工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)-液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
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附件1基于路徑幾何約束的高效機(jī)械手控制算法Kang G. Shin and Neil D. McKayDepartment of Electrical and Computer EngineeringThe University of MichiganAnn Arbor, Michigan 48109摘要:傳統(tǒng)上,機(jī)械手控制運(yùn)算法則被區(qū)分為兩級(jí),即路徑規(guī)劃和路徑跟蹤(或路徑控制)。這種劃分方法已經(jīng)被主要地應(yīng)用于減輕復(fù)雜連結(jié)的機(jī)械手動(dòng)力學(xué)。不幸的是,這種簡(jiǎn)單的劃分方法是以犧牲機(jī)械手的工作效率為代價(jià)的。為了改善這種低效率的情況,本文認(rèn)為要使機(jī)械手在最短時(shí)間內(nèi)沿著一條指定的幾何路徑移動(dòng)受到輸入扭矩/扭力的限制。我們首先采用幾何學(xué)路徑約束引入避免碰撞和操作需求的變量函數(shù)來(lái)描述機(jī)械手動(dòng)力要求,然后將輸入扭矩/扭力的限制參數(shù)轉(zhuǎn)變成這些變量。最后最短時(shí)間的求解就可用相平面技術(shù)進(jìn)行推導(dǎo)運(yùn)算求解。1、前言在過(guò)去的幾年人們主要關(guān)注于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù),尤其是使用通用機(jī)器人技術(shù)。由于工業(yè)機(jī)器人的目的是為了提高生產(chǎn)力,如何使每1美元的機(jī)器人控制投入獲得盡可能多的效益成為越來(lái)越突出的問(wèn)題。通常固定成本在生產(chǎn)項(xiàng)目成本中占主導(dǎo)地位,所以人們總希望在給定的時(shí)間中生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品。有多種算法可用于最短時(shí)間或接近最短時(shí)間機(jī)械手控制運(yùn)算。這些算法通常劃分為兩個(gè)層次。第一個(gè)層次是所謂的路徑規(guī)劃,第二個(gè)層次是所謂的路徑跟蹤或路徑控制。通常路徑控制的定義是企圖實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人的實(shí)際位置和速度匹配理想的位置和速度。這種控制用控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)??刂破鹘邮丈弦淮斡?jì)算的理想位置值與速度值進(jìn)行路徑位置描述,然后通過(guò)路徑跟蹤系統(tǒng)跟蹤機(jī)械手實(shí)際位置和速度得到運(yùn)動(dòng)偏差。這樣分開(kāi)控制方案是基于機(jī)械手控制程序,如果把控制作為一個(gè)整體考慮將會(huì)非常復(fù)雜,由于幾乎最簡(jiǎn)單的機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)之后是高度地非線性甚至更復(fù)雜。把控制分為兩部分來(lái)分別處理使得整個(gè)控制過(guò)程變得簡(jiǎn)單。路徑追蹤通常是一個(gè)線性的控制算法,機(jī)械手動(dòng)力學(xué)的非線性在這一個(gè)水平時(shí)常不被考慮,如此的追蹤控制通常能得到需要的軌道并使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)與實(shí)際要求保持非常接近。使得精密加工得以實(shí)現(xiàn),例如解析運(yùn)動(dòng)速度控制(參考文獻(xiàn)1 ) ,突然的加速度控制(參考文獻(xiàn)2 ), 及斷續(xù)速度變化控制(參考文獻(xiàn)3-5 )。不幸的是,單純地劃分為路徑規(guī)劃和路徑追蹤是以犧牲效率為代價(jià)的。效率低下的根源是路徑規(guī)劃,為了提高機(jī)械手的效率,路徑規(guī)劃時(shí)必須了解該機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性,以及準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型。然而,規(guī)劃運(yùn)算法則的大部份的路徑計(jì)算只與數(shù)據(jù)計(jì)算有關(guān),有關(guān)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)計(jì)算非常少。通常假定機(jī)械手的速度和加速度為恒定或按一定規(guī)律變化的(參考文獻(xiàn)6,7),并具有一定的區(qū)域邊界約束。事實(shí)上,這些約束因位置,負(fù)載大小,甚至隨有效載荷面積而改變。因此為了使邊界約束為有效的恒定值,速度面積法的邊界取值必須是速度和加速度的整體最低值;換句話說(shuō),對(duì)于最壞情況的限制必須有效。由于機(jī)械手關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加速度有限制,可能被三個(gè)或更多的條件所約束,這些多出的約束造成機(jī)械手的效率低下。為了提高效率,本文提出了一種依據(jù)幾何路徑和輸入扭矩/扭力上的最短時(shí)間機(jī)械手路徑控制解決方案,方案以路徑運(yùn)算法則的方式加入機(jī)械手動(dòng)力學(xué)運(yùn)算。路徑規(guī)劃輸出真實(shí)的最短時(shí)間,作為其它可被測(cè)量的路徑規(guī)劃的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。注意,本文提到的問(wèn)題和解決辦法與參考文獻(xiàn) 8,9 中的接近最短時(shí)間控制理論不同。本文分為五個(gè)部分分別論述,第二部分描述了使機(jī)械手輸入扭矩的動(dòng)態(tài)約束方程更易于處理和控制的方法;第三部分考慮公式化時(shí)間控制的細(xì)節(jié)問(wèn)題;第四部分用狀態(tài)平面的技術(shù)求解最優(yōu)解;第五部分是本文亮點(diǎn),推導(dǎo)產(chǎn)生最佳的運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)算法則;最后部分是該方法則使用意義討論。2、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與約束在進(jìn)行最短時(shí)間控制問(wèn)題研究前,先考慮對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行控制,即機(jī)器人的手臂動(dòng)力學(xué)模型。有多種方法獲得的機(jī)器人臂的動(dòng)力學(xué)方程,即方程中有關(guān)位置處的綜合力和扭矩,速度扭矩和加速度。最常使用的兩種方法是拉格朗日和牛頓、歐拉公式。牛頓、歐拉公式雖然計(jì)算效率高,但卻很難用于控制問(wèn)題的遞推計(jì)算。拉格朗日雖然計(jì)算效率不高,但確實(shí)產(chǎn)生一組非常適用于機(jī)械手控制問(wèn)題的微分方程式。在這里動(dòng)力方程僅用于獲得分析結(jié)果,我們使用拉格朗日的方法得出以下機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程(參考文獻(xiàn)12,13)。qi=vi (1a)ui=Jijqvj+Rijvj+Cijkqvjvk+Giq (1b)式中 qi=ith 廣義坐標(biāo) vi=ith 廣義速度 ui=ith 廣義力 Jij= 慣性矩陣 Gi = 在 ith 加上重力的力 Cijk= 科氏陣列 Rij= 粘性摩擦矩陣愛(ài)因斯坦求和約束的使用使所有指數(shù)從1到n包含在n自由度機(jī)器人中。慣性矩陣Jij的比例常數(shù)是施加于ith的總的扭矩/扭力與Jij上的總加速度??评飱W利數(shù)列描述了結(jié)合 j 和 k 的速度進(jìn)入Cijk的力。粘性摩擦矩陣R給出由于速度 j 產(chǎn)生的 i 而受到的摩擦力。注意這個(gè)矩陣為對(duì)角矩陣,所有輸入數(shù)值無(wú)負(fù)值。機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)當(dāng)然不會(huì)完全不受約束。