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高架起重機(jī)的模糊控制設(shè)計(jì)與死區(qū)補(bǔ)償
出版： 施普林格出版社倫敦有限公司 2009，4月
[本要]：本文提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法控制三維橋式起重機(jī)。所提出的方法使用快速運(yùn)輸與模糊控制的一種控制控制死區(qū)補(bǔ)償起重機(jī)時(shí)接近目標(biāo)的精確定位和移動(dòng)負(fù)荷平穩(wěn)。只有剩下的距離和投影用于設(shè)計(jì)模糊控制器的擺動(dòng)角度。在這種方法中，沒(méi)有任何植物的起重機(jī)信息是必要的。因此，所提出的方法大大降低了計(jì)算的努力。幾個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明通過(guò)建議的方法，鼓勵(lì)有效性一種規(guī)模化的三維起重機(jī)模型。的非線性干擾，如作為突然碰撞，也考慮到檢查的所提出的方法的魯棒性。
[關(guān)鍵詞]：橋式起重機(jī)投影擺角 模糊控制器死區(qū)補(bǔ)償
1 引言
三維起重機(jī)由小車(chē)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和軟電線。工廠和港口經(jīng)常使用它用于搬運(yùn)重物。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小車(chē)和彈性鋼絲繩的載荷?？焖?、平穩(wěn)、精確移動(dòng)到目標(biāo)是起重機(jī)控制的主要目標(biāo)。一般情況下，有經(jīng)驗(yàn)的起重機(jī)操作員移動(dòng)到負(fù)載目的地慢慢地，把小車(chē)來(lái)回地來(lái)回地使負(fù)載平穩(wěn)，并試圖阻止臺(tái)車(chē)在目的地準(zhǔn)確而順利。然而，由于非線性負(fù)載搖擺運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)輸送由起重機(jī)操作員精確的負(fù)載定位是不容易的。此外，快速運(yùn)輸?shù)呢?fù)荷，但沒(méi)有擺動(dòng)是一個(gè)更加困難的目標(biāo)。因此，只有起重機(jī)操作員的反饋是不足以控制的運(yùn)輸過(guò)程中的起重機(jī)。
起重機(jī)控制的目的是將負(fù)載轉(zhuǎn)移到盡可能快的目標(biāo)；同時(shí)，盡量減少在運(yùn)輸過(guò)程中的擺動(dòng)和停止臺(tái)車(chē)正是在目的地。然而，加速的起重機(jī)總是伴隨著非線性負(fù)載的擺動(dòng)，它可能造成的負(fù)載損壞，甚至發(fā)生意外。一些調(diào)查已經(jīng)制定了防搖擺的方法橋式起重機(jī)的有效控制。有些物品起重機(jī)控制存在的問(wèn)題探討系統(tǒng)。在這些研究中，Guarnieri和特羅格[ 1 ]用最少的時(shí)間控制，以最大限度地減少負(fù)載擺動(dòng)。模型，以評(píng)估一個(gè)最佳的速度或路徑參考，最小化的負(fù)載擺動(dòng)[ 3，7 ]。然而,由于負(fù)載擺動(dòng)取決于小車(chē)的運(yùn)動(dòng)和加速度，最大限度地減少周期時(shí)間和負(fù)載搖擺是部分相互矛盾的要求。一些研究還應(yīng)用非線性控制理論分析起重機(jī)系統(tǒng)的性能[ 8，10 ]。此外，Karakorum和ribbing [ 11 ]還開(kāi)發(fā)了建模和基于能量的起重機(jī)的升降器的非線性控制。這些方法太用于工業(yè)用途的復(fù)合物；同時(shí)，它們花了太多時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)移負(fù)荷平穩(wěn)在交通運(yùn)輸開(kāi)始時(shí)劇烈搖晃。此外，吉田和川邊[ 12 ]提出了實(shí)時(shí)飽和起重機(jī)控制策略。松尾等人。[ 13 ]使用PID？基于Q-控制器防搖起重機(jī)。高木和Mishmash [14]開(kāi)發(fā)了一個(gè)集中控制系統(tǒng)與向上和向下和旋轉(zhuǎn)方向之間的耦合抑制懸臂式起重機(jī)的擺動(dòng)。這些研究主要集中在空載擺動(dòng)的抑制了控制，但在起重機(jī)的結(jié)束并沒(méi)有解決位置誤差的問(wèn)題運(yùn)動(dòng)[15]。基于一些模糊的方法[15-19]也提出了控制起重機(jī)。不幸的是，這樣的模糊控制器不能提供對(duì)所需性能起重機(jī)系統(tǒng)中，由于不確定性和大擾動(dòng)模糊系統(tǒng)，降低了工作效率。
