1、 1 毕业论文开题报告 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 1 选题的背景与意义 数控技术的应用不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 ,他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。 从具有代表性的 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。力，位控制的最佳方案是以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
2、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 H Zhang 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。 当今世界数控技术及装备发展的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
3、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的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,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。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
4、叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电2 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。 2 研究的基本内容与拟解决的主要问题 ： 伺 数控工作台采用滚动直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠副为运动执行元件的结构。具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、摩 擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。目前已广泛应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、打孔、插件、小型数控机床、射线扫描、雕铣机及实用教学等场合。然而通过力-位混合伺服两轴插补数控工作台的设计 提出了智能机器力觉及力控制研究的 4大关键问题：数控工作台本体及位置伺服；稳定性研究；未知环境的约束研究；l力传
5、感器及力位反馈融合 。 力控制研究是 力 -位混合伺服两轴插补数控工作台的设计 研究之核心， 力 -位 控制贯穿于智能机器作业全过程。力控制也叫主动柔顺控制，其典型特点是力位强耦合，是一种极其复杂的混合控制，与 混合 伺服两轴插补数控工作台 研究紧密联系着，一直是当今世界研究热点。 (1) 机器本体及位置问题的力控制最终是通过位置控制来实现，所以位置伺服是机器实施力控制的基础 。力控制研究的目的之一是实现精密装配；另外约束运动中机器执行终端与刚性环境相接触时，微小的位移往往产生较大的环境约束力因此，位置伺服的高精度是智能机器力控制的必要条件。经过几十年的发展，单独的位置伺服已达到较高水平，就力
6、控制中力位之问的强耦合而言，必须有效解决力位混合后的位置伺服。 (2)稳定性 力控制中普遍存在响应速度和系统稳定矛盾，因此提高系统 响应速度和防止系统不稳定是力控制研究中急待解决的问题之一。 Whitney 研究了力控制中数字采样系统对稳定性影响的条件，但忽略了机器本身动力学问题，只把机器与环境的作用简化为弹簧来考虑。 Roberts_3 研究了腕力传感器刚度对力控制中动力学的影响，提出了在高刚度环境中使用柔软力传感器，能获得稳定的力控制，并和 Stepien口 1_一起研究了驱动剐度在动力学模型中的作 .Kaze rooni0。 提出了一种用于阻抗控制器的稳定性分析和设计方法，但实验仅限于单
7、关节的机械手上。 Eppinger 利用常规的建模和分析 方法，针对机器人结构、腕力传感器和环境等主要环节动力学问题，对力控制稳定性和动力学关系作了较全面的分析。另外， Mills， MeClamroeh等还进行了大量研究。总之，机器力控制存在极高的非线性，现有的稳定性研究工作大多是建立在局部线性化的基础上进行的。 (3)3 未知环境的约束力控制研究中，表面跟踪为极为常见的典型依从运动。但环境的几何模型往往不能精确得到，多数情况是未知的。因此，对未知环境的几何特征作在线估计，或者根据机器在该环境下作业时的受力情况实时确定力控方向 (表面法向 )和位控方向 (表面切向 )，实际为机器 力控制的重
8、要问题。有关于此的研究； Blandern 等利用 Kalman滤波理论来估计约束表面的几何参数。 力控制是新兴制造中的一项关键技术，也是柔性装配自动化中的难点和“瓶颈”，它集传感器、计算机、机械、电子、力学和自动控制等众多学科于一身，其理论研究和技术实现都面临着不少急待解决的难题 研究成果不仅在理论上具有重要意义，而且在 技术上也可以实现曲面跟踪、牵引运动和精密装配等依从运动控制。因此， Fx/Mx力 -位混合伺服两轴插补数控工作台的设计 研究成果具有十分广阔的应用前景。 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
9、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。 基于这一原理，本课题要求设计在 X 方向具有力伺服、在 X 方向具有力矩伺服
10、功能的数控工作台。 3 研究的方法与技术路线 ： 首先要从系统的结构出发，研究工具系统柔顺控制的力 /位交互关系，依据力测量信号反求运动控制逆解，从而控制步进电机的运动，实现曲面自适应研抛工具系统的力 /位移混合控制。 （ 1） 从系统的 结构出发，根据 伺服系统结构图 建立伺服系统控制框图 （ 2） 根据控制框图所示的控制传递路线，建立 系统各部分的传递函数，从4 而得到系统的闭环传递函数 ,在 MATLAB中建立 系统控制模型 。 (3) 在 MATLAB中，对系统的动态性能和稳态性能进行分析，判定系统是否稳定。 （ 4） 拟用 PID 数字控制器，对系统进行校正，使系统的稳态和动态性能以
11、及系统的稳定性能得到改善。在 MATLAB/SIMULINK 下建立仿真模型，对 比例增益系数，积分增益系数与微分增益系数进行调节，比较增益系数取不同值时的响应曲线，从而得到满足系统要求 的增益系数。 4 研究的总体安排与进度： 1- 3 周：理解设计任务，收集资料；完成外文翻译；完成文献总数和开题报告； 4- 7 周：总体结构与主要零件设计； 8 -12 周：零件图纸绘制； 13周：完成毕业设计说明书，准备答辩。 参考文献 1 Kordonsky, V.I., et al, Physical Properties of Magnetizable Structure-reversible Me
12、dia, J. Magn. & Magn. Mater, (1990), 85, pp. 1143 2 Rabinow, J., The Magnetic Fluid Clutch,AIEE Trans., (1948), 67, pp. 1308 3 Carlson, J.D., et al, Commercial Magneto-Rheological Fluids Devices, (1995), 5th Int. Conf. on ER Fluids, Sheffield, 10-14 July, 1995 4 Ginder, J.M., Ford Motor Company USA,
13、 1996, personal communication 5 殷跃红 ,朱剑英，智能机器力觉及力控制研究综述 航空学报 No.1 1999 6 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，1996.10 7 李发胜，张平，抛光用磁流变液的研究，功能材料， 2006.8 5 指导教师审核意见： 指导教师签字 年 月 日 6 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
14、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，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。
15、 关键字 ：数控技术；插补；数控工作台； 1 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
16、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 H Zhang 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7 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。 随着时代的进步，数控技术的应用不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、
17、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
18、,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
19、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
20、的同时控制。 8 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、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、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和
21、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 X-Y 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
22、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
23、量、微型化方向发 展。 伺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9 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。 数控机床
24、数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（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
25、装置等。编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、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 X-Y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10 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
26、 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
27、供力的伺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，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。 4 Fx/Mx力 -位混合伺服两轴插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