事實(shí)上,在關(guān)節(jié)處機(jī)器人手臂必須限制在一個(gè)固定的空間運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)軌跡為給定的參數(shù)化曲線。曲線被由參數(shù) 的n個(gè)函數(shù)集決定,所以我們有qi=fi , 0max (2)其中為理想軌跡的一個(gè)參數(shù),當(dāng)從 0 到max變化時(shí)坐標(biāo) qi 也連續(xù)地變化且路徑不重復(fù),即0=0 ,tf=max .應(yīng)當(dāng)指出,在實(shí)際空間的運(yùn)動(dòng)軌跡是建立在笛卡爾坐標(biāo)上。一般很難把曲線從笛卡爾坐標(biāo)完全轉(zhuǎn)換到機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)中,相對(duì)地執(zhí)行單個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換卻很容易。在笛卡爾的路徑上拾足夠多的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換,利用插值法技術(shù) (例如 三次樣條函數(shù))獲得機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的一個(gè)相似的軌跡。(見(jiàn)10為一個(gè)例子)回到之前的問(wèn)題,我們用時(shí)間來(lái)區(qū)分參數(shù)化的qi 得到 其中 = 運(yùn)動(dòng)方程沿著曲線(Le幾何學(xué)的路徑)變成注意,如果表示沿著路徑的弧長(zhǎng),那么和分別表示沿著路徑的速度和加速度。基于這種參數(shù)化有兩個(gè)狀態(tài)變量,即和,但有(n + 1)個(gè)方程。選擇方程=和剩余方程序之一為狀態(tài)方程,其他方程作為輸入 的約束。將ith乘以dfi()d 就可以從給出的n個(gè)方程中得到一個(gè)狀態(tài)方程這個(gè)公式有個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn),在約束函數(shù)導(dǎo)出的向量中參數(shù)是二次的,當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)存在時(shí)曲線可以進(jìn)行參數(shù)化,且慣性矩正定,整個(gè)的方程能被正的、非零的參數(shù)分開(kāi),由和得到的一個(gè)解。現(xiàn)在得到二個(gè)狀態(tài)方程,而最初的n個(gè)方程則由輸入和 約束(關(guān)于這方面將在后面討論)。 通過(guò)變換,狀態(tài)方程變?yōu)楝F(xiàn)在考慮由|ui|umaxi和公式(4a)限制的約束,動(dòng)態(tài)方程(4a)可以寫(xiě)成這樣的形式:ui=gi()u+hi(,). 對(duì)于一個(gè)給定的狀態(tài),也就是給定的 h 和,u,這是一個(gè)參數(shù)p的一組線性參數(shù)方程,約束存在于輸入變化區(qū)間及因輸入變化形成的約束矩陣中。因此把矩陣約束在u上,通過(guò)方程參數(shù)使輸入扭矩/扭力變化的所有位置、速度在路徑上彼此限制,給出初始的(,)及u的大小,如果知道機(jī)械手關(guān)節(jié)處的輸入扭矩、扭力這樣就能用數(shù)的處理來(lái)代替n個(gè)矢量的處理進(jìn)而得到一系列的約束(路徑狀態(tài)方程)。因?yàn)樾阅芡耆蓇決定,我們用-umaxiui+umaxi于是有:簡(jiǎn)化:于是得到:注意:前面的方程都是的函數(shù),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,功能的依賴性在下面的計(jì)算不再指出。給出的控制不等式:另一種格式:LBiuUBi,這些參數(shù)由n決定,u滿足:maxLBiuminUBi 或者GLB(,)uLUB(,) (7e)路徑計(jì)劃要呈現(xiàn)的運(yùn)算法則與之前依照慣例得到方程的不同,可知參數(shù) 是笛卡爾的空間的弧長(zhǎng),是速度,是幾何加速度。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃把加速度劃分為幾個(gè)常數(shù)間隔,于是:GLB(,)uminuumaxLUB(,)式中umin 和 umax是常數(shù)。傳統(tǒng)方法把加速度進(jìn)行了過(guò)多的約束,使速度也有過(guò)多的約束。3、最佳控制問(wèn)題的公式化現(xiàn)在我們得到根據(jù)幾何路徑和輸入系統(tǒng)規(guī)定參數(shù)的機(jī)械手動(dòng)力方程,就可以分析實(shí)際控制問(wèn)題了。機(jī)械手控制的目的是以最小的輸入得到最大的動(dòng)力輸出,這可以用最佳控制語(yǔ)言來(lái)描述,常用的方法使龐特里亞金最大值原理11。最大值問(wèn)題即點(diǎn)的連接問(wèn)題,除了一些簡(jiǎn)單的點(diǎn)不能使用閉環(huán)控制,而且很難以數(shù)字的方式解決。我們使用最大值原理獲得加工質(zhì)量而不僅僅是獲得方程的解,這個(gè)解將用于之后的最小時(shí)間求解??紤]實(shí)際情況,最低成本即最短加工時(shí)間,就是求機(jī)械手運(yùn)動(dòng)最大速度,可以表示為:C=0tf l dt (8)這里tf由電子激光器決定,價(jià)值函數(shù)C必須服從下面給出的3個(gè)約束:機(jī)械手的動(dòng)力微分方程約束(即式(6a),(6b));輸入量要求,關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸入扭矩允許范圍要求(即|ui|umaxi);第三個(gè)參數(shù)是空間參數(shù)設(shè)置,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定工位不能與如何物體相碰。假定理想的幾何方程已經(jīng)把最小時(shí)間控制參數(shù)化,就像之前希望的(即等式(3),但最初的點(diǎn)為=0,結(jié)束點(diǎn)為=max且dfid存在,這樣保證(6a),(6b)存在,同時(shí)當(dāng)從0到max方程是單調(diào)的。把這些代入動(dòng)力方程,我們得到如下的最短時(shí)間方程(簡(jiǎn)稱MTPP)。MTPP:求出x0=0,0和ui0 通過(guò)將式(8)代入(6a),(6b), |ui|umaxi ,及邊界條件0=0 , tf=f (9a)0=0 , tf=max (9b)3.1、最大原則的應(yīng)用為了使0max需要增加一個(gè)第三個(gè)狀態(tài)方程,第三狀態(tài)v,并要求:v=2l-+max-2l-max (10)其中:lx=1 (x0) 0 (x0) v0要求邊界約束v0=vtf=0這樣v無(wú)限接近0,當(dāng)在0max中間隔取值使v無(wú)限接近0。在對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行變化前,先定義函數(shù):這樣就可以簡(jiǎn)化公式,得到:區(qū)間M表示機(jī)械手功能的二次形式,如果把參數(shù)qi加入到動(dòng)能方程,得到K=M2/2 ;Q表示科里奧利的組成和沿著路勁加上參數(shù)化的地心引力;區(qū)間R表示摩擦力,S給出沿著路勁的地心引力,U表示輸入重力區(qū)間。 之前的MTPP可以這樣變化將(8)代入(11a),(11b),(11c),(7d),(9a),(9b)求y0=0,0,v0和U0的極小值,通過(guò)MTPP變換哈米爾頓函數(shù)變?yōu)椋夯蚴褂们懊娴奶鎿Q得到哈米爾頓函數(shù)對(duì)求導(dǎo),對(duì)求導(dǎo),最后對(duì)v求導(dǎo),應(yīng)用最大值原理,我們需求出H在(12b)中的最小值,聯(lián)合各式(11a),(11b),(11c),(9a)及(7b),且H必須滿足邊界條件。這里y是矢量(,v)的狀態(tài)向量,我們得到一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入?yún)^(qū)間 在式(14)中知道H不明確依賴t,也可以看作 是由約束(9)和vtf=0得到。注:哈米爾頓函數(shù)(12b)在U上線性,且由于ui和dfid在0,max有界使得U有界,這就要求U的最優(yōu)解必須滿足繼電氣控制邏輯,在最優(yōu)軌跡上任意點(diǎn)的式(12b)中U的解是U的最大或最小值,通過(guò)對(duì)ui求導(dǎo)得到U的極值,關(guān)于ui的等式約束為ui=gi()+ hi (,),得到由于U的繼電器控制和給定的參數(shù)(,)U的大小線性地跟隨,也必須滿足繼電氣控制邏輯。