喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 文章編號： 基于Dubins路徑的智能車輛路徑規(guī)劃算法研究 宋國浩，黃晉英，蘭艷亭 （中北大學機械與動力工程學院 太原，030051） 摘要：路徑規(guī)劃是車輛智能化的核心問題之一，而所有路徑均可分解為簡單的Dubins路徑。在Dubins路徑的思想下對智能車輛的行駛路徑進行分段研究，并利用經典PID控制對該算法的執(zhí)行性能進行檢驗。研究表明：算法能計算出車輛行駛的最短路徑，減少了車輛行駛的路徑長度，縮短了行駛時間，減少了控制系統(tǒng)的計算量，提高了車輛執(zhí)行系統(tǒng)的執(zhí)行力度，降低了執(zhí)行誤差，對最優(yōu)路徑具有較好的選擇性。 關鍵詞：智能車；路徑規(guī)劃；Dubins路徑；最短路徑 中圖分類號：TP273+.1 文獻標志碼：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)劃應用在很多領域，例如：軍事無人機，航天探測機器人，智能車輛，以及監(jiān)視和偵察等工作[1-3]。路徑規(guī)劃在現代汽車領域中是一個研究熱門領域，需要考慮多方面的因素，如：汽車自身約束條件，車輛行駛環(huán)境的約束以及其他的行駛問題。在路徑規(guī)劃中，首先應考慮車輛的可行駛性，在對車輛行駛路線進行規(guī)劃時，應保證其安全行駛的前提下，盡可能大地規(guī)劃出車輛行使范圍。在保證車輛安全行駛的問題中，需要使車輛自主地繞開其它影響車輛行駛的物體，使車輛避免與障礙物相撞。路徑規(guī)劃算法應具有精確性，占有較小的內存，并滿足實時性的要求，在執(zhí)行過程中沒有明顯的延時問題[4-5]。此外，為了使行駛路徑達到最優(yōu)，提高行駛效率，還應縮短車輛行駛長度。 目前，在有關路徑規(guī)劃中的研究中，如張明環(huán)等[6]提出的觸須算法，此算法是在車輛行駛前，首先對車輛將要行駛的路線進行規(guī)劃，讓車輛按照規(guī)劃好的16*81條可使用的路徑行駛，這樣可以使車輛節(jié)省大量的反應時間，但卻不能夠處理突變情況，研究背景過于理想化；王凱等[7]提出了改進的人工勢場法，將此算法應用在智能車路徑規(guī)劃中的避障環(huán)節(jié)，解決了傳統(tǒng)人工勢場法在路徑規(guī)劃中易陷入局部極小值的問題，具有一定的實時性，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]提出了協調避障算法，在車輛行駛過程中，應用一階運動學、二階動力學，對障礙物進行無速度監(jiān)測并繞過障礙物，但其將所有障礙物作為靜態(tài)處理，不具有靈活性，可能存在兩車同時避讓卻無處可避的局面。 本文主要根據Dubins路徑規(guī)劃算法對車輛的行駛路線進行規(guī)劃控制，此種算法能夠很好地決策出車輛在行駛過程中的最優(yōu)路徑，并可以解決多障礙物間的避障問題，具有良好的實時性，延時性較小。 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，使車輛完成行駛目的。一般情況下，車輛行駛在已知或者部分已知的區(qū)域內，即已知一些靜態(tài)障礙物?，F用P（x,y,θ,v,a)來表示車輛行駛狀態(tài)，（x,y)表示車輛行駛位置，（θ,v,a)中參數分別表示車輛行駛偏向角、行駛速度和行駛加速度。若車輛從起點P0行駛到終點P2的路徑為R(q)，則可以近似表示為： (1) 式中R(q)為產生的路徑，q為路徑參數，表示路徑的長度變量（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。 對上式進行詳細描述如下： (2) 當車輛行駛過程中，遇到障礙物時，可通過控制系統(tǒng)及時改變參數（θ,v,a)來使車輛繞開障礙物。 當然，車輛在行駛過程中，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)劃中的運動學模型，在兩自由度下的運動學特性和當前狀態(tài)可表示為： (4) 式中，v是車輛行駛速度，θ為水平角，為車輛轉動角速度。 