在本文中，我們提出要容納所有的方法3D起重機(jī)控制的目標(biāo)，包括快速移動(dòng)起重機(jī)，負(fù)載的抗搖擺，和控制器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔程序。一種使用PID控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)快速交通控制的前部并應(yīng)用剩余距離和搖擺投影角度來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器。擬議的條款還提供補(bǔ)償算法來(lái)克服控制死區(qū)的問(wèn)題，提高了性能。一縮放起重機(jī)模式，以2米長(zhǎng)，2米寬，2米高，用于說(shuō)明該方法的有效性。這個(gè)方法不使用起重機(jī)的復(fù)雜植物模型設(shè)計(jì)了吊車(chē)的控制器，但兩者的定位和晃動(dòng)的問(wèn)題是可以解決的。
所提出的模糊控制方法大大有助于控制復(fù)雜的系統(tǒng)。這篇文章的結(jié)構(gòu)安排如下。第二部分示出了提出投影法和教派。 第三部分揭示了橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償算法。在第四部分幾個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)給說(shuō)明了該方法的優(yōu)點(diǎn)。
2 起重機(jī)控制器設(shè)計(jì)
起重機(jī)控制器設(shè)計(jì)的物理裝置三維起重機(jī)系統(tǒng)組成電車(chē)和軟線負(fù)載的關(guān)系,如所示圖1所示。兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電車(chē)沿著X軸和y軸和四個(gè)12位編碼器(兩個(gè)為傳感X - y位置電車(chē)和其他兩個(gè)旋角測(cè)量的負(fù)載在3 d空間)應(yīng)用于測(cè)量相關(guān)參數(shù)。負(fù)載的擺動(dòng)圖3 d圖2所示。一般來(lái)說(shuō),小車(chē)的運(yùn)動(dòng)將陪同的負(fù)載。當(dāng)電車(chē),向后旋角可以預(yù)期,反之亦然。那,相應(yīng)的擺動(dòng)的方向是相反的嗎小車(chē)運(yùn)動(dòng);與此同時(shí),小車(chē)的加速度也會(huì)造成額外的負(fù)載。因此,轉(zhuǎn)移順利快速的負(fù)載,并不容易。同時(shí)由于起重機(jī)控制的目標(biāo)之一轉(zhuǎn)移負(fù)載盡可能快;
因此,我們利用的距離快速PID控制在前95%運(yùn)輸,然后切換到模糊的投影方法來(lái)抑制負(fù)載擺動(dòng)。塊圖模糊的起重機(jī)控制系統(tǒng)圖3所示。
如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制，快速旅行期間，停止精確和平穩(wěn)地在末端擺動(dòng)，小車(chē)應(yīng)該被驅(qū)動(dòng)有以下標(biāo)準(zhǔn)。首先，小車(chē)應(yīng)該是沿著電子的方向，到達(dá)目的地盡可能快。其次，小車(chē)應(yīng)沿消除擺動(dòng)角度的方向。然而,電子和你的方向可能不一樣，和駕駛小車(chē)沿著電子和你的方向在其間可能是不可能的。因此，筆者適用模糊控制小車(chē)的方向E、X軸和Y軸雙電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)起重機(jī)。一個(gè)使用E是模糊的先行因素控制器得到模糊控制X軸電機(jī)，和其他適用的EY和/ Y導(dǎo)出控制Y軸電機(jī)。假設(shè)模糊控制器的輸出是超濾膜，其中的輸出作為輸入的模糊函數(shù)變量，
表1中定義的規(guī)則使用最低推理和重心去模糊化[20]。作者用輸出信號(hào)控制X軸和y軸的馬達(dá)。因?yàn)榈竭_(dá)目的地的因素和消除搖擺都考慮設(shè)計(jì)fuzzy-based起重機(jī)控制器,投影方法保證是抑制同時(shí)擺動(dòng)起重機(jī)驅(qū)動(dòng)沿方向到達(dá)目的地。它比通常的fuzzy-based驅(qū)動(dòng)方法起重機(jī)抑制來(lái)回?fù)u擺。順便說(shuō)下,實(shí)現(xiàn)快速和平穩(wěn)過(guò)渡負(fù)載,驅(qū)動(dòng)電車(chē)沿著方向E和u必須遵守規(guī)則。余下的路程E u和swing水平也存在的目標(biāo)控制。因此,的目的起重機(jī)控制最小化E和u。然而,有一個(gè)電車(chē)和負(fù)載之間的軟線?？刂葡鼸 u并不是在同一表面上,和權(quán)力沒(méi)有必要將完全從電車(chē)負(fù)載。因此,一些非線性屬性將展覽。此外,通過(guò)軟線的控制也增加的非線性和復(fù)雜性。因此,非線性控制器將是更正確的選擇設(shè)計(jì)起重機(jī)控制器。這是作者選擇的主要原因fuzzy-based控制器
3 死區(qū)補(bǔ)償方法