因此等于GLB(,)或LUB(,)。再考慮三維空間,作用于不均等加工時(shí)輸入等式約束線上一點(diǎn),如果 ith 的聯(lián)合輸入在約束的一邊慢慢趨近于最大值,將推使機(jī)械手向正方向推動(dòng)。無(wú)論輸入的系數(shù)是否為零以上的推論都成立,即p2在(13a)中不為0。如果p2只在孤立的點(diǎn)處為0,則得到各處的最佳控制。另一方面,如果p2在某些區(qū)間內(nèi)為0,我們有下列的定理。定理1:如果p2在區(qū)間t1,t2 (t1S0Umin(0) 則p2(0)0 ;證明:已知0max則當(dāng)t=tf有0,又tf=0,則當(dāng)ttf時(shí)(t)max。但在tf處tf=M-1U-S0于是U-S0,矛盾,故有p2(tf)0;確定p2(0)的符號(hào)及(0)的大小,同理可得00 ,則U-S0,使用繼電器控制于是有U=Umax否則 U=Umin且Umin-S0,但如果U=Umax則p20,于是p2(0)0.這些理論的一個(gè)重要原則是開(kāi)關(guān)點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù),如果開(kāi)關(guān)點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù),p2(tf)的符號(hào)將和p2(0)的符號(hào)相同,則sinp2tf=(-1)msin( p20)其中m為符號(hào)變化次數(shù)。4、相平面解釋在相位平面中審查系統(tǒng)行為,相位平面軌跡的方程由方程(11 b )及(11 a)獲得有趣的是整個(gè)時(shí)間T從開(kāi)始到結(jié)束可以寫(xiě)為然后將得到給定的整體最小參數(shù),這就希望越大越好。參數(shù)有兩個(gè)影響因數(shù):運(yùn)動(dòng)軌跡的斜率和值的大小。用除以得到dd= ;為了得到就必須考慮的范圍,通過(guò)和的特征值,我們有LUB(,)0且20,則在區(qū)間1,2至少存在一個(gè)零點(diǎn)。證明:如果g( )的微分在區(qū)間1,2連續(xù),那么一定存在一個(gè)零點(diǎn)。如果g( )不連續(xù),假設(shè)不存在零點(diǎn),則在g( )溢出區(qū)間存在一個(gè)或更多的點(diǎn),符號(hào)變化發(fā)生于這一個(gè)或更多的這些點(diǎn)。如果不是這樣,那么在g( )存在一個(gè)符號(hào)變化的點(diǎn)使g( )微分連續(xù),而且因此會(huì)有一個(gè)零點(diǎn)。兩個(gè)限制參數(shù)記為g1,g2;g1作用于d,由lim0lim有對(duì)于0我們有代入約束,由g( )=min gi( )得g1 d+ di的約束解,和假設(shè)矛盾。這樣至少存在一個(gè)點(diǎn)使為零。這一個(gè)定理的圖解意義在圖 7 說(shuō)明。從圖中看出, g( )一定超出區(qū)域,且是分段連續(xù)的,曲線向上跳躍。證明完畢。為了要證明ACOTNF 結(jié)束,我們對(duì)函數(shù)fi() 進(jìn)行一些假設(shè) ,假設(shè)fi可分段求解且由有限個(gè)不含實(shí)際價(jià)值的數(shù)組成。非正式地,因?yàn)閼T性矩陣,科里奧利數(shù)列,重力加速度等是全局解析函數(shù),而且自從路徑被限制之后是分段求解的,我們已經(jīng)處理的所有函數(shù)也是分段求解的,函數(shù)也是分段求解的,于是將會(huì)因此在每個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)或有限個(gè)零點(diǎn)。如果間隔地為0,軌跡將沿著邊界停止在間隔結(jié)束的地方,相同的零間隔不會(huì)引起問(wèn)題。只有間隔的最右面點(diǎn)可能是一個(gè)交換點(diǎn),因此只有如此有限的間隔會(huì)引起ACOTNF 有限的反復(fù)。如此收斂被保證,因此有限數(shù)目的解域我們有下列的定理:定理3b:如果函數(shù)fi有有限個(gè)實(shí)際價(jià)值解,那么函數(shù)存在一定數(shù)量的間隔結(jié)束于區(qū)域外的零。證明:慣性矩陣,科里奧利陣列,重力加速度在 qi 中分段解,fi在處的解等等作為函數(shù)(就像公式(4a)和(4b))的分段解或有限的單解。公式(7b)中的M,Q,R,S也是單個(gè)的解。一個(gè)在有限區(qū)間內(nèi)沒(méi)有奇點(diǎn)的實(shí)際價(jià)值的解析函數(shù),一定存在有限個(gè)零點(diǎn)或同一零點(diǎn),工程量M必須在區(qū)間內(nèi)為零。如果假設(shè) 我們可以得到所有的Mi零點(diǎn)。如果其中一個(gè)Mi不為零,就不存在邊界曲線,就沒(méi)有零點(diǎn)。只要有兩個(gè)或更多不為零的點(diǎn),就可得到邊界曲線。坐標(biāo)i,j代入式(17b)(用=代替)得到曲線,式(17b)中系數(shù)A,B,C,D排除在Mi中的零之外,由于Mi存在零點(diǎn),考慮用Mi中的零點(diǎn)進(jìn)行區(qū)間分割。在每個(gè)小區(qū)間內(nèi),只有一個(gè)(17b)方程有效。在區(qū)間內(nèi)是的一個(gè)解,邊界曲線g( )是特解,也是特解且在每個(gè)區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)或數(shù)個(gè)零點(diǎn)。由于在區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)或數(shù)個(gè)零點(diǎn),因此區(qū)間個(gè)數(shù)是有限的,且結(jié)束于區(qū)域外的零。證明完畢。定理4:由ACOTNF產(chǎn)生的任何軌跡在最短時(shí)間控制上是最優(yōu)的。證明:該定理的證明是直接證明。假設(shè)一個(gè)軌跡比由ACOTNF算法產(chǎn)生的軌跡有更小的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。由等式(8)可知,必然存在使新軌跡上的點(diǎn)(,)高于ACOTNF軌跡上的點(diǎn)(,),即。否則,就不存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間更短的軌跡。我們根據(jù)最大原則分析可知解不唯一,即存在數(shù)條最大加減速曲線,所以我們只能應(yīng)用那些不確定的軌跡?,F(xiàn)在有四種可能,(,)可能位于ACOTNF軌跡初始的加速段,也可能位于最后的減速段,也有可能位于其他的加速或減速軌跡上。在第一種情況下,新軌跡的初始值必須大于ACOTNF的初始值。否則,新的軌跡必須在某些點(diǎn)上具有比ACOTNF更大的加速度,而這是不可能的,因?yàn)锳COTNF軌跡擁有可允許的最大加速度。新軌跡因此就可能達(dá)到合適的臨界條件。第二種情況與之類似。因?yàn)椋?,)點(diǎn)在ACOTNF軌跡上,新軌跡必須比擁有最大的減速度的ACOTNF軌跡減速更快才能達(dá)到相同的臨界條件。這也是不可能的,因?yàn)锳COTNF使用最大的減速度。在第三種情況下,(,)在其他的加速軌跡上,在這種情況下,通向(,)點(diǎn)的軌跡必須移出可行域的邊界。否則,這些軌跡必須通過(guò)ACOTNF軌跡的加速階段,因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)邊界上的一個(gè)點(diǎn)。新軌跡在該相交點(diǎn)的加速度將大于ACOTNF的軌跡,同樣,這也是不可能的。最后一種情況與前者類似。從(,)出發(fā)的加速或者減速軌跡必須要么與可行域的邊界相交,要么比ACOTNF減速軌跡減速快,因此,無(wú)解。證明完畢。這種產(chǎn)生最優(yōu)軌跡的方法可以在相位平面內(nèi)任何有可行域的情況下工作,而不只是無(wú)摩擦的情況。基本思想是無(wú)限接近可行域的邊緣而不超出它。因此軌跡僅僅是沒(méi)有接觸到非可行域。在實(shí)際中這當(dāng)然會(huì)很危險(xiǎn),因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)輸入和測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)的小錯(cuò)誤都將很可能使機(jī)器人偏離預(yù)定的軌跡。然而從理論上說(shuō),這個(gè)軌跡是最節(jié)約時(shí)間的。我們現(xiàn)在考慮一般的情況,即摩擦力足以使相位平面產(chǎn)生孤島。在這種情況下,該算法必須用一種超微不同的形式來(lái)展現(xiàn)。