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通過優(yōu)化柔性橢球體對欠驅動冗余度機械臂的自重構
摘要：根據(jù)優(yōu)化技術，欠驅動冗余度機械臂的多模型特征、柔性操作的測量、自重構的控制方法已被調查研究。分析了空間關節(jié)的結構變形和欠驅動冗余度機械臂柔性操作之間的關系，處于鎖定模式下欠驅動冗余度機械臂的一種新型柔性橢球體操作的測量被提出，能應用于獲得自重構控制的最理想結構。因此，基于簡諧振動隨時間變化非線性控制方法認為能完成其自重構。被動關節(jié)三連桿欠驅動機械臂等仿真例子在一些調查方面起重要作用。
關鍵詞： 欠驅動機械臂 自重構 優(yōu)化 非線性控制
0 前言
欠驅動裝置和機械臂能應用于許多領域，例如太空技術、合作機械人、變形裝置。在太空領域里，由于沒有失去有用功能或了解系統(tǒng)的自重構。當驅動構件出現(xiàn)一些問題時，基于欠驅動技術的誤差出現(xiàn)是不可避免的。欠驅動機械臂也能被設計為合作機器人，也就是說COBOT。COBOT 的驅動不是作驅動裝置而是提供動力學非函數(shù)約束。COBOT 需要操作人員提供外力才能完成準確的應用，例如在生物工程學上外科手術和半導體制造等等。在機械領域機械變形有多種模態(tài)，并能從一種模態(tài)向另一種模態(tài)轉變。引用不同模態(tài)之間的改變可能導致連桿數(shù)目的變化或機械變形的約束限制。很顯然，欠驅動控制、冗余度驅動和柔性裝置是不可避免的。因此，欠驅動系統(tǒng)逐漸的成為研究領域一個具有吸引力的話題。
從力學角度看，研究欠驅動機械臂系統(tǒng)是不可能控制的。被動關節(jié)的運動是必須靠與動力裝置連接。Jain等表明動力裝置是欠驅動機械臂的非完整性約束是二階的。在機械實際上，與非完整性約束廣泛被研究比較也有100多年歷史，然而，關于這種系統(tǒng)的運動規(guī)劃和控制技術的研究只是近10的事情，研究多針對輪式移動機器人、跳躍機器人、航空航天機器人等一階非完整性約束系統(tǒng)。關于欠驅動機械臂的研究觀點，Anthoney等研究運動的穩(wěn)定性，Arai 等提出隨時間變化方法完成系統(tǒng)的位置控制。Lee 等為欠驅動機器人提供了多種非線性控制方法。欠驅動研究的這些方法已從本質上揭示了它是非線性的，并且是隨時間變化的、抽象的。事實上，Brockett 已證實這并沒有消除阻礙和穩(wěn)定給定結構系統(tǒng)的靜電狀況反饋。很顯然，非線性系統(tǒng)的特征在組合空間多自由度是可以控制的。所以，非線性系統(tǒng)的控制研究受到更多的關注。
欠驅動機構和機械臂是對傳統(tǒng)機械設計基本原理相違背的，傳動機械設計基本原理認為，原動件的數(shù)目要與自由度的數(shù)目相等時，機構才具有確定的運動。欠驅動機械臂首先被提出并不是由于它的價值優(yōu)點，但一些研究表明，欠驅動機構的故意設計也是很有價值的。例如，Rivhter 等獲得由柔性欠驅動機械臂多維受力的測量。Nakamura 等設計出了輪式滾動接觸的非完整機器人和平面四連桿二驅動機械臂的控制。He 等針對欠驅動冗余度機械臂提出一種自由碰撞運動規(guī)劃演算法。從以上討論的結果來看，我們可推斷出在研究欠驅動時，可能遇到一些未被發(fā)現(xiàn)的新問題，如所提到的技術和理論的形成。因此，我們改善這裝置具有很大的潛能性。
