滚动直线导轨设计及相关技术研究【含5张CAD图纸和文档全套】【LB6】
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文章编号：基于Dubins路径的智能车辆路径规划算法研究宋国浩，黄晋英，兰艳亭（中北大学机械与动力工程学院 太原，030051）摘要：路径规划是车辆智能化的核心问题之一，而所有路径均可分解为简单的Dubins路径。在Dubins路径的思想下对智能车辆的行驶路径进行分段研究，并利用经典PID控制对该算法的执行性能进行检验。研究表明：算法能计算出车辆行驶的最短路径，减少了车辆行驶的路径长度，缩短了行驶时间，减少了控制系统的计算量，提高了车辆执行系统的执行力度，降低了执行误差，对最优路径具有较好的选择性。关键词：智能车；路径规划；Dubins路径；最短路径中图分类号：TP273+.1 文献标志码：AIntelligent Vehicles path planning algorithm based on the Dubins PathSong 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 ideaofDubins path and carried out tests on the executionperformance 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 computationamount of the control system, improved theenforcementof the vehicleexecution system, reduced the execution error, had a good selectivityof the optimal path.Keyword: Intelligent Vehicles; Path planning; Dubins Path; the shortest path1 引言路径规划应用在很多领域，例如：军事无人机，航天探测机器人，智能车辆，以及监视和侦察等工作1-3。路径规划在现代汽车领域中是一个研究热门领域，需要考虑多方面的因素，如：汽车自身约束条件，车辆行驶环境的约束以及其他的行驶问题。在路径规划中，首先应考虑车辆的可行驶性，在对车辆行驶路线进行规划时，应保证其安全行驶的前提下，尽可能大地规划出车辆行使范围。在保证车辆安全行驶的问题中，需要使车辆自主地绕开其它影响车辆行驶的物体，使车辆避免与障碍物相撞。路径规划算法应具有精确性，占有较小的内存，并满足实时性的要求，在执行过程中没有明显的延时问题4-5。此外，为了使行驶路径达到最优，提高行驶效率，还应缩短车辆行驶长度。目前，在有关路径规划中的研究中，如张明环等6提出的触须算法，此算法是在车辆行驶前，首先对车辆将要行驶的路线进行规划，让车辆按照规划好的16*81条可使用的路径行驶，这样可以使车辆节省大量的反应时间，但却不能够处理突变情况，研究背景过于理想化；王凯等7提出了改进的人工势场法，将此算法应用在智能车路径规划中的避障环节，解决了传统人工势场法在路径规划中易陷入局部极小值的问题，具有一定的实时性，但其受限于所用传感器性能的影响，其作用范围较小，且易受外界环境影响；Jiaojie Li 等8提出了协调避障算法，在车辆行驶过程中，应用一阶运动学、二阶动力学，对障碍物进行无速度监测并绕过障碍物，但其将所有障碍物作为静态处理，不具有灵活性，可能存在两车同时避让却无处可避的局面。本文主要根据Dubins路径规划算法对车辆的行驶路线进行规划控制，此种算法能够很好地决策出车辆在行驶过程中的最优路径，并可以解决多障碍物间的避障问题，具有良好的实时性，延时性较小。2 路径的选择路径规划的主要目的是寻求一条安全、快捷的行驶路线，使车辆完成行驶目的。一般情况下，车辆行驶在已知或者部分已知的区域内，即已知一些静态障碍物。现用P（x,y,v,a)来表示车辆行驶状态，（x,y)表示车辆行驶位置，（,v,a)中参数分别表示车辆行驶偏向角、行驶速度和行驶加速度。若车辆从起点P0行驶到终点P2的路径为R(q)，则可以近似表示为： (1)式中R(q)为产生的路径，q为路径参数，表示路径的长度变量（0qs)或路径中的角度变量（0q),q的具体值取决于行驶中的路况。