（机械电子工程专业论文）数控机床性能仿真系统方案研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 数控机床高速高精动态性能的研究无论是对现有数控机床的性能强化还是对新 型数控机床的开发，都具有十分重要的理论和实践意义。本文针对数控机床性能研究 的特点，结合虚拟样机技术在系统分析上的优势，提出了基于虚拟样机技术的性能仿 真系统实现方案。主要完成了以下的工作： 1 、在对数控机床动态性能仿真系统分析的基础上，引入了虚拟样机技术作为性 能仿真系统实现的核心技术，并对仿真系统的总体方案进行了研究。 2 、针对数控机床的组成特点及性能仿真系统的抽象建模的需要将数控机床划分 为有机关联的单学科系统及模型。研究了机械动力学和控制系统的建模方法，并分别 利用相关学科理论和软件建立了数控机床伺服进给系统的理论模型和仿真模型。 3 、研究了机械系统中摩擦的非线往特性及不同摩擦模型的特点。并根据伺服进 给系统中摩擦的特点选择了基于k a r n o p p 模型的摩擦非线性模型，并在 m a t l a b s i m u l i n k 中得到实现。 4 、分析了两种工程软件a d a m s 和m a t l a b 的特点，研究了a d a m s 和i v l a t l a b 的接口方法。提出了在a d a m s 中建立性能仿真环境，通过a d a m s c o n t r o l 接口和 s i m u l i n k 中建立的控制系统模型的有机集成，初步实现了数控机床性能仿真系统。利 用该仿真系统，分析了摩擦对伺服进给系绞定位精度的影响。 关键词：性能仿真虚拟样机数控机床进给伺服 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os t r e n g t h e nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f e x i s t i n gm a c h i n e t o o l sa n dt oi m p r o v e d e v e l o p m e n ta p p r o a c h e s o fn e wt y p e so fm a c h i n et o o l s ，i ti so fg r e a tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et om a k e a t h o r o u g hr e s e a r c ho f t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e o fm a c h i n e t o o l sw i t hh i 曲v e l o c i t ya n dh i 曲p r e c i s i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e t o o l s w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ea d v a n t a g e so fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yo ns y s t e m a n a l y s i s ，as y s t e m a t i cs c h e m e i sp r o v i d e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm a c h i n et o o l s ，t h ev i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g yi sr e g a r d e d a st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n s y s t e m t h es y s t e m a t i cs c h e m eo f t h es i m u l a t i o ns y s t e mi sa l s os t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i t i o no fm a c h i n et o o l sa n dt h er e q u i r e m e n to ft h ea b s t r a c t m o d e l i n go f t h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h em a c h i n et o o l ss y s t e mi sd i v i d e di n t o s e v e r a lc o r r e l a t i v es u b - s y s t e m s t h em o d e l i n ga p p r o a c h e so fm e c h a n i c a ld y n a m i ；s y s t