿轮设计
1) 齿轮渐开线参数设计
渐开线公式为:rk=rb/cosα;θk=tanαk-αk。根据机械设计设计标准与专用的设计公式及渐开线原理, 此次使用齿轮渐开线原理对齿轮设计的参数如表1。
2) 在软件中设计参数
打开软件, 点击工具栏中“新建”文件的菜单, 选择helical_gear零件模块, 调出相关的文件, 根据模块设计好的数据参数进行填写, 其填写结果如图1。
3) 绘制齿轮曲线
打开“草图”绘制工具栏, 根据设计要求填写齿轮的圆曲线参数;点击“圆曲线”, 根据以上设计的渐开线原理及设定的参数填写相关的参数;在基准轴、基准面、基准点中一一输入以上渐开线中设计出的参数;在镜像齿轮廓中填写渐开线设计中设定的参数。
4) 完成3D草绘设计
在以上参数完成后, 点选“拉伸”, 软件完成草绘的圆柱体, 此时软件自动完成齿轮的草绘工作。用户在完成产品设计时, 可以一边填写参数一次移动或旋转设计图, 看是否满足自己的需求。完成草绘后, 在“从边创建图元”的菜单中选择“环”, 齿根圆曲线选“圆角”;齿根圆的设计参数为LONGTH=B。
5) 轮齿设计效果
点击“草绘约束器”设定半径的参数为r=0.38mn, 此参数为轮齿设计要求的参数, 以两圆角半径相等的方式修剪圆角。转动轮齿的角度, 设定齿轮端面轮廓的关系为:theta=2*b*tan (beta) *180/ (pi*d) 。完成齿廓时, 可以根据原先设定的要求在软件中填写参数, 其填写参数为渐开线原理设计的参数, 其2D的效果图为图2, 在完成齿廓设计时, 将轮齿的设计参数定义为“阵列”, 方式选为“轴”。
6) 轴孔的设计效果
轴孔的设计效果全部依照生产要求与设计标准直接进行参数输入, 其参数如图3。
7) 成品图设计效果
在完成所有的参数设置后, 软件自动绘制出需要的3D效果图, 如果用户不满足成品的效果, 可以修改参数重新调整设计, 成品图如图4。
2.3 CAE完成产品封装
Pro/E5.0以上便有集成CAE封装的功能, 是指软件在完成绘图工作以后, 不仅保留有绘制的3D效果图, 还将各种设定的数据集成到相关的数据库里, 以便在设计初评未达成满意的设计效果时随时可对参数进行调整, 让软件对绘图进行修正。
3 机械产品CAD/CAE并行开发流程评估
在机械产品中进行CAD/CAE对产品进行设计时, 可以一边设计一边对产品进行开发。这是指软件具有智能绘图的功能, 它可以一边设计, 一边评估, 设计与开发并行。在机械设计与开发的过程中, 有两个关键的评审, 一个为设计评审, 一个为分析评审。以齿轮设计为例, 在产品完成设计进入设计评审阶段时, 无论产品设计能否满足要求, 它都可对产品设计进行评估, 如果评估结果不合格, 它就要从“齿轮渐开线参数设计”的环节开始, 重新分析齿轮的需求, 对参数重新进行设计, 直到绘制的结果评审合格进入下一个阶段。当产品设计到分析评审阶段时, 它可以对目前设计的结果是否满足机械设计的需要进行评估, 考虑产品是进行设计评审阶段, 还是直接再进入“齿轮渐开线参数设计”重新设计。齿轮的CAD/CAE并行开发的流程方式如图5。
通过使用CAD/CAE, 可以实现复杂机械产品的设计与开发并行的流程, 通过齿轮的设计与开发并行流程实例, 证明应用该种设计方式方法能节省大量精力、成本、时间, 同时能精准地保证设计的质量, 使机械产品生产时, 能提高效益。
参考文献
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复杂机械系统研究初探 篇3
关键词：复杂机械系统；多学科；复杂机电
一、前言
随着科学技术水平的不断发展，现代机械系统已发展成为由机、电、液、光等多物理过程耦合于载体的复杂物理系统，同时也是将多种单元技术集成于几点载体，形成整体功能的复杂装备。在完成高度复杂的多物理过程中，系统及其内部的各子系统与环境间进行着能量、物质与信息流的多种传递、转换和演变。
二、现代机电系统及其特征
