基于ADAMS與MATLAB的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)給系統(tǒng)聯(lián)合仿真

周 祥，劉 沖，王萬杰，涂芬芬，王金榮

（江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床具有高效率、高自動化、高精度和生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，已在國內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的結(jié)構(gòu)性能不斷得到提升。但基礎(chǔ)共性技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)研究的缺乏，制約了國產(chǎn)機(jī)床的進(jìn)一步發(fā)展。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床傳動系統(tǒng)的運(yùn)動慣量由伺服電機(jī)、滾珠絲杠副、聯(lián)軸器、工作臺以及工件的慣量組成。由于進(jìn)給系統(tǒng)主要部件質(zhì)量大、運(yùn)動速度較高，因此在電機(jī)停止轉(zhuǎn)動后工作臺仍會產(chǎn)生較大的慣性力，此時送料機(jī)構(gòu)的高速振動會影響沖床的定位精度。橫梁進(jìn)給時，由于絲杠長度較長，直徑較細(xì)，其動態(tài)特性較差。此外，滾珠絲杠和螺母之間，直線滾動導(dǎo)軌和滑塊之間的結(jié)合面特性對于進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度也有很大的影響[1]。

現(xiàn)有沖床的進(jìn)給速度（v）大多符合要求，但是加速度（a）和加加速度（j）比較小。對于沖床加工時，一些進(jìn)給量較小且往復(fù)頻繁的工況來說，加速度和加加速度顯得尤為重要，對生產(chǎn)效率影響極大。如果在變速階段能夠使用較高的加加速度，可以減少變速消耗的時間，提高進(jìn)給效率；另一方面如果變速過于劇烈，會產(chǎn)生沖擊，影響板材加工質(zhì)量。所以設(shè)計出合理的加速和減速曲線，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給過程的高速和平穩(wěn)尤為重要。

針對以上問題，本課題以江蘇亞威的一款數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床為研究對象，綜合運(yùn)用Solidworks、ADAMS、MATLAB/Simulink等建模分析軟件，采用理論分析、數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對沖床進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)特性問題進(jìn)行了研究，為數(shù)控編程和優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是一個非常復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)。如圖1所示，在傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，機(jī)械工程師和控制工程師各自都需要建立自己的模型，然后分別采用不同的仿真軟件，對機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，最后通過建好的物理樣機(jī)模型對其進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，如果發(fā)現(xiàn)問題就要重新修改各自的仿真模型，然后重新建造物理樣機(jī)并對其進(jìn)行再一次聯(lián)合調(diào)試。這種設(shè)計方式顯然費(fèi)時又費(fèi)力。

利用伺服進(jìn)給系統(tǒng)虛擬樣機(jī)提供的集成環(huán)境對機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，是一種全新的設(shè)計方法。

圖1 傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計流程

ADAMS提供了兩種對復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析的方法。一種是利用ADAMS/View提供的控制工具箱，控制工具箱提供了簡單的線性控制模塊和濾波模塊，可以方便實(shí)現(xiàn)前置濾波、PID控制和其他連續(xù)時間單元的模擬仿真。對于一些簡單的控制問題，利用 ADAMS/View的控制工具箱，可以直接在 ADAMS/View環(huán)境的虛擬樣機(jī)模型中添加控制模塊，完成機(jī)電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析。針對數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的原理和構(gòu)成都比較復(fù)雜，因此對于數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型的建立，僅利用 ADAMS/View的控制工具箱提供的功能是難以勝任這種復(fù)雜的仿真任務(wù)的[2]。

本文采用的是ADAMS軟件提供的另一種方法，即利用ADAMS/Controls模塊，將機(jī)械系統(tǒng)仿真分析工具同控制系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件有機(jī)地連接起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析。ADAMS/Controls模塊支持同 EASY5、MATLAB、MATRIX 等控制系統(tǒng)設(shè)計分析軟件進(jìn)行聯(lián)合分析。本文是采用MATLAB軟件對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)建模，然后與已在 ADAMS環(huán)境中建立的進(jìn)給伺服機(jī)械系統(tǒng)集成起來進(jìn)行聯(lián)合仿真。