e m a n dc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d t h e o r ym o d e la n ds i m u l a t i o nm o d e lo fs e r v o d r i v es y s t e m a r eb u i l ti i lc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ， t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ff r i c t i o n 访m e c h a n i c a ls y s t e ma r ea n a l y z e d a n dt h e n d i f f e r e n tf r i c t i o nm o d e l sa r e c o m p a r e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r i c t i o ni n s e r v o d r i v es y s t e m ，a i le f f e c t i v ef r i c t i o nm o d e li sd e v e l o p e d r e f e r r i n g t ot h ek a r n o p pm o d e l t h ef r i c t i o nm o d e ii sb u i l ti ns o f t w a r em a n 。a b s i r e u l i n k o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et w o e n g i n e e r i n gs o f t w a r ea d a m s a n dm a t l a b ，t h ei n t e r f a c ea d a m s c o n t r o li sr e d e s i g n e dt oi n t e g r a t et h ec o n t r o ls y s t e m m o d e li ns i m u l i n k 州山t h em e c h a n i c a ls y s t e mm o d e ii na d a m s i no r d e rt ob u i l dt h e p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o n f o r c et o p o s i t i o n i n g a c c u r a c yi sa n a l y z e di nt h i ss i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n v i r t u a lp r o t o t y p em a c h i n et o o l s s e l v o ，d r i v e i j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：昊昊 2 0 0 4 - 年年月2 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密d 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：吴吴 2 午年年月2 弓日 燧名鸯确 彻眸年月帮日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1课题来源 本课题来源于国家科技部国际重点合作项目“数控机床高速高精性能强化技术的 研究”，编号：2 0 0 3 d f 0 0 0 0 2 1 。 1 1 2 课题的目的和意义 高速高精数控技术是先进制造技术的重要内容之一，各国对高速高精数控技术都 极为重视，日本先端技术研究会将其列为五大现代制造技术之一，国际生产工程学会 ( c i r p ) 将其确定为2 1 世纪的研究方向一。高速高精数控技术已广泛应用于高速加 工领域，并起着重要作用。二十世纪八十年代中期机床制造商开始将高速高精数控技 术应用于机床制造之中，根据1 9 9 6 年德国对高速高精机床市场需求的预测，其年增 长率为2 0 0 3 0 0 l j j 。高速高精技术在美国的航天航空工业中也得到了广泛的应用， b o e i n g 公司宣布在近几年内将由高速高精加工中心全面替代普通加工中心，以提高飞 机复杂零件的加工效率和加工质量1 4 ，“。 在国家的大力扶植下，近几年国内的数控设备研究尤其在数控机床方面有了很大 的发展，但是产品依然集中在中低档的数控机床上，在高速高精数控机床的设计、开 发能力上与国外相比还有很大的差距。这是因为高速高精数控机床与普通数控机床相 比具有以下特殊性：不仅要研究数控系统的几何控制，而且要研究机床动力学运动控 制；不仅要研究伺服驱动系统控制参数的优化技术，而且要研究伺服驱动系统在控制 系统、运动机构系统共同作用下的优化技术；不仅要研究几何意义上的刀位轨迹规划， 而且要研究高速加工状态下刀位轨迹产生的非线性误差：不仅要重视各部分孤立的研 究，而且要进行系统整体技术的研究。