现代各种高效的生产设备、航空航天运载工具、高速列车、盾构是掘进机等无一不是高度耦合、功能复杂、运动控制能力强大的复杂机械系统。与传统机械相比，可以认为，现代机电系统是将机械工程、材料工程、电气工程、控制工程、信息技术等通过信息流融合与信息驱动，按照复杂规律运行的机械系统，其共有特征主要体现在：（1）系统由多个相同和不相同层次的子系统组成，各个系统之间通过耦合关系构成结构复杂的有机整体。复杂机电系统耦合关系见图1.1所示。（2）系统具有动态性与开放性。系统内部及系统与外部环境之间，通过耦合与协同进行能量、物质及信息流的传递、交互及转换，实现多个复杂的物理过程并形成系统的基本功能。
三、关于复杂机械系统的研究
复杂机械系统具有复杂系统的特征，设计属于复杂机械产品的设计范畴，其设计过程是包括数十门学科交叉的系统工程问题，虽然已经在每门学科以及领域积累的丰富的理论及相关技术，比如精密轨道、减速箱。连杆机构的运动学、动力学、摩擦学等等。而复杂机电系统的整体行为不能通过独立分析其各部分的行为来确定，需要建立基于物理耦合与多异域技术协同的系统研究方法，以寻求复杂机械产品的整体最优。
传统复杂机械产品设计一般流程为：方案设计——详细设计——生产设计。其中方案设计所占比重较小，处于产品全生命周期的初始阶段，统计数据表明，产品方案设计的费用只占产品开发总成本的5%，但产品总成本的70%～80%由方案设计阶段决定。方案设计是为了获取满足产品设计要求，详细表达方案的功能原理、原理结构的相互关系以及功能载体的关键参数，其设计质量依赖于设计师的经验，对其进行优化设计非常有用。一旦方案确定下来，就限制了后续设计的优化空间，详细设计与生产设计相对于方案设计的自由度小，所以方案设计是产品设计的关键所在，其设计结果将直接影响后续详细设计、制造等环节，而且这一阶段所造成的设计失误很难为详细设计阶段弥补，正是基于以上原因，设计人员逐渐意识到应该大力提高方案设计阶段的质量，其中，一个很重要的手段就是采用各种优化技术。
基于计算机辅助的方案设计方法符合当今产品数字化设计的需求，在设计方法上融合了各种现代设计方法，如有限元设计原理、可靠性设计理论、优化设计理论、系统建模理论、评价决策等，使得设计过程更具创新性，寻求新的方案。
现有的设计方法——传统的串行设计模式，在不同的设计阶段，选择不同的重点学科进行产品设计和优化，实质上忽视了学科之间的联系，人为割裂了学科间的相互耦合可能产生的协同效应，结果极有可能失去系统的整体最优解，降低了产品的总体性能，并且设计周期长。这就导致得到产品整体最优解的困难不仅仅在于优化算法本身，而是需要新的优化理论与方法。多学科设计优化（MDO）就是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂产品及其子系统的方法论，其思想顺应了复杂机械产品设计的需求，其宗旨与并行工程的思想不谋而合，用优化原理为产品的全生命周期设计提供了理论基础与实施方法，所以已经提出，就被认为是“能够帮助设计师解决困惑的重要途径”，目前已广泛应用于航天、汽车、交通运输、机械等行业。可以认为各个学科设计理论、设计经验是研究复杂机电系统（由学科组成）的基石，而直接研究复杂机电系统整体规律已是社会发展的急切需求。而MDO为此提供了可行理论和方法。
参考文献：
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复杂机械 篇4
一个复杂纸盒的包装机器人
Venketesh N.Dubey 英国设计学院，工程和计算机，伯恩茅斯大学，普尔
Jian S.Dai 伦敦大学国王学院，英国伦敦大学，伦敦
摘要
目的—为了展示设计一种可以折叠复杂几何形状的纸盒的多功能包装机的可行性。设计/方法/方式—这项研究对各种几何形状的纸盒进行研究，将纸盒分为适当的类型以及机器可以实现的操作；把能加工这些纸盒，并进行机械建模和仿真，且最终可以设计和开发的包装机概念化。