对上式进行详细描述如下： (2)当车辆行驶过程中，遇到障碍物时，可通过控制系统及时改变参数（,v,a)来使车辆绕开障碍物。当然，车辆在行驶过程中，不只有已知的障碍物，还有其它的约束条件，如：在正常行驶条件下，最小时间、最小路径等作为其约束条件。用表示约束条件，则路径可表示为 (3)其控制原理示意图如下所示：图1 路径规划示意图路径规划中的运动学模型，在两自由度下的运动学特性和当前状态可表示为： (4)式中，v是车辆行驶速度，为水平角，为车辆转动角速度。当车辆行驶时，路径约束条件是必须考虑的重要因素之一。车辆路径规划的两个重要约束条件是可行性和安全性。车辆在行驶过程中避免相撞的问题可以表示为,。、为车辆本身的位置，、为车辆所监测到的障碍物的位置，、分别为横向、纵向安全距离。则路径规划中的约束问题可表示为 (5)我们期望车辆在行驶过程中能绕过障碍物且最终回到原行驶轨道上。则车辆行驶路径可以简化为Dubins路径：一个圆弧（C路径)或两个相切圆弧（CC路径）或两个圆弧通过一个共同的相切直线连接（CLC路径）。这是Dubins证明的两个位置点的最短路径9，C表示圆弧段，L表示与圆弧段相切的直线段。可以看出最后一种路径包含前两种路径，本文对CLC路径进行研究，即车辆行驶路径为起始转弯、直线行驶、终止转弯。分别对CLC路径中的三段Dubins路径建立对应的坐标系，坐标系分别为、。每个基本坐标定义为，是与速度矢量平行的单位切矢量，是与垂直的单位法矢量。图2为CLC路径几何图：图2 Dubins路径矢量和的模表示为初始与终止的转弯半径，其正负代表车辆是向左转弯还是向右转弯，同时也确定了运动曲率Q的正负，每个矢量定义如下： ， (6) ， (7) ， (8)式中：是初始转弯曲率，是终止转弯曲率，是直线行驶的长度。则车辆行驶时的速度矢量在各坐标系下的变换关系为： （9）式中：是从起始坐标系变换到终止坐标系的旋转矩阵。所以总的旋转角可表示为： （10）又因为连接矢量与、垂直。 （11）是基矢量；是起始圆弧对应的角度。系统在不同坐标下对车辆行驶的位置进行定义时，在起始坐标系下定义起点与终点的相对位置，如下式表示： , （12）在起始坐标系内用矢量的和表示这个位置矢量： （13）等式左边表示从起始圆弧中心到终止圆弧中心之间的矢量，所以： （14）等式中d表示两圆弧中心之间的距离。为了减少系统所处理数据的工作量，使系统更加高效的完成车辆在行驶时路径选择减少计算的误差率，希望整个过程能够在同一坐标系下进行运算，其基础就是将连接各坐标系的连接矢量、表示在同一坐标系下，则三者表示在起始坐标系中如下: （15）则，等式（14）在转换坐标下，可以表示为： （16）由于为旋转矩阵，所以： （17）即： （18）显然，若路径可行，则 （19）由等式（17）和式（18）可得： （20）又因转换矩阵为： （21）可以得到关于角度的等式如下： （22）其中： （23）由已知等式（10）求得终止角度如下： （24）所以，车辆经过一个CLC路径行驶的总长度为: （25）车辆从所求得的可行性的行驶路径中，比较选择最短路径来作为车辆的行驶路径，即min(L)。而车辆从坐标系行驶到坐标系后，其在两个坐标系中存在的关系为： （26）根据等式（26）可知，车辆在行驶过程中，通过坐标转换可以使用同一坐标进行表示，等式中矩阵B为齐次变换坐标矩阵。3 避障系统控制由图3可知车辆在行驶过程中，可能存在同时与多个障碍物相遇的问题，在解决此类问题中，首先根据Dubins最短路径算法确定车辆与障碍物间的最短距离以及相对速度。相对速度的表示则可由下式给出： （27）表示车辆行驶的的速度，表示第i个障碍物的行驶速度，表示第i个障碍物相对于车辆的行驶速度。则第i个障碍物相对于车辆的最短相遇距离矢量如下式所示： （28）表示车辆与第i个障碍物之间的直线距离，表示车辆与第i个障碍物行驶的速度方向之间的夹角。表示车辆与第i个障碍物相遇时的最短距离。图3 躲障碍物相遇示意图因此，若要保证车辆在行驶中的安全性与可行驶，需要根据监测的情况对车辆行驶速度的方向进行调整，使得大于车辆的安全距离、。