FxMx力-位混合伺服两轴插补数控工作台的设计【开题报告】

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。

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)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；