高速高精度數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動的機(jī)電聯(lián)合系統(tǒng)仿真

王嘉偉

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西晉中，030801)

試驗(yàn)與檢測

高速高精度數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動的機(jī)電聯(lián)合系統(tǒng)仿真

王嘉偉

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西晉中，030801)

利用相關(guān)軟件設(shè)置復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)仿真方案，包括復(fù)雜運(yùn)動指令的生成、交流伺服控制以及多體系統(tǒng)動力學(xué)等方面，建立數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)電聯(lián)合仿真平臺，對該數(shù)控的進(jìn)給驅(qū)動的動態(tài)特性進(jìn)行分析。通過對比分析得出，建立的仿真平臺可對高速高精度數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動的整體動態(tài)特性進(jìn)行有效分析和相關(guān)評估，從而為其設(shè)計(jì)思路提供理論支撐。

高速高精度數(shù)控；進(jìn)給驅(qū)動；機(jī)電系統(tǒng)；聯(lián)合仿真

1 引言

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床廣泛采用的是以滾珠絲杠作為傳動機(jī)構(gòu)的半閉環(huán)控制進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令信號由伺服驅(qū)動裝置和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)床的工作臺等執(zhí)行部件進(jìn)行工作進(jìn)給和快速進(jìn)給[1]。在傳統(tǒng)模式下，在進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的研究方面，各環(huán)節(jié)之間通常都是分開進(jìn)行運(yùn)作，例如，在對機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，只關(guān)注靜態(tài)的定位精度；在對伺服驅(qū)動進(jìn)行研究時(shí)，只關(guān)注控制系統(tǒng)本身的特性；在對數(shù)控加工刀位軌跡進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，只關(guān)注傳統(tǒng)的幾何問題。因此，這種傳統(tǒng)模式已經(jīng)很難滿足新形勢下數(shù)控技術(shù)的高速高精度要求。隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，高速加工的機(jī)理與常規(guī)速度加工機(jī)理之間逐漸顯現(xiàn)出巨大的差別，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面由于進(jìn)給速度的提高，使得機(jī)床的慣性作用得到明顯增強(qiáng)，由此出現(xiàn)的噪音和震動等問題會對其性能和壽命產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的影響；另一方面是由于機(jī)床的高速運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致部分零件產(chǎn)生變形現(xiàn)象，由此改變了相關(guān)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動方式和動力特性[2]。因此，在對數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，要首先將其動力特性納入考慮范圍，避免在機(jī)械運(yùn)作過程中由于失誤和意外而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

2 進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的建?；A(chǔ)

2.1 伺服驅(qū)動系統(tǒng)

由于凸極式永磁式同步電動機(jī)d軸電感和q軸電感相等，且此過程中d軸的等效繞組電流為0，因此，可假設(shè)電流環(huán)在q軸上建立相關(guān)模型：

(1)

式中，Uq為q軸等效繞組電壓；iq為q軸等效繞組電流；Rs為定子相電阻；Lq為q軸等效繞組電感；ωm為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；Tm為電磁轉(zhuǎn)矩；ψf為永磁滋體基波勵(lì)磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；pn為磁極對數(shù)；p為微分算子。

2.2 機(jī)械傳動系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)在電機(jī)扭矩或力作用下，通常情況下以剛體利用慣量來建立相關(guān)的模型，在此過程中容易忽略機(jī)械內(nèi)部的振動模態(tài)，而這些震動模態(tài)在高速進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中很容易被伺服系統(tǒng)的高響應(yīng)激發(fā)[3]。因此，在對機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)建模時(shí)，為了更精確地分析驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的控制系統(tǒng)和優(yōu)化的插補(bǔ)算法，傳動部件的彈性功能是相關(guān)工作人員必須著重考慮的重要因素。

3 機(jī)電聯(lián)合系統(tǒng)仿真平臺的實(shí)現(xiàn)

數(shù)控指令模塊、伺服驅(qū)動模塊、機(jī)械傳動模塊和分析顯示模塊等四個(gè)功能模塊共同構(gòu)成了驅(qū)動機(jī)電聯(lián)合系統(tǒng)的仿真平臺。

3.1 數(shù)控指令模塊

從專業(yè)角度上分析得知，數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動指令的生成是一個(gè)相對比較復(fù)雜的計(jì)算過程，某種程度上利用C++語言S函數(shù)的方法可使計(jì)算過程相對簡化，同時(shí)應(yīng)用之前工作過程中用C++語言編寫的插補(bǔ)算法也可大大提高工作效率。其中，C++語言中的S函數(shù)在擴(kuò)展Simulink功能上發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，其在Matlab的MEX運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上得以建立。在對C++源文件進(jìn)行編寫之后，通過Mex命令對其進(jìn)行編譯，進(jìn)而生成可供Simulink調(diào)用的動態(tài)裝載的可執(zhí)行文件，其模塊的輸出為離散的數(shù)控指令信號[4]。