因?yàn)榇嬖跀?shù)條邊界曲線而不是一個(gè),不可能像ACOTNF中做的那樣只研究零點(diǎn)的一個(gè)函數(shù)。因此我們不再在算法過(guò)程中尋找零點(diǎn),而是一次性的全找出來(lái)。然后建立沒(méi)有邊界的軌跡,不管這些邊界是可行域的邊緣還是孤島的邊緣。合適的軌跡可以通過(guò)搜索結(jié)果曲線圖找到一直選擇盡可能高的軌跡,有必要的話回溯。更正式的,最優(yōu)軌跡建立算法是:第一步:建立初始的加速軌跡。(與ACOTNF相同)第二步:建立最終的減速軌跡。(與ACOTNF相同)第三步:計(jì)算可行域邊線和所有的孤島邊線的函數(shù)()。在每一個(gè)零點(diǎn),建立一個(gè)以零點(diǎn)為轉(zhuǎn)換點(diǎn)的軌跡,就像ACOTNF的第五步和第六步。轉(zhuǎn)換方向(加速到減速或者反過(guò)來(lái))應(yīng)該以不使軌跡離開(kāi)可行域?yàn)闇?zhǔn)來(lái)選擇。延長(zhǎng)每條軌跡,使它或者離開(kāi)可行域或者通過(guò)max.第四步:找到軌跡的所有交點(diǎn)。這是潛在的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。第五步:從=0,=C穿過(guò)網(wǎng)格,這些網(wǎng)格是由從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的最高的軌跡形成的。這在下面的網(wǎng)格穿越算法中有介紹。穿越有上面的第三步和第四步產(chǎn)生的軌跡形成的網(wǎng)格是對(duì)曲線圖的一個(gè)搜索,目的是要找到最終的減速軌跡。如果設(shè)想一個(gè)人沿著這些軌跡搜索這些網(wǎng)格,那么如果這可能的話他就會(huì)一直左轉(zhuǎn)。如果一個(gè)轉(zhuǎn)向引向了死角,那么就有必要回溯,然后就向右轉(zhuǎn)了。整個(gè)過(guò)程是遞歸的,就像瀏覽樹(shù)狀圖的過(guò)程一樣。算法包含兩個(gè)過(guò)程,一個(gè)是搜索加速曲線,另一個(gè)搜索減速曲線。算法是:加速搜索:在當(dāng)前的(加速)軌跡上,找到最后一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在這一點(diǎn),當(dāng)前的軌跡到達(dá)一個(gè)減速軌跡。如果那條曲線是最終的減速軌跡,那么現(xiàn)在考慮的轉(zhuǎn)換點(diǎn)就是最終的最優(yōu)軌跡的一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。否則,從當(dāng)前的轉(zhuǎn)換點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行減速搜索。如果減速搜索成功,那么當(dāng)前的點(diǎn)就是最優(yōu)軌跡的一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。否則,沿當(dāng)前的加速曲線回到前一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn),重復(fù)這個(gè)過(guò)程。減速搜索:在當(dāng)前的(減速)軌跡,找到第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。從該點(diǎn)開(kāi)始應(yīng)用加速搜索。如果成功,那么當(dāng)前的點(diǎn)就是一個(gè)最優(yōu)軌跡的轉(zhuǎn)換點(diǎn),則前移至下一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)并重復(fù)這個(gè)過(guò)程。這兩個(gè)算法一直是首先尋找速度最高的曲線,因?yàn)榧铀偎阉骺偸菑募铀偾€的末端開(kāi)始,而減速搜索總是從減速曲線的開(kāi)端開(kāi)始。因此算法找到(如果有可能)速度最快的軌跡,因此搜索時(shí)間最短。這個(gè)算法的最優(yōu)性和一致性的證明實(shí)質(zhì)上與ACOTNF是一樣的,這里不再重復(fù)。注意在ACOTNF的一致性證明中,在零摩擦情況下只存在一條邊界曲線的事實(shí)沒(méi)有用到;因此同樣的證明也適用于高摩擦條件下。6.討論和總結(jié)在這篇文章里,我們展示了一種獲得在提供理想的幾何軌跡和輸入扭轉(zhuǎn)約束力的條件下機(jī)械手運(yùn)動(dòng)最小時(shí)間控制軌跡的方法。就像前面提出的,最優(yōu)軌跡可能接觸到可行域的邊界,產(chǎn)生相當(dāng)危險(xiǎn)的情況。但是,如果在計(jì)算中使用略微保守的扭轉(zhuǎn)約束值,那么實(shí)際的可行域就會(huì)略微大于計(jì)算可行域,留出失誤的空間。在高摩擦和低摩擦情況下的算法都已經(jīng)展示了。在這兩種情況下,算法產(chǎn)生“僅僅丟失”非可行域的軌跡,不管丟失的非可行域部分是一個(gè)孤島還是有較高的速度限制形成的域。假設(shè)機(jī)器人的輸入轉(zhuǎn)矩被約束,我們得到一個(gè)測(cè)試機(jī)器人沿給定的空間路徑運(yùn)動(dòng)的最小時(shí)間開(kāi)環(huán)控制的算法。但是,對(duì)不同的輸入?yún)?shù)也應(yīng)該可能獲得解。因?yàn)樵撍惴óa(chǎn)生真正的最小時(shí)間解,而不是一個(gè)近似值,所以該算法的結(jié)果能夠?yàn)槠渌穆窂皆O(shè)計(jì)算法提供一個(gè)絕對(duì)的測(cè)量參考。參考文獻(xiàn)1 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Lin, Optimum path planning for mechanical manipulators, .4,5,VE Jounzal 3f Dynarzic Systems, Mearurement and Control , vol. 2, pp. 330-335, June 1981.8 M.E. Kahn and B. E. Roth, The near minimum-time control of open-loop articulated kinematic chains, .ASME J . DSMC, vol. 93, no. 3, pp. 164-1 72, September 1971.9 B.K. Kim and K. G. Shin, Near-optimal control of industrial manipulators with a weighted minimum time fuel criterion, to appear in Proc. 22nd CDC: San Antonio, TX., Dec. 1983.10 C.-S. Lin, P.-R. Chang, and J. Y. S. Luh, Formulation and optimization of cubic polynomial joint trajectories for mechanical manipulators, Proc . 21 CDC, Orlando, FL., Dec. 1982.11 D. E. Kirk, Optimal control theory: an introduction , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1971, pp, 227-238.12 R. P. C. Paul, Robot manipulators: Mathematics. programming. and control, MIT Press, Cambridge, Mass., 1981, pp. 157-1 95.13 D. Ter Haar, Elements of Hamiltonian mechanics , Secondedition, Pergamon Press, 1971, pp. 35-49. 附圖:附件2外文資料畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告題 目: 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 姓 名: 學(xué) 院: 工學(xué)院 專 業(yè): 班 級(jí): 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 職稱: 教 授 2005年 6 月 8 日課題名稱:工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 一、課題來(lái)源、課題研究的主要內(nèi)容及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述1.