這篇論文中，我們對欠驅動機械臂的靜態(tài)特征和自重構控制方法進行探索與研究。
1 柔性橢球體模型
機械硬度是機械臂的一個重要要素，它是用來抵抗受力和阻礙力的能力。對于開式鏈接機械臂而言，鏈接部分是非常重要的部分。所以末端位姿的變形將會對連桿帶來不良影響。轉矩可以近似滿足如下方程：
i=1，2，…，n （1）
式中 ——關節(jié) i 的轉矩
——關節(jié) i 的變形量
——關節(jié) i 的硬度系數(shù)
如果忽略關節(jié) i 的重力和摩擦力不計，假設機械臂末端位姿力矢，則轉矩方程又可以寫成：
（2）
式中
——關節(jié)的轉矩
——雅可比矩陣
眾所周知，關節(jié)有會有變形，機械臂末端位姿有如下關系式：
（3）
式中 ——機械臂末端位姿矢量
——關節(jié)的位姿矢量
將（1）式寫成矩陣的形式，結合（2）、（3）式，經(jīng)簡單的計算，和F之間的關系如下：
（4）
式中
如果定義
（6）
（6）式是末端位姿的柔性矩陣。然而，在太空工作強度矩陣一致。柔性矩陣C可以用來測量機械臂的靜態(tài)特征。矩陣C也有雅可比函數(shù)功能。因此，它在組合和構造要素較大范圍內(nèi)是可改變的，在穩(wěn)定條件下機械臂的可變特征能用于完成一些應該的復雜的操作。如裝配、拋光、維修等等。由（5）、（6）式可知矩陣C是對稱性矩陣。
如果定義
（7）
對矩陣C進行微分，方程式（7）我們又可以得到
（8）
式中，i=1,2,3,···，m應用了矩陣C的單一性。因此，是其對稱矩陣，有如下關系：
（9）
式（9）被描述為橢球體曲線方程，當橢球體的主要曲線與矩陣C的單一值相等時，這橢球體也被認為是一般柔性橢球體GFE。由于直觀原因，圖一中平面2連桿機械臂的的連桿長，GFE如圖（2）和（3）所示。
圖一 平面2R桿機械臂
圖2 平面2R桿全驅動機械臂的GFE模型
圖3 平面2R桿全驅動機械臂的GFE模型
這些圖示表明測量是需要依賴組合和機構要素。然而全驅動機械臂并不能改變其機構要素。因此，由于不同的構件（圖2），而不是結構要素（從圖2改變到圖3），GFE模型是可以改變的。當被動關節(jié)被引進作為全驅動機械臂時，為了方便使用，假設這些被動關節(jié)具有制動裝置和位置控制，以便被動關節(jié)能在自由模式和鎖定模式下進行制動。然而在運動學上，欠驅動機械臂揭示了一些冗余度連桿問題，并沒有表明在輸入方式下的自運動不如工作狀態(tài)下的自運動。另一方面，被動關節(jié)的制動模式能使欠驅動機械臂具有重構能力,系統(tǒng)具有敏捷性而使其能適合不同的工作。
2. 柔性矩陣
假設在欠驅動冗余度機械臂中s連桿為被動關節(jié) ，被動關節(jié)裝有制動裝置，當被動關節(jié)處于自由狀態(tài)時，其速度運動方程可以寫成為：
（10）
式中 ——機械臂末端位姿矢量
——驅動機械臂的雅可比矩陣
——分別為驅動和被動機械臂的廣義坐標矢量
當機械臂中被動關節(jié)處于鎖定狀態(tài)時，系統(tǒng)運動方程可變?yōu)?