使用 ADAMS/Controls控制模塊，機(jī)械工程師和控制工程師可以共同享有同一個樣機(jī)模型，進(jìn)行設(shè)計、調(diào)試和試驗(yàn)。可以利用虛擬樣機(jī)對機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)聯(lián)合調(diào)試，直到獲得滿意的設(shè)計效果，然后再進(jìn)行物理樣機(jī)的建造和調(diào)試。如圖2所示。顯然，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計、調(diào)試和試驗(yàn)的方法，與傳統(tǒng)方法相比具有明顯優(yōu)勢，可大大提高設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)產(chǎn)品成本，獲得優(yōu)化的機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體性能。

圖2 利用 ADAMS/Controls的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計流程

2 虛擬樣機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)建模

2.1 聯(lián)合仿真的具體流程

虛擬樣機(jī)技術(shù)基于計算機(jī)仿真工程，為了方便機(jī)床的原型設(shè)計，建立較為準(zhǔn)確的樣機(jī)模型，更加真實(shí)地仿真機(jī)床的動力學(xué)特性，將CAD/CAE技術(shù)同控制理論結(jié)合起來完成數(shù)控機(jī)床機(jī)電系統(tǒng)耦合建模[3]，聯(lián)合仿真可以分為4個步驟：①建立機(jī)床伺服進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械模型，建立部件之間的約束關(guān)系；②建立系統(tǒng)的控制變量接口，創(chuàng)建輸入變量和系統(tǒng)輸出變量；③建立控制系統(tǒng)模型；④聯(lián)接控制系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)之間的接口，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，針對系統(tǒng)特性進(jìn)行測試。

2.2 進(jìn)給系統(tǒng)多剛體模型的建立

本文采用SolidWorks軟件建立機(jī)構(gòu)的三維模型，在ADAMS軟件中定義簡單的約束和運(yùn)動關(guān)系?？紤]到三維模型數(shù)據(jù)較大，在不影響精度的前提下對機(jī)構(gòu)所有細(xì)小特征，包括導(dǎo)圓、導(dǎo)角、小孔等進(jìn)行適當(dāng)簡化，去除鍵槽和螺紋等一些細(xì)節(jié)信息。忽略絲杠與軸承、絲杠與螺母之間的接觸和配合等問題。通過SolidWorks與ADAMS之間的專業(yè)接口文件類型parasolid（*.xmt_txt）將實(shí)體模型導(dǎo)入 ADAMS。

在ADAMS軟件環(huán)境下，導(dǎo)入數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)給系統(tǒng)的三維實(shí)體模型。將橫梁主體的相關(guān)部件用布爾運(yùn)算進(jìn)行連接處理，然后根據(jù)各主要部件的約束運(yùn)動關(guān)系，在ADAMS中添加相應(yīng)的運(yùn)動副。大地（ground）和橫梁之間添加移動副，橫梁和螺母之間添加固定副，螺母和滾珠絲杠之間添加螺旋副[4]，螺距為50mm。添加完運(yùn)動副后，建立了進(jìn)給系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，如圖3所示。在滾珠絲杠的一端施加驅(qū)動后，對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，確保模型的建立正確無誤。

圖3 ADAMS中的虛擬樣機(jī)模型

2.3 進(jìn)給控制系統(tǒng)模型的建立

進(jìn)行聯(lián)合仿真前，需要定義ADAMS的輸入輸出變量，輸入變量是指從控制程序返回到ADAMS的變量，表示控制程序的輸出。輸出變量是進(jìn)入控制程序的變量，表示從ADAMS/Controls輸出到控制程序的變量。通過定義輸入和輸出變量，實(shí)現(xiàn)ADAMS和控制程序之間的信息封閉循環(huán)交互。即從ADAMS輸出的信號進(jìn)入控制程序，同時從控制程序輸出的信號進(jìn)入ADAMS程序。這里所有的程序的輸入都應(yīng)該設(shè)置為變量，而輸出可以是變量或者是測量值[5]。

多剛體模型建立后在ADAMS里面確定輸入和輸出，向樣機(jī)添加控制系統(tǒng)。具體為：電機(jī)的控制力矩為模型的輸入變量，滾珠絲杠的角位移（angle_displacement）、角速度（angle_velocity）和角加速度（angle_accelaration）為模型的輸出變量。ADAMS/Controls將輸入和輸出信息保存在MATALB程序的.m文件中，同時產(chǎn)生一個ADAMS/View的.cmd命令文件和一個ADAMS/Solver的.adm命令文件，供聯(lián)合仿真分析時使用[6]。