小車(chē)起重機(jī)是一種重型機(jī)械系統(tǒng)，由直流電動(dòng)機(jī)。如果控制輸入電壓很小，直流電動(dòng)機(jī)不能驅(qū)動(dòng)小車(chē)吊機(jī)非線性摩擦，造成控制死區(qū)和降低性能。圖6顯示了死區(qū)的本文中的實(shí)際規(guī)模的起重機(jī)控制系統(tǒng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，X軸和Y軸電機(jī)都表現(xiàn)出死區(qū)效應(yīng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的絕對(duì)值小于0.24為Y軸電機(jī)和0.1電機(jī)、小車(chē)可以阻止由于死區(qū)，降低性能。為了避免這些情況，
建議系統(tǒng)采用補(bǔ)償算法 補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)對(duì)目標(biāo)的距離足夠遠(yuǎn)，模糊控制器教派解決。 將生成足夠動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)電車(chē)。然而，當(dāng)小車(chē)接近目的地的功率會(huì)逐漸減小。當(dāng)衍生模糊功率太小時(shí)，手推車(chē) 目的地之前可以停止由于控制盲區(qū)。在這種情況下，基于模糊補(bǔ)償算法將激活累積的控制力量駕駛起重機(jī)從盲區(qū)出發(fā)。塊用補(bǔ)償算法沿圖示 在圖7.設(shè)計(jì)程序被描述為 如下。步驟1在補(bǔ)償模糊控制器，所述絕對(duì) DE的值被用來(lái)為先行詞，而額外 電力來(lái)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)。
圖8a和b示出了 相應(yīng)的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則示于表2中。步驟2在門(mén)的距離仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，模糊控制器將產(chǎn)生足夠的權(quán)力，
驅(qū)動(dòng)小車(chē)起重機(jī)。然而，功率將減少 當(dāng)小車(chē)接近目的地。速度因此放緩。如果的變化小車(chē)位置| DE |小于，則手推車(chē)起重機(jī)對(duì)于盲區(qū)會(huì)逐漸停止。補(bǔ)償方法激活這個(gè)時(shí)候提供額外的動(dòng)力。增加控制這有助于在目的地前的起重機(jī)停下來(lái)。補(bǔ)償原理示于以下方程組
靈活的電線與負(fù)載相連。因此，該起重機(jī)系統(tǒng)的非線性，因此增加檢驗(yàn)補(bǔ)償控制算法的能力。作者設(shè)置了起重機(jī)控制的停止準(zhǔn)則系統(tǒng)具有以下資格：距離目標(biāo)是小于0.001米，同時(shí)，擺動(dòng)角度負(fù)載小于0.5。而起重機(jī)可以停止由于控制死區(qū)補(bǔ)償算法，將激活提供額外的力量，直到停止。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
一個(gè)規(guī)模起重機(jī)模型是建立在實(shí)驗(yàn)室中證明了該方法的有效性。兩個(gè)DC施加于X軸和Y軸馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)銷(xiāo)起重機(jī)系統(tǒng)。 4個(gè)12位編碼器發(fā)送的信息本位置（包括X和Yates的坐標(biāo)）小車(chē)和負(fù)載，HXZ的擺動(dòng)角度和HYZ，到控制器。負(fù)載的重量為0.7公斤懸掛柔性金屬絲的長(zhǎng)度為1m。假設(shè)負(fù)載的目的地被設(shè)定為（1.5米，1.5米），而負(fù)載的起始位置是在（0米的位置，0米）。在實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)的常數(shù)是KP = [10，9.85]，KI = [0，0.002]和K D = [9.6，8.65]。
圖9示出了具有僅PID的實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制器。圖9a示出的剩余距離目標(biāo)和圖9b顯示擺動(dòng)角度HXZ和HYZ。一可以發(fā)現(xiàn)，小車(chē)驅(qū)動(dòng)快，但有嚴(yán)重的擺動(dòng)。手推車(chē)的最終位置是（1.47156米，1.50002米）和剩余的擺動(dòng)幅度為約12對(duì)于HXZ和代替shy。只用了8秒到達(dá)目標(biāo)，但揮桿無(wú)法克制好。
圖10a-b顯示用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的方法。人們可以發(fā)現(xiàn)，車(chē)花了約5秒到目的地;在此同時(shí)，回轉(zhuǎn)角度投影法的表現(xiàn)非常出色。該剩下的擺動(dòng)幅度是0.09對(duì)于HXZ和0.02，但是，它是困難的小車(chē)在目標(biāo)精確地停止;手推車(chē)的最終位置是（1.48274米，1.49956米）。因此，對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差小車(chē)是X軸和Y軸28.44和0.02毫米，分別。這個(gè)問(wèn)題是由的摩擦引起的X軸和Y軸軌道小車(chē)。因此，如果手推車(chē)是非常接近目標(biāo)，模糊控制器將提供小功率要達(dá)到的目標(biāo)。當(dāng)電源不足以克服所述控制死區(qū)，該手推車(chē)將停止在錯(cuò)誤的地方，使得性能更差。此外，X軸的定位誤差是更糟比Y軸。這一結(jié)果控制匹配的X電機(jī)的盲區(qū)問(wèn)題比Y型電機(jī)嚴(yán)重。