在求解与多个障碍物相遇的问题中，通常需要构造Lyapunov函数来确定使用函数的稳定性10: （29）其中，是车辆行驶速度方向与系统期望车辆行驶速度方向之间的角度差，即车辆行驶速度方向角度误差；、分别为车辆由行驶速度方向向左或向右旋转到避开障碍物时的安全行驶速度方向的角度。则车辆与多个障碍物相遇的状况下，车辆的行驶速度方向的角速度可表示为： （30）其中：，上式也可表述为控制车辆避障系统的算法。由此可知， （31）其中： （32）车辆在行驶过程中，控制系统根据监测装置传递的信息进行控制，监测值用表示，其输出为高电平1时，表示前方有障碍物；输出为低电平0时，表示前方无障碍物。而分别表示车辆左、中、右三个方向的监测值。则车辆行驶决策表如下：表1 车辆行驶决策表有无障碍物决策结果000无直行001右侧有障碍物向左转度010中间有障碍物向右转度011左侧无障碍物向左转度100左侧有障碍物向右转度101中间无障碍物车辆可通过直行101中间无障碍物车辆不可通过停止或右转度110右侧无障碍物向右转度111前方有障碍物停止或右转度4 实验仿真(1)仿真系统搭建 车辆控制系统根据Dubins路径进行路径规划，并将此算法应用Matlab软件进行仿真。首先对道路进行设计，为了使道路状况尽可能的接近现实路况，设计道路为15m*15m的矩形场地，并与改进的人工势场法7进行对比；然后利用经典PID控制对系统的跟随情况进行检验。将车辆的舵机作为被控对象，图4为车辆对输入信号的跟随响应控制的方框图：图4 车辆跟随响应控制方框图根据车辆的控制方案图可得方块图如下：图5 车辆跟随响应控制方块图(2)仿真结果及分析 车辆行驶过程中，首先确定目标方向，通过转向、直行等过程绕过监测到的障碍物，并在整个过程中实时更新车辆所在位置的坐标。仿真结果如下，其中：黑色为Dubins算法行驶路径，蓝色为对比算法行驶路径。设计如图6所示典型路况，场地内设有各种典型矩形障碍物，并包括“一”字形障碍物和“U”形障碍物，检验车辆在典型路况下的行驶路径，验证Dubins路径规划算法的可行性。图7中设置有随机障碍物，检验车辆在复杂路况下的行驶路径。从两图中可以看出车辆在最短路径下对车辆行驶方位进行调整，在保证车辆行驶安全的条件下，能对路径进行最优选择。图6 典型路况下车辆行驶路线仿真图 图7 复杂路况下车辆行驶路线仿真图表2 典型路况仿真结果Dubins路径规划算法对比算法行驶时间(s)2.93.5行驶路径长度(m)18.621.7表3 复杂路况仿真结果Dubins路径规划算法对比算法行驶时间(s)4.45.4行驶路径长度(m)28.435.7通过典型路况和复杂路况仿真结果表明，Dubins路径规划算法能选择最短路径，缩短了车辆行驶时间，能为车辆提供更为合适的路径，并避免了车辆在行驶时陷入局部最优的传统缺陷，车辆在绕过障碍物后可以回到与初始位置相对应的路径上，与其它算法对比可得，Dubins路径规划算法能更好的完成实验目的。 图8 车辆跟踪曲线与参考曲线对比图9 车辆跟踪曲线误差图8、图9反映了车辆实际行驶路线对控制器设计路线的跟随情况，图8可以看出车辆对系统设计的路线具有很好的执行性，其执行偏差在0.5米以内；图9可看出，车辆的执行误差在4%以内，而随着车辆行驶状况的逐渐稳定，其执行误差会继续降低，具有较高的可靠性。5 结论如今在车辆智能化的趋势下，路径规划已经被越来越多的人们研究。本文在Dubins路径思想下对车辆行驶路径进行规划，完成了该算法下的仿真实验，并于其他算法进行了对比，算法简洁可行；在此算法理论下，对车辆行驶路径设计了两种不同复杂程度的路况，满足复杂路况下的行驶要求；对比结果表明，Dubins路径规划算法能计算出最短路径，对最优路径具有良好的选择性；车辆对此算法具有较高的执行性，并具有较低的误差率。参考文献1吴友谦,裴海龙.基于Dubins曲线的无人直升机轨迹规划J.计算机工程与设计,2011,32(4):1426-1429.2朱大奇,颜明重.移动机器人路径规划技术综述J.控制与决策,2010,25(7):961-967.3高强,宋雨,吕东澔等.多移动机器人路径规划仿真研究J.