3.2 伺服驅(qū)動模塊

對伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)分析之后，通過Simulink工具箱建立一個(gè)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的仿真模型。該模塊的輸入為數(shù)控指令信號以及機(jī)械傳動模塊中電機(jī)軸的角速度和角位移反饋信號，輸出為電機(jī)扭矩。

3.3 機(jī)械傳動模塊

根據(jù)前文介紹的有關(guān)動力學(xué)的建模方式，首先在ADAMS中創(chuàng)建一個(gè)傳動部件的幾個(gè)模型，然后對其間的位置關(guān)系進(jìn)行精確確定，進(jìn)而在各部件之間加入相應(yīng)的運(yùn)動副約束，最后在部件之間添加拉壓或扭轉(zhuǎn)彈簧并施加驅(qū)動力矩，這樣就可以成立一個(gè)完整的ADAMS樣機(jī)模型。然后在此樣機(jī)模型的基礎(chǔ)上，確定ADAMS的輸入變量和輸出變量。在ADAMS中建立一個(gè)需要和ADAMS的輸入型參量進(jìn)行綁定的Plant-input變量作為控制模塊的整體輸入變量。電機(jī)軸的扭矩為模型的輸入，電機(jī)軸的角速度、角位移、工作臺的位移、速度以及加速度等為模型的輸出。

3.4 分析顯示模塊

機(jī)電系統(tǒng)在進(jìn)行聯(lián)合仿真的過程中，伺服驅(qū)動模塊中傳遞環(huán)節(jié)的信號和ADAMS模塊中各機(jī)械傳動部分如工作臺的位移、速度以及角速度等信號，都可以統(tǒng)一輸出到分析顯示模塊中，進(jìn)而由分析顯示模塊對上述信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和顯示，由此計(jì)算出直線或圓插補(bǔ)誤差等相關(guān)數(shù)據(jù)。此外，分析顯示模塊在某種程度上與C++語言S函數(shù)方法有些相似，因?yàn)樗峭ㄟ^Matlab的M文件S函數(shù)進(jìn)行編寫，而且分析顯示模塊在將信號的采樣數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)，還可將其保存為文本文件，然后通過Matlab或其他工具手段進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，這樣一來，不同形式下的機(jī)電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真結(jié)果就可放在一起進(jìn)行詳細(xì)的對比和分析[5]。

4 仿真和試驗(yàn)結(jié)果

在仿真平臺上，以指令位移200mm、指令進(jìn)給率10000mm/min，改變指令加速度進(jìn)行進(jìn)給驅(qū)動的整體動態(tài)性能仿真，將其結(jié)果保存為文本文件。由此可見，加速度越大，加速時(shí)間就會越短，在加速過程中造成的柔性沖擊也會同時(shí)變大，工作臺速度超程量也會相應(yīng)的越大，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有一定程度的相似性。過大的速度超程量會對機(jī)床加工的精度和質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，在進(jìn)行加工的過程中要選擇適當(dāng)?shù)闹噶罴铀俣龋员苊獾毒咴诖诉^程中受到不同程度的磨損。

5 結(jié)論

在利用C++語言、Matlab和ADAMS軟件建立機(jī)床X軸進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)電聯(lián)合仿真平臺之前，首先要對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型和伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)分析[6]。在建立的仿真平臺上用不同的指令加速度進(jìn)行動態(tài)性能仿真分析，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對比，然后在數(shù)控機(jī)床設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，對直線型加減速和S型加減速指令算法進(jìn)行仿真對比和分析。根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果顯示，建立的仿真平臺不僅可以分析出數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的整體動態(tài)型特征，對高速高精度數(shù)控的插補(bǔ)算法的優(yōu)勢和缺陷進(jìn)行相關(guān)比較，而且還可以對機(jī)械設(shè)備的傳動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行檢測，對伺服控制方法進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，同時(shí)對機(jī)床機(jī)械的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整等，從而為機(jī)電一體化性能的提高奠定良好的基礎(chǔ)。

[1] 周勇,陳吉紅,彭芳瑜.高速高精度數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動的機(jī)電聯(lián)合系統(tǒng)仿真[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2013,02(04):135-139.

[2] 周勇.高速進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性分析及其運(yùn)動控制研究[D].華中科技大學(xué),2012.

[3] 趙大興,楊勇,許萬等.基于ADAMS和MATLAB的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)電聯(lián)合仿真[J].機(jī)床與液壓,2014,10(13):28-31.

[4] 李亞芹.數(shù)控沖床高速高精度同步定位分析與研究[D].佳木斯大學(xué),2014.

[5] 葉凱.高速滾珠絲杠副進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識別研究[D].武漢理工大學(xué),2012.

[6] 徐金墀. 高速高精度PCB數(shù)控鉆床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制研究[D].北京交通大學(xué),2012.

2015-08-17

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.05.008

TN784

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1000-6133(2015)05-0027-03