而我国目前在这些方面的研究还非常欠缺。为 了实现民族数控产业高速高精的发展，因此有必要对高性能数控机床系统的先进技术 进行深入的研究。 本课题利用计算机仿真技术，建立数控机床在高速运动状态下的运动学、动力学 华中科技大学硕士学位论文 仿真模型，在此基础上，建立起提高数控机床在高速状态下运动精度的优化仿真模型； 同时利用现代测量技术，通过实验手段掌握数控机床在高速加工状态下的动态性能和 运行规律，验证数控机床仿真模型的正确性；最后，利用仿真模型对数控机床的性能 进行评估，并寻求合适的补偿策略和控制参数，以提高数控机床的整体性能，为高速 高精数控机床的设计、制造和应用提供理论依据。本项目的顺利实施对提升我国整个 机床制造业的水平、提高企业竞争能力、促进社会生产率的发展，具有重要意义，且 效益明显，应用前景广阔。 1 2 虚拟样机技术概况 1 2 1 虚拟样机技术的概念 虚拟样机技术就是不必建造物理样机，设计师直接利用计算机技术建立产品整机 的数字模型，通过仿真分析并以图形显示该模型在真实工程条件下的运动特性，从而 修改并得到最优设计方案的技术州。虚拟样机技术是一门综合学科技术，该技术以 c a d 和仿真技术为核心，兼以三维计算机图形技术和用户界面技术，将传统松散关 系的零部件设计和分析( 例如零件c a d 和有限元分析) 集成在一起，提供一个全系 统研究产品性能的方法。在整个设计过程中都可反馈信息、指导设计，迅速获取产品 最优解。 虚拟样机技术正是以虚拟样机和虚拟样机环境为基础，将系统工程方法、反求工 程方法、优化方法、计算机建模仿真技术、计算机辅助设计技术、计算机支持协同工 作f c s c w ) 和产品数据管理( p d m ) 等有机地结合在一起，为产品的全寿命周期设 计和评估提供分布式的集成环境，以达到优化接个设计周期、节约开发成本的目的【7 1 。 1 2 2 虚拟样机功能组成 虚拟样机技术实现必备的三个相关技术，即c a d 技术、计算机仿真技术和以虚 拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 为最终目标的人机交互技术【8 。 虚拟样机生成的前提是虚拟部件的“制造” l o o 成熟的c a d 三维几何造型软 件能快速、便捷地设计和组成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等 外在特征以显示真实的外观，同时还必须包含质董、重心位置、转动惯量等内在特征， 2 华中科技大学硕士学位论文 从而进行精确的机械系统动力学仿真运算。c a d 生成的三维造型数据必须导入虚拟 样机环境，在虚拟环境中能被测量和装配，并能显示出三维的外观造型后才成为真正 意义上的虚拟部件。c a d 三维造型还是实现最终从虚拟部件“制造”到现实部件制 造的基础。 虚拟样机是代替物理样机进行检测的数学模型，它的内核是包含组成整机的不同 学科子系统的大模型。传统设计方法主要集中于单学科，重视子系统细节而忽略整机 性能，因此无法同时多视角对产品综合性能进行评定。 虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交互界面对参数化“软模型”进行控 制，实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设 计师提供产品感知和性能评价，最好的交互手段是虚拟现实技术。除了应用上述传统 方式，设计师还能通过数据手套修改虚拟部件的参数，对虚拟部件重新装配，生成新 的虚拟样机。虚拟样机仿真模型则通过力反馈操纵杆等传感装置向设计师传递虚拟样 机操纵力感，通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像，有了这些人类对产品的直 观感知，就能使设计师产生强烈的“虚拟现实”沉浸感( i r n m e r s i v e ) ，从而协助设计师 和用户对产品性能做出评价“。 123 虚拟样机技术研究现状 虚拟样机技术仍处在发展阶段，各个国家都开始对这门新技术进行深入的研究， 但系统而完整的理论体系还没形成，目前美国处于研究的前沿。虚拟样机和虚拟样机 环境在不同应用领域中存在不同的定义，其发展过程就是虚拟样机技术研究发展的过 程。 虚拟样机技术是将多种计算机技术、计算机辅助技术结合在一起。目前研究重点 是如何利用这些技术，产生能替代物理样机且可信度高的产品虚拟样机。主要研究方 向是虚拟环境中的集成技术、可视化建模技术及虚拟环境中的协同工作流技术等。 目前国际上商品化的专用虚拟样机软件逐渐在工程设计实践中得到应用，功能强 大的商业软件正由少数专家使用的研究工具逐渐面向普通工程设计人员。虚拟样机技 术在国内的研究范围还较小，殷仅集中在多体动力学系统实验室研究阶段，由于缺 乏相应软件，很少用于解决工程实际问题。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 虚拟样机在性能仿真系统中的应用及相关理论 数控机床本身是一个典型的机电一体化系统，涉及到自动化、自动控制、电气技 术、电力系统及自动化、机电一体化、电机电器与控制等多学科专业的知识。