计算机仿真,2014,31(7):325-329.4 Giordano P R, Vendittelli M. Shortest paths to obstacles for a polygonal Dubins carJ. Robotics, IEEE Transactions on, 2009, 25(5): 1184-1191.5 Savla K, Frazzoli E, Bullo F. Traveling salesperson problems for the Dubins vehicleJ. Automatic Control, IEEE Transactions on, 2008, 53(6): 1378-1391.6张明环,张科.智能车避障触须算法中的障碍物探测研究J.西北工业大学学报,2012,30(5):763-767.7王凯,宋星秀,张一闻.利用改进人工势场法的智能车避障路径规划J.辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2014,33(9):1236-1239.8 Li J, Zhang W, Su H, et al. Coordinated obstacle avoidance with reduced interactionJ. Neurocomputing, 2014,139: 233-245.9Anderson R P, Milutinovic D. A Stochastic Approach to Dubins Vehicle Tracking ProblemsJ. Automatic Control, IEEE Transactions on, 2014,10:2081-2086.10英楚拉多斯,英怀特,英尚穆加韦尔.无人机协同路径规划M.北京：国防工业出版社，2013.毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计的任务和要求：掌握机床导轨的基本知识；了解机床高速进给对导轨的要求；研究数控机床滚动直线导轨的关键技术，掌握其选型、应用、设计方法等；完成一种滚动直线导轨/滑块组件的设计，要求满足普通精度数控铣床进给运动的使用。2毕业设计的具体工作内容：1） 分析题目要求，查阅相关的国内外文献、设计资料、有关专利文献等，在此基础上，了解开题报告的撰写方法、基本要求，完成开题报告；2） 学习和掌握滚动直线导轨的有关知识，了解其关键技术及发展现状；了解数控机床、加工中心对直线导轨的要求；总结滚动直线导轨的设计要点、技术关键及发展方向；力争提出滚动直线导轨设计的发展方向；3） 按题目要求，设计一种满足数控铣床进给运动需要的滚动直线导轨，完成结构图，给出必要的计算说明；4） 编写设计说明书；5） 翻译本专业外文科技文献一份。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计成果的要求：1）滚动直线导轨结构图；2）滚动直线导轨的研究及设计说明书一份；3）本专业外文科技文献译文一份。4毕业设计工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 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日分析课题要求，查阅相关文献资料，了解滚动直线导轨的国内外现状及发展趋势，提出自己的设计思路，完成开题报告；全面掌握滚动直线导轨的基本知识，了解高速机床对进给导轨的要求，了解直线导轨的设计特点；分析总结滚动直线导轨的发展方向；完成滚动直线导轨结构图设计；完成研究总结及设计说明书撰写答辩讲稿，准备答辩；学生所在系审查意见： 同意下发任务书系主任： 2016 年 2 月 29 日 毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1. 滚动直线导轨的工作原理滚动直线导轨副是由导轨、滑块、滚动体、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘屑末进入滑块内部。滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造1。直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动.