【溫馨提示】====【1】設(shè)計(jì)包含CAD圖紙 和 DOC文檔，均可以在線(xiàn)預(yù)覽，所見(jiàn)即所得，，dwg后綴的文件為CAD圖，超高清，可編輯，無(wú)任何水印，，充值下載得到【資源目錄】里展示的所有文件======【2】若題目上備注三維，則表示文件里包含三維源文件，由于三維組成零件數(shù)量較多，為保證預(yù)覽的簡(jiǎn)潔性，店家將三維文件夾進(jìn)行了打包。三維預(yù)覽圖，均為店主電腦打開(kāi)軟件進(jìn)行截圖的，保證能夠打開(kāi)，下載后解壓即可。======【3】特價(jià)促銷(xiāo)，，拼團(tuán)購(gòu)買(mǎi)，，均有不同程度的打折優(yōu)惠，，詳情可咨詢(xún)QQ：1304139763 或者 414951605======【4】 題目最后的備注【LB6系列】為店主整理分類(lèi)的代號(hào)，與課題內(nèi)容無(wú)關(guān)，請(qǐng)忽視
文章編號(hào)：
基于Dubins路徑的智能車(chē)輛路徑規(guī)劃算法研究
宋國(guó)浩，黃晉英，蘭艷亭
（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 太原，030051）
摘要：路徑規(guī)劃是車(chē)輛智能化的核心問(wèn)題之一，而所有路徑均可分解為簡(jiǎn)單的Dubins路徑。在Dubins路徑的思想下對(duì)智能車(chē)輛的行駛路徑進(jìn)行分段研究，并利用經(jīng)典PID控制對(duì)該算法的執(zhí)行性能進(jìn)行檢驗(yàn)。研究表明：算法能計(jì)算出車(chē)輛行駛的最短路徑，減少了車(chē)輛行駛的路徑長(zhǎng)度，縮短了行駛時(shí)間，減少了控制系統(tǒng)的計(jì)算量，提高了車(chē)輛執(zhí)行系統(tǒng)的執(zhí)行力度，降低了執(zhí)行誤差，對(duì)最優(yōu)路徑具有較好的選擇性。
關(guān)鍵詞：智能車(chē)；路徑規(guī)劃；Dubins路徑；最短路徑
中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Intelligent Vehicles’ path planning algorithm based on the Dubins Path
Song Guo-hao,Huang Jin-ying,Lan Yan-ting
(School of Mechanical and Power Engineering ,North University of China Taiyuan,030051)
Abstract: The path planning is one of the core issues of intelligent vehicles. All paths can be decomposed into Dubins path. This paper did sectional research into the intelligent vehicles’ travel path under the idea?of?Dubins path and carried out tests on the execution?performance of the algorithm using PID control strategy. Researches showed that this algorithm could calculate the vehicles’ shortest path, reduced the vehicles’ path length, shortened the time of driving, reduced the computation?amount of the control system, improved the?enforcement?of the vehicle?execution system, reduced the execution error, had a good selectivity?of the optimal path.
Keyword: Intelligent Vehicles; Path planning; Dubins Path; the shortest path
1 引言
路徑規(guī)劃應(yīng)用在很多領(lǐng)域，例如：軍事無(wú)人機(jī)，航天探測(cè)機(jī)器人，智能車(chē)輛，以及監(jiān)視和偵察等工作[1-3]。路徑規(guī)劃在現(xiàn)代汽車(chē)領(lǐng)域中是一個(gè)研究熱門(mén)領(lǐng)域，需要考慮多方面的因素，如：汽車(chē)自身約束條件，車(chē)輛行駛環(huán)境的約束以及其他的行駛問(wèn)題。在路徑規(guī)劃中，首先應(yīng)考慮車(chē)輛的可行駛性，在對(duì)車(chē)輛行駛路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，應(yīng)保證其安全行駛的前提下，盡可能大地規(guī)劃出車(chē)輛行使范圍。在保證車(chē)輛安全行駛的問(wèn)題中，需要使車(chē)輛自主地繞開(kāi)其它影響車(chē)輛行駛的物體，使車(chē)輛避免與障礙物相撞。路徑規(guī)劃算法應(yīng)具有精確性，占有較小的內(nèi)存，并滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，在執(zhí)行過(guò)程中沒(méi)有明顯的延時(shí)問(wèn)題[4-5]。此外，為了使行駛路徑達(dá)到最優(yōu)，提高行駛效率，還應(yīng)縮短車(chē)輛行駛長(zhǎng)度。
目前，在有關(guān)路徑規(guī)劃中的研究中，如張明環(huán)等[6]提出的觸須算法，此算法是在車(chē)輛行駛前，首先對(duì)車(chē)輛將要行駛的路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃，讓車(chē)輛按照規(guī)劃好的16*81條可使用的路徑行駛，這樣可以使車(chē)輛節(jié)省大量的反應(yīng)時(shí)間，但卻不能夠處理突變情況，研究背景過(guò)于理想化；王凱等[7]提出了改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法，將此算法應(yīng)用在智能車(chē)路徑規(guī)劃中的避障環(huán)節(jié)，解決了傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法在路徑規(guī)劃中易陷入局部極小值的問(wèn)題，具有一定的實(shí)時(shí)性，但其受限于所用傳感器性能的影響，其作用范圍較小，且易受外界環(huán)境影響；Jiaojie Li 等[8]提出了協(xié)調(diào)避障算法，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，應(yīng)用一階運(yùn)動(dòng)學(xué)、二階動(dòng)力學(xué)，對(duì)障礙物進(jìn)行無(wú)速度監(jiān)測(cè)并繞過(guò)障礙物，但其將所有障礙物作為靜態(tài)處理，不具有靈活性，可能存在兩車(chē)同時(shí)避讓卻無(wú)處可避的局面。