當車輛行駛時，路徑約束條件是必須考慮的重要因素之一。車輛路徑規(guī)劃的兩個重要約束條件是可行性和安全性。車輛在行駛過程中避免相撞的問題可以表示為,。、為車輛本身的位置，、為車輛所監(jiān)測到的障礙物的位置，、分別為橫向、縱向安全距離。則路徑規(guī)劃中的約束問題可表示為 (5) 我們期望車輛在行駛過程中能繞過障礙物且最終回到原行駛軌道上。則車輛行駛路徑可以簡化為Dubins路徑：一個圓?。–路徑)或兩個相切圓弧（CC路徑）或兩個圓弧通過一個共同的相切直線連接（CLC路徑）。這是Dubins證明的兩個位置點的最短路徑[9]，C表示圓弧段，L表示與圓弧段相切的直線段?？梢钥闯鲎詈笠环N路徑包含前兩種路徑，本文對CLC路徑進行研究，即車輛行駛路徑為起始轉彎、直線行駛、終止轉彎。分別對CLC路徑中的三段Dubins路徑建立對應的坐標系，坐標系分別為、、。每個基本坐標定義為，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彎半徑，其正負代表車輛是向左轉彎還是向右轉彎，同時也確定了運動曲率Q的正負，每個矢量定義如下： ， (6) ， (7) ， (8) 式中：是初始轉彎曲率，是終止轉彎曲率，是直線行駛的長度。 則車輛行駛時的速度矢量在各坐標系下的變換關系為： （9） 式中：是從起始坐標系變換到終止坐標系的旋轉矩陣。 所以總的旋轉角θ可表示為： （10） 又因為連接矢量與、垂直。 （11） 是基矢量；是起始圓弧對應的角度。 系統(tǒng)在不同坐標下對車輛行駛的位置進行定義時，在起始坐標系下定義起點與終點的相對位置，如下式表示： , （12） 在起始坐標系內用矢量的和表示這個位置矢量： （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)所處理數據的工作量，使系統(tǒng)更加高效的完成車輛在行駛時路徑選擇減少計算的誤差率，希望整個過程能夠在同一坐標系下進行運算，其基礎就是將連接各坐標系的連接矢量、、表示在同一坐標系下，則三者表示在起始坐標系中如下: （15） 則，等式（14）在轉換坐標下，可以表示為： （16） 由于為旋轉矩陣，所以： （17） 即： （18） 顯然，若路徑可行，則 （19） 由等式（17）和式（18）可得： （20） 又因轉換矩陣為： （21） 可以得到關于角度的等式如下： （22） 其中： （23） 由已知等式（10）求得終止角度如下： （24） 所以，車輛經過一個CLC路徑行駛的總長度為: （25） 車輛從所求得的可行性的行駛路徑中，比較選擇最短路徑來作為車輛的行駛路徑，即min(L)。 而車輛從坐標系行駛到坐標系后，其在兩個坐標系中存在的關系為： （26） 根據等式（26）可知，車輛在行駛過程中，通過坐標轉換可以使用同一坐標進行表示，等式中矩陣B為齊次變換坐標矩陣。 3 避障系統(tǒng)控制 由圖3可知車輛在行駛過程中，可能存在同時與多個障礙物相遇的問題，在解決此類問題中，首先根據Dubins最短路徑算法確定車輛與障礙物間的最短距離以及相對速度。相對速度的表示則可由下式給出： （27） 表示車輛行駛的的速度，表示第i個障礙物的行駛速度，表示第i個障礙物相對于車輛的行駛速度。 則第i個障礙物相對于車輛的最短相遇距離矢量如下式所示： （28） 表示車輛與第i個障礙物之間的直線距離，表示車輛與第i個障礙物行駛的速度方向之間的夾角。表示車輛與第i個障礙物相遇時的最短距離。 圖3 躲障礙物相遇示意圖 因此，若要保證車輛在行駛中的安全性與可行駛，需要根據監(jiān)測的情況對車輛行駛速度的方向進行調整，使得大于車輛的安全距離、。 在求解與多個障礙物相遇的問題中，通常需要構造Lyapunov函數來確定使用函數的穩(wěn)定性[10]: （29） 其中，是車輛行駛速度方向與系統(tǒng)期望車輛行駛速度方向之間的角度差，即車輛行駛速度方向角度誤差；、分別為車輛由行駛速度方向向左或向右旋轉到避開障礙物時的安全行駛速度方向的角度。 則車輛與多個障礙物相遇的狀況下，車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輛避障系統(tǒng)的算法。 