（11）
式中 ——機械臂末端位姿矢量
——鎖定狀態(tài)下被動關節(jié)機械臂的雅可比矩陣
——驅動關節(jié)的機械臂廣義坐標
很顯然，方程（11）和（3）是同一形式，方程（10）和（11）表明欠驅動機械臂在運動學上具有不同的模式。換句話說，在運動學上系統(tǒng)具有多中模式特征。圖（4）平面3R連桿機械臂就是很好的例子。機械臂的第二關節(jié)是被動關節(jié)，其他的都是驅動關節(jié)。當被動關節(jié)處于自由狀態(tài)時，被選做為廣義坐標變量。如果被動關節(jié)處于自鎖狀態(tài)，機械臂的維數(shù)將變?yōu)?維，這廣義坐標變量為，顯然由于，但雅可比矩陣有如下關系：
圖4 平面3R桿機械臂
由于欠驅動機械臂存在不同的運動模式，一種可以用來優(yōu)化和機械臂的機構組合及自重構以使用不同的工作。預測如何完成基于欠驅動下的全驅動機械臂操作是不可避免的問題。不象全驅動冗余度機械臂那樣，欠驅動冗余度機械臂并不能改善其操作工作，執(zhí)行機械臂任務類似于輸入空間的體積比工作空間少的緣故。有一條可行的途徑就是在不同的時間分解機構的工作。例如，當機械臂工作處于驅動模式下，機構組合能進行機構自重構。然而當機械臂工作在全驅動模式下，其功能之一就是能控制機構的運動。事實上，處于欠驅動工作模式下的機械臂能辯別機構的運動，如位置控制或間斷點對應點運動。但是這并不是此論文所討論的重點。我們應關注的是欠驅動冗余度機械臂的靜態(tài)特征和機構自重構控制方法。
欠驅動機械臂兩中模式的運動方程可以被多種方法描述。但是在復雜的機械裝置中多連桿機械臂的機構要素定義還存在一定的困難。為了解決這些問題，我們將進行分析欠驅動冗余度機械臂的兩種模式間的關系。
假定一種特殊的機械臂組合機構，假設有，處于裝置的兩種模式下的末端位姿表達式是一致的，可以表示為
（12）
假設 （13）
（13）式表示微運動發(fā)生在關節(jié)部分而不是發(fā)生在末端位姿處，根據(jù)（13）式，方程式又可以寫成
（14）
把（14）代入（12）式中，我們可以得到
（15）
（15）式描述欠驅動機械臂兩種模式下的不同一機構。因此，兩種廣義坐標也是相等的。設，又可以得到
（16）
（16）式表示兩種模式下的雅可比矩陣間的關系。此式能預測出全驅動模式的運動。把（16）式代入方程式（5），可以得到全驅動模式下的欠驅動矩陣方程
（17）
根據(jù)方程（7），GFE欠驅動機械臂也能定義，方程（17）表示在機械裝置改裝后的系統(tǒng)靜態(tài)特征。其一，我們以通過3R桿機械臂模擬（圖4）。作為非冗余度機械臂而言，如果我們假定處于工作狀態(tài)下的一點，它不僅與柔性橢球體模型有關。相反有許多與處于冗余度機械臂工作狀態(tài)下的這一點相關。假設3R桿平面機械臂三桿長分別為，機構的起始角度為，GFE其他末端位姿起始位置如圖5所示。
顯然，根據(jù)處于工作狀態(tài)下的這種狀況，可知存在許多這樣的關節(jié)組合。這些機構都是與GFE相關的。但是一欠驅動冗余度機械臂存在機構自重構的能力。一般而言，我們期望的GFE在不同的基本組合中有類似的運動。換句話說，橢球體模型類似于一個球。如圖5所示，在3桿中第一桿運動狀態(tài)表現(xiàn)最佳。
3 非線性控制
我們通過分析系統(tǒng)的動態(tài)特性，為了尋求一種能有效地控制欠驅動機械臂運動。欠驅動機械臂動態(tài)方程可以寫成
（18）
（19）
式中為質量慣性矩，為中心吸引力和摩擦轉矩矢量。M是驅動關節(jié)轉矩矢量。是驅動關節(jié)廣義坐標矢量。是被動關節(jié)廣義坐標矢量。Jain等證實方程（19）是二階非線性約束方程。通過自重構，在工作狀態(tài)下給定位置，欠驅動機械臂具有改善裝置運動的能力。由于系統(tǒng)輸入空間維數(shù)少于空間關節(jié)的維數(shù)，被動關節(jié)的位置控制只能通過動態(tài)藕合來實現(xiàn)。基于Brockett理論，給定機構的系統(tǒng)并不是光滑的，穩(wěn)定性完全符合靜平衡反饋定律。因此，非線性控制的結果表明系統(tǒng)是非線性的、隨時間變化的、離散的。非線性控制方法還有一種就是在Ref（17）中所提到的全驅動關節(jié)的簡諧振動。這種方法的本質就是當驅動關節(jié)運動到一個周期時被動關節(jié)將偏離平衡位置（圖6）。
驅動關節(jié)的簡諧振動方程有
（20）
（21）
（22）
式中 A—簡諧振動的振幅
W—簡諧振動的角頻率
如果我們將式中（22）變換一下，代入（19）式得到
（23）
通常，角頻率是一個較大的數(shù)，因此，簡諧振動周期T=是一個非常小的數(shù)。被作為一個周期的約束，（23）式有可以寫成
（24）
（24）式表示一個周期后有一點發(fā)生偏離。顯然，構成整體的價值在于簡諧振動的振幅和角頻率，者就是簡諧振動中的驅動關節(jié)能控制被動關節(jié)的原因之一。
4 自重構控制律
自重構需要穩(wěn)定的控制技術。間諧振動非線性控制方法在第3部分已經(jīng)簡單地介紹了。下面我們將設計一個新的控制方法來執(zhí)行機構的自重構運動。這種方法將用于優(yōu)化在工作狀態(tài)下給定位置時的廣義柔性橢球體模型。