对这样 一个系统的动态性能进行仿真评估必然首先需要对其实现技术和相关支撑理论进行 研究。下面就虚拟样机技术在数控机床上的应用概况和相关支撑理论进行论述。 1 3 1虚拟样机技术在数控机床上的应用 虚拟样机在数控机床上的应用又派生出了一个新的名词一一虚拟机床( v i r t u a l m a c h i n et o o l s l 1 1 2 , 1 3 1 , 它是随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的研究领域，它 的最终目标是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，用于仿真和评估各加工过程对产 品质量的影响。在虚拟机床中，需要建立机床模型和加工过程模型。机床模型包括机 床的几何参数、运动关系、伺服系统、刚度和热影响等。m m 过程模型包括切削力、 刀具的磨损、加工表面形状以及公差等。利用虚拟机床，用户输入n c 程序、工艺模 型和刀具模型，要求得到关于工件特性、刀具状况和加工效率等信息，以便对虚拟制 造中产品的可制造性作出评价。 美国伊利诺伊大学主持成立的虚拟机床研究机构和美国n i s t 都投入了大量的人 力、物力开展对虚拟机床的研究与开发工作i l 。前者的工作主要包括机床行为建模和 过程建模两部分进行。其中虚拟机床的行为建模包括以下六部分：( 1 ) 机床拓扑模型； ( 2 ) 机床运动学模型；( 3 ) 机床控制模型：( 4 ) 几何误差模型；( 5 ) 主轴动态特性模型：( 6 ) 热误差模型。过程建模主要是建立系统响应、工件属性与加工过程之间的关系。包括： ( 1 ) 切削过程模型；( 2 ) i 件属性模型：( 3 ) 工装夹具模型等三部分。而后者则以为虚拟 制造提供支持工具，并以制定下一代信息的制造技术标准奠定基础。 国内对数控机床的大部分仿真系统都是彼此独立的，都是针对数控机床生命周期 中的各个阶段的功能需要而建立的特定仿真模型，是为某个阶段或其中的某个过程服 务，因而产品和制造工程的建模能力不够全面，仿真功能也不完善【i ”。例如加工过程 的仿真，主要集中在几何仿真上，它不考虑切鄱参数、切削力及其它因素的影响，只 仿真刀具和工件几何体，以验证n c 程序的j 下确性。对数控机床系统虚拟样机采用的 方法夫多都是基于v c + + 和o p e n g l 两种软件实现的。如南京理 j 大学的冯超，通 华中科技大学硕士学位论文 过o p e n g l 软件实现三维建模及显示，利用v c + + 开发计算及结果处理模块“。利 用这种方法具有较好的可修改性，但功能简单、系统算法稳定性差。随着制造业的发 展，在几何仿真中仅仅建立刀具和工件的几何模型，已不能满足虚拟制造的要求，必 须建立加工环境模型，包括夹具、工作台和虚拟机床。所以，在虚拟制造技术的研究 中，建立虚拟机床的设计模型，研究基于系统的机床仿真，具有重要意义。 1 3 2 数控机床动力学建模理论 数控机床的结构动力学建模是对数控机床进行动力分析和动态设计的基础。只有 建立起既能确切代表实际机床结构的动力学特性，又便于分析计算的动力学模型，才 可能对数控机床的动态性能进行详细的分析计算，达到动力分析和动态设计的预定目 标。目前在机床的动力学建摸中最常见的模型有：集中参数模型、分布质量模型和有 限元模型三种【j 7 1 9 1 o 集中参数模型是将结构的质量用分散在有限个适当点上的集中质 量来置换，结构的弹性用一些没有质量的当量弹性梁来置换，结构的阻尼假设为迟滞 型的结构阻尼，结合部简化为集中的等效弹性元件和阻尼元件。但这种方法比较粗糙， 不可能很好地逼近结构的动力学特性，于是有人提出了分布质量模型。即将构件看成 质量均匀分布。随着计算机的发展，有限元模型得到了广泛的应用。有限元模型的基 本过程首先是将机庶离散成有艰单元，即划分单元：接着对单元进行分片插值，选定 有限元的逼近模式；然后构造单元的刚度矩阵、惯性矩阵、等效节点力列阵，集合单 元的各特征矩阵为总刚度矩阵、总惯性矩阵，从而构成整个结构的有限元方程组。 1 33 系统建模和仿真理论 本世纪随着数字计算机技术的飞速发展，古老的模型研究已成为- - i 崭新的学 科，即数字计算机建模及仿真。数字计算机仿真是以计算机为工具，由实际系统建立 模型，并在计算杌上运行和实验。 计算机在建模分析过程中的作用主要是用适当的语言在计算机中实现模型的描 述，运用其强大的数据处理运算能力进行模型方程式的运算求解，筛选各种初始方案， 并提供准确的分析信息，预测对系统性能起关键作用的设计变量，协助设计师从数学 模型中获取知识。计算机辅助分析包括建立模型和求出响应两个方面。 计算机仿真表达的是一个研究实际系统特征的抽象模型程序的运行1 2 0 1 。仿真在数 学模型的建立过程和数学模型的分析过程中都有着重要的意义。可以认为所有支掐模 华中科技大学硕士学位论文 型建立与模型分析的计算均为仿真。 建模与仿真是相辅相成的关系，两者相结合使设计者可以用很少的元件模型准确 地综合成系统模型，一旦模型得到验证，直至改进达到精度要求后，该系统模型则可 以反过来接受多种不同于验证条件的仿真输入，模拟系统所接受不同条件的输入测 试。在模型针对标准工况验证合格后，则可用这个模型仿真研究其他任意工况，并用 仿真结果指导系统模型的设计。