由此可知， （31） 其中： （32） 車輛在行駛過程中，控制系統(tǒng)根據監(jiān)測裝置傳遞的信息進行控制，監(jiān)測值用表示，其輸出為高電平1時，表示前方有障礙物；輸出為低電平0時，表示前方無障礙物。而分別表示車輛左、中、右三個方向的監(jiān)測值。則車輛行駛決策表如下： 表1 車輛行駛決策表 有無障礙物 決策結果 0 0 0 無 直行 0 0 1 右側有障礙物 向左轉度 0 1 0 中間有障礙物 向右轉度 0 1 1 左側無障礙物 向左轉度 1 0 0 左側有障礙物 向右轉度 1 0 1 中間無障礙物車輛可通過 直行 1 0 1 中間無障礙物車輛不可通過 停止或右轉度 1 1 0 右側無障礙物 向右轉度 1 1 1 前方有障礙物 停止或右轉度 4 實驗仿真 (1)仿真系統(tǒng)搭建 車輛控制系統(tǒng)根據Dubins路徑進行路徑規(guī)劃，并將此算法應用Matlab軟件進行仿真。首先對道路進行設計，為了使道路狀況盡可能的接近現實路況，設計道路為15m*15m的矩形場地，并與改進的人工勢場法[7]進行對比；然后利用經典PID控制對系統(tǒng)的跟隨情況進行檢驗。 將車輛的舵機作為被控對象，圖4為車輛對輸入信號的跟隨響應控制的方框圖： 圖4 車輛跟隨響應控制方框圖 根據車輛的控制方案圖可得方塊圖如下： 圖5 車輛跟隨響應控制方塊圖 (2)仿真結果及分析 車輛行駛過程中，首先確定目標方向，通過轉向、直行等過程繞過監(jiān)測到的障礙物，并在整個過程中實時更新車輛所在位置的坐標。仿真結果如下，其中：黑色為Dubins算法行駛路徑，藍色為對比算法行駛路徑。 設計如圖6所示典型路況，場地內設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，檢驗車輛在典型路況下的行駛路徑，驗證Dubins路徑規(guī)劃算法的可行性。圖7中設置有隨機障礙物，檢驗車輛在復雜路況下的行駛路徑。從兩圖中可以看出車輛在最短路徑下對車輛行駛方位進行調整，在保證車輛行駛安全的條件下，能對路徑進行最優(yōu)選擇。 圖6 典型路況下車輛行駛路線仿真圖 圖7 復雜路況下車輛行駛路線仿真圖 表2 典型路況仿真結果 Dubins路徑規(guī)劃算法 對比算法 行駛時間(s) 2.9 3.5 行駛路徑長度(m) 18.6 21.7 表3 復雜路況仿真結果 Dubins路徑規(guī)劃算法 對比算法 行駛時間(s) 4.4 5.4 行駛路徑長度(m) 28.4 35.7 通過典型路況和復雜路況仿真結果表明，Dubins路徑規(guī)劃算法能選擇最短路徑，縮短了車輛行駛時間，能為車輛提供更為合適的路徑，并避免了車輛在行駛時陷入局部最優(yōu)的傳統(tǒng)缺陷，車輛在繞過障礙物后可以回到與初始位置相對應的路徑上，與其它算法對比可得，Dubins路徑規(guī)劃算法能更好的完成實驗目的。 圖8 車輛跟蹤曲線與參考曲線對比 圖9 車輛跟蹤曲線誤差 圖8、圖9反映了車輛實際行駛路線對控制器設計路線的跟隨情況，圖8可以看出車輛對系統(tǒng)設計的路線具有很好的執(zhí)行性，其執(zhí)行偏差在0.5米以內；圖9可看出，車輛的執(zhí)行誤差在4%以內，而隨著車輛行駛狀況的逐漸穩(wěn)定，其執(zhí)行誤差會繼續(xù)降低，具有較高的可靠性。 5 結論 如今在車輛智能化的趨勢下，路徑規(guī)劃已經被越來越多的人們研究。本文在Dubins路徑思想下對車輛行駛路徑進行規(guī)劃，完成了該算法下的仿真實驗，并于其他算法進行了對比，算法簡潔可行；在 此算法理論下，對車輛行駛路徑設計了兩種不同復雜程度的路況，滿足復雜路況下的行駛要求；對比結果表明，Dubins路徑規(guī)劃算法能計算出最短路徑，對最優(yōu)路徑具有良好的選擇性；車輛對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 [1]吳友謙,裴海龍.基于Dubins曲線的無人直升機軌跡規(guī)劃[J].計算機工程與設計,2011,32(4):1426-1429. 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[10][英]楚拉多斯,[英]懷特,[英]尚穆加韋爾.無人機協同路徑規(guī)劃[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013. 