研究结果—这种多功能包装机已经被证明是可能的。只需将这种多功能包装机小型化，并对它投资以促进其发展，这种机器可以成为现实。
研究限制因素/问题—本研究的目的是证明这种包装机的原理，但实际应用需要考虑结合传感器给出了一个紧凑的、便携式系统。
创意/价值—这项设计是独一无二的，并已被证明可以折叠各种复杂形状的纸盒。关键字：机器人技术 包装 自动化 文章类型：研究论文简介
产品包装是关键的工业领域之一，以自动化为首要权益。任何产品流通到消费者手中需要某种形式的包装，无论是食品、礼品或医疗用品。因此，对高速的产品包装有持续的需求。对于周期性消费品和精美礼品，这项需求更是大大增加。它们要求包装设计新颖且有吸引力，以吸引潜在客户。通常这类产品用外观精美、形状复杂的纸盒递送。如果采用手工方法进行包装，不仅令工人感到乏味且操作复杂，也费时和单调。
对于简单的纸盒包装，通过使用沿传送带布置的专用机器，已经获得了实现。这些机器只能处理固定类型的纸盒，任何形状和结构的变化很难纳入到系统之中。在大多数情况下，它们需要进行超过40种变化以适应同种类型但大小不同的纸盒，这就意味着每一个特定类型的纸盒需要一条包装生产线。从一种类型到另一种类型的纸盒折叠组装生产线的转换将会使资本支出增加。因为这些限制因素和转换生产线的相关成本，包装的灵活性将会失去。
因此，作为一种补充，手工生产线被引进以适应不同类型的纸盒的生产,从而解决转换生产线的问题。它们承担了大约10%的工作订单，并被用作生产促销产品的组装生产线。但是，问题仍然存在，手工生产线上的管理员和操作工需要一个长时间的学习过程，而且与机器生产线不同，劳动伤害主要是源于扭手动作。此外，手工生产线通常被认为是一个季节性的生产力，仍然需要专门的机器长年运行，以节约成本和时间。设计师追求奇幻和独特的纸盒包装以响应竞争激烈的市场，使包装工作更加困难。纸盒的风格和类型的频繁变化和小批量生产对纸盒装配和包装生产线提出了挑战，为此需要设计一种灵活的机器。
因此，这项责任放在了包装行业的身上,在可编程和可重构系统的帮助下充分加快转换过程以处理不同类型的纸盒。这种灵活的和高度可重构的系统的开发需要进行系统的分析和综合每个部件，即纸盒和纸盒的折叠模式、包装纸盒的机器、完整的组装操作。一种这样的方法（Lu和Akella，2000年）已经公布了,该方法使用固定装置来折叠纸盒。虽然这种方法能完成纸盒所有折叠操作，但实施的工作只是处理一个简单的矩形箱,其固定的自动装置被安装在指定的位置。但是，对于复杂几何体纸盒，需要对纸盒和折叠机构进行综合考虑，从而实现包装生产线的柔性自动化。
在复杂纸盒的折叠操作及工序分析方面，作者开展了大量的研究，并诉诸于图形理论、螺旋理论、矩阵理论且以一种空间结构表示纸盒；及其研究纸盒移动性和分析其结构外形（Dai and Rees Jones，1997a，b，c，1999；Dubey et al.1999a，b，c；Dubey and Dai，2001）。本文介绍从事设计能处理复杂几何形状纸盒的可重构纸盒折叠机的研究。设计和原理的需要
该项目被列在许多化妆品和香水供应商的愿望列表上，如伊丽莎白雅顿和卡尔文·克莱恩，并被Unilever Research UK积极地考虑了数年。他们愿意支持任何一种能够使用一些替代手段从而实现整个花式纸盒包装过程自动化的研究思想。结果，这个
23一台电动机驱动做垂直运动以及转动，从而使纸盒达到包装操作所需的任何位置。手指的关节直接通过关节马达驱动，整个系统需要控制14个轴。这些考量是基于高度的可重构性与控制最小数量的轴。
指尖的设计进行了专门地考虑，因为它们必须执行上一节所讨论的各种操作功能。受手工包装过程的启发，指尖设计采用带有V型槽的尖头。根据手工包装的需要，使其手指能在纸盒上施加“戳”和“挤”的力。该尖头用于戳操作，在V型槽的挤压下，纸板打开以进行塞操作。除了提供戳力和挤力，二自由度手指的Y形部分还能给扁平纸板提供暂时的推力。在有限自由度的情况下，这样的设计可以提供许多灵活的操作功能以处理不同构造不同类型的纸盒。