本文主要根據(jù)Dubins路徑規(guī)劃算法對(duì)車(chē)輛的行駛路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃控制，此種算法能夠很好地決策出車(chē)輛在行駛過(guò)程中的最優(yōu)路徑，并可以解決多障礙物間的避障問(wèn)題，具有良好的實(shí)時(shí)性，延時(shí)性較小。
2 路徑的選擇
路徑規(guī)劃的主要目的是尋求一條安全、快捷的行駛路線(xiàn)，使車(chē)輛完成行駛目的。一般情況下，車(chē)輛行駛在已知或者部分已知的區(qū)域內(nèi)，即已知一些靜態(tài)障礙物。現(xiàn)用P（x,y,θ,v,a)來(lái)表示車(chē)輛行駛狀態(tài)，（x,y)表示車(chē)輛行駛位置，（θ,v,a)中參數(shù)分別表示車(chē)輛行駛偏向角、行駛速度和行駛加速度。若車(chē)輛從起點(diǎn)P0行駛到終點(diǎn)P2的路徑為R(q)，則可以近似表示為：
(1)
式中R(q)為產(chǎn)生的路徑，q為路徑參數(shù)，表示路徑的長(zhǎng)度變量（0≤q≤s)或路徑中的角度變量（0≤q≤θ),q的具體值取決于行駛中的路況。
對(duì)上式進(jìn)行詳細(xì)描述如下：
(2)
當(dāng)車(chē)輛行駛過(guò)程中，遇到障礙物時(shí)，可通過(guò)控制系統(tǒng)及時(shí)改變參數(shù)（θ,v,a)來(lái)使車(chē)輛繞開(kāi)障礙物。
當(dāng)然，車(chē)輛在行駛過(guò)程中，不只有已知的障礙物，還有其它的約束條件，如：在正常行駛條件下，最小時(shí)間、最小路徑等作為其約束條件。用ψ表示約束條件，則路徑可表示為
(3)
其控制原理示意圖如下所示：
圖1 路徑規(guī)劃示意圖
路徑規(guī)劃中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在兩自由度下的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和當(dāng)前狀態(tài)可表示為：
(4)
式中，v是車(chē)輛行駛速度，θ為水平角，為車(chē)輛轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
當(dāng)車(chē)輛行駛時(shí)，路徑約束條件是必須考慮的重要因素之一。車(chē)輛路徑規(guī)劃的兩個(gè)重要約束條件是可行性和安全性。車(chē)輛在行駛過(guò)程中避免相撞的問(wèn)題可以表示為,。、為車(chē)輛本身的位置，、為車(chē)輛所監(jiān)測(cè)到的障礙物的位置，、分別為橫向、縱向安全距離。則路徑規(guī)劃中的約束問(wèn)題可表示為
(5)
我們期望車(chē)輛在行駛過(guò)程中能繞過(guò)障礙物且最終回到原行駛軌道上。則車(chē)輛行駛路徑可以簡(jiǎn)化為Dubins路徑：一個(gè)圓?。–路徑)或兩個(gè)相切圓弧（CC路徑）或兩個(gè)圓弧通過(guò)一個(gè)共同的相切直線(xiàn)連接（CLC路徑）。這是Dubins證明的兩個(gè)位置點(diǎn)的最短路徑[9]，C表示圓弧段，L表示與圓弧段相切的直線(xiàn)段?？梢钥闯鲎詈笠环N路徑包含前兩種路徑，本文對(duì)CLC路徑進(jìn)行研究，即車(chē)輛行駛路徑為起始轉(zhuǎn)彎、直線(xiàn)行駛、終止轉(zhuǎn)彎。分別對(duì)CLC路徑中的三段Dubins路徑建立對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系分別為、、。每個(gè)基本坐標(biāo)定義為，是與速度矢量平行的單位切矢量，是與垂直的單位法矢量。圖2為CLC路徑幾何圖：
圖2 Dubins路徑
矢量和的模表示為初始與終止的轉(zhuǎn)彎半徑，其正負(fù)代表車(chē)輛是向左轉(zhuǎn)彎還是向右轉(zhuǎn)彎，同時(shí)也確定了運(yùn)動(dòng)曲率Q的正負(fù)，每個(gè)矢量定義如下：
， (6)
， (7)
， (8)
式中：是初始轉(zhuǎn)彎曲率，是終止轉(zhuǎn)彎曲率，是直線(xiàn)行駛的長(zhǎng)度。
則車(chē)輛行駛時(shí)的速度矢量在各坐標(biāo)系下的變換關(guān)系為：
（9）
式中：是從起始坐標(biāo)系變換到終止坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。
所以總的旋轉(zhuǎn)角θ可表示為：
（10）
又因?yàn)檫B接矢量與、垂直。
（11）
是基矢量；是起始圓弧對(duì)應(yīng)的角度。
系統(tǒng)在不同坐標(biāo)下對(duì)車(chē)輛行駛的位置進(jìn)行定義時(shí)，在起始坐標(biāo)系下定義起點(diǎn)與終點(diǎn)的相對(duì)位置，如下式表示：
, （12）
在起始坐標(biāo)系內(nèi)用矢量的和表示這個(gè)位置矢量：
（13）
等式左邊表示從起始圓弧中心到終止圓弧中心之間的矢量，所以：
（14）
等式中d表示兩圓弧中心之間的距離。
為了減少系統(tǒng)所處理數(shù)據(jù)的工作量，使系統(tǒng)更加高效的完成車(chē)輛在行駛時(shí)路徑選擇減少計(jì)算的誤差率，希望整個(gè)過(guò)程能夠在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行運(yùn)算，其基礎(chǔ)就是將連接各坐標(biāo)系的連接矢量、、表示在同一坐標(biāo)系下，則三者表示在起始坐標(biāo)系中如下:
（15）
則，等式（14）在轉(zhuǎn)換坐標(biāo)下，可以表示為：
（16）
由于為旋轉(zhuǎn)矩陣，所以：
（17）
即：
（18）
顯然，若路徑可行，則
（19）
由等式（17）和式（18）可得：
（20）
又因轉(zhuǎn)換矩陣為：
（21）
可以得到關(guān)于角度的等式如下：
（22）
其中：
（23）
由已知等式（10）求得終止角度如下：
（24）
所以，車(chē)輛經(jīng)過(guò)一個(gè)CLC路徑行駛的總長(zhǎng)度為:
（25）
車(chē)輛從所求得的可行性的行駛路徑中，比較選擇最短路徑來(lái)作為車(chē)輛的行駛路徑，即min(L)。
而車(chē)輛從坐標(biāo)系行駛到坐標(biāo)系后，其在兩個(gè)坐標(biāo)系中存在的關(guān)系為：