畢 業(yè) 設 計 任 務 書 1．畢業(yè)設計的任務和要求： 掌握機床導軌的基本知識；了解機床高速進給對導軌的要求；研究數控機床滾動直線導軌的關鍵技術，掌握其選型、應用、設計方法等；完成一種滾動直線導軌/滑塊組件的設計，要求滿足普通精度數控銑床進給運動的使用。 2．畢業(yè)設計的具體工作內容： 1） 分析題目要求，查閱相關的國內外文獻、設計資料、有關專利文獻等，在此基礎上，了解開題報告的撰寫方法、基本要求，完成開題報告； 2） 學習和掌握滾動直線導軌的有關知識，了解其關鍵技術及發(fā)展現狀；了解數控機床、加工中心對直線導軌的要求；總結滾動直線導軌的設計要點、技術關鍵及發(fā)展方向；力爭提出滾動直線導軌設計的發(fā)展方向； 3） 按題目要求，設計一種滿足數控銑床進給運動需要的滾動直線導軌，完成結構圖，給出必要的計算說明； 4） 編寫設計說明書； 5） 翻譯本專業(yè)外文科技文獻一份。 畢 業(yè) 設 計 任 務 書 3．對畢業(yè)設計成果的要求： 1）滾動直線導軌結構圖； 2）滾動直線導軌的研究及設計說明書一份； 3）本專業(yè)外文科技文獻譯文一份。 4．畢業(yè)設計工作進度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內 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，查閱相關文獻資料，了解滾動直線導軌的國內外現狀及發(fā)展趨勢，提出自己的設計思路，完成開題報告； 全面掌握滾動直線導軌的基本知識，了解高速機床對進給導軌的要求，了解直線導軌的設計特點；分析總結滾動直線導軌的發(fā)展方向； 完成滾動直線導軌結構圖設計； 完成研究總結及設計說明書 撰寫答辯講稿，準備答辯； 學生所在系審查意見： 同意下發(fā)任務書 系主任： 2016 年 2 月 29 日 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 1．結合畢業(yè)設計情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 1. 滾動直線導軌的工作原理 滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、滾動體、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當導軌與滑塊作相對運動時，鋼球就沿著導軌上的經過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進入返向孔后再進入滾道，鋼球就這樣周而復始地進行滾動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵屑末進入滑塊內部。 滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當的鋼球使滑塊與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得：動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。驅動功率大幅度下降，只相當于普通機械的十分之一。 導軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能。簡化了機械結構的設計和制造[1]。 直線導軌又稱線軌、滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載，同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動.直線軸承主要用在自動化機械上比較多,像德國進口的機床,紙碗機,激光焊接機等等,當然直線軸承和直線軸是配套用的.像直線導軌主要是用在精度要求比較高的機械結構上,滑塊-使運動由曲線轉變?yōu)橹本€。新的導軌系統(tǒng)使機床可獲得快速進給速度，在主軸轉速相同的情況下，快速進給是直線導軌的特點。直線導軌與平面導軌一樣，有兩個基本元件；一個作為導向的為固定元件，另一個是移動元件。