假設引用于一個期望的組合，此組合源于一些優(yōu)化方法，是驅動機械臂的驅動位置角。
設
（25）
式中 e——關節(jié)位置矢量誤差
對方程（24）進行微分有：
（26）
取滑動模態(tài)為 （27）
集中律為 （28）
式中 ，且sgn（）作為符號函數(shù)，有如下式子：
如果矢量有，可以得到下面式子：
（27）式表示驅動關節(jié)的運動滿足萊布羅定律。假設驅動關節(jié)輸入與（20）、（21）有關，當時，又可以得到如下關系式
將（26）式中2桿的2倍偏離量代入（30）式，可以得到
設驅動關節(jié)輸入為
將（32）和（31）式代入（19）式，有如下關系
振動振幅為
雖被動關節(jié)并沒有達到期望的位置，驅動關節(jié)輸入控制可用（32）式來描述，另一方面，被動關節(jié)處于期望的位置，輸入控制方式有以下方程。從（27）式中可知偏離時間為
結合（28）和（35）式，控制律為
顯然，這種控制方法是非線性的、隨時間變化的、且遵循Brockett理論。有以上關系重新整理振幅，控制律為
當ep=0時滿足
當ep≠0時滿足
5 仿真研究
在這部分中，選平面3R桿機械臂作為仿真模型，如圖4所示。設第二桿為機械臂的被動關節(jié)，其他兩桿為驅動關節(jié)。如果初始位置為，為了改善執(zhí)行廣義的柔性橢球體模型，更好的位置為，這在第三部分已給出。我們認為后面一種情況是我們期望的結果。根據(jù)第四部分所提供的控制方法，模擬仿真結果如圖7所示。
圖7 3R桿欠驅動機械臂的自重構運動
1.連桿1 2.連桿2 3.連桿3
圖7（a）表示隨時間變化的關節(jié)位置誤差；圖7（b）表示與時間有關的關節(jié)運動軌道軌跡；圖7（c）表示在自重構控制中機械臂機構位置的改變；圖7（d）表示關節(jié)速度與位置間關系圖。顯然，機械臂已滿足期望的機構完成自重構控制。
6 結束語
欠驅動技術是一個非常關鍵性的問題，它不僅能夠產(chǎn)生空間機器人系統(tǒng)的線性誤差，而且能操控合作機器人和機器裝置。欠驅動機械臂有實現(xiàn)機械自重構的能力。新的關儀廣義柔性橢球體欠驅動冗余度制動式機械臂的測量被提出。這測量由于優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。簡諧振動的非線性控制方法能執(zhí)行自重構運動。有3連桿欠驅動機械臂的仿真結果證明測量和振幅的控制是有效的。
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13
（2007屆）
本科生畢業(yè)設計（論文）資料
學 院、系：
機械工程學院
專 業(yè)：
機械設計制造及其自動化
學 生 姓 名：
班 級：
學號
指導教師姓名：
職稱
最終評定成績：
二○○六年九月制
目 錄
第一部分 過程管理資料
一、畢業(yè)設計（論文）課題任務書 ( 3 )
二、本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 ( 5 )
三、本科畢業(yè)設計（論文）進展情況記錄 (10 )
四、本科畢業(yè)設計（論文）中期報告 (12 )
五、畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱表 (13 )
六、畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱表 (14 )
七、畢業(yè)設計（論文）答辯及最終成績評定表 (15 )
第二部分 設計說明書
八、設計說明書 (16)
- 17 -
2007屆
本科生畢業(yè)設計（論文）資料
第一部分 過程管理資料
2007屆畢業(yè)設計（論文）課題任務書
院(系)： 機械工程學院 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
指導教師
學生姓名
課題名稱
ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設計
內(nèi)
容
及
任
務
內(nèi)容：
1. 調查分析原ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床的加工特點,確定新鉆銑床的主要技術參數(shù)。
2. 進行新數(shù)控立式鉆銑床的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設計。
3. 完成進給運動的機械結構設計。
4. 完成控制系統(tǒng)硬件設計。
任務：
1. 完成新設計數(shù)控立式鉆銑床的總體設計。
2. 設計說明書一份。
3. 設計圖紙齊全。
4. 控制系統(tǒng)的設計。
擬
達
到
的
要
求
或
技
術
指
標
一、說明書
1. 資料數(shù)據(jù)充分。
2. 計算過程詳細、完全。
3. 公式的字母含義應標明，有時還應標注公式的出處。