（26）
根據(jù)等式（26）可知，車(chē)輛在行駛過(guò)程中，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以使用同一坐標(biāo)進(jìn)行表示，等式中矩陣B為齊次變換坐標(biāo)矩陣。
3 避障系統(tǒng)控制
由圖3可知車(chē)輛在行駛過(guò)程中，可能存在同時(shí)與多個(gè)障礙物相遇的問(wèn)題，在解決此類(lèi)問(wèn)題中，首先根據(jù)Dubins最短路徑算法確定車(chē)輛與障礙物間的最短距離以及相對(duì)速度。相對(duì)速度的表示則可由下式給出：
（27）
表示車(chē)輛行駛的的速度，表示第i個(gè)障礙物的行駛速度，表示第i個(gè)障礙物相對(duì)于車(chē)輛的行駛速度。
則第i個(gè)障礙物相對(duì)于車(chē)輛的最短相遇距離矢量如下式所示：
（28）
表示車(chē)輛與第i個(gè)障礙物之間的直線(xiàn)距離，表示車(chē)輛與第i個(gè)障礙物行駛的速度方向之間的夾角。表示車(chē)輛與第i個(gè)障礙物相遇時(shí)的最短距離。
圖3 躲障礙物相遇示意圖
因此，若要保證車(chē)輛在行駛中的安全性與可行駛，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)的情況對(duì)車(chē)輛行駛速度的方向進(jìn)行調(diào)整，使得大于車(chē)輛的安全距離、。
在求解與多個(gè)障礙物相遇的問(wèn)題中，通常需要構(gòu)造Lyapunov函數(shù)來(lái)確定使用函數(shù)的穩(wěn)定性[10]:
（29）
其中，是車(chē)輛行駛速度方向與系統(tǒng)期望車(chē)輛行駛速度方向之間的角度差，即車(chē)輛行駛速度方向角度誤差；、分別為車(chē)輛由行駛速度方向向左或向右旋轉(zhuǎn)到避開(kāi)障礙物時(shí)的安全行駛速度方向的角度。
則車(chē)輛與多個(gè)障礙物相遇的狀況下，車(chē)輛的行駛速度方向的角速度可表示為：
（30）
其中：，
上式也可表述為控制車(chē)輛避障系統(tǒng)的算法。
由此可知，
（31）
其中：
（32）
車(chē)輛在行駛過(guò)程中，控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置傳遞的信息進(jìn)行控制，監(jiān)測(cè)值用表示，其輸出為高電平1時(shí)，表示前方有障礙物；輸出為低電平0時(shí)，表示前方無(wú)障礙物。而分別表示車(chē)輛左、中、右三個(gè)方向的監(jiān)測(cè)值。則車(chē)輛行駛決策表如下：
表1 車(chē)輛行駛決策表
有無(wú)障礙物
決策結(jié)果
0
0
0
無(wú)
直行
0
0
1
右側(cè)有障礙物
向左轉(zhuǎn)度
0
1
0
中間有障礙物
向右轉(zhuǎn)度
0
1
1
左側(cè)無(wú)障礙物
向左轉(zhuǎn)度
1
0
0
左側(cè)有障礙物
向右轉(zhuǎn)度
1
0
1
中間無(wú)障礙物車(chē)輛可通過(guò)
直行
1
0
1
中間無(wú)障礙物車(chē)輛不可通過(guò)
停止或右轉(zhuǎn)度
1
1
0
右側(cè)無(wú)障礙物
向右轉(zhuǎn)度
1
1
1
前方有障礙物
停止或右轉(zhuǎn)度
4 實(shí)驗(yàn)仿真
(1)仿真系統(tǒng)搭建 車(chē)輛控制系統(tǒng)根據(jù)Dubins路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃，并將此算法應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行仿真。首先對(duì)道路進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了使道路狀況盡可能的接近現(xiàn)實(shí)路況，設(shè)計(jì)道路為15m*15m的矩形場(chǎng)地，并與改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法[7]進(jìn)行對(duì)比；然后利用經(jīng)典PID控制對(duì)系統(tǒng)的跟隨情況進(jìn)行檢驗(yàn)。
將車(chē)輛的舵機(jī)作為被控對(duì)象，圖4為車(chē)輛對(duì)輸入信號(hào)的跟隨響應(yīng)控制的方框圖：
圖4 車(chē)輛跟隨響應(yīng)控制方框圖
根據(jù)車(chē)輛的控制方案圖可得方塊圖如下：
圖5 車(chē)輛跟隨響應(yīng)控制方塊圖
(2)仿真結(jié)果及分析 車(chē)輛行駛過(guò)程中，首先確定目標(biāo)方向，通過(guò)轉(zhuǎn)向、直行等過(guò)程繞過(guò)監(jiān)測(cè)到的障礙物，并在整個(gè)過(guò)程中實(shí)時(shí)更新車(chē)輛所在位置的坐標(biāo)。仿真結(jié)果如下，其中：黑色為Dubins算法行駛路徑，藍(lán)色為對(duì)比算法行駛路徑。
設(shè)計(jì)如圖6所示典型路況，場(chǎng)地內(nèi)設(shè)有各種典型矩形障礙物，并包括“一”字形障礙物和“U”形障礙物，檢驗(yàn)車(chē)輛在典型路況下的行駛路徑，驗(yàn)證Dubins路徑規(guī)劃算法的可行性。圖7中設(shè)置有隨機(jī)障礙物，檢驗(yàn)車(chē)輛在復(fù)雜路況下的行駛路徑。從兩圖中可以看出車(chē)輛在最短路徑下對(duì)車(chē)輛行駛方位進(jìn)行調(diào)整，在保證車(chē)輛行駛安全的條件下，能對(duì)路徑進(jìn)行最優(yōu)選擇。
圖6 典型路況下車(chē)輛行駛路線(xiàn)仿真圖
圖7 復(fù)雜路況下車(chē)輛行駛路線(xiàn)仿真圖
表2 典型路況仿真結(jié)果
Dubins路徑規(guī)劃算法
對(duì)比算法
行駛時(shí)間(s)
2.9
3.5
行駛路徑長(zhǎng)度(m)
18.6
21.7
表3 復(fù)雜路況仿真結(jié)果
Dubins路徑規(guī)劃算法
對(duì)比算法
行駛時(shí)間(s)
4.4
5.4
行駛路徑長(zhǎng)度(m)
28.4
35.7
通過(guò)典型路況和復(fù)雜路況仿真結(jié)果表明，Dubins路徑規(guī)劃算法能選擇最短路徑，縮短了車(chē)輛行駛時(shí)間，能為車(chē)輛提供更為合適的路徑，并避免了車(chē)輛在行駛時(shí)陷入局部最優(yōu)的傳統(tǒng)缺陷，車(chē)輛在繞過(guò)障礙物后可以回到與初始位置相對(duì)應(yīng)的路徑上，與其它算法對(duì)比可得，Dubins路徑規(guī)劃算法能更好的完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?