由于直線導軌是標準部件，對機床制造廠來說．唯一要做的只是加工一個安裝導軌的平面和校調導軌的平行度。當然，為了保證機床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多數情況下，安裝是比較簡單的。作為導向的導軌為淬硬鋼，經精磨后置于安裝平面上。與平面導軌比較，直線導軌橫截面的幾何形狀，比平面導軌復雜，復雜的原因是因為導軌上需要加工出溝槽，以利于滑動元件的移動，溝槽的形狀和數量，取決于機床要完成的功能。例如：一個既承受直線作用力，又承受顛覆力矩的導軌系統(tǒng)，與僅承受直線作用力的導軌相比．設計上有很大的不同[2~3]。 直線導軌的移動元件和固定元件之間不用中間介質，而用滾動鋼球。因為滾動鋼球適應于高速運動、摩擦系數小、靈敏度高，滿足運動部件的工作要求，如機床的刀架，拖板等。直線導軌系統(tǒng)的固定元件(導軌)的基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為“v”字形。支架包裹著導軌的頂部和兩側面。為了支撐機床的工作部件，一套直線導軌至少有四個支架。用于支撐大型的工作部件，支架的數量可以多于四個。機床的工作部件移動時，鋼球就在支架溝槽中循環(huán)流動，把支架的磨損量分攤到各個鋼球上，從而延長直線導軌的使用壽命[4]。為了消除支架與導軌之間的間隙，預加負載能提高導軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性，預加負荷的獲得．是在導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，分別裝到導軌上，預加負載的大小，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，鋼球經受預加負荷時間過長，導致支架運動阻力增大。這里就有一個平衡作用問題；為了提高系統(tǒng)的靈敏度，減少運動阻力，相應地要減少預加負荷，而為了提高運動精度和精度的保持性，要求有足夠的預加負數，這是矛盾的兩方面工作時間過長，鋼球開始磨損，作用在鋼球上的預加負載開始減弱，導致機床工作部件運動精度的降低。如果要保持初始精度，必須更換導軌支架，甚至更換導軌。如果導軌系統(tǒng)已有預加負載作用。系統(tǒng)精度已喪失，唯一的方法是更換滾動元件。 導軌系統(tǒng)的設計，力求固定元件和移動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生的沖擊力，把作用力廣泛擴散，擴大承受力的面積。為了實現這一點，導軌系統(tǒng)的溝槽形狀有多種多樣，具有代表性的有兩種，一種稱為哥待式(尖拱式)，形狀是半圓的延伸，接觸點為頂點；另一種為圓弧形，同樣能起相同的作用。無論哪一種結構形式，目的只有一個，力求更多的滾動鋼球半徑與導軌接觸(固定元件)。決定系統(tǒng)性能特點的因素是：滾動元件怎樣與導軌接觸，這是問題的關鍵[5]。 2. 直線導軌的國內外的發(fā)展現狀 （1）國內發(fā)展現狀 目前，國外生產滾動直線導軌副的廠商主要集中在美國、英國、德國及日本等國家。國內在滾動直線導軌副的制造方面還處于初始階段，與國外相比，仍有差距，主要表現為：品種少、產量小、使用壽命低，噪音大，加工工藝也不如國外先進。以廣東凱特精密機械有限公司、南京工藝裝備制造廠為代表的國內企業(yè)，正在努力縮小這種差距，他們的部分產品已經具有國際先進水平。直線滾動導軌副的發(fā)展趨勢滾動直線導軌副的新類型、新功能目前在不斷涌現，并正在向組合化、集成化、高速、低噪音、智能化方向發(fā)展。 (2)國外發(fā)展現狀 THK公司采用滾珠保持架與滾珠構成一體，保持滾珠平穩(wěn)的進行循環(huán)運動，消除了滾珠間的相互摩擦，開發(fā)了噪聲低、免維修、壽命長、速度可達300m/min的超高速直線運動的SSR導軌副，并已開始推廣。該導軌副實現了100m/min運動速度下噪聲小于50dB，摩擦波動幅度減少到以往產品的1/5。另外，通過了一次加油脂2cm3，運行2800km的試驗。今后帶滾珠保持架的直線運動導軌副將逐漸成為高檔數控機床選用的主流[6~9]。 