將在ADAMS/View下所建立的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)模型模塊導(dǎo)入Simulink，同時利用MATLAB/Simulink提供的模塊庫建立控制系統(tǒng)模型，如圖4所示。

然后對各個模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。電機(jī)伺服系統(tǒng)主要利用目前經(jīng)典的三環(huán)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行伺服控制。系統(tǒng)一般分為三個控制環(huán)路，包括電流環(huán)路、速度環(huán)路以及位置環(huán)路。其中電流環(huán)路和速度環(huán)路為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)路為外環(huán)。應(yīng)用這樣的結(jié)構(gòu)能夠使伺服系統(tǒng)有較好的動態(tài)跟隨性能以及抗干擾性能[7]。伺服系統(tǒng)嚴(yán)格要求的是機(jī)床定位的精確性和快速性，理論和工程實(shí)踐都證明對三環(huán)路參數(shù)進(jìn)行有效適當(dāng)?shù)恼ǎ鄳?yīng)的PID控制器調(diào)節(jié)過程中的過分振蕩就能較好地避免，同時還能實(shí)現(xiàn)無差控制以及具有減小超調(diào)的作用，能夠有效縮短調(diào)節(jié)時間和克服系統(tǒng)動態(tài)誤差[8]。此外，在MATLAB Function中改變運(yùn)動曲線控制策略。

本文仿真使用的參數(shù)為：位置環(huán)參數(shù)P=160，I=0，D=0；速度環(huán)參數(shù) P'=360，I'=0，D'=0；電流環(huán)參數(shù)P"=20，I"=0.01，D"=0。電機(jī)參數(shù)為：電樞電感Lm=0.00012H，電樞電阻 Rm=0.18H-1。

仿真的工況為橫梁以102m/min的速度進(jìn)給1700mm。由于絲杠螺距為50mm，折合絲杠平均轉(zhuǎn)速為 68πrad/s。

圖4 沖床Y軸伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)電模型

若進(jìn)給全程使用勻速，則轉(zhuǎn)角隨時間變化的函數(shù)為：

而使用二次函數(shù)來過渡變速過程的控制策略，其轉(zhuǎn)角隨時間變化的函數(shù)為：

3 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

針對該類型機(jī)床Y軸伺服進(jìn)給系統(tǒng)仿真結(jié)果：

圖5是絲杠轉(zhuǎn)角隨時間變化的曲線，圖6是絲杠的角速度變化曲線，圖7是絲杠的輸入轉(zhuǎn)矩變化曲線。從仿真的結(jié)果看，二次函數(shù)過渡顯示了較好的動態(tài)特性。僅增加了10%的運(yùn)行時間，不但運(yùn)行過程平穩(wěn)，而且把加速和減速力矩控制在較小的范圍內(nèi)，避免了沖擊。

通過建立機(jī)電仿真模型不但可以分析進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)整體動態(tài)特性，并且可以比較數(shù)控系統(tǒng)各種插補(bǔ)算法的優(yōu)劣，還可以分析機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性，設(shè)計伺服控制算法并進(jìn)行控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整等，獲得優(yōu)化的機(jī)電一體化系統(tǒng)整體性能。

圖6 絲杠角速度曲線

圖7 絲杠輸入轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)論

本文利用ADAMS與MATLAB/Simulink軟件成功對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)電聯(lián)合仿真分析。在仿真過程中，不需要推導(dǎo)機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜的微分方程，利用ADAMS軟件建立虛擬模型進(jìn)行分析，大大方便了建模過程。與那些近似的數(shù)學(xué)模型相比，通過ADAMS建立的虛擬樣機(jī)模型能更好地接近實(shí)際物理模型，而ADAMS自帶的控制工具箱只能解決一些簡單的控制問題，所以通過MATLAB/Simulink，可以解決ADAMS軟件的控制分析能力不足的問題。這種分析方法與傳統(tǒng)設(shè)計模式相結(jié)合，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本，也給那些復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供一種較為快速和實(shí)用的途徑。

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