圖8 車(chē)輛跟蹤曲線(xiàn)與參考曲線(xiàn)對(duì)比
圖9 車(chē)輛跟蹤曲線(xiàn)誤差
圖8、圖9反映了車(chē)輛實(shí)際行駛路線(xiàn)對(duì)控制器設(shè)計(jì)路線(xiàn)的跟隨情況，圖8可以看出車(chē)輛對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的路線(xiàn)具有很好的執(zhí)行性，其執(zhí)行偏差在0.5米以?xún)?nèi)；圖9可看出，車(chē)輛的執(zhí)行誤差在4%以?xún)?nèi)，而隨著車(chē)輛行駛狀況的逐漸穩(wěn)定，其執(zhí)行誤差會(huì)繼續(xù)降低，具有較高的可靠性。
5 結(jié)論
如今在車(chē)輛智能化的趨勢(shì)下，路徑規(guī)劃已經(jīng)被越來(lái)越多的人們研究。本文在Dubins路徑思想下對(duì)車(chē)輛行駛路徑進(jìn)行規(guī)劃，完成了該算法下的仿真實(shí)驗(yàn)，并于其他算法進(jìn)行了對(duì)比，算法簡(jiǎn)潔可行；在
此算法理論下，對(duì)車(chē)輛行駛路徑設(shè)計(jì)了兩種不同復(fù)雜程度的路況，滿(mǎn)足復(fù)雜路況下的行駛要求；對(duì)比結(jié)果表明，Dubins路徑規(guī)劃算法能計(jì)算出最短路徑，對(duì)最優(yōu)路徑具有良好的選擇性；車(chē)輛對(duì)此算法具有較高的執(zhí)行性，并具有較低的誤差率。
參考文獻(xiàn)
[1]吳友謙,裴海龍.基于Dubins曲線(xiàn)的無(wú)人直升機(jī)軌跡規(guī)劃[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2011,32(4):1426-1429.
[2]朱大奇,顏明重.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述[J].控制與決策,2010,25(7):961-967.
[3]高強(qiáng),宋雨,呂東澔等.多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2014,31(7):325-329.
[4] Giordano P R, Vendittelli M. Shortest paths to obstacles for a polygonal Dubins car[J]. Robotics, IEEE Transactions on, 2009, 25(5): 1184-1191.
[5] Savla K, Frazzoli E, Bullo F. Traveling salesperson problems for the Dubins vehicle[J]. Automatic Control, IEEE Transactions on, 2008, 53(6): 1378-1391.
[6]張明環(huán),張科.智能車(chē)避障觸須算法中的障礙物探測(cè)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,30(5):763-767.
[7]王凱,宋星秀,張一聞.利用改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的智能車(chē)避障路徑規(guī)劃[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,33(9):1236-1239.
[8] Li J, Zhang W, Su H, et al. Coordinated obstacle avoidance with reduced interaction[J]. Neurocomputing, 2014,139: 233-245.
[9]Anderson R P, Milutinovic D. A Stochastic Approach to Dubins Vehicle Tracking Problems[J]. Automatic Control, IEEE Transactions on, 2014,10:2081-2086.
[10][英]楚拉多斯,[英]懷特,[英]尚穆加韋爾.無(wú)人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求：
掌握機(jī)床導(dǎo)軌的基本知識(shí)；了解機(jī)床高速進(jìn)給對(duì)導(dǎo)軌的要求；研究數(shù)控機(jī)床滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的關(guān)鍵技術(shù)，掌握其選型、應(yīng)用、設(shè)計(jì)方法等；完成一種滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌/滑塊組件的設(shè)計(jì)，要求滿(mǎn)足普通精度數(shù)控銑床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的使用。
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體工作內(nèi)容：
1） 分析題目要求，查閱相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)資料、有關(guān)專(zhuān)利文獻(xiàn)等，在此基礎(chǔ)上，了解開(kāi)題報(bào)告的撰寫(xiě)方法、基本要求，完成開(kāi)題報(bào)告；
2） 學(xué)習(xí)和掌握滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的有關(guān)知識(shí)，了解其關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀；了解數(shù)控機(jī)床、加工中心對(duì)直線(xiàn)導(dǎo)軌的要求；總結(jié)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵及發(fā)展方向；力爭(zhēng)提出滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的發(fā)展方向；
3） 按題目要求，設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足數(shù)控銑床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)需要的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌，完成結(jié)構(gòu)圖，給出必要的計(jì)算說(shuō)明；
4） 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；
5） 翻譯本專(zhuān)業(yè)外文科技文獻(xiàn)一份。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)
3．對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)成果的要求：
1）滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖；
2）滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的研究及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份；
3）本專(zhuān)業(yè)外文科技文獻(xiàn)譯文一份。
4．畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2016年
02月29日 ~03月21日
03月22日 ~04月30日
05月01日 ~05月20日
05月21日 ~05月31日
06月01日 ~06月05日
分析課題要求，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，提出自己的設(shè)計(jì)思路，完成開(kāi)題報(bào)告；
全面掌握滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的基本知識(shí)，了解高速機(jī)床對(duì)進(jìn)給導(dǎo)軌的要求，了解直線(xiàn)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；分析總結(jié)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的發(fā)展方向；
完成滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)；
完成研究總結(jié)及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
撰寫(xiě)答辯講稿，準(zhǔn)備答辯；
學(xué)生所在系審查意見(jiàn)：