圖11 a - b,提出了補(bǔ)償方法應(yīng)用于投影控制。的主要區(qū)別無(wú)花果。10和11之間的位置誤差電車(chē)。人們可以發(fā)現(xiàn)swing也克制在7或8秒;與此同時(shí),精確電車(chē)停了下來(lái)在補(bǔ)償算法后的目標(biāo)是激活。電車(chē)的最終位置(1.49967 m,1.49991米)的定位誤差只有0.33毫米
軸和0.09毫米的軸。除此之外,其余Hz搖擺幅度約為0.04和0.04
一套兩個(gè)索引比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果,位置指數(shù)其中T是最后的時(shí)間控制。對(duì)比提出的方法描述了圖12 a和b?？梢詷O大地提高發(fā)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償3 d橋式吊車(chē)系統(tǒng)的控制性能。然而,通常用于橋式吊車(chē)系統(tǒng)在戶外。突然碰撞等干擾可能影響的負(fù)載控制性能。
在過(guò)去實(shí)驗(yàn)中，作者使用的額外的驅(qū)動(dòng)力，-0.5，作為負(fù)載突然碰撞。這種碰撞持續(xù)半秒后小車(chē)驅(qū)動(dòng)20?s,圖?13a — — b?所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一個(gè)可以輕松地找到那秋千成為非常嚴(yán)重負(fù)載的碰撞發(fā)生。然而，建議方法仍然可以做好它?？梢韵蝌?qū)動(dòng)小車(chē)很快就抑制擺角。與其他研究中所示的另一個(gè)實(shí)際的三維起重機(jī)控制系統(tǒng)相比，該方法節(jié)省旅行時(shí)間和提供簡(jiǎn)單技術(shù)抑制負(fù)載擺動(dòng)和很好位置錯(cuò)誤。此外，提出基于模糊控制器不需要開(kāi)小車(chē)來(lái)回要控制搖擺，這樣也可以減少負(fù)載的損害的機(jī)會(huì)。應(yīng)用設(shè)計(jì)控制器的信息也有助于簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)。評(píng)論有一些參數(shù)應(yīng)來(lái)決定提出的設(shè)計(jì)。
大多數(shù)的常數(shù)，在這篇文章，如通過(guò)?Mat-lab?仿真下得到?PID?參數(shù)，同樣停止準(zhǔn)則和安全約束[10]?起重機(jī)的數(shù)學(xué)模型。開(kāi)關(guān)條件和停止條件決定速度運(yùn)輸。這兩個(gè)參數(shù)可以任意設(shè)置為滿足不同的控制要求?；旧?，F(xiàn)LC?的隸屬度函數(shù)可以選擇同樣是分布的動(dòng)態(tài)范圍。但是，我們注重起重機(jī)控制附近的目標(biāo)。這就是為什么隸屬度函數(shù)相近，接近于零。
5 結(jié)論
提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)控制三維起重機(jī)系統(tǒng)。這種方法是基于位置誤差和偏轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)起重機(jī)的投影控制器。沒(méi)有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)方程起重機(jī)必須考慮在控制器設(shè)計(jì)。作者還設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償死區(qū)補(bǔ)償算法,提高性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法可以大大抑制搖擺不暴露業(yè)績(jī)快速移動(dòng);
致 謝
這項(xiàng)工作是由下格蘭特NSC-94-2213-E-民國(guó)中國(guó)的國(guó)家科學(xué)委員會(huì)支持
231-020。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的任務(wù)和要求：
設(shè)計(jì)任務(wù)為了解銑床主軸變速箱的結(jié)構(gòu)和工作原理，使用三維solid works設(shè)計(jì)軟件完成給定型號(hào)銑床主軸變速箱的三維設(shè)計(jì)，繪制二維工程圖，并實(shí)現(xiàn)銑床主軸變速箱的運(yùn)動(dòng)仿真。
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