这比直接在硬件上接受所有可预见的输入实验省时省 力。 1 3 4 数控机床控制理论 近年来，国内外关于控制的研究十分活跃。为了进一步提高数控机床加工过程中 的加工效率和定位精度，有必要将先进的控制算法引入数控机床的伺服控制中去，以 改善数控机床的进给伺服性能。随着模糊控制理论、自适应控制理论和神经网络控制 理论的不断完善，将这些理论算法应用到伺服系统的控制已经成为该领域研究的热 点。模糊控制理论是由m a m d a n i 于1 9 7 4 年创立的，在2 0 世纪9 0 年代以后，由于其 简单、易用、控制效果好等特点，广泛应用于各种控制系统，特别是对于模型不确定、 非线性、大时滞系统的控制系统更有着明显的优势“。神经网络控制的应用是随着回 归网络学习问题的解决而得到快速发展的。因其具有非线性映射能力、并行计算能力、 自学习能力和强鲁棒性等优点而广泛应用于模式识别、信号处理和控制领域【2 2 。 1 4 本课题的主要工作 鉴于虚拟样机技术对复杂机械产品开发及性能优化的诸多益处，并且根据华中科 技大学国家数控工程研究中心在数控机床领域多年的经验，尝试将不同软件环境下的 并行工作集成实现高速高精数控机床性能评估平台，进行数控机床虚拟样机的实现方 法和技术研究，从而达到数控机床系统层面的优化目的，更好地体现广义优化全系统 和整体性能的设计思想。 在认真分析华中科技大学国家数控工程研究中- t l , 将虚拟样机技术应用于工程机 械设计和性能优化的基础上，具体研究相关的控制系统仿真技术在数控机床虚拟样机 卜的应用。 本课题主要工作内容有： 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 对数控机床高速高精性能强化技术项目的整体技术方案的初步分析，总结其实 现的技术难点和所需的相关支撑工具。 2 1 对机械系统中摩擦非线性模型的综述，比较各种模型特点并选取了一种模型在 m a t l a b s i m u t i n k 中进行了建模： 3 1 在分析数控机床伺服进给系统组成的基础上，将进给伺服系统划分为机械执 行模块、电机驱动模块和控制系统模块，并利用a d a m s 和m a t l a b 软件分别建立 了各子模块的仿真模型。最后利用a d a m s m a = n ，a b 联合仿真技术初步实现了对整 个伺服避给系统性能仿真分析方法。 本文所做的研究工作是数控机床性能强化技术项目的前期工作，主要侧重于对整 体技术的实现方案分析，以便为总体技术方案的具体实施和细化等后续工作做准备。 华中科技大学硕士学位论文 2 数控机床与性能仿真系统 本章分析了数控机床的系统组成，并对性能仿真系统研究的总体技术路线进行分析 提出了系统实现的关键技术及相关支撑软件，由此得到了性能仿真系统的实现框架。 2 1 数控机床的系统组成 数控机床是一种高度自动化的机床，在数控机床上可以自动控制运动部件的位移 量和自动执行各种辅助功能，如主轴启停、主轴变速、进给变速、刀具更换和冷却液 开闭等。数控机床既可以控制运动轨迹位移量也可以控制各种功能的开关量。如图2 1 所示，数控枫床由以下部分组成【2 3 2 4 】。 伺服 驱动 ， h 、 及位机床 n 、 置检 程输 数 测 控 遥 驯 序入 装 编装 制置 置 c n c 机 动作 构 机机 ，卅n辅助 n “ 构构 、ny 。 控制。 l 例2 1 数控机床组成 由于数控机床是一个十分复杂的系统，如果对系统的每个细节都加以考虑，其后 续评估系统中的建模工作就变得十分困难。所以在对数控机床系统进行分析时，要对 数控机床进行适当的简化，建立数控机床的抽象结构模型，其中的简化是以不损失仿 真精度为酶提的。 在机床的动态性能系统评估中，为了更好的分析其动态性能，有必要对数控机床 进行模块化处理。模块是指具有独立的功能和艇范化的结合要素的结构单元，在模块 华中科技大学硕士学位论文 化处理中，首先要求对机床进行模块的划分与设计。根据机床的结构、功能以及各部 分的连接关系，进行模块的划分。在模块的划分中，按照分级模块化的原理，对机床 进行任意的结构和功能的划分。分级模块化认为机床整体可以由大到小一级一级划分 下去，每级模块都是下面各级模块趵组合。按照级别可以顺序她称为整机系统、部件、 组件、元件等模块。由于机床的具体结构、功能和实现方法是干差万别的，为了进行 模块化处理，必须将具体的机床抽象化，建立机床系统抽象元素之间的关系，使其具 有较强的通用性和实用性弘“。 根据数控机床中实现的功能的分析，我们将数控机床的系统主要分为主传动系 统、伺服进给传动系统和辅助动作系统( 如自动换刀装置) 等等。 】) 主传动系统 在数控机械设各的各个运动中速度最高的、功率消耗最大的运动称为主运动。而 主传动系统则是实现主运动的传动系统，它的转速高，传递的功率大，是数控机床的 关键部件之一。 2 ) 伺服迸给系统 数控机床的伺服进给传动系统是数控机床的重要组成部分，数控机床的进给传 动，是通过伺服进给传动系统实现的，它是由数控装置经伺服系统控制的，数控机床 的进给传动属伺服迸给传动。所谓伺服，是指有关的传动或运动参数。均严格按照数 控装置的控制指令实现的。这些参数是：运动的速度、运动的方向、运动的行程、运 动的起、止点。