4. 內(nèi)容條理清楚，按步驟書寫。
5. 說明書要求由計算機打印出來。
二、設計圖紙
1. 根據(jù)總體設計方案，繪制ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床總圖一張（A1圖）。
2. 進行主運動的運動、強度和動力計算，繪制主軸箱部件展開圖一張（A0圖）。
3. 進行進給運動的運動強度動力計算，繪制縱向數(shù)控進給機構部裝圖一張（A0圖）。
4. 繪制數(shù)控鉆銑床零件圖一張(A1圖)。
5. 根據(jù)控制系統(tǒng)總體設計方案繪制控制系統(tǒng)電路圖一張。（A0圖）
6．科技譯文（不少于3000漢字，原文可自選或由指導教師提供）
7. 編寫畢業(yè)設計說明書一套（不少于二萬字，有英文摘要，全部用計算機打出）。
8. 總圖紙量不少于3張零號圖面。
進
度
安
排
起止日期
工作內(nèi)容
2006.12.20～2007.01.06
完成畢業(yè)設計的選題和開題報告
2006.01.07—2007.02.26
對設計的相關資料進行整理。
2007.02.27—2007.03.01
進行設計的初期計算，繪制總圖。
2007.03.02—2007.04.09
設計鉆銑床的主軸箱展開圖。
2007.04.10—2007.05.09
繪制零件圖和電路圖。
2007.05.10—2007.05.20
對整個設計進行合理性檢查
2007.05.21—2007.05.26
設計說明書的輸入以及畢業(yè)答辯的準備。
2007.05.28—2007.06.02
畢業(yè)設計答辯。
主
要
參
考
資
料
1. 《機械設計手冊》，機械工業(yè)出版社。
2. 《實用機床設計手冊》，遼寧科技出版社。
3. 《機床設計圖冊》，上?？萍汲霭嫔?。
4. 《TTL集成電路手冊》
5. 《存儲器手冊》
6. 《機床主軸變速箱設計指導書》，機械工業(yè)出版社。
7. 《機床數(shù)控系統(tǒng)設計指導書》，中國科技出版社。
8. 《數(shù)控機床系統(tǒng)設計》，化學工業(yè)出版社。
9. 《數(shù)控銑床設計》，化學工業(yè)出版社。
10. 《機電綜合設計指導書》，中國人民大學出版社。
11. 原ZJK-7532數(shù)控鉆銑床說明書一套。
教研室
意見
簽名：
年 月 日
院(系)主管領導意見
簽名：
年 月 日
本科畢業(yè)設計開題報告
（2007屆）
學 院、系：
機械工程學院
專 業(yè)：
機械設計制造及其自動化
學 生 姓 名：
班 級：
學號
指導教師姓名：
職稱
2007年 01 月 0 6 日
題目：ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計
1. 結合課題任務情況，查閱文獻資料，撰寫1500～2000字左右的文獻綜述
一、數(shù)控技術的發(fā)展史
我國數(shù)控技術起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質性進步。
二、數(shù)控機床的應用
數(shù)控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比在現(xiàn)在是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。銑床是一種用途廣泛的機床。它可以加工平面(水平面、垂直面等)、溝槽（鍵槽、T型槽、燕尾槽等）、多齒零件上齒槽（齒輪、鏈輪、棘輪、花鍵軸等）、螺旋形表面（螺紋和螺旋槽）及各種曲面。此外，它還可以用于加工回轉體表面及內(nèi)孔，以及進行切斷工作等。數(shù)控機床即數(shù)字程序控制機床，是自動化機床的一種。最早出現(xiàn)的是數(shù)控銑床。60年代以后，點位控制的機床迅速發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床和數(shù)控坐標鏜床。這類機床不需要復雜的控制算法就可以實現(xiàn)加工。數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)的關鍵設備，一個國家數(shù)控機床的產(chǎn)量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的制造業(yè)水平和競爭力。
三、國內(nèi)數(shù)控機床的特點