（1）掌握三維solid works設(shè)計(jì)軟件的使用技術(shù)；
（2）完成給定型號(hào)主軸變速箱的三維建模；
（3）用三維設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)銑床主軸變速箱的運(yùn)動(dòng)仿真；
（4）繪出（或打印出）部分相關(guān)工程圖；
（5）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：
(a)設(shè)計(jì)合理，語(yǔ)句通順，格式規(guī)范，圖表正確，表述清晰；
(b)打印成冊(cè)。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)
3．對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)、圖紙、實(shí)物樣品等)：
1 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告一份；
2 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一本，要求思路清晰，語(yǔ)句通順，無(wú)錯(cuò)別字；
3 圖紙一套，要求結(jié)構(gòu)合理，表達(dá)正確、清晰。
4．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題工作進(jìn)度計(jì)劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2016年
2月29日 ~ 3月 21日
3月 22日 ~ 5月 20 日
5月 21日 ~ 5月31日
6月 01日 ~ 6月05日
學(xué)習(xí)相關(guān)軟件，查閱資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；
熟悉開(kāi)發(fā)環(huán)境，詳細(xì)設(shè)計(jì)；
撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)；
畢業(yè)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)課題情況，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
1.1前言
銑床主要指用銑刀在工件上加工多種表面的機(jī)床。通常銑刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，工件和銑刀的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。它可以加工平面、溝槽，也可以加工各種曲面、齒輪等。銑床是用銑刀對(duì)工件進(jìn)行銑削加工的機(jī)床。銑床除能銑削平面、溝槽、輪齒、螺紋和花鍵軸外，還能加工比較復(fù)雜的型面，效率較刨床高，在機(jī)械制造和修理部門(mén)得到廣泛應(yīng)用。
銑床是一種用途廣泛的機(jī)床，在銑床上可以加工平面（水平面、垂直面）、溝槽（鍵槽、T形槽、燕尾槽等）、分齒零件（齒輪、花鍵軸、鏈輪）、螺旋形表面（螺紋、螺旋槽）及各種曲面。此外，還可用于對(duì)回轉(zhuǎn)體表面、內(nèi)孔加工及進(jìn)行切斷工作等。銑床在工作時(shí)，工件裝在工作臺(tái)上或分度頭等附件上，銑刀旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，輔以工作臺(tái)或銑頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件即可獲得所需的加工表面。由于是多刃斷續(xù)切削，因而銑床的生產(chǎn)率較高。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，銑床可以對(duì)工件進(jìn)行銑削、鉆削和鏜孔加工的機(jī)床。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
（1）銑床國(guó)外研究現(xiàn)狀
銑床最早由美國(guó)人E.惠特尼于1818年創(chuàng)造的臥式銑床。為了銑削麻花鉆頭的螺旋槽，美國(guó)人J.R.布朗于1862年創(chuàng)造了第一臺(tái)萬(wàn)能銑床，是為升降臺(tái)銑床的雛形。1884年前后出現(xiàn)了龍門(mén)銑床。20世紀(jì)20年代出現(xiàn)了半自動(dòng)銑床，工作臺(tái)利用擋塊可完成“進(jìn)給-快進(jìn)”的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。?
1950年以后，銑床在控制系統(tǒng)發(fā)面發(fā)展很快，數(shù)字控制的應(yīng)用大大提高了銑床的自動(dòng)化程度。尤其是70年代后，微處理機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)在銑床上得到應(yīng)用，擴(kuò)大了銑床的加工范圍，提高了加工精度與效率。?