同意下發(fā)任務(wù)書(shū)
系主任：
2016 年 2 月 29 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫(xiě)2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
1. 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的工作原理
滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、滾動(dòng)體、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。
滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉蚴够瑝K與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而獲得：動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一。
導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點(diǎn)接觸時(shí)大大提高，滾動(dòng)摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機(jī)械性能。簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造[1]。
直線(xiàn)導(dǎo)軌又稱(chēng)線(xiàn)軌、滑軌、線(xiàn)性導(dǎo)軌、線(xiàn)性滑軌，用于直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直線(xiàn)軸承更高的額定負(fù)載，同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng).直線(xiàn)軸承主要用在自動(dòng)化機(jī)械上比較多,像德國(guó)進(jìn)口的機(jī)床,紙碗機(jī),激光焊接機(jī)等等,當(dāng)然直線(xiàn)軸承和直線(xiàn)軸是配套用的.像直線(xiàn)導(dǎo)軌主要是用在精度要求比較高的機(jī)械結(jié)構(gòu)上,滑塊-使運(yùn)動(dòng)由曲線(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)。新的導(dǎo)軌系統(tǒng)使機(jī)床可獲得快速進(jìn)給速度，在主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，快速進(jìn)給是直線(xiàn)導(dǎo)軌的特點(diǎn)。直線(xiàn)導(dǎo)軌與平面導(dǎo)軌一樣，有兩個(gè)基本元件；一個(gè)作為導(dǎo)向的為固定元件，另一個(gè)是移動(dòng)元件。由于直線(xiàn)導(dǎo)軌是標(biāo)準(zhǔn)部件，對(duì)機(jī)床制造廠來(lái)說(shuō)．唯一要做的只是加工一個(gè)安裝導(dǎo)軌的平面和校調(diào)導(dǎo)軌的平行度。當(dāng)然，為了保證機(jī)床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多數(shù)情況下，安裝是比較簡(jiǎn)單的。作為導(dǎo)向的導(dǎo)軌為淬硬鋼，經(jīng)精磨后置于安裝平面上。與平面導(dǎo)軌比較，直線(xiàn)導(dǎo)軌橫截面的幾何形狀，比平面導(dǎo)軌復(fù)雜，復(fù)雜的原因是因?yàn)閷?dǎo)軌上需要加工出溝槽，以利于滑動(dòng)元件的移動(dòng)，溝槽的形狀和數(shù)量，取決于機(jī)床要完成的功能。例如：一個(gè)既承受直線(xiàn)作用力，又承受顛覆力矩的導(dǎo)軌系統(tǒng)，與僅承受直線(xiàn)作用力的導(dǎo)軌相比．設(shè)計(jì)上有很大的不同[2~3]。
直線(xiàn)導(dǎo)軌的移動(dòng)元件和固定元件之間不用中間介質(zhì)，而用滾動(dòng)鋼球。因?yàn)闈L動(dòng)鋼球適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)、摩擦系數(shù)小、靈敏度高，滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)部件的工作要求，如機(jī)床的刀架，拖板等。直線(xiàn)導(dǎo)軌系統(tǒng)的固定元件(導(dǎo)軌)的基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為“v”字形。支架包裹著導(dǎo)軌的頂部和兩側(cè)面。為了支撐機(jī)床的工作部件，一套直線(xiàn)導(dǎo)軌至少有四個(gè)支架。用于支撐大型的工作部件，支架的數(shù)量可以多于四個(gè)。機(jī)床的工作部件移動(dòng)時(shí)，鋼球就在支架溝槽中循環(huán)流動(dòng)，把支架的磨損量分?jǐn)偟礁鱾€(gè)鋼球上，從而延長(zhǎng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的使用壽命[4]。為了消除支架與導(dǎo)軌之間的間隙，預(yù)加負(fù)載能提高導(dǎo)軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性，預(yù)加負(fù)荷的獲得．是在導(dǎo)軌和支架之間安裝超尺寸的鋼球。鋼球直徑公差為±20微米，以0.5微米為增量，將鋼球篩選分類(lèi)，分別裝到導(dǎo)軌上，預(yù)加負(fù)載的大小，取決于作用在鋼球上的作用力。如果作用在鋼球上的作用力太大，鋼球經(jīng)受預(yù)加負(fù)荷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致支架運(yùn)動(dòng)阻力增大。這里就有一個(gè)平衡作用問(wèn)題；為了提高系統(tǒng)的靈敏度，減少運(yùn)動(dòng)阻力，相應(yīng)地要減少預(yù)加負(fù)荷，而為了提高運(yùn)動(dòng)精度和精度的保持性，要求有足夠的預(yù)加負(fù)數(shù)，這是矛盾的兩方面工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鋼球開(kāi)始磨損，作用在鋼球上的預(yù)加負(fù)載開(kāi)始減弱，導(dǎo)致機(jī)床工作部件運(yùn)動(dòng)精度的降低。如果要保持初始精度，必須更換導(dǎo)軌支架，甚至更換導(dǎo)軌。如果導(dǎo)軌系統(tǒng)已有預(yù)加負(fù)載作用。系統(tǒng)精度已喪失，唯一的方法是更換滾動(dòng)元件。
導(dǎo)軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，力求固定元件和移動(dòng)元件之間有最大的接觸面積，這不但能提高系統(tǒng)的承載能力，而且系統(tǒng)能承受間歇切削或重力切削產(chǎn)生的沖擊力，把作用力廣泛擴(kuò)散，擴(kuò)大承受力的面積。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，導(dǎo)軌系統(tǒng)的溝槽形狀有多種多樣，具有代表性的有兩種，一種稱(chēng)為哥待式(尖拱式)，形狀是半圓的延伸，接觸點(diǎn)為頂點(diǎn)；另一種為圓弧形，同樣能起相同的作用。無(wú)論哪一種結(jié)構(gòu)形式，目的只有一個(gè)，力求更多的滾動(dòng)鋼球半徑與導(dǎo)軌接觸(固定元件)。決定系統(tǒng)性能特點(diǎn)的因素是：滾動(dòng)元件怎樣與導(dǎo)軌接觸，這是問(wèn)題的關(guān)鍵[5]。
2. 直線(xiàn)導(dǎo)軌的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
（1）國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
目前，國(guó)外生產(chǎn)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的廠商主要集中在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)及日本等國(guó)家。國(guó)內(nèi)在滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的制造方面還處于初始階段，與國(guó)外相比，仍有差距，主要表現(xiàn)為：品種少、產(chǎn)量小、使用壽命低，噪音大，加工工藝也不如國(guó)外先進(jìn)。以廣東凱特精密機(jī)械有限公司、南京工藝裝備制造廠為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)，正在努力縮小這種差距，他們的部分產(chǎn)品已經(jīng)具有國(guó)際先進(jìn)水平。直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的發(fā)展趨勢(shì)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的新類(lèi)型、新功能目前在不斷涌現(xiàn)，并正在向組合化、集成化、高速、低噪音、智能化方向發(fā)展。