近年來，我國數(shù)控機床的產(chǎn)量持續(xù)增長，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術水平和質量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術性能指標較為成熟，價格合理，在國際市場上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動數(shù)控技術較成熟，并已有成熟商品走向市場。我國在數(shù)控機床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國已經(jīng)可以供應網(wǎng)絡化、集成化、柔性化的數(shù)控機床。同時，我國也已進入世界高速數(shù)控機床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉速在8000～10000轉/分以上的數(shù)控機床。我國數(shù)控機床行業(yè)近年來大力推廣應用CAD等信息技術，很多企業(yè)已開始和計劃實施應用ERP、MRPⅡ和電子商務。如，濟南第二機床集團有限公司的CAD普及率達100%，是國家級“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPⅡ系統(tǒng)應用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。
但是和發(fā)達國家相比，我國數(shù)控機床行業(yè)在信息化技術應用上仍然存在很多不足。
?。?、信息化技術基礎薄弱，對國外技術依存度高。我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術開發(fā)能力和技術基礎薄弱，信息化技術應用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術來源主要依靠引進國外技術，對國外技術的依存度較高，對引進技術的消化仍停留在掌握已有技術和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能數(shù)控機床基本上還得依賴進口。
?。病a(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在10000小時以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時；整機平均無故障工作時間國外達800小時以上，國內(nèi)最好只有300小時。
３、創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強。我國生產(chǎn)數(shù)控機床的企業(yè)雖達百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場競爭能力不強。
四、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)的機械加工設備, 在當今日益多變的市場需求和激烈競爭中, 已不能滿足企業(yè)上水平、求發(fā)展的需要。現(xiàn)在, 工業(yè)發(fā)達國家都是以數(shù)控機床為基礎, 向柔性加工自動化的方向(FMC, FMS) 發(fā)展, 并以對生產(chǎn)過程實行整個系統(tǒng)優(yōu)化的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS) 作為發(fā)展目標
1、高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關系到加工效率和產(chǎn)品質量。目前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度，使得高速運算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時，新一代數(shù)控機床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結構，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
2、智能化。現(xiàn)代數(shù)控機床的智能化發(fā)展將通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實現(xiàn)最佳目標的智能決策，對機床的工藝參數(shù)進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
3、基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動化。隨著計算機應用技術的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應用，是數(shù)控技術發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計算機內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進行計算和后置處理，從而自動生成數(shù)控機床零部件加工程序，以實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術的發(fā)展，當前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得，推動數(shù)控機床系統(tǒng)自動化的進一步發(fā)展。