課題來(lái)源、課題研究的主要內(nèi)容工業(yè)機(jī)器人一般指用于機(jī)械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質(zhì)量要求的工作,如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產(chǎn)品、化工等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝、碼垛等作業(yè)的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成,是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng),而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的機(jī)械裝置,既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力,又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物,它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備,也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。2. 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述近20年來(lái),機(jī)器人或機(jī)械手技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬,尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與液壓技術(shù)相結(jié)合,使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高,控制方式更靈活,性能更加可靠;液壓機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展,對(duì)液壓技術(shù)提出了更多更高的要求;微電子技術(shù)的引入,促進(jìn)了電-氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展;現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,使液壓技術(shù)從開(kāi)關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制,控制精度不斷提高;由于液壓脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn),國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)研究。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,液壓技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。自上世紀(jì)六十年代,機(jī)械手被實(shí)現(xiàn)為一種產(chǎn)品后,對(duì)它的開(kāi)發(fā)應(yīng)用也在不斷發(fā)展,最典型的發(fā)展是生產(chǎn)者將此產(chǎn)品大量應(yīng)用于衛(wèi)生行業(yè)(全自動(dòng)生化分析儀),從而實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗(yàn)中急需短時(shí)間、大量樣品數(shù)據(jù)的要求,但在衛(wèi)生領(lǐng)域的機(jī)械手因采用樣品加單一酶試劑顯色法,且采用濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),造成試劑價(jià)格昂貴,限制了產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展。 隨著技術(shù)的進(jìn)步,機(jī)械手的設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。比如美國(guó)OI公司的產(chǎn)品,可針對(duì)單一項(xiàng)目,次序加4種試劑,加熱溫度也提高到 50 ,檢測(cè)器則采用二極管陳列技術(shù),這些進(jìn)步為新領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。有專家估計(jì)未來(lái)10 年,全自動(dòng)流動(dòng)分析儀的市場(chǎng)份額中,將有 50 被全自動(dòng)化學(xué)分析機(jī)械手取代。 通過(guò)了解上述兩類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)我們不難看出,機(jī)械手具有微升級(jí)試劑消耗,不受模板束縛,分析中不同檢測(cè)項(xiàng)目可穿插完成,可完成研發(fā)性波長(zhǎng)掃描優(yōu)化檢測(cè)條件,用戶可自行設(shè)計(jì)新的檢測(cè)項(xiàng)目,體積小,甚至可做現(xiàn)場(chǎng)快速分析等特點(diǎn)。 由此也不難看出,以前流動(dòng)分析中不適合的用戶群,如樣品檢測(cè)單一種類少而樣品量多的情況,為機(jī)械手的應(yīng)用提供了可能性。對(duì)衛(wèi)生行業(yè)的快速分析中,也因新型機(jī)械手的設(shè)計(jì)特點(diǎn)而使取代昂貴的試劑,降低分析成本成為可能。機(jī)械手不能完全取代流動(dòng)分析產(chǎn)品一個(gè)重要的理由是:一些特殊樣品處理技術(shù)不能在線實(shí)現(xiàn),如萃取、高溫蒸餾,需要離線進(jìn)行,相信隨著技術(shù)的進(jìn)步,這些方面的技術(shù)也會(huì)提高。參考文獻(xiàn):1. 工業(yè)機(jī)器人 徐元昌 編制 中國(guó)輕工業(yè)出版社 1999.082. 液壓傳動(dòng)與控制 賈銘新 主編 國(guó)防工業(yè)出版社 2003.013. 液壓與氣壓傳動(dòng) 左健民 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1999.104. 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù) 孟繁華 編 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 1989.065. 濮鳳根,胡偉民. 關(guān)于液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步探討. 19976. 馮毅,田樹(shù)軍,李利. 基于計(jì)算智能的液壓集成塊優(yōu)化設(shè)計(jì).中國(guó)機(jī)械工程,2003(17)7. 機(jī)器人和機(jī)械手控制系統(tǒng) (蘇)E.N尤列維奇等著;劉興良等譯 新時(shí)代出版社 1985.048. 機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí) 劉興良編著 新時(shí)代出版社 1986.08 9. 濮鳳根,胡偉民. 關(guān)于液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步探討. 機(jī)電設(shè)備 199710.Solomatine,D. Object-orientation in hydraulic modeling architectures.Journal of computing in civil engineering,1996(4)二、本課題擬解決的問(wèn)題目前液壓機(jī)械手被廣泛地應(yīng)用于各種加工試驗(yàn)等工作場(chǎng)所,由于現(xiàn)在的科技進(jìn)步與發(fā)展,工業(yè)機(jī)械手逐步追求一種智能化,小型化,進(jìn)一步體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)控制的微縮。現(xiàn)階段液壓集成塊技術(shù)被廣泛用應(yīng)于液壓系統(tǒng)的控制,以減小液壓系統(tǒng)控制管路連接。 液壓機(jī)械手控制設(shè)計(jì)中液壓集成塊設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵的工作,液壓集成塊是安裝各種液壓元件,并在其內(nèi)部按照系統(tǒng)控制原理要求實(shí)現(xiàn)元件之間油道連通的復(fù)雜功能塊。