隨著機(jī)械化進(jìn)程不斷加劇，數(shù)控編程開(kāi)始廣泛應(yīng)用于機(jī)床類(lèi)操作，極大的釋放了勞動(dòng)力。數(shù)控編程銑床將逐步取代現(xiàn)在的人工操作。對(duì)員工的要求也會(huì)越來(lái)越高，當(dāng)然帶來(lái)的效率也會(huì)越來(lái)越高。
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，普遍采用計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；在加工技術(shù)方面，已實(shí)現(xiàn)了底層(車(chē)間層)的自動(dòng)化，包括廣泛地采用加工中心(或數(shù)控技術(shù))、自動(dòng)引導(dǎo)小車(chē)(AGV)等。近10余年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家主要從具有全新制造理念的制造系統(tǒng)自動(dòng)化方面尋找出路，提出了一系列新的制造系統(tǒng)。如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、并行工程、敏捷制造等。
（2）銑床國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
機(jī)械行業(yè)作為一個(gè)傳統(tǒng)而又具有發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)，伴隨著德國(guó)現(xiàn)在提出的“工業(yè)4.0”的概念以及中國(guó)提出的“2025計(jì)劃”，機(jī)械制造業(yè)面臨著有逐步向智能化方向轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、柔性化制造。
中國(guó)對(duì)銑床的研究開(kāi)展較晚，但是在廣大科研院所的共同努力下，已經(jīng)取得非?？捎^的成就。近年來(lái)我國(guó)在石油、化工、機(jī)械、輕工、發(fā)電、電子、橡膠、塑料加工等行業(yè)工藝設(shè)備的電氣控制中越來(lái)越多地采用PLC機(jī)控制并取得了顯著的效果深受各行業(yè)的
歡迎。銑床是以各類(lèi)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的傳動(dòng)裝置與系統(tǒng)的對(duì)象以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的技術(shù)裝置。隨著電子技術(shù)的發(fā)展可編程序控制器日益廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、電子加工與設(shè)備電氣改造中。 銑床作為機(jī)械加工的通用設(shè)備在內(nèi)燃機(jī)配件的生產(chǎn)中一直起著不可替代的作用。自動(dòng)銑床具有工作平穩(wěn)可靠操作維護(hù)方便運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低的特點(diǎn)已成為現(xiàn)代生產(chǎn)中的主要設(shè)備。自動(dòng)銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)很傳統(tǒng)的課題現(xiàn)在隨著各種先進(jìn)精確的諸多控制儀器的出現(xiàn)銑床控制的設(shè)計(jì)方案也越來(lái)越先進(jìn)越來(lái)越趨于完美。在我國(guó)七八十年代大多數(shù)銑床中大多數(shù)的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)都是采用繼電器控制也有相當(dāng)一部分輔機(jī)系統(tǒng)是采用繼電控制。因此繼電器本身固有的缺陷給銑床的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了不利影響。用PLC對(duì)銑床的繼電器式控制系統(tǒng)進(jìn)行改造已是大勢(shì)所趨。
通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的研究，我們明顯可知，目前我國(guó)的機(jī)械加工能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上國(guó)外。因此，本文開(kāi)展對(duì)銑床主軸變速箱的研究得非常重要。
(3)變速箱發(fā)展概況
機(jī)床變速箱是機(jī)床中極其重要的傳動(dòng)部件，因此在人們開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械時(shí)變速箱就已經(jīng)誕生。
早期的機(jī)床變速箱主要是簡(jiǎn)易的換擋變速箱，也就是通過(guò)單純通過(guò)齒輪和傳動(dòng)軸以及簡(jiǎn)單的變速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和變速。隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，加工技術(shù)和金屬材料日益先進(jìn)，使得換擋變速箱結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜和先進(jìn)。但是人們通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)換擋變速箱具有其設(shè)計(jì)原理上的缺陷，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的均勻變化，造成速度損失，從而影響加工條件。因此，人們開(kāi)始研究實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比連續(xù)變化的方案，也就是無(wú)級(jí)變速。
無(wú)級(jí)變速箱是在19世紀(jì)90年代出現(xiàn)的，至20世紀(jì)30年代以后才開(kāi)始發(fā)展，由于受當(dāng)時(shí)各方面因素如機(jī)械發(fā)展水平、材質(zhì)和加工工藝等條件的限制，進(jìn)展十分緩慢。20世紀(jì)50年代，尤其是70年代以后，隨著科技的發(fā)展，原本無(wú)法解決或很難解決的技術(shù)難題一一突破。加之實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)無(wú)級(jí)變速箱的需求越來(lái)越多，無(wú)級(jí)變速箱得到了很大的發(fā)展，得到了較為廣泛的應(yīng)用。
1.3總結(jié)
本綜述對(duì)銑床的結(jié)構(gòu)、分類(lèi)等基本知識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)介，對(duì)銑床主軸的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧，指出了國(guó)產(chǎn)機(jī)床發(fā)展過(guò)程中存在的缺陷。通過(guò)前期查閱資料對(duì)銑床主軸變速器有一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，便于設(shè)計(jì)內(nèi)容的順利進(jìn)行。