通常，把实现数控机床进给传动的结构组成，称为伺服进给传动系统 该系统由电气系统、控制系统和机械传动装置三部分构成。本文主要针对伺服迸给系 统的性能评估平台的实现进行了详细论述，具体见后文第四章。数控机床其它评估系 统的实现方法与此类似。 3 ) 辅助动作系统 在大多数数控机床中辅助动作系统通常指的是自动换刀装置。自动换刀装置的功 能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。它的主要功能是为了使工件能在 次安装中实现工序的高度集中、加工完最多的工件表面，尽量节省辅助时间。它应 满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑，便于制造、维 修、蛹整；布局应合理。使机床总佃局美观大方，且应有较好的刚性，并符合避免冲 a j 。骶动及噪声，运转安全可靠等便求。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 性能仿真系统总体方案分析 2 21性能仿真系统研究的总体目标 数控机床性能仿真系统研究的总体目标可以分n _ - 个层次：即数控机床动力学理 论分析与仿真平台建模技术、数控机床高速高精性能评估技术和数控机床性能优化与 强化技术。我们以进给伺服系统为例详细说明每个层次目标中的主要工作方案。 2 2 1 1 数控机床动力学理论分析与仿真平台建模技术 在该层次目标中对于进给伺服系统主要方案可以分为三个步骤： 1 ) 理论分析 理论分析主要包括机械结构动力学和数控核心算法的分析。由于进给驱动系统的 机械动力学模型可以看成一个二阶微分方程，在这个微分方程中，包含以下主要结构 参数：刚度、转动惯量、阻尼系数等。因此我们首先要解决的问题就是各个结构参数 的理论计算或实验测量，以及确定参数的折算方法。为了精确地描述进给伺服系统中 的动态性能，还要对进给驱动系统中非线性因素的机理及影响进行分析，如工作台导 轨之间摩擦力的数学模型、摩擦力模型在整体动力学模型中的作用、进给驱动系统中 干扰信号( 切削力矩等) 模型、进给驱动系统中滚珠丝杠( 包括反向间隙、螺距误差、 弹性变形、预紧方式、装夹方式等) 的数学模型等。数控系统核心算法性能分析是对 各种实用算法进行理论研究。为后续的每种核，t s , 算法的性能仿真评估做理论上的准备。 2 ) 仿真建模 主要解决虚拟样机技术在进给伺服系统中的实现技术，根据进给伺服系统的功能 特点，确定合适的实现软件并建立整个进给伺服系统的仿真模型。 3 ) 实验验证 主要解决数控机床系统动力学特性实验方案设计、数控机床系统动力学特性实验 装置设计、数控机床系统动力学特性实验数掘处理方法的研究。具体包括各神信号在 传递函数不同位置的响应曲线、响应曲线与输入信号的差值曲线和根据动力学特性实 验修正机床动力学理论模型及仿真模型。 o 华中科技大学硕士学位论文 221 2 数控机床高速高精性能评估技术 在这个层次的目标中主要解决的是建立数控机床性能评估体系和数控杌床性能 评估测试方案等问题。具体包括：数控机床系统性能测试方案设计、数控机床系统性 能测试装置设计和数控机床系统性能评估方案设计等。 2 - 2 1 3 数控机床性毹优化及强化技术 。 1 ) 数控机床系统性能优化技术 对于进给伺服系统而言主要应解决机械结构主要动力学参数的优化和控制系统 中控制参数的优化问题。 2 ) 数控机床系统性能强化技术 在进给伺服系统中性能强化主要解决数控机床系统基于误差补偿的性能强化总 体方案设计、各种误差源的机理研究及其数学模型的建立、各种误差源在虚拟仿真平 台中的建立方法及实验验证、各种误差源补偿机理研究及实验验证、各种误差源的在 线自动识别技术、数控机床动态特性参数的在线自动识别、各种误差源对数控机床指 令运动产生误差的在线仿真计算和基于虚拟仿真平台的前馈控制机理的研究及实验 验证等。 2 2 2 动态性能分析和动态指标 从控制论观点出发，对数控机床系统的技术要求可归纳为l 擒： 1 ) 对滚珠丝杠机械平台的精度，要求它具有摩擦阻力小、传动效率高、运动灵 敏、无爬行现象可进行预紧，以实现无间隙运动、传动刚度高、反向时无空程死区等 特点。 2 ) 对伺服系统的稳定性、静动态特性等品质指标的要求，由于台数控机床的 速度和精度等技术指标，在很大程度上取决于伺服系统的性能，因此，研究伺服系统 的动态性能十分重要。 动态过程是指控制系统在输入作用下从一个稳态向新的稳态转变的过渡过程。位 置伺服系统在跟踪加工的连续控制过程中，几乎始终处于动态的过程之中。从控制论 可知，通常有给定与扰动两种输入作用于控制系统，理想的控制系统应该对给定输入 的变化能够准确地跟踪，同时应该完全4 ：受扰动输入的影响，换句话说，系统应该h 华中科技大学硕士学位论文 有很好的跟随性和很强的抗干扰性。下面主要对伺服系统的动态指标和动态性能进行 讨论。 1 ) 动态性能指标 在分析进给伺服系统的动态过程用时域分析法最为直观，因此我们要讨论的是属 于时域上的性能指标。由于系统在给定输入和扰动输入下，其输出响应具有不同的物 理意义，对系统动态过程的评价相应地提出不同的性能指标“。 a ) 给定输入的跟随性毹指标 对于位置随动系统，由于给定值的变化是主要输入，动态过程将围绕这个变化了 的给定值而变化。常用的具体指标有超调量和调节时间。 