它的應(yīng)用使液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊,安裝和調(diào)試也更加方便。在一定尺寸限制的塊體上如何按照系統(tǒng)原理要求,正確合理的設(shè)計(jì)多個(gè)通道,對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),因而單靠手工設(shè)計(jì)集成塊不僅速度慢,而且難免在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤,影響工作的正常進(jìn)行,造成很大的時(shí)間與資源的浪費(fèi)。本課題擬在利用現(xiàn)在專業(yè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù),方法,工具來(lái)促使人們更深入地開(kāi)展工業(yè)機(jī)械手液壓集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究。液壓集成系統(tǒng)的CAD的研究與開(kāi)發(fā)已為液壓控制工程設(shè)計(jì)提供了有力的支持。由于液壓集成塊的高附價(jià)值,液壓集成控制技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)不但能夠滿足個(gè)別企業(yè)專業(yè)急需,同時(shí)也有望走上商品化專業(yè)軟件市場(chǎng)。三、解決方案及預(yù)期效果在整個(gè)的液壓控制系統(tǒng)中液壓集成塊為一個(gè)重要的中間控制元件,利用它可以減少很多復(fù)雜管路以及控制元件的連接,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的集成化。鑒于現(xiàn)在液壓工業(yè)機(jī)械手國(guó)內(nèi)外趨勢(shì)的發(fā)展,主要解決機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究,并利用液壓集成塊CAD應(yīng)用軟件獲得最優(yōu)的布局布孔方案。實(shí)現(xiàn)了液壓集成塊布局孔集成方案的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)合理的液壓原理圖以及選用標(biāo)準(zhǔn)的液壓元件,明確各元件之間的連通關(guān)系,實(shí)現(xiàn)液壓元件在集成塊體上的布局定位,實(shí)時(shí)干涉校核下的孔道自動(dòng)連通,連通方案的目標(biāo)評(píng)價(jià)和布局方案的自動(dòng)調(diào)整等步驟。最后形成集成塊的布局布孔最優(yōu)方案。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要以下幾項(xiàng)數(shù)據(jù):1.元件的外型尺寸,用于裝配時(shí)進(jìn)行外型干涉校核 2.元件底版孔系數(shù)據(jù),包括元件底版上各油孔,螺紋孔等的坐標(biāo)位置和孔道大小,以及深度要求和安裝精度要求等 3.元件本身屬性,包括元件裝配的優(yōu)先面,優(yōu)先角度等利用CAD的三維實(shí)體造型功能,可以將液壓集成塊自動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果,即集成塊外部元件布局和內(nèi)部孔道布局的集成方案,在CAD圖形庫(kù)中自動(dòng)生成集成塊的三維結(jié)構(gòu)圖和裝配圖,在CAD的三維瀏覽工具的支持下,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)集成塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和裝配圖的多方位,多角度的觀察,進(jìn)而對(duì)檢驗(yàn)方案結(jié)果及優(yōu)劣程度進(jìn)行改造。其中,液壓集成塊三維裝配圖生成需要液壓元件圖形庫(kù)的支持。就設(shè)計(jì)全過(guò)程來(lái)說(shuō),工作從液壓控制系統(tǒng)原理方案分析開(kāi)始,確定集成范圍和目標(biāo)要求,構(gòu)思總體部署方案和確定全部元件規(guī)格及其安裝位置,根據(jù)原理要求設(shè)計(jì)塊體孔系,設(shè)計(jì)師在塊體設(shè)計(jì)中要遵循設(shè)計(jì)規(guī)范與準(zhǔn)則,獲得集成塊裝配草圖與零件設(shè)計(jì)草圖,孔道校驗(yàn)和技術(shù)文件編制。然而集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)在于促使設(shè)計(jì)師發(fā)揮創(chuàng)造性,即應(yīng)用開(kāi)發(fā)應(yīng)定位于集成塊設(shè)計(jì)的前端。根據(jù)過(guò)程改進(jìn)要求獲得設(shè)計(jì)過(guò)程規(guī)范是過(guò)程建模的前提。按照設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)能力以及過(guò)程改進(jìn)的方法學(xué)框架,逐步建立行之有效的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)師利用軟件高效完成工作的同時(shí),能充分發(fā)揮創(chuàng)造潛力,完成工作的創(chuàng)造性部分。四、課題進(jìn)度安排3月19日4月1日畢業(yè)實(shí)習(xí)階段。畢業(yè)實(shí)習(xí),查閱資料,到多個(gè)公司實(shí)踐,撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告。4月2日4月15日開(kāi)題階段。提出總體設(shè)計(jì)方案及草圖,填寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。4月16日5月23日 設(shè)計(jì)初稿階段。完成總體設(shè)計(jì)圖、部件圖、零件圖。5月24日6月7日 中期工作階段。完善設(shè)計(jì)圖紙,編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),中期檢查。6月8日6月10日畢業(yè)設(shè)計(jì)預(yù)答辯。6月11日6月18日畢業(yè)設(shè)計(jì)整改。圖紙修改、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)修改、定稿,材料復(fù)查。6月19日6月21日畢業(yè)設(shè)計(jì)材料評(píng)閱。6月22日6月24日畢業(yè)答辯。6月25日6月28日材料整理裝袋。五、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 年 月日六、專業(yè)系意見(jiàn) 年 月日七、學(xué)院意見(jiàn)年 月日液壓集成塊CAD技術(shù)的發(fā)展與研究 摘要:本文介紹了液壓集成塊的現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r以及它在集成系統(tǒng)中的作用。在分析液壓集成塊CAD應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)展的基礎(chǔ)上,提出了深入開(kāi)展液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的中心任務(wù)是完善集成塊設(shè)計(jì)規(guī)范和過(guò)程建模。支持并持續(xù)改進(jìn)集成塊設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程,是液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。過(guò)程建模的思想方法將促使企業(yè)建立和改進(jìn)開(kāi)發(fā)能力成熟模型,進(jìn)而提高企業(yè)的整體開(kāi)發(fā)能力。