參考文獻(xiàn)
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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研究或解決的問(wèn)題
（1）通過(guò)對(duì)自己所查找的相關(guān)資料，了解掌握銑床主軸箱。
（2）熟悉銑床主軸變速箱的三維設(shè)計(jì)與仿真過(guò)程。
（3）學(xué)會(huì)Solid works設(shè)計(jì)軟件，完成老師所給型號(hào)的主軸箱變速箱的三維建模。
（4）用三維設(shè)計(jì)軟件Solid works對(duì)銑床主軸變速箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
（5）編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)，完成相應(yīng)的工程圖設(shè)計(jì)。
1.2擬采用的設(shè)計(jì)方案
（1）擬定對(duì)X6132型銑床主軸箱進(jìn)行三維設(shè)計(jì)及仿真工作，其結(jié)構(gòu)如圖所示。主要包括（1.主軸2.大帶輪3.皮帶4.小帶輪5.普通三相電動(dòng)機(jī)6.齒輪組7.傳動(dòng)軸I 8.主運(yùn)動(dòng)軸承(6個(gè)）9.主軸箱.10.傳動(dòng)軸Ⅱ 11.17變順調(diào)速電動(dòng)機(jī)12.絲杠螺母裝置B 13.滑臺(tái)導(dǎo)軌14.主軸套筒15.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸承（2個(gè)）16.絲杠螺母裝里I）
(2)主要參數(shù)
最低轉(zhuǎn)速
N min
(r/min)
最高轉(zhuǎn)速
N max
(r/min)
主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
N min
(r/min)
主動(dòng)電機(jī)功率
N （k w）
公比
φ
轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) z
(3)利用三維軟件Solid works進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和仿真。
1.3擬采用的研究思路和手段
初步擬采用理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究方法。針對(duì)銑床主軸變速箱設(shè)計(jì)主要采取以下方法：
①收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析并總結(jié)各自方案的優(yōu)缺點(diǎn)；通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究情況，提出自己的看法，擁有自己的創(chuàng)新點(diǎn)。
②通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行總體分析并詳細(xì)設(shè)計(jì)，初步確定本設(shè)計(jì)的研究思路。
③總結(jié)自己的思路，并與指導(dǎo)老師、同學(xué)們進(jìn)行交流，最終確保本畢業(yè)設(shè)計(jì)思路的正確性和可行性。
④在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果遇到疑問(wèn)或問(wèn)題，及時(shí)與老師溝通交流；最終完成銑床主軸變速箱設(shè)計(jì)。
⑤撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。
1.4進(jìn)度安排
2月29日-3月3日：查閱資料
3月4日-3月21日 ：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告
3月22日-3月26日：熟悉Solid works環(huán)境,建立某型號(hào)銑床三維模型
3月27日-4月19日：進(jìn)行主軸變速箱仿真加工
4月20日-5月18日：確定優(yōu)化方案
5月19日-6月1日： 完成畢業(yè)論文初稿
6月2日—6月5日：根據(jù)指導(dǎo)老師意見(jiàn)，修改論文初稿，完成終稿，準(zhǔn)備答辯
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
該生課題為某型號(hào)銑床主軸變速箱三維設(shè)計(jì)與仿真，選題具有一定的實(shí)用價(jià)值。
該生通過(guò)查閱文獻(xiàn)，了解了銑床主軸變速箱的結(jié)構(gòu)、工作原理，文獻(xiàn)綜述部分對(duì)銑床主軸變速箱作了較為完整的介紹，并對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀有了一定了解，在第二部分?jǐn)M定了合理的研究方案和設(shè)計(jì)思路。
開(kāi)題報(bào)告書(shū)寫(xiě)格式規(guī)范，條理清晰，基本達(dá)到要求。
同意開(kāi)題。
指導(dǎo)教師：
2016 年3 月21 日
所在學(xué)院審查意見(jiàn)：
同意開(kāi)題
負(fù)責(zé)人：
2016 年 3 月22 日
X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱三維設(shè)計(jì)與仿真
摘要：銑床主軸變速箱作為銑床的重要組成部分，為主軸的不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行切削提供了可能。
通過(guò)了解X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱相關(guān)參數(shù)，確定合理的傳動(dòng)方案，并對(duì)各級(jí)齒輪的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。然后利用CAD繪制軸和齒輪各零件的二維工程圖。最后利用Solid Works三維建模并且進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。并編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
關(guān)鍵詞：X6132銑床；主軸變速箱；CAD；Solid Works；運(yùn)動(dòng)仿真
X6132 milling machine spindle box 3D design and simulation
Abstract: Milling spindle gearbox as an important part of the milling machine for different spindle speed cutting possible.