该模型提供了机器运行所需的全部运动信息（Dubey and Crowder，2003年）。包装机的参数模型已经被开发出来（Workspace4，1998年），几何外形和尺寸设计的改变可以非常容易地纳入到模型中，包括结构的验证。这也使机器部件的运动参数能在加工之前就得以确定。包装纸盒时，在纸盒上定位各种接触点，通过记录的各种接触点的位移，就可以实现手指的纸箱之间的运动的连通性。纸箱上的接触点可以由折叠次序的几何表示鉴别（Dubey and Dai，2001）。这些接触点用于测量每个手指关节的偏移量。将这些位移数据进行插值运算，生成最优手指路径，尽量减少不必要的手指运动，从而减少包装的周期时间。从模型中获得的插补数据可以下载，用以驱动手指。当前的研究工作是基于纸盒的几何特征及其折叠次序的研究，使整个包装过程可以实现自动化（迪比等，2000），而不是借助于纸盒的仿真。
图5显示了当纸盒折叠时,手指跟踪纸盒上的接触点。模拟模型为包装机器的设计以及控制提供了许多有价值的信息。例如，在维度和结构决定之前，模拟模型可用来检查机器的几何以及结构。通过改变模型的基本尺寸参数,任何新的机械零件几何信息都可直接获得。在纸盒的折叠过程中所得的运动数据和轨迹可用于手指系统控制。目前，模拟运动参数不可从直接整合到控制器中，因此这些数据都必须以数据文件的形式输入到控制器中。不过，这种方法可全面地校核折叠次序，然后下载这些数据并输入到控制器中。
插图2 另一种纸盒的包装机 讨论和结论
本文提出了一份灵活的、可重构的装配和包装系统。本研究的目的是设计一个可以处理不同几何形状的纸盒可重构的装配和包装系统。最初的想法是要开发一个可以展示对不同风格和复杂形状的纸盒的适应能力的系统。结果表明，该包装机可以折叠两个完全不同形状的纸盒。在任何情况下，折叠周期约为45s。虽然这不是一个优化的折叠时间，但是采用在线数据传输有望减少周期时间至30秒或更少。虽然一个非常灵活的纸盒包装机在用于车间生产之前仍有许多问题需要解决。不过，本研究的目的是验证面向包装行业的快速转换技术。
未来需要改进的部分包括优化手指导轨，使用力反馈触觉传感器，以避免纸板上的压力过大，且将在真空装置中进行折叠操作。还建议将仿真模型与实际机器相结合,使其能下载在线数据。X-Y工作台可用电机驱动和控制,实现自动重构。这些先进的技术，将使整个包装过程自动化, 从纸盒的二维图开始，然后确定其运动学特性并生成运动序列到完成产品包装。此外，如果能小型化，还计划将灵活的、可重构的机械手安装在一个机器人手臂上以得到更高灵活性。该系统不仅能进行纸盒折叠，也可以在折叠的同时将产品放入纸盒中。这将减少包装时间，也能够迎接对不断变化的高端私人产品包装需求的高度适应性的挑战。参考文献
Dai, J.S.(1996a), “Survey and business case study of the exterous reconfigurable assembly
metamorphic mechanism”, paper presented at Tenth World Congress on the Theory of Machine and Mechanisms(IFToMM), pp.98-103.Lu, L.and Akella, S.(2000), “Folding cartons with fixtures: a motion planning approach”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol.16 No.4, pp.346-56.Workspace4w(1998), User’s Guide, Robot Simulations Ltd, Newcastle upon Tyne.附件2：外文原文
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