4、發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關心的主要指標。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模或超大規(guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時通過自動運行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設備進行故障診斷和報警。
因此，對數(shù)控機床研究成為現(xiàn)代機床設計重要課題。本次設計我選擇ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床設計及控制系統(tǒng)設計。對ZXK-7532數(shù)控立式銑床的主運動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的機械結構進行了設計和計算，并對其控制系統(tǒng)的硬件電路進行了設計。
2.選題依據(jù)、主要研究內(nèi)容、研究思路及方案
本課題研究的是ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床的主軸變速箱，進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設計。通過參考ZJK-7532立式鉆銑床，及各廠家生產(chǎn)同類型的數(shù)控銑床進行比較，對ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床參數(shù)進行確定。然后進行機械部分和硬件電路部分設計，這是本課題的難點，也是問題存在之處。在機械部分設計完成之后，把硬件電路設計和機械部分結合在一起，就可以實現(xiàn)ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床的數(shù)字控制。
本文對主運動系統(tǒng)的設計與普通機床的設計方法一致，以鍛煉自己對常規(guī)機床設計的能力，其主軸變速箱的設計由分析比較圖冊上同類型銑床的結構布局，進行機械部分的設計。畫出結構草圖，通過修改之后確定其結構。進給系統(tǒng)部分采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，以步進電機作為伺服執(zhí)行元件。數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖，輸送到伺服系統(tǒng)中的環(huán)行分配器和功率放大器，使步進電機轉過相應的角度，然后通過減速齒輪和絲杠螺母機構，帶動工作臺移動。數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成，其中硬件電路是用MCS —51系列單片機組成的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用8031作CPU。擴展了兩片2764芯片，兩片6264芯片，兩片8255可編程并行I/O接口。再通過環(huán)型分配器驅動步進電機轉動。
3.工作進度及具體安排。
2006.12.20—2007.01.06 完成畢業(yè)設計的選題和開題報告。
2006.01.07—2007.02.26 對設計的相關資料進行整理。
2007.02.27—2007.03.01 進行設計的初期計算。
2007.03.02—2007.04.09 設計鉆銑床的主軸箱展開圖。
2007.04.10—2007.05.09 繪制零件圖和電路圖。
2007.05.10—2007.05.20 對整個設計進行合理性檢查。
2007.05.21—2007.05.26 設計說明書的輸入以及畢業(yè)答辯的準備。
2007.05.28—2007.06.02 畢業(yè)設計答辯。
4.指導教師意見。
指導教師：
年 月 日
說明：開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，此報告應在導師指導下，由學生填寫，將作為畢業(yè)設計（論文）成績考查的重要依據(jù)，經(jīng)導師審查后簽署意見生效。 本科畢業(yè)設計（論文）進展情況記錄
畢業(yè)設計（論文）題目：ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動、進給及控制系統(tǒng)設計
班級：______學號：_____學生： 指導教師：
時 間
任務完成情況
指導教師意見
第 周
至
第 周
指導教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導教師簽名：
年 月 日
注：教師監(jiān)督學生如實記錄畢業(yè)設計（論文）過程中根據(jù)《課題任務書》擬定的進度與進展情況以及畢業(yè)設計（論文）撰寫過程中遇到的問題和困難，并簽署意見。