???? By understanding X6132 milling spindle gearbox parameters, determine a reasonable transmission scheme, and the strength and fatigue strength of the gear at all levels will be checked. Then use the CAD drawing shafts and gears of the parts of the two-dimensional drawing. Finally, three-dimensional modeling Solid Works and motion simulation. And the preparation of design specifications.
Keywords: X6132 milling machine；Main shaft transmission ；
CAD；Solid Works；Motion simulation
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目錄 Ⅲ
1. 概述 1
1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2 X6132萬(wàn)能銑床 1
1.3 X6132萬(wàn)能銑床主要技術(shù)參數(shù) 2
2. X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱設(shè)計(jì) 4
2.1 X6132萬(wàn)能銑床傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4
2.2 X6132萬(wàn)能銑床齒輪設(shè)計(jì) 8
2.3 X6132萬(wàn)能銑床各齒輪參數(shù)表 12
3. X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱 CAD繪圖 13
3.1 CAD軟件簡(jiǎn)介 13
3.2 X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱圖紙繪制 13
3.3 X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱CAD圖紙 16
4. X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱三維建模 18
4.1 Solid Works軟件介紹 18
4.2 Solid Works繪制傳動(dòng)軸三維建模 18
4.3 Solid Works繪制齒輪三維建模 22
4.4 Solid Works裝配圖三維建模 26
4.5 Solid Works X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱總圖三維建模 30
5. X6132主軸變速箱運(yùn)動(dòng)仿真 32
6. 總結(jié) 37
參 考 文 獻(xiàn) 38
致 謝 40
5
1. 概述
1.1 國(guó)內(nèi)外機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀
從上世紀(jì)80 年代起銑床制造業(yè)進(jìn)入了高速的發(fā)展時(shí)期，90年代中期，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)自動(dòng)銑床，并新建了自動(dòng)化銑床產(chǎn)業(yè)基地。所生產(chǎn)的主要是一些中低端的自動(dòng)銑床。在國(guó)內(nèi)由于價(jià)格優(yōu)勢(shì)，很快的到了普遍使用，為后來(lái)的進(jìn)軍中高端數(shù)控自動(dòng)銑床鋪平了道路。目前國(guó)產(chǎn)的一些中高端自動(dòng)銑床和國(guó)外的一些先進(jìn)的產(chǎn)品還是有較大的差距。[2]我國(guó)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床產(chǎn)品依據(jù)在緊跟國(guó)際的步伐。
1.2 X6132萬(wàn)能銑床
X6132萬(wàn)能銑床主要構(gòu)造由床身、工作臺(tái)，X軸電機(jī)，Y軸電機(jī)，Z軸電機(jī)。減速箱等基本分組成。其外形結(jié)構(gòu)如下圖所示。
銑床結(jié)構(gòu)圖
1.3 X6132萬(wàn)能銑床主要技術(shù)參數(shù)
X6132萬(wàn)能銑床主要技術(shù)參數(shù)
主要技術(shù)參數(shù)
?
X6132
工作臺(tái)面尺寸
mm
320X1325
工作臺(tái)最大縱（橫）向行程（手動(dòng)|機(jī)動(dòng)）
mm
700/680、255/240
工作臺(tái)最大垂向行程（手動(dòng)|機(jī)動(dòng)）
mm
320/300
工作臺(tái)最大回轉(zhuǎn)角度
?
±45°
主軸中心線至工作臺(tái)面距離
mm
30/350
主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)
?
18 steps
主軸轉(zhuǎn)速范圍
?
30~1500
工作臺(tái)進(jìn)給量級(jí)數(shù)
?
18 steps
主電機(jī)功率
kw
7.5
進(jìn)給電機(jī)功率
kw
1.5
機(jī)床外形尺寸
mm
2294X1770X1610
機(jī)床重量（凈重）
kg
2650/2950
工作臺(tái)縱（橫）向進(jìn)給速度
mm/min
10-1000（21級(jí)）
工作臺(tái)垂向進(jìn)給速度
mm/min
33-333（21級(jí)）
工作臺(tái)縱（橫）向快速進(jìn)給速度
mm/min
2300
工作臺(tái)垂向快速進(jìn)給速度
mm/min
766.6
圖1-8 銑床實(shí)物圖
2. X6132萬(wàn)能銑床主軸變速箱設(shè)計(jì)
2.1 X6132萬(wàn)能銑床傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
X6132萬(wàn)能銑床電動(dòng)機(jī)輸入功率為7KW，轉(zhuǎn)速為1440r/min。X6132萬(wàn)能銑床主軸傳動(dòng)流程如下圖所示：