直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的机床,纸碗机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的.像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上,滑块-使运动由曲线转变为直线。新的导轨系统使机床可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证机床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。作为导向的导轨为淬硬钢，经精磨后置于安装平面上。与平面导轨比较，直线导轨横截面的几何形状，比平面导轨复杂，复杂的原因是因为导轨上需要加工出沟槽，以利于滑动元件的移动，沟槽的形状和数量，取决于机床要完成的功能。例如：一个既承受直线作用力，又承受颠覆力矩的导轨系统，与仅承受直线作用力的导轨相比设计上有很大的不同23。直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，如机床的刀架，拖板等。直线导轨系统的固定元件(导轨)的基本功能如同轴承环，安装钢球的支架，形状为“v”字形。支架包裹着导轨的顶部和两侧面。为了支撑机床的工作部件，一套直线导轨至少有四个支架。用于支撑大型的工作部件，支架的数量可以多于四个。机床的工作部件移动时，钢球就在支架沟槽中循环流动，把支架的磨损量分摊到各个钢球上，从而延长直线导轨的使用寿命4。为了消除支架与导轨之间的间隙，预加负载能提高导轨系统的稳定性，预加负荷的获得是在导轨和支架之间安装超尺寸的钢球。钢球直径公差为20微米，以0.5微米为增量，将钢球筛选分类，分别装到导轨上，预加负载的大小，取决于作用在钢球上的作用力。如果作用在钢球上的作用力太大，钢球经受预加负荷时间过长，导致支架运动阻力增大。这里就有一个平衡作用问题；为了提高系统的灵敏度，减少运动阻力，相应地要减少预加负荷，而为了提高运动精度和精度的保持性，要求有足够的预加负数，这是矛盾的两方面工作时间过长，钢球开始磨损，作用在钢球上的预加负载开始减弱，导致机床工作部件运动精度的降低。如果要保持初始精度，必须更换导轨支架，甚至更换导轨。如果导轨系统已有预加负载作用。系统精度已丧失，唯一的方法是更换滚动元件。导轨系统的设计，力求固定元件和移动元件之间有最大的接触面积，这不但能提高系统的承载能力，而且系统能承受间歇切削或重力切削产生的冲击力，把作用力广泛扩散，扩大承受力的面积。为了实现这一点，导轨系统的沟槽形状有多种多样，具有代表性的有两种，一种称为哥待式(尖拱式)，形状是半圆的延伸，接触点为顶点；另一种为圆弧形，同样能起相同的作用。无论哪一种结构形式，目的只有一个，力求更多的滚动钢球半径与导轨接触(固定元件)。决定系统性能特点的因素是：滚动元件怎样与导轨接触，这是问题的关键5。2. 直线导轨的国内外的发展现状 （1）国内发展现状目前，国外生产滚动直线导轨副的厂商主要集中在美国、英国、德国及日本等国家。国内在滚动直线导轨副的制造方面还处于初始阶段，与国外相比，仍有差距，主要表现为：品种少、产量小、使用寿命低，噪音大，加工工艺也不如国外先进。以广东凯特精密机械有限公司、南京工艺装备制造厂为代表的国内企业，正在努力缩小这种差距，他们的部分产品已经具有国际先进水平。直线滚动导轨副的发展趋势滚动直线导轨副的新类型、新功能目前在不断涌现，并正在向组合化、集成化、高速、低噪音、智能化方向发展。(2)国外发展现状THK公司采用滚珠保持架与滚珠构成一体，保持滚珠平稳的进行循环运动，消除了滚珠间的相互摩擦，开发了噪声低、免维修、寿命长、速度可达300m/min的超高速直线运动的SSR导轨副，并已开始推广。该导轨副实现了100m/min运动速度下噪声小于50dB，摩擦波动幅度减少到以往产品的1/5。另外，通过了一次加油脂2cm3，运行2800km的试验。今后带滚珠保持架的直线运动导轨副将逐渐成为高档数控机床选用的主流69。HIWIN智慧型PG系列直线导轨，PG系列整合线性滑轨及编码器于一体，大幅增加空间效益。 兼具线性滑轨高刚性及磁性编码器高精度之优点。内藏式尺身及感应读头，不易受外力破坏。 讯号感应属非接触性，产品寿命长。 