(2)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
THK公司采用滾珠保持架與滾珠構(gòu)成一體，保持滾珠平穩(wěn)的進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，消除了滾珠間的相互摩擦，開(kāi)發(fā)了噪聲低、免維修、壽命長(zhǎng)、速度可達(dá)300m/min的超高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的SSR導(dǎo)軌副，并已開(kāi)始推廣。該導(dǎo)軌副實(shí)現(xiàn)了100m/min運(yùn)動(dòng)速度下噪聲小于50dB，摩擦波動(dòng)幅度減少到以往產(chǎn)品的1/5。另外，通過(guò)了一次加油脂2cm3，運(yùn)行2800km的試驗(yàn)。今后帶滾珠保持架的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副將逐漸成為高檔數(shù)控機(jī)床選用的主流[6~9]。
HIWIN智慧型PG系列直線(xiàn)導(dǎo)軌，PG系列整合線(xiàn)性滑軌及編碼器于一體，大幅增加空間效益。 兼具線(xiàn)性滑軌高剛性及磁性編碼器高精度之優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)藏式尺身及感應(yīng)讀頭，不易受外力破壞。 訊號(hào)感應(yīng)屬非接觸性，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)。 可做長(zhǎng)距離之量測(cè) (磁性尺身部份可達(dá)30m)。量測(cè)特性，不因含油、水、粉塵及切削屑之惡劣工作環(huán)境而改變;另對(duì)震動(dòng)、噪音及高溫之環(huán)境亦可勝任。 分辨率佳。 安裝容易[10~12]。
（3）新材料制造的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副
由于用戶(hù)要求的多樣化及使用環(huán)境的不同，出現(xiàn)了用新材料制造的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副。例如，采用不銹鋼制作的產(chǎn)品，其導(dǎo)軌軸、滑塊、鋼球、密封端和保持器均采用不銹鋼材料制作，而反向器采用合成樹(shù)脂，故耐腐蝕性提高。對(duì)于要求高溫和真空用途時(shí)，反向器可以采用不銹鋼材。此外，用陶瓷材料制造的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副將會(huì)得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
目前，在惡劣環(huán)境即高粉塵濃度、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和高腐蝕場(chǎng)合使用直線(xiàn)導(dǎo)軌還有一定的局限性。但隨著直線(xiàn)導(dǎo)軌技術(shù)的日益完善，以及直線(xiàn)導(dǎo)軌具有高速性與控制性等諸多突出的優(yōu)點(diǎn)，以及豐富的類(lèi)型和功能，可以預(yù)期，此機(jī)構(gòu)作為一個(gè)功能部件將越來(lái)越多地用在數(shù)控機(jī)床等機(jī)械設(shè)備上[13~15]。
參考文獻(xiàn)：
［1］王盤(pán)銘 程遠(yuǎn)雄 孫健利 . 基于誤差均化功能的滾動(dòng)導(dǎo)軌的高精度安裝[J]. 機(jī)械工人（冷加工）, 2006,(5) .
［2］黃新 程遠(yuǎn)雄 孫健利 . 機(jī)床用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副安裝技術(shù)分析 [J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2005,(2) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2005.02.033 .
［3］徐起賀 孫健利 . 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能分析 [J]. 機(jī)床與液壓 2002,(3) .doi:10.3969/j.issn.1001-3881.2002.03.044 .
［4］徐起賀 . 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向 [J]. 機(jī)械制造, 2001,(2) .doi:10.3969/j.issn.1000-4998.2001.02.008 .
［5］喻忠志 . 我國(guó)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的發(fā)展及趨勢(shì) [J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2006,(7) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.07.005 .
［6］周傳宏 孫健利 楊叔子 . 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的振動(dòng)模型研究 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 1999,(2) .doi:10.3969/j.issn.1001-2354.1999.02.008 .
［7］孫健利 方健 程遠(yuǎn)雄 . 基于ISO 14728-2標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副額定靜載荷分析
[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2006,(2) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.02.040 .
［8］方健 程遠(yuǎn)雄 孫健利 . 基于ISO 14728-1標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副動(dòng)載荷和壽命分析 [J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2006,(8) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.08.037 .
［9］孫健利 黃新 . 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的應(yīng)用技術(shù) [J]. 機(jī)械工人(冷加工), 2004,(3) .
楊向東 . 軸承工作過(guò)程中摩擦狀態(tài)的仿真分析研究 [J]. 廣東科技, 2007,(8) .doi:10.3969/j.issn.1006-5423.2007.08
［10］Yuan J X Tang x J wu s M . An application of DDS combined with FEM using condensation technique for machine tool design [A]. 1983 . Napitolela N G . A mass or stiffness addition technique for structural parameter updating [J]. 1992,7(03) .
［11］武友德 . TJK6916數(shù)控落地鏜銑床研發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 2013 .
［12］郭成龍 袁軍堂 王維友 夏玲玲 黃俊 . 滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)剛度的試驗(yàn)研究 [J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2012,(9)
［13］孫偉 魯明 汪博 聞邦椿 . 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)特性分析方法研究 [J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2011,(3) .doi:10.3969/j.issn
［14］Shigeo Shimizu . Load Distribution and Accuracy/Rigidity of Linear Motion Ball Guides System 1993,(27) .