HIWIN智慧型PG系列直線導軌，PG系列整合線性滑軌及編碼器于一體，大幅增加空間效益。 兼具線性滑軌高剛性及磁性編碼器高精度之優(yōu)點。內藏式尺身及感應讀頭，不易受外力破壞。 訊號感應屬非接觸性，產品壽命長。 可做長距離之量測 (磁性尺身部份可達30m)。量測特性，不因含油、水、粉塵及切削屑之惡劣工作環(huán)境而改變;另對震動、噪音及高溫之環(huán)境亦可勝任。 分辨率佳。 安裝容易[10~12]。 （3）新材料制造的滾動直線導軌副 由于用戶要求的多樣化及使用環(huán)境的不同，出現了用新材料制造的滾動直線導軌副。例如，采用不銹鋼制作的產品，其導軌軸、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脂，故耐腐蝕性提高。對于要求高溫和真空用途時，反向器可以采用不銹鋼材。此外，用陶瓷材料制造的滾動直線導軌副將會得到開發(fā)應用。 目前，在惡劣環(huán)境即高粉塵濃度、強酸、強堿和高腐蝕場合使用直線導軌還有一定的局限性。但隨著直線導軌技術的日益完善，以及直線導軌具有高速性與控制性等諸多突出的優(yōu)點，以及豐富的類型和功能，可以預期，此機構作為一個功能部件將越來越多地用在數控機床等機械設備上[13~15]。 參考文獻： ［1］王盤銘 程遠雄 孫健利 . 基于誤差均化功能的滾動導軌的高精度安裝[J]. 機械工人（冷加工）, 2006,(5) . ［2］黃新 程遠雄 孫健利 . 機床用滾動直線導軌副安裝技術分析 [J]. 制造技術與機床, 2005,(2) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2005.02.033 . ［3］徐起賀 孫健利 . 滾動直線導軌副的結構特點與性能分析 [J]. 機床與液壓 2002,(3) .doi:10.3969/j.issn.1001-3881.2002.03.044 . ［4］徐起賀 . 滾動直線導軌副的特點、現狀及發(fā)展動向 [J]. 機械制造, 2001,(2) .doi:10.3969/j.issn.1000-4998.2001.02.008 . ［5］喻忠志 . 我國滾動直線導軌副的發(fā)展及趨勢 [J]. 制造技術與機床, 2006,(7) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.07.005 . ［6］周傳宏 孫健利 楊叔子 . 滾動直線導軌副的振動模型研究 [J]. 機械設計, 1999,(2) .doi:10.3969/j.issn.1001-2354.1999.02.008 . ［7］孫健利 方健 程遠雄 . 基于ISO 14728-2標準滾動直線導軌副額定靜載荷分析 [J]. 制造技術與機床, 2006,(2) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.02.040 . ［8］方健 程遠雄 孫健利 . 基于ISO 14728-1標準滾動導軌副動載荷和壽命分析 [J]. 制造技術與機床, 2006,(8) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.08.037 . ［9］孫健利 黃新 . 滾動直線導軌副的應用技術 [J]. 機械工人(冷加工), 2004,(3) . 楊向東 . 軸承工作過程中摩擦狀態(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 . 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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 國內外滾動直線導軌的研究現狀 1 1.2.1 國內的研究現狀 1 1.2.2 國外的研究現狀 2 1.3 研究的內容及意義 2 1.3.1 研究的內容 2 1.3.2 研究的意義 3 2 機床滾動直線導軌整體設計 4 2.1 機床的整體布局 4 2.2 導軌的性能分析 4 2.3 主要零部件的設計 5 2.3.1 溜板箱的設計 5 2.3.2 滾柱的長度設計 5 2.3.3 滾柱的數量 6 3 導軌的直線度分析 8 3.1 直線度的定義 8 3.2 直線度測量方法 9 3.3 直線度評定方法 9 4 滾珠絲杠的剛度計算 11 4.1 滾珠絲杠的軸向剛度計算 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 12 總結 13 參考文獻 14 致謝 16 7 1 緒論 1.1 課題的研究背景 隨著新中國的改革開放，我國在科學技術上以借鑒為主要的發(fā)展動力。