可做长距离之量测 (磁性尺身部份可达30m)。量测特性，不因含油、水、粉尘及切削屑之恶劣工作环境而改变;另对震动、噪音及高温之环境亦可胜任。 分辨率佳。 安装容易1012。（3）新材料制造的滚动直线导轨副 由于用户要求的多样化及使用环境的不同，出现了用新材料制造的滚动直线导轨副。例如，采用不锈钢制作的产品，其导轨轴、滑块、钢球、密封端和保持器均采用不锈钢材料制作，而反向器采用合成树脂，故耐腐蚀性提高。对于要求高温和真空用途时，反向器可以采用不锈钢材。此外，用陶瓷材料制造的滚动直线导轨副将会得到开发应用。 目前，在恶劣环境即高粉尘浓度、强酸、强碱和高腐蚀场合使用直线导轨还有一定的局限性。但随着直线导轨技术的日益完善，以及直线导轨具有高速性与控制性等诸多突出的优点，以及丰富的类型和功能，可以预期，此机构作为一个功能部件将越来越多地用在数控机床等机械设备上1315。参考文献：1王盘铭 程远雄 孙健利 . 基于误差均化功能的滚动导轨的高精度安装J. 机械工人（冷加工）, 2006,(5) . 2黄新 程远雄 孙健利 . 机床用滚动直线导轨副安装技术分析 J. 制造技术与机床, 2005,(2) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2005.02.033 . 3徐起贺 孙健利 . 滚动直线导轨副的结构特点与性能分析 J. 机床与液压 2002,(3) .doi:10.3969/j.issn.1001-3881.2002.03.044 . 4徐起贺 . 滚动直线导轨副的特点、现状及发展动向 J. 机械制造, 2001,(2) .doi:10.3969/j.issn.1000-4998.2001.02.008 . 5喻忠志 . 我国滚动直线导轨副的发展及趋势 J. 制造技术与机床, 2006,(7) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.07.005 . 6周传宏 孙健利 杨叔子 . 滚动直线导轨副的振动模型研究 J. 机械设计, 1999,(2) .doi:10.3969/j.issn.1001-2354.1999.02.008 . 7孙健利 方健 程远雄 . 基于ISO 14728-2标准滚动直线导轨副额定静载荷分析 J. 制造技术与机床, 2006,(2) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.02.040 . 8方健 程远雄 孙健利 . 基于ISO 14728-1标准滚动导轨副动载荷和寿命分析 J. 制造技术与机床, 2006,(8) .doi:10.3969/j.issn.1005-2402.2006.08.037 . 9孙健利 黄新 . 滚动直线导轨副的应用技术 J. 机械工人(冷加工), 2004,(3) . 杨向东 . 轴承工作过程中摩擦状态的仿真分析研究 J. 广东科技, 2007,(8) .doi:10.3969/j.issn.1006-5423.2007.0810Yuan 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数控落地镗铣床研发与关键技术研究 D. 2013 . 12郭成龙 袁军堂 王维友 夏玲玲 黄俊 . 滑动导轨结合面动刚度的试验研究 J. 中国机械工程, 2012,(9) 13孙伟 鲁明 汪博 闻邦椿 . 直线滚动导轨动力学特性分析方法研究 J. 制造技术与机床, 2011,(3) .doi:10.3969/j.issn14Shigeo Shimizu . Load Distribution and Accuracy/Rigidity of Linear Motion Ball Guides System 1993,(27) . 15张沈生 . 直线导轨的原理及其应用 J. 洪都科技, 2004,(2) 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 本课题主要研究和解决的问题是滚动直线导轨的设计 钢球沿着LM轨道和LM滑块上经过精密研磨加工的4列滚动面进行滚动；通过组装LM滑块上的回球器,使钢球列循环运动。 