關(guān)鍵詞: 液壓集成塊;CAD技術(shù); 開(kāi)發(fā); 研究The Development and Research of CAD Technic for Hydraulic Manifold BlockAbstract: Summary : This text has introduced the state of development and its role in integrated system of the present stage that the hydraulic pressure integrates one. On the basis of analysing that integrates a progress for CAD application and development in hydraulic pressure, is it launch hydraulic pressure integrate pieces of central task that CAD research and develop to is it integrate pieces of design specification and course modeling to perfect thoroughly to put forward. Support and is it integrate pieces of whole course that design to improve continuously, it is hydraulic pressure that integrate pieces of goal that CAD researches and develops. The modeling way of thinking of the course will impel enterprises to set up and improve the ripe model of development ability, and then improve the whole development ability of enterprises.Key words: Hydraulic manifold block;CAD technique;Exploiture;Research前言在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,液壓集成塊設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵的工作,液壓集成塊是安裝各種液壓元件,并在其內(nèi)部按照系統(tǒng)原理要求實(shí)現(xiàn)元件之間油道連通的復(fù)雜功能塊。它的應(yīng)用使液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊,安裝和調(diào)試也更加靈活方便。在一定尺寸限制的塊體上如何按照系統(tǒng)原理要求,正確合理的設(shè)計(jì)多個(gè)通道,對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),因而單靠手工設(shè)計(jì)集成塊不僅速度慢,而且難免在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤,影響工作的正常進(jìn)行,造成很大的時(shí)間與資源的浪費(fèi)。正文液壓集成塊作為各式板式閥,插裝閥及其其他附件的承裝載體,因液壓系統(tǒng)組成的非標(biāo)準(zhǔn)性和所承裝閥體及其相互連通關(guān)系的多樣性所致,其外部是多種不同格式和規(guī)格的液壓元件在各個(gè)方面的緊湊布局,內(nèi)部為十分密集,復(fù)雜的孔系網(wǎng)絡(luò),在液壓集成塊自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中,一項(xiàng)重要的內(nèi)容是建立含有足夠信息量的且方便適用的液壓元件數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形庫(kù)。對(duì)于液壓集成塊而言,安裝在塊上的各種液壓元件相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)成了設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性信息,如:元件的外型尺寸,底版孔系數(shù)據(jù),以及其他附加信息等,同時(shí)由于各個(gè)液壓生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的液壓元件系列不同,規(guī)格不同,種類繁多,外型尺寸各異,則深入剖析各類液壓元件的屬性及構(gòu)成規(guī)律,提取對(duì)集成塊設(shè)計(jì)有意義的信息,并按照一定的分類方法與集成塊 CAD技術(shù)接軌,深入開(kāi)展液壓集成塊CAD的研究開(kāi)發(fā)。當(dāng)前液壓集成塊CAD應(yīng)用開(kāi)發(fā)受到了國(guó)內(nèi)外液壓界的廣泛重視,專業(yè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù),方法,工具的不斷發(fā)展和成熟,又促使人們更深入地開(kāi)展液壓集成塊的開(kāi)發(fā)與研究。液壓集成塊的CAD的研究與開(kāi)發(fā)已為液壓工程設(shè)計(jì)提供了有力的支持,但其發(fā)展?jié)摿€沒(méi)有充分發(fā)掘。由于液壓集成塊的高附價(jià)值,液壓集成塊CAD技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)不但能夠滿足個(gè)別企業(yè)液壓集成塊的專業(yè)急需,同時(shí)也有望走上商品化專業(yè)軟件市場(chǎng)。對(duì)液壓集成塊CAD技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)提出全面的商品化,工程化要求并采取有效的方法學(xué),技術(shù)和工具,將液壓集成塊CAD技術(shù)應(yīng)用軟件推向用戶市場(chǎng)是液壓集成塊CAD領(lǐng)域的重要工作。液壓集成塊CAD應(yīng)用軟件將能自動(dòng)生成與獲得最優(yōu)的布局不孔集成方案。實(shí)現(xiàn)了液壓集成塊布局孔集成方案的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用該軟件用戶只需要輸入液壓原理圖所提供的液壓元件及其元件之間的連通關(guān)系,則計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成中間的處理過(guò)程,包括液壓元件在集成塊體上的布局定位,實(shí)時(shí)干涉校核下的孔道自動(dòng)連通,連通方案的目標(biāo)評(píng)價(jià)和布局方案的自動(dòng)調(diào)整等步驟。最后形成集成塊的布局布孔最優(yōu)方案。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要以下幾項(xiàng)數(shù)據(jù):1.元件的外型尺寸,用于裝配時(shí)進(jìn)行外型干涉校核 2.元件底版孔系數(shù)據(jù),包括元件底版上各油孔,螺紋孔等的坐標(biāo)位置和孔道大小,以及深度要求和安裝精度要求等 3.元件本身屬性,包括元件裝配的優(yōu)先面,優(yōu)先角度等利用CAD的三維實(shí)體造型功能,可以將液壓集成塊自動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果,即集成塊外部元件布局和內(nèi)部孔道布局的集成方案,在CAD圖形庫(kù)中自動(dòng)生成集成塊的三維結(jié)構(gòu)圖和裝配圖,在CAD的三維瀏覽工具的支持下,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)集成塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和裝配圖的多方位,多角度的觀察,進(jìn)而對(duì)檢驗(yàn)方案結(jié)果及優(yōu)劣程度進(jìn)行改造。其中,液壓集成塊三維裝配圖生成需要液壓元件圖形庫(kù)的支持。安裝在液壓集成塊上的液壓元件通常有液壓閥,管接頭以及儀表等附件,多為標(biāo)準(zhǔn)件,并且同一系列同一類型不同型號(hào)的元件,其結(jié)構(gòu)基本相似,僅尺寸略有不同。因此液壓元件圖形庫(kù)較適合采用驅(qū)動(dòng)法來(lái)建立,可以利用MDT提供的表驅(qū)動(dòng)技術(shù)生成液壓元件的三維模型,完成元件圖形庫(kù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。