FxMx力-位混合伺服两轴插补数控工作台的设计【文献综述】.doc

1、1毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化FX/MX力位混合伺服两轴插补数控工作台的设计摘要当今世界数控技术及装备趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。两轴插补数控工作台是一种可以实现控制速度的进给和力的大小的工作台

2、，它常被使用于各个领域，可提高加工效率，完成工艺，它主要由驱动装置、传动装置、辅助装置、工作台等部分组成。在现实生活中发挥了越来越重要的作用。这个课题主要研究在X方向具有力伺服、在X方向具有力矩伺服功能的数控工作台。关键字数控技术；插补；数控工作台；1FX/MX力位混合伺服两轴插补数控工作台的设计课题研究的历史和现状FX/MX力位混合伺服两轴插补数控工作台的发展有了很长的历史，随着科技的进步，人们提出了很多的设想方案，并且一步步走向成熟。刚开始具有代表性的MASON，PAUL，RAIBERT，CRAIG和MILLS等人的研究可以看出力位混合控制的提出有一个过程。他们认为力，位控制的最佳方案是以

3、独立的形式同时控制力和位置理论上力自由空间和位置自由空间是2个互补正交子空间，在力自由空间进行力控制，而在剩余的正交方向上进行位置控制此时的约束环境被当作不变形的几何问题考虑，因而也有人狭义地称为约束运动控制。1981年RAIBERT和CRAIG在MASON的基础上提出力位混合控制，即通过雅可比矩阵将作业空间任意方向的力和位置分配到各个关节控制器上，可这种方法计算复杂。为此HZHANG等人提出了把操作空间的位置环用等效的关节位置环代替的改进方法，但必须根据精确的环境约束方程来实时确定雅可比矩阵并计算其坐标系，要实时地用反映任务要求的选择矩阵来决定力和位控方向。2随着时代的进步，数控技术的应用不

4、但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。作为数控机床重要组成部分的伺服系统，随着新材料、电子电力、控制理论等相关技术的发展，经历了步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。交流伺服技术的日益发展，交流伺服系统将逐步全面取代直流伺服系统。我国数控技术起步于1958年,近50年的发展历程大致可分为三个阶段第一阶段从1958年到1979年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家

5、的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得的成绩还是显著的。通过多次的设计与改进，有了比较成熟的设计方法，在FX、MX力位混合伺服两种插补数控工作台的设计中，可以尝试在X轴方向上同时实现力和力矩的同时控制，目前，最成功且接近实用的数控工作台柔顺控制策

6、略是力、位混合控制。这种策略是将所给的任务空间划分成了两个正交的子空间，这两个子空间分别是力控制子空间和位置控制子空间，在力控制子空间中用力控制策略进行力控制，在位置控制子空间利用位置控制策略进行位置控制。力位混合控制的策略与传统的阻抗控制策略有很多差别，传统意义上的阻抗控制是一种间接控制力的方法，它的主要核心思想是把力误差信号变为位置环的位置调节量，即把人为的输入控制器的输入信号并且加到位置控制的输入端，通过位置的调整从而来实现力的控制。力位混合控制方法的核心思想是分别用不同的控制方法对力和位置直接进行了控制，即首先通过选择矩阵确定当前接触点的位控和力控方向，然后应用力反馈信息相位置反馈信息

7、分别在位置环和力环中进行闭环控制，最终在受限运动中实现力和位置的同时控制。对本课题的历史和现状研究的总结我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、3配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系

8、统和新型装备的附件等的可靠性和生产规模问题。一个国家的繁荣与其先进制造业密切相关，然而制造时离不开先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的XY工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。如现在的FX/MX力位混合伺服两轴插补数控工作台，为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，工作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液体驱动，现在更多的采用气动装置，更好的保护环境，节约了资源。制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定，因此我国必须都

9、有对其进行研究，在日益竞争激烈的机械制造业中取得领先的地位。3对FX/MX力位混合伺服两轴插补数控工作台的设计课题研究的思路和想法当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。伺

10、服系统是以驱动电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它一般包括伺服驱动器和伺服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。要想设计好一个好的数控工作台，我们必须对其基本的结构进行了解。数控机床一般由下列几个部分组成主机它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。4数控机床数控装置，是数控机床的核心，包括硬件

11、（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控工作头，还包括刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备，可用来在机外进