LM滑块采用保持板将钢球保持住,因此即使从LM轨道中抽出LM滑块,钢球也不会脱落（HSR8、10和12型除外）。 为使LM滑块上的4个作用方向（径向、反径向和侧向）均具有相同的额定载荷，各钢球列被设计成按接触角45配置，因此无论何种姿势都可以使用。并且因能施加均等的预压，从而既能一边维持较低的磨擦系数，又加强了4个方向的刚性。同时,因断面高度低,并且对LM滑块进行了高刚性设计,从而能获得稳定的高精度直线运动。该图中：和为保持板 为LM滑块 为端盖板 为末端密封垫片 为油嘴 为侧面密封垫片 为内部密封垫片（配件） 为钢球 为LM轨道 2.2 本课题采用的研究手段（1) 通过查阅关于滚动直线导轨等方面的书籍和文献资料等，理解滚动直线导轨的工作原理，各部分构造，对所设计部分有了一定认识。综合资料整理出所设计部分的工作原理综合查阅的资料和以上工作原理，对设计部分进行一定改造，使之更为合理，简单。 (2) 利用Auto CAD来绘制滚动直线导轨结构图。(3)考虑滚动直线导轨的额定负荷、直线导轨寿命、工作负荷、摩擦力、润滑等因素对它带来的影响。3.计划安排(1)全面了解该课题，查阅相关资料和文献，了解滚动直线导轨的发展现状，完成开题报告。(2)全面掌握滚动直线导轨的基础知识，了解高速机床进给导轨的要求，了解直线导轨的设计特点，分析总结滚动直线导轨的发展方向。(3)完成滚动直线导轨的结构图设计。(4)完成研究总结及完成设计说明书。 毕 业 论 文 开 题 报 告指导教师意见：报告表明，该同学近期查阅了许多相关文献，对滚动直线导轨的基本知识有了一定的掌握，对其主要产品特点，重要的技术及其应用均有了解，因而文献综述比较详细和全面。提出的设计方案略显粗糙，希望近期加以细化。同意开题。 指导教师： 2016 年 3月 22日所在系审查意见：同意开题 系主任： 2016 年 3 月 22日滚动直线导轨设计及相关技术研究摘要：就目前来说，世界的制造加工业对机床的加工要求越来越高，也就是对机床的各项性能都有更高的要求。比如说：高速度、高刚度和高精度。机床的发展水平是衡量一个国家工业的重要标志。机床主要由主轴和导轨两部分组件构成，而导轨的重要性要更强，其中直线滚动导轨占有很大优势，被普遍应用于数控机床和其他的行业中。本课题主要研究了机床的整体布局结构，轨道的直线度分析，还有滚珠丝杠的刚度计算，现在分别详细的介绍一下：(1）首先，在通过阅读国内外的文献，了解了机床的整体结构后，本文先确定了机床的整体布局方式，然后对机床导轨性能进行分析；对溜板箱的计算设计，对滚珠的长度和数量的进行了相关的设计。 （2）其次，对导轨的直线度进行分析，通过对直线度的定义分析，综合对比选择直线度的测量方法和评定方法。（3）最后，对滚珠丝杠的刚度进行计算，通过对滚珠丝杠、丝杠轴、螺母和支撑架的轴向刚度通过算式进行计算分析，计算了滚珠丝杠的承载能力，以更好地配合直线导轨。关键词：滚动直线导轨，直线度，滚珠丝杠，选型ILinear guides design and related technology researchAbstract: Now, the worlds 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 countrys 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 guidKeywords:linear guides, straightness,ball screws, selectionII目 录摘要.Abstrat.目录III1绪论11.1课题的研究背景11.2国内外滚动直线导轨的研究现状11.2.1国内的研究现状11.2.2国外的研究现状21.3研究的内容及意义21.3.1研究的内容21.3.2研究的意义32机床滚动直线导轨整体设计42.1机床的整体布局42.2导轨的性能分析42.3主要零部件的设计52.3.1溜板箱的设计52.3.2滚柱的长度设计52.3.3滚柱的数量63导轨的直线度分析83.1直线度的定义83.2直线度测量方法93.3直线度评定方法94滚珠丝杠的刚度计算114.1滚珠丝杠的轴向刚度计
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