［15］張沈生 . 直線(xiàn)導(dǎo)軌的原理及其應(yīng)用 [J]. 洪都科技, 2004,(2)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
2.1 本課題主要研究和解決的問(wèn)題是滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
鋼球沿著LM軌道和LM滑塊上經(jīng)過(guò)精密研磨加工的4列滾動(dòng)面進(jìn)行滾動(dòng)；通過(guò)組裝
LM滑塊上的回球器,使鋼球列循環(huán)運(yùn)動(dòng)。
LM滑塊采用保持板將鋼球保持住,因此即使從LM軌道中抽出LM滑塊,鋼球也不會(huì)脫落（HSR8、10和12型除外）。
為使LM滑塊上的4個(gè)作用方向（徑向、反徑向和側(cè)向）均具有相同的額定載荷，各
鋼球列被設(shè)計(jì)成按接觸角45°配置，因此無(wú)論何種姿勢(shì)都可以使用。并且因能施加均等的預(yù)壓，從而既能一邊維持較低的磨擦系數(shù)，又加強(qiáng)了4個(gè)方向的剛性。同時(shí),因斷面高度低,并且對(duì)LM滑塊進(jìn)行了高剛性設(shè)計(jì),從而能獲得穩(wěn)定的高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
該圖中：①和⑧為保持板 ②為L(zhǎng)M滑塊 ③為端蓋板 ④為末端密封墊片 ⑤為油嘴 ⑥為側(cè)面密封墊片 ⑦為內(nèi)部密封墊片（配件） ⑨為鋼球 ⑩為L(zhǎng)M軌道
2.2 本課題采用的研究手段
（1) 通過(guò)查閱關(guān)于滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌等方面的書(shū)籍和文獻(xiàn)資料等，理解滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的工作原理，各部分構(gòu)造，對(duì)所設(shè)計(jì)部分有了一定認(rèn)識(shí)。綜合資料整理出所設(shè)計(jì)部分的工作原理綜合查閱的資料和以上工作原理，對(duì)設(shè)計(jì)部分進(jìn)行一定改造，使之更為合理，簡(jiǎn)單。
(2) 利用Auto CAD來(lái)繪制滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖。
(3)考慮滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的額定負(fù)荷、直線(xiàn)導(dǎo)軌壽命、工作負(fù)荷、摩擦力、潤(rùn)滑等因素對(duì)它帶來(lái)的影響。
3.計(jì)劃安排
(1)全面了解該課題，查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，了解滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的發(fā)展現(xiàn)狀，完成開(kāi)題報(bào)告。
(2)全面掌握滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的基礎(chǔ)知識(shí)，了解高速機(jī)床進(jìn)給導(dǎo)軌的要求，了解直線(xiàn)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析總結(jié)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的發(fā)展方向。
(3)完成滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)。
(4)完成研究總結(jié)及完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
畢 業(yè) 論 文 開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
報(bào)告表明，該同學(xué)近期查閱了許多相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的基本知識(shí)有了一定的掌握，對(duì)其主要產(chǎn)品特點(diǎn)，重要的技術(shù)及其應(yīng)用均有了解，因而文獻(xiàn)綜述比較詳細(xì)和全面。
提出的設(shè)計(jì)方案略顯粗糙，希望近期加以細(xì)化。
同意開(kāi)題。
指導(dǎo)教師：
2016 年 3月 22日
所在系審查意見(jiàn)：
同意開(kāi)題
系主任：
2016 年 3 月 22日
滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究
摘要：就目前來(lái)說(shuō)，世界的制造加工業(yè)對(duì)機(jī)床的加工要求越來(lái)越高，也就是對(duì)機(jī)床的各項(xiàng)性能都有更高的要求。比如說(shuō)：高速度、高剛度和高精度。機(jī)床的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)的重要標(biāo)志。機(jī)床主要由主軸和導(dǎo)軌兩部分組件構(gòu)成，而導(dǎo)軌的重要性要更強(qiáng)，其中直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌占有很大優(yōu)勢(shì)，被普遍應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和其他的行業(yè)中。
本課題主要研究了機(jī)床的整體布局結(jié)構(gòu)，軌道的直線(xiàn)度分析，還有滾珠絲杠的剛度計(jì)算，現(xiàn)在分別詳細(xì)的介紹一下：
(1）首先，在通過(guò)閱讀國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，了解了機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)后，本文先確定了機(jī)床的整體布局方式，然后對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌性能進(jìn)行分析；對(duì)溜板箱的計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)滾珠的長(zhǎng)度和數(shù)量的進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)。
（2）其次，對(duì)導(dǎo)軌的直線(xiàn)度進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)直線(xiàn)度的定義分析，綜合對(duì)比選擇直線(xiàn)度的測(cè)量方法和評(píng)定方法。
（3）最后，對(duì)滾珠絲杠的剛度進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)滾珠絲杠、絲杠軸、螺母和支撐架的軸向剛度通過(guò)算式進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算了滾珠絲杠的承載能力，以更好地配合直線(xiàn)導(dǎo)軌。
關(guān)鍵詞：滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌，直線(xiàn)度，滾珠絲杠，選型
I
Linear guides design and related technology research
Abstract: Now, the world's manufacturing industry need high requirements for the machining, that is, the performance of the machine have higher requirements. For example: high speed, high rigidity and precision. The level of development of machine tools is an important indicator to measure a country's industry. Machine tool spindle assembly consists of two parts and the rail, and the importance of rail to be stronger, in which the linear motion guide large advantages, it is widely used in CNC machine tools and other industries.
This paper studies the structure of the overall layout of the machine, straightness track analysis, as well as ball screw stiffness calculation, are now described in detail here.
(1)First, by reading literature at home and abroad to understand the overall structure of the machine, the paper first determine the overall layout of the machine, and then analyze the performance of the machine tool guide; on the apron of the computational design of balls the length and number were related to the design.
(2)Next, the straightness of the rail is analyzed by the definition of straightness of analysis, synthesis, comparison measurement method and evaluation method selection straightness.