12、行零件的程序编制、存储等。在数控机床在发展过程中，工作台的设计是最重要的。一般工作台设计结构的简单、占用空间小、功能多样化，这样可以使产品的生产更高效，精度更高，产品更稳定。并且使数控机床在生产中，能够解决加工过程中的精度和自动化的问题。力位混合伺服两轴插补数控工作台的设计是为了提供更方便的加工，力位混合伺服两轴插补数控工作台的研究对象是精密数控XY工作台，其数控系统采用嵌入开放式结构，工控机的CPU与运动控制卡的CPU构成主从式双处理器结构。其中运动控制卡主要完成工作台X轴的运动，工控机则主要实现系统的管功能。本数控进给伺服系统是由控制计算机部分、伺服驱动部分、机械运动部分及检测部分组成。因

13、为力位混合控制方法的核心思想是分别用不同的控制策略对位置和力直接进行控制，即首先通过选择矩阵确定当前接触点的位控和力控方向，然后应用力反馈信息相位置反馈信息分别在位置环和力环中进行闭环控制，最终在受限运动中实现力和位置的同时控制。在充分了解了数控技术的发展的相关知识后，充分结合了二坐标数控工作台的工作原理，仔细分析了二坐标工作台的结构，查阅了相关力位混合伺服工作台的在现代生活的发展和未来的发展方向，发现设计一种适用于X方向上有力的伺服同时在X方向上也有力矩的伺服的数控工作台，我们假设在X轴的方向上首先具备有提供力的伺5服在实际生活中我们可以拿一个简单的弹簧来代替，或者是一个单杆的液压缸来提供力

14、，同时也必须提供一定的动力系统和减速系统，在导轨上按照预先设定的位移来就进行运动。要想在X方向上同时具备有力矩伺服，我查阅了相关的资料，发现如果要提供力矩，可以使用在实际生活中的圆盘，首先在有选好的电动机提供一定的功率，在由减速系统传递到相关导轨上，把圆盘固定在导轨上，可以提供相关的力矩伺服。这样我们运用了力位混合控制伺服数控工作台的技术，并且加以进一步的设计，初步设计出了一款在在X方向具有力伺服、同时在X方向具有力矩伺服功能的数控工作台。一定程度上实现了力位混合伺服控制。虽然结构简单，但在实际应用中有着十分重要的研究意义和一定的应用意义。会给我们的生活带来方便。4FX/MX力位混合伺服两轴插

15、补数控工作台的设计的未来发展动向和趋势高速、精密、复合、智能是数控工作台发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。工作台是机床上必不可少的部件，工作台的设计的发展对机床的发展具有重要的意义，工作台的自动化和智能化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着电子信息技术机床业已进入了以数字化制造技术时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。长期以来，国产数控机床始终处于低档

16、迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了510年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了1015年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。因此现在对数控机床工作台的重视也逐渐的体现出来，针对工作台的一些智能化要求也被提出。在未来机床的发展中，工作台必将位列首位7

17、。FX/MX位混合伺服两轴插补数控工作台，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。为我国加工业的发展打下了基础。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千6载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床2005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达89万台，年均增长率为165。根据中国加工中心19962005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达28万台，较2005年年均增长率为178。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信

18、息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。目前，最成功且接近实用的柔顺控制策略是力、位混合控制。这种策略将任务空间划分成了两个正交的子空间即力控制子空间和位置控制子空间，在力控制子空间中用力控制策略进行力控制，在位置控制子空间利用位置控制策略进行位置控制。力位混合控制策略与传统的阻抗控制策略是不同的，阻抗控制是一种间接控制力的方法，其核心思想是把力误差信号变为位置环的位置调节量，即控制器的输入信号加到位置控制的输入端，通过位置的调整来实

19、现力的控制。这是未来力位混合伺服数控工作台发展的必然趋势。参考文献1KORDONSKY,VI,ETAL,PHYSICALPROPERTIESOFMAGNETIZABLESTRUCTUREREVERSIBLEMEDIA,JMAGNMAGNMATER,1990,85,PP11432RABINOW,J,THEMAGNETICFLUIDCLUTCH,AIEETRANS,1948,67,PP13083CARLSON,JD,ETAL,COMMERCIALMAGNETORHEOLOGICALFLUIDSDEVICES,1995,5THINTCONFONERFLUIDS,SHEFFIELD,1014JULY,19954GINDER,JM,FORDMOTORCOMPANYUSA,1996,PERSONALCOMMUNICATION5殷跃红,朱剑英，智能机器力觉及力控制研究综述航空学报NO119996唐新鲁，电流变液、磁流变液机理若干问题的研究，中国科学技术大学博士论文，1996107李发胜，张平，抛光用磁流变液的研究，功能材料，20068