近四十年來，國內的制造業(yè)規(guī)模突飛猛進。但是制造業(yè)的技術相較于發(fā)達國家仍有巨大的差距，國際的頂尖高端技術產品我們沒有知識產權，只能依賴反求工程制造高仿，或者付出昂貴的代價購買國外的產品，加上國際制造業(yè)的壟斷。我國制造業(yè)向技術型產業(yè)的轉變舉步維艱。 這個世紀，隨著國內技術的提高和大量人才的引進，制造業(yè)正迎來新的變革。制造業(yè)由粗放型向技術性的轉變，首先就是產品的加工精度。而滾動直線導軌作為新興的導向部件，動靜摩擦系數非常的小，定位精度又要求非常的高，相應速度快，實現其高速的精確的運動。滾動直線導軌已大批量用于機床的各個部分。采用滾動直線導軌能保證機床的加工精度，并且可以提高效率。滾動直線導軌已被廣泛應用在人們生活的各行各業(yè)中。 就目前來說，歐美等少數發(fā)達國家具有生產加工高質量導軌能力的企業(yè)，國家的扶持和國內的需已經加快了國內的企業(yè)投資，但國內的滾動直線導軌制造還是以反求工程為主，也就是對產品的高仿，產品的承載能力、運動精度均不達標。其根源在于理論欠缺、起步較晚，研究方法遠遠不夠。 1.2 國內外滾動直線導軌的研究現狀 1.2.1 國內的研究現狀 我國從上世紀80年代才開始進行滾動導軌副方面的研究，由于國內缺乏自主研發(fā)能力，產品質量與國外的相差很大。最近三四十年，國內加大了對滾動導軌的重視，扶持相關產業(yè)，但是依然有很大的差距。在國內，生產的滾動直線導軌質量參差不齊、生產成本非常高、規(guī)格不夠齊全，生產效率非常低，并且擁有先進生產能力的公司屈指可數，根本不能與國外相媲美。 國內關于滾動導軌的理論研究開始于上世紀80年代，其中，1986年南京研制出了型號為GGA25的徑向型滾動導軌副標志著我國開始自主研發(fā)，標志著我國開始制造滾動直線導軌。目前，關于滾動導軌的可研究的內容越來越多，包括滾動導軌的性能分析、運行平穩(wěn)性、結構優(yōu)化、精度、導軌的加工等等，國內下一步的研究正在向更深度發(fā)展。 其中，華中科技大學對滾動導軌的靜剛度進行了研究，得到了一種新的導軌剛度計算方法；東南大學主要對滾動導軌的結合面進行了研究，也獲得了相當的結果；東北大學和西安理工大學也對滾動導軌的結合面進行了研究，但研究的結果重點有所不同。前者主要研究了導軌的靜、動剛度，后者主要對導軌結合面的變形進行了研究，提出了變形數學計算的一般公式。 綜上可知，國內對滾動導軌的設計生產、精度分析、壽命分析都投入大量的精力，滾柱導軌的研發(fā)必定走向成熟。由于我國在研發(fā)方面先天不足，因此更應該加速對其的研究[1]~[3]。 1.2.2 國外的研究現狀 當下，國外發(fā)達國家在滾動直線導軌的生產制造方面較強，日本的直線滾動導軌產量達到世界的50%，但他們卻導軌的研究資料處于高度的保密狀態(tài)?？偟膩碚f，國外對滾動直線導軌的各個方面基本上都進行了研究，并獲得了一定的成果，這些成果都有助于滾動導軌的發(fā)展： 日本學者對導軌進行了剛度的分析，他們研究了究導軌的剛度改變；有人還提出了導軌的剛度與所受外載的關系，并將這定量化、具體化。根據研究結果，他們還研究了導軌平穩(wěn)性、定位精度等與導軌不同預載的關系。國外學者也研究導軌的額定壽命。日本學者對導軌壽命進行研究。他們總結出了導軌的壽命通用計算公式，和特定場合的壽命計算公式。 日本學者對導軌摩擦也進行了研究，得到了導軌摩擦力的數學模型導軌的潤滑和精度方面也有人研究，德國學者對導軌振動做了研究，總結出自己的模型。其中德國的阿亨工業(yè)大學，它對滾動導的靜態(tài)特性和動態(tài)性能進行了許多實驗研究研究。 總之，國際上的學者對滾動直線導軌的方方面面都進行了研究，并且都取得了一定的成果，他們的研究水平也是遠超國內的水平。 1.3 研究的內容及意義 1.3.1 研究的內容