b ) 对扰动输入的抗扰性能指标 抗扰性能是指当系统的给定输入不变时，即给定量为定值时，在受到阶跃扰动后， 输出克服扰动的影响自行恢复的能力。 系统抗扰能力的动态指标用的是最大动态变化( 降落或上升) 和恢复时间。常用的 具体指标有最大动态速降和恢复时间。 2 ) 动态性能分析 在对位置伺服系统进行动态性能分析时，不同的动态响应曲线( 例如位置响应曲 线和速度响应曲线) ，对动态性能指标的要求有很大的差别。位置响应曲线中上升时 间和调节时间可以长一些，但一定不能有超调，即必须使超调量为0 。这是因为中高 挡数控机床对位置的精度要求很高，位置一有超调，就会产生严重后果。如果数控机 床控制刀架运动的系统产生超调，那么被加工的零件就会被多切削了一部分，零件就 有可能报废。因此在调试位置环的调节器参数前，分析位置响应曲线的动态性能指标 时，其重点是超调量，只有在保证位置响应曲线没有超调的前提下，才再来考虑位置 响应的快速性，即再考虑把上升时间和调节时间适当调短。速度响应曲线中，当起动 或加速时，为了加快过渡过程，输入信号为所允许的晟大值，使上升时f b 3 茅d 调节时间 尽量短一些，一般情况下，允许速度有超调，只要超调量不超过一定的百分比即可。 华中科技大学硕士学位论文 23 数控机床仿真系统方案的实现 2 ，31系统实现的关键技术及选用的支撑软件 根据高速高精数控机床动态性能仿真系统的功能要求，和对评估方法的分析，我 们利用最新的虚拟样机技术作为实现该性能评估系统的核心技术，而虚拟样机技术本 身也是多种技术的集成，主要包括：c a d 模型生成技术、仿真应用、集成技术、交 互技术和各种技术问的无缝连结技术。其中作为虚拟样机技术核心的是c a d 技术和 仿真技术。为实现高速高精数控机床性能评估系统我们采用了s o l i d w o r k s 、a d a m s 和m a t l a b s i m u l i n k 等软件，下面就每种软件的特点分别进行介绍。 1 ) s o l i d w o r k s 软件 s o l i d w o r k s 是w i n d o w s 原创的三维设计软件副。其易用和友好的界面，能够在 整个产品设计的工作中，完全自动捕捉设计意图和引导设计修改。在s o l i d w o r k s 的 装配设计中可以直接参照已有的零件生成额的零件。不论用”自项而下”方法还是”自 底而上”的方法进行装配设计，s o l i d w o r k s 都将以其易用的操作大幅度地提高设计效 率。s o l i d w o r k s 有全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期望。 用s o l i d w o r k s 的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表示的 工程图纸。s o l i d w o r k s 软件还提供完整的、免费的开发工具( a p i ) ，用户可以用微软 的v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 或其它支持0 l e 的编程语言建立自己的应用方裂“j 。 通过数据转换接口，s o l i d w o r k s 可以很容易地将目前市场几乎所有的机械c a d 软件集 成到现在的设计环境中来。 2 ) a d a m s 软件 a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i co f m e c h a n i c a ls y s t e m 是权威的机械系统多体动力学 仿真设计软件。用户通过a d a m s 交互式图形界面，利用其零件库、运动约束库、力 库等模块能方便地建立复杂机械系统的动力学仿真模型，集成其他系统仿真模型后， 能建立机、电一体化的数控机床虚拟样机【3 0 3 ”。通过对模型的运动性能进行仿真分析 和比较，可研究虚拟样机的多个设计方案。a d a m s 能自动计算输出机械系统音【；件的 运动位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果除了传统的曲线图形输出外，还呵显 示逼真的动画。a d a m s 可用于预测数控机床机械系统的。睫能、运动范陶、干涉检测 华中科技大学硕士学位论文 以及计算有限元的输入载荷，支持绝大多数c a d 、f e a 及控制设计软件包之间的双 向通讯，为数控机床虚拟样机中d m u 的集成提供了方便1 3 2 1 3 引。 a d a m s 的核心软件包括交互式图形环境a d a m s v i e w 和仿真求解器 a d a m s s o l v e r ，二者之闻形成了无缝连接。用户可以利用a d a m s 在工作站或p c 机上建造、试验“虚拟样机”，在此基础上与其它模块集成就可以满足多方面的仿真 要求【3 4 。 3 ) m a t l a b 软件 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 是目前应用最为广泛的工程计算语言，具有 用法简易、灵活、功能强又兼具延展性的特点f 3 翻。在m a t l a b 环境中，有超过5 0 0 种数学、统计、科学及工程方面的函数可使用。