MDT(AutoCAD Mechanical Desktop)是Autodesk公司在AutoCAD基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的基于特征的參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件,是融二維繪圖和三維造型于一體的機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)。它包括參數(shù)花實(shí)體特征造型、曲面造型、零部件裝配及干涉檢查。三維與二維雙向關(guān)聯(lián)繪圖,是運(yùn)行于微機(jī)上較為典型的機(jī)械CAD軟件之一。針對(duì)集成塊CAD技術(shù),當(dāng)前由上海第704研究所和上海交通大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的集成塊??桌L圖軟件,已在工程實(shí)踐中發(fā)揮作用,有效保證了復(fù)雜集成塊的設(shè)計(jì)質(zhì)量。雙方在經(jīng)過(guò)多年的集成塊設(shè)計(jì)及其應(yīng)用軟件的研究開(kāi)發(fā),在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上總結(jié)液壓集成塊設(shè)計(jì)規(guī)范,為集成塊CAD的深入研究開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了有利條件。液壓集成塊校孔繪圖軟件定位在集成塊設(shè)計(jì)中的孔道檢驗(yàn)和自動(dòng)繪圖兩個(gè)環(huán)節(jié),即經(jīng)圖形用戶界面基于設(shè)計(jì)草圖輸入有關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)果和設(shè)計(jì)要求,從而建立集成塊體的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)多種方式全面檢查內(nèi)部孔道幾何關(guān)系,并比較驗(yàn)證預(yù)定的連通關(guān)系要求,確定塊體設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。借助三維幾何觀察器顯示局部細(xì)節(jié)以及直接確定問(wèn)題所在。從而幫助使用者識(shí)別設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,并采取必要的修正措施修改塊體模型有關(guān)數(shù)據(jù)。從實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到裝業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重心應(yīng)放在染件的人機(jī)界面和軟件質(zhì)量上。校孔軟件是基于正確的塊體數(shù)學(xué)模型自動(dòng)生成規(guī)范的圖紙。在??桌L圖軟件中,集成塊設(shè)計(jì)信息與孔道效驗(yàn)質(zhì)量特別是可靠性是該軟件開(kāi)發(fā)的成敗,同時(shí)也影響工作效率。因此,就現(xiàn)階段該軟件使用狀況而言仍需要進(jìn)一步的完善與強(qiáng)化。就液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的工程化和商業(yè)化來(lái)說(shuō),盡管孔道繪圖部分已經(jīng)有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ),但這仍不夠。??桌L圖一度是集成塊設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題,軟件應(yīng)該保證一個(gè)完整而正確的集成塊設(shè)計(jì)過(guò)程,在明確給定設(shè)計(jì)結(jié)果表達(dá)形式和正確性的判斷依據(jù)的同時(shí),集成塊設(shè)計(jì)規(guī)范更應(yīng)強(qiáng)調(diào)有效設(shè)計(jì)集成塊的過(guò)程規(guī)則,強(qiáng)調(diào)集成塊設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)范性。在軟件工程中,方法學(xué)是指導(dǎo)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一種有效手段,它強(qiáng)調(diào)從軟件過(guò)程的全局框架出發(fā),把握應(yīng)用開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的過(guò)程,隨著軟件應(yīng)用不斷進(jìn)入過(guò)程專業(yè)領(lǐng)域,方法學(xué)也隨之滲透到各種硬產(chǎn)品及其過(guò)程的建模。目前,在液壓集成塊設(shè)計(jì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中仍拘泥于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果信息建模,而在孔道校驗(yàn)繪圖軟件中,集成塊的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型記錄到相關(guān)描述文件,據(jù)此得到集成塊的三維幾何模型,并生成二維圖紙作為設(shè)計(jì)結(jié)果,此外對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程建模并無(wú)涉足?,F(xiàn)在關(guān)于集成塊CAD的研究開(kāi)發(fā),不能停留于結(jié)果信息建模,而要面向整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的建模。為此,需要強(qiáng)調(diào)完善集成塊的設(shè)計(jì)規(guī)范,特別是其設(shè)計(jì)過(guò)程規(guī)范,不斷完善集成塊設(shè)計(jì)規(guī)范和過(guò)程建模對(duì)液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的深入是當(dāng)務(wù)之急。就設(shè)計(jì)全過(guò)程來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)師的工作從液壓控制系統(tǒng)原理方案分析開(kāi)始,確定集成范圍和目標(biāo)要求,構(gòu)思總體部署方案和確定全部元件規(guī)格及其安裝位置,根據(jù)原理要求設(shè)計(jì)塊體孔系,設(shè)計(jì)師在塊體設(shè)計(jì)中要遵循設(shè)計(jì)規(guī)范與準(zhǔn)則,獲得集成塊裝配草圖與零件設(shè)計(jì)草圖,孔道校驗(yàn)和技術(shù)文件編制。然而集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)在于促使設(shè)計(jì)師發(fā)揮創(chuàng)造性,即應(yīng)用開(kāi)發(fā)應(yīng)定位于集成塊設(shè)計(jì)的前端。根據(jù)過(guò)程改進(jìn)要求獲得設(shè)計(jì)過(guò)程規(guī)范是過(guò)程建模的前提。按照設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)能力以及過(guò)程改進(jìn)的方法學(xué)框架,逐步建立行之有效的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)師利用軟件高效完成工作的同時(shí),能充分發(fā)揮創(chuàng)造潛力,完成工作的創(chuàng)造性部分,即為集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的最高目標(biāo)。明確這一目標(biāo),液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)任務(wù)也就明確了。液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)必須著眼于全局與長(zhǎng)遠(yuǎn),并著手于近期急需及條件允許的有限目標(biāo)范圍來(lái)實(shí)施。過(guò)程建模將成為集成塊CAD研究的關(guān)鍵;過(guò)程重組,再工程的方法學(xué)框架明確了液壓集成塊CAD研究開(kāi)發(fā)的方向和中心內(nèi)容。參考文獻(xiàn):1.濮鳳根,胡偉民. 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