(3)Finally, the stiffness of the ball screw is calculated by the axial stiffness of the ball screw, screw shaft, nut and the support frame is calculated by formula analysis to calculate the carrying capacity of the ball screw to better fit linear guid
Keywords:linear guides, straightness,ball screws, selection
II
目 錄
摘要…………………………………………………………………………………..Ⅰ
Abstrat……………………………………………………………………………….Ⅱ
目錄 III
1 緒論 1
1.1 課題的研究背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)外滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀 2
1.3 研究的內(nèi)容及意義 2
1.3.1 研究的內(nèi)容 2
1.3.2 研究的意義 3
2 機(jī)床滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌整體設(shè)計(jì) 4
2.1 機(jī)床的整體布局 4
2.2 導(dǎo)軌的性能分析 4
2.3 主要零部件的設(shè)計(jì) 5
2.3.1 溜板箱的設(shè)計(jì) 5
2.3.2 滾柱的長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 5
2.3.3 滾柱的數(shù)量 6
3 導(dǎo)軌的直線(xiàn)度分析 8
3.1 直線(xiàn)度的定義 8
3.2 直線(xiàn)度測(cè)量方法 9
3.3 直線(xiàn)度評(píng)定方法 9
4 滾珠絲杠的剛度計(jì)算 11
4.1 滾珠絲杠的軸向剛度計(jì)算 11
4.2 絲杠軸的軸向剛度 11
4.3 螺母的軸向剛度 12
4.4 支撐軸承的軸向剛度 12
4.5 小結(jié) 12
總結(jié) 13
參考文獻(xiàn) 14
致謝 16
7
1 緒論
1.1 課題的研究背景
隨著新中國(guó)的改革開(kāi)放，我國(guó)在科學(xué)技術(shù)上以借鑒為主要的發(fā)展動(dòng)力。近四十年來(lái)，國(guó)內(nèi)的制造業(yè)規(guī)模突飛猛進(jìn)。但是制造業(yè)的技術(shù)相較于發(fā)達(dá)國(guó)家仍有巨大的差距，國(guó)際的頂尖高端技術(shù)產(chǎn)品我們沒(méi)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，只能依賴(lài)反求工程制造高仿，或者付出昂貴的代價(jià)購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的產(chǎn)品，加上國(guó)際制造業(yè)的壟斷。我國(guó)制造業(yè)向技術(shù)型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變舉步維艱。
這個(gè)世紀(jì)，隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的提高和大量人才的引進(jìn)，制造業(yè)正迎來(lái)新的變革。制造業(yè)由粗放型向技術(shù)性的轉(zhuǎn)變，首先就是產(chǎn)品的加工精度。而滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌作為新興的導(dǎo)向部件，動(dòng)靜摩擦系數(shù)非常的小，定位精度又要求非常的高，相應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)其高速的精確的運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌已大批量用于機(jī)床的各個(gè)部分。采用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌能保證機(jī)床的加工精度，并且可以提高效率。滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌已被廣泛應(yīng)用在人們生活的各行各業(yè)中。
就目前來(lái)說(shuō)，歐美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家具有生產(chǎn)加工高質(zhì)量導(dǎo)軌能力的企業(yè)，國(guó)家的扶持和國(guó)內(nèi)的需已經(jīng)加快了國(guó)內(nèi)的企業(yè)投資，但國(guó)內(nèi)的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌制造還是以反求工程為主，也就是對(duì)產(chǎn)品的高仿，產(chǎn)品的承載能力、運(yùn)動(dòng)精度均不達(dá)標(biāo)。其根源在于理論欠缺、起步較晚，研究方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
1.2 國(guó)內(nèi)外滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)從上世紀(jì)80年代才開(kāi)始進(jìn)行滾動(dòng)導(dǎo)軌副方面的研究，由于國(guó)內(nèi)缺乏自主研發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外的相差很大。最近三四十年，國(guó)內(nèi)加大了對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的重視，扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)，但是依然有很大的差距。在國(guó)內(nèi)，生產(chǎn)的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌質(zhì)量參差不齊、生產(chǎn)成本非常高、規(guī)格不夠齊全，生產(chǎn)效率非常低，并且擁有先進(jìn)生產(chǎn)能力的公司屈指可數(shù)，根本不能與國(guó)外相媲美。
國(guó)內(nèi)關(guān)于滾動(dòng)導(dǎo)軌的理論研究開(kāi)始于上世紀(jì)80年代，其中，1986年南京研制出了型號(hào)為GGA25的徑向型滾動(dòng)導(dǎo)軌副標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始自主研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始制造滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌。目前，關(guān)于滾動(dòng)導(dǎo)軌的可研究的內(nèi)容越來(lái)越多，包括滾動(dòng)導(dǎo)軌的性能分析、運(yùn)行平穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、精度、導(dǎo)軌的加工等等，國(guó)內(nèi)下一步的研究正在向更深度發(fā)展。
其中，華中科技大學(xué)對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的靜剛度進(jìn)行了研究，得到了一種新的導(dǎo)軌剛度計(jì)算方法；東南大學(xué)主要對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)合面進(jìn)行了研究，也獲得了相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果；東北大學(xué)和西安理工大學(xué)也對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)合面進(jìn)行了研究，但研究的結(jié)果重點(diǎn)有所不同。前者主要研究了導(dǎo)軌的靜、動(dòng)剛度，后者主要對(duì)導(dǎo)軌結(jié)合面的變形進(jìn)行了研究，提出了變形數(shù)學(xué)計(jì)算的一般公式。
綜上可知，國(guó)內(nèi)對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、精度分析、壽命分析都投入大量的精力，滾柱導(dǎo)軌的研發(fā)必定走向成熟。由于我國(guó)在研發(fā)方面先天不足，因此更應(yīng)該加速對(duì)其的研究[1]~[3]。
1.2.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀
當(dāng)下，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的生產(chǎn)制造方面較強(qiáng)，日本的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌產(chǎn)量達(dá)到世界的50%，但他們卻導(dǎo)軌的研究資料處于高度的保密狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)外對(duì)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的各個(gè)方面基本上都進(jìn)行了研究，并獲得了一定的成果，這些成果都有助于滾動(dòng)導(dǎo)軌的發(fā)展：
日本學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行了剛度的分析，他們研究了究導(dǎo)軌的剛度改變；有人還提出了導(dǎo)軌的剛度與所受外載的關(guān)系，并將這定量化、具體化。根據(jù)研究結(jié)果，他們還研究了導(dǎo)軌平穩(wěn)性、定位精度等與導(dǎo)軌不同預(yù)載的關(guān)系。國(guó)外學(xué)者也研究導(dǎo)軌的額定壽命。日本學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌壽命進(jìn)行研究。他們總結(jié)出了導(dǎo)軌的壽命通用計(jì)算公式，和特定場(chǎng)合的壽命計(jì)算公式。
日本學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌摩擦也進(jìn)行了研究，得到了導(dǎo)軌摩擦力的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)軌的潤(rùn)滑和精度方面也有人研究，德國(guó)學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌振動(dòng)做了研究，總結(jié)出自己的模型。其中德國(guó)的阿亨工業(yè)大學(xué)，它對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究研究。
總之，國(guó)際上的學(xué)者對(duì)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的方方面面都進(jìn)行了研究，并且都取得了一定的成果，他們的研究水平也是遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)的水平。
1.3 研究的內(nèi)容及意義
1.3.1 研究的內(nèi)容