第 周
至
第 周
指導教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導教師簽名：
年 月 日
注：教師監(jiān)督學生如實記錄畢業(yè)設計（論文）過程中根據(jù)《課題任務書》擬定的進度與進展情況以及畢業(yè)設計（論文）撰寫過程中遇到的問題和困難，并簽署意見。
本科畢業(yè)設計（論文）中期報告
填表日期： 2007年 3 月 26日
院（系）
機械工程學院
班級
學生姓名
課題名稱：ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計
課題主要任務：
調查分析原ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床的加工特點、存在問題,進行新的數(shù)控立式鉆銑床的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設計。
1、簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果
開題以來，認真查閱了一系列的參考文獻和與設計相關的書籍，對課題有了初步的整體了解，并通過參考各種資料書中有關數(shù)控鉆銑床的設計過程，對設計步驟和方法有了更深層次的了解。通過前段時間的設計計算和系統(tǒng)分析以及在顏竟成教授的認真指導下，數(shù)控鉆銑床的控制系統(tǒng)的設計是此課題最為重要的，也是難點之處，所以這對下一步的工作有著深刻的意義。
2、下一步的主要研究任務，具體設想與安排
1．對系統(tǒng)進行進一步的分析，做出初步的系統(tǒng)方案。
2．在做出的初步方案上進行修改，使其進一步完善。
3．確立方案后，接下來就是繪圖和說明書的整理。
3、存在的具體問題
個人對數(shù)控機床的了解深度有限，存在的主要問題是整個系統(tǒng)設計過程中，經(jīng)常遇到一些的問題，需同學和老師的指導，在整個系統(tǒng)設計中還不完善，需進一步的修改和完善。
4、指導教師對該生前期研究工作的評價
指導教師簽名：
日 期：
畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱表
院（系）： 機械工程學院
學生姓名
學 號
班 級
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
指導教師
姓 名
課題名稱
ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計
評語：（包括以下方面，①學習態(tài)度、工作量完成情況；②檢索和利用文獻能力、計算機應用能力；③學術水平或設計水平、綜合運用知識能力和創(chuàng)新能力；）
是否同意參加答辯：
是□ 否□
指導教師評定成績
分值：
指導教師簽字： 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱表
院、系：機械工程學院
學生姓名
學 號
班 級
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
課題名稱
ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計
評語：（對論文學術評語，包括選題意義；文獻利用能力；所用資料可靠性；創(chuàng)新成果及寫作規(guī)范化和邏輯性）
針對課題內(nèi)容給設計者（作者）提出3個問題，作為答辯時參考。
1.
2.
3.
評 分：
是否同意參加答辯
是□ 否□
評閱人簽名： 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）答辯及最終成績評定表
院、系（公章）：
學生姓名
學號
班級
答辯
日期
課題名稱
ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計
指導
教師
成 績 評 定
分值
評 定
教師
1
教師
2
教師
3
教師
4
教師
5
小計
課題介紹
思路清晰，語言表達準確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學，分析歸納合理，結論嚴謹，設計（論文）有應用價值。
30
答辯
表現(xiàn)
思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準確、大、深入,知識面寬。
70
合 計
100
答 辯 評 分
分值：
答辯小組長簽名：
答辯成績a：
× ％＝
指導教師評分
分值：
指導教師評定成績b：
× ％＝
評閱教師評分
分值：
評閱教師評定成績c：
× ％＝
最終評定成績：
分數(shù)： 等級：
答辯委員會主任簽名：
年 月 日
說明：最終評定成績＝a+b+c，三個成績的百分比由各院、系自己確定。
2007屆
本科生畢業(yè)設計（論文）資料
第二部分 設計說明書（或畢業(yè)論文）