此外m a 丁l a b 工具箱提供了在许多 应用领域所需的函数如：符号运算、影像处理、统计分析、信号处理、神经网路、模 拟分析、控制系统仿真、曲线分析和化学计量分析等。用户利用这些函数可在短时间 内建立控制系统数学模型。执行直观视觉数据分析。做为一种解释型的程式语言， m a t l a b 不需编译及联结即能执行，容许用户接触大多数的数学原码，检查修改算 法。 s i m u l i n k 模块是m i l a b 提供给控制领域的用户，用于对线性或非线性、离散 的控制系统进行分析的工具包，可用于建立数控机床控制系统的仿真模型i ”j 。 a d a m s c o n t r o l s 模块提供同m a t l a b 的接口，能实现两个平台间的动态联调，对机 电一体的数控机床控制系统进行仿真优化。 2 3 2 数控机床性能仿真系统的实现框架 数控机床性能仿真系统是建立在数控机床虚拟样机技术之上的。凭借国外功能强 大的商品化软件机械动力学仿真工具a d a m s 、控制系统设计软件 m a 丁l 刖s i m u l i n k 工具箱、c a d 特征造型工具s o l i d w o r k s 的帮助，形成一个基于集 成化和过程开发的数控机床动态性能仿真分析环境。 利用虚拟样机技术的显著优势，从系统层面出发，综合并行设计和系统集成思想 柬实现数控机床整机动态性能的仿真。数控机床性能仿真系统的实现完全体现了上述 思想，其框架如图22 所示。 华中科技大学硕士学位论文 一= 1 5 = = ；= = = = = t = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 井行 ，意 c a d 三维特征模型 ，m a t l a b s i m u li n 电机驱动模块建模 m a t 】a b s i m u l i n j 控制系统模块建模 d m s v i e 胃集成 虚拟样机环境 剖。訾接 电机模块 接口 控制模块 接口 控制子系 统参数化 模型 电机驱动 于系统参 数化模型 控制子系 统参数化 模型 ，刃苎竺全 荪陬 柔泄 统【 间il 仿真过 鐾协篁 据 交 刘薯慧 图2 2 数控机床性能仿真系统的实现框架 2 3 3 性能仿真系统的实现难点 性能仿真系统的实现，需要对数控机床有较全面的了解，包括机械结构、电力驱 动、控制等方面都要有一定的知识和经验。 在构造系统仿真模型的过程中，a d a m s 软件的功能虽然强大，但是其优势仅在 于进行机构的动力学仿真，特别对于类似数控机床这样复杂的机电系统，要想准确的 控制其运动，仅依靠a d a m s 软件本身是很难做到的。好在a d a m s 提供了与许多优 秀的控制系统设计软件( 如m a t l a b ，m a t r i x ，e a s y 5 ) 的接口功能，利用这些软 件，可以对复杂的机电一体化的系统进行联合仿真分析。因此在a d a m s 环境中完成 机构系统建模的基础之上，建立数控机床的控制系统就成为工作的重点。 2 4 本章小结 本章分析了数控机床的系统组成，根据实现的功能不同将数控机床系统分为主传 动系统、伺服进给传动系统和辅助动作系统。同时对数控机床性能仿真的实现方法 及相关实现软件进行了介绍。最终给出了数控机床性能仿真系统的实现框架。 华中科技大学硕士学位论文 3 摩擦非线性建模综述 本章综述了机械系统中摩擦的非线性特性，比较了几种常用的摩擦模型的特点。 在本文中采用了一种基于k a m o p p 模型的摩擦模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 中实现 了其仿真模型。 3 1 摩擦概述及分类 311 摩擦概述 当两个互相接触的固体在外力作用下，作相对的切向运动或具有相对切向运动趋 势时，在两固体接触表面之间就会产生一种运动阻力，这种阻力称为摩擦力，这种现 象称为摩擦现象。摩擦现象早已为人们所熟知，并为人类所利用。多年来，科学工作 者一直在试图通过科学研究来对观察到的摩擦现象做出合理的科学解释，于是出现了 各种关于摩擦的理论和学说。 摩擦性状大体受到下列各个因素的影响：( 1 ) 接触表面的运动学，即两接触表面 间相对运动的大小和方式；( 2 ) 外界作用的载荷和位移；( 3 ) 环境条件，如温度、润 滑状况；( 4 ) 接触表面的形貌：( 5 ) 材料性质。 在大多数情况下，摩擦的存在对机械是有害的。机械为了克服摩擦力，必然要消 耗能量，效率降低。摩擦会导致机器零件的磨损，使零件的配合间隙增大，出现振动 和噪声，影响机器的精度，缩短使用寿命。此外，摩擦会使机器的温度升高，导致零 件的机械强度降低，甚至可能产生热变形、热疲劳和热磨损，从而破坏了机器的正常 运转。 当然，摩擦也有有利的一面。例如人和车辆在陆地上行走，日常生活中的各种夹 持、切割和洗刷等都是利用摩擦的原理；在机械设备中，有不少是利用摩擦而 作的。 例如摩擦压力机、摩擦离合器、摩擦传动机构、摩擦制动装置和螺栓连接等。 随着有关摩擦的理论及应用研究的深入对摩擦的研究模式由宏观进入微观，由 定性进入定量，由静态进入动态，由单一学科的分析进入多学科的综合研究同时其 华中科技大学硕士学位论文 研究领域也逐步扩展，开始飙分析摩擦学现象为主逐步商着分析与