进给系统Adams和Simulink联合仿真

1、现代数控技术及装备题目：三轴数控铣床进给系统的ADAMS和SIMUILNK联合仿真学院：机械工程学院班级：姓名：学号：摘要以某数控三轴立式铣床为对象，通过测绘，利用SolidWorks建立三轴立式铣 床整机模型。本文在此模型的基础上，将机床整机模型导入ADAMS中，并在 ADAMS中添加约束和驱动；利用虚拟样机技术建立了机床伺服进给驱动系统多 体动力学模型，通过MATLAB/Simulink模块建立了机床伺服进给驱动系统控制模 型，通过ADAMS/Controls模块作为两软件的接口，将ADAMS中的机械模型的 位移、速度等输出反馈给控制模型，建立了机床进给驱动系统的机电联合仿真模 型，实现了

2、复杂机电系统的联合仿真，仿真结果表明机床整机进给系统具有良好 的动态响应特性。并为机床进给系统的设计与调试提供可靠依据。关键词：虚拟样机技术；伺服进给驱动系统；机电联合仿真目 录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1绪论1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1背景1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.2本文主要涉及内容1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2数控铣

3、床的整机建模 22.1X和Z向进给系统建模22.2 Y向进给系统建模2 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 3动力学建模43.1模型导入43.2运动学仿真4 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 3.3动力学系统建模53.4动力学模型导出6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4 ADAMS/Simulink 联合仿真7 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 4.1联合仿真的创建7 HYPERLINK l b

4、ookmark40 o Current Document 4.2联合仿真分析84.3联合仿真的结论11 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 5总结12 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 结束语13 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 参考文献14 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 附录151绪论1.1背景数控机床伺服进给驱动系统主要由伺服电机、伺服驱动器、联轴器，丝杠导 轨和工作台组成，是以机床移动部

5、件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置 或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测 反馈，最终实现机床工作台与刀具相对运动的控制系统。现代数控机床是一个非 常复杂的机电耦合系统，进给伺服系统的速度、精度等性能很大程度上决定了数 控机床的整体性能，因此研制高性能的进给伺服系统是发展现代数控机床技术的 关键。在传统的机电控制系统设计过程中，机械工程师和控制工程师各自都需要 建立自己的模型，然后分别采用不同各自的仿真软件，对机械系统和控制系统进 行独立的设计调试和实验，最后通过建好的物理样机模型对其进行机械系统和控 制系统联合调试，如果发现问题就要重新修改各自的仿真模型

6、，然后重新建造物 理样机并对其进行再一次的联合调试这种设计方式显然比较费时费力。机电联合 仿真技术可以很好地解决传统机电控制系统设计的不足，为机械和控制系统进 行联合分析提供了一个全新的方法，即利用虚拟样机技术对机械系统和控制系统 进行反复联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试， 大大缩短样机的开发周期和减少开发成本。1.2本文主要设计内容本文以三轴数控立式铣床为研究对象，对机床进给系统联合仿真，主要有一下相 关工作：测绘机床，在solidworks中实现机床各部件的建模以及装配，建立完整的数 控机床模型。将模型装配体简化并转化为中间x_t格式导入到Adams中，添加材

7、料属性、 约束和驱动，进行运动学仿真。建立机床进给系统的动力学模型，并导出simulink可读文件。在simulink中建立控制模型，调节控制参数，验证系统的动态响应特性。2数控铣床整机建模SolidWorks在零件造型、装配操作上直观简单，容易上手，而且功能强大。 本次建模采用此软件，同时也为了与后续的动力学建模软件ADAMS在零件互转 上具有更好的兼容性。2.1 X、Z向进给系统建模Z向进给系统主要包括底座、导轨、滚珠丝杠螺母、以及驱动单元和工作台， 为了尽可能的减少联合仿真的中的计算量，建模中将导轨、支承单元等与底座集 成，并将联轴器与丝杠集成，省略了繁琐的固定件。X向进给系统如图所示图

8、2.1 Z向进给系统模型图2.2 Z向和X向进给系统模型2.2 Y向进给系统建模Y向进给系统主要包括：立柱、主轴单元、导轨、滚珠丝杠螺母以及支承单元和驱动单元，为了尽可能的减少联合仿真的中的计算量，建模中将导轨、支承 单元等与底座集成，并将联轴器与丝杠集成，省略了繁琐的固定件。Y向进给系 统如图所示。图2.3机床整机图其他模型及相关细节不做详细介绍，具体见附件13动力学建模机械手的动力学建模是在ADAMS软件中完成的。ADAMS是世界上运用最 广泛的机械系统动力学分析软件，应用广泛，包括航空航天、汽车工程、工业机 械和工程机械等领域。而且ADAMS能够与绝大多数CAD软件（如SolidWork

9、s、 Pro/E、CATIA、UG等）进行模型的导入导出，同时也能够与大多数控制软件（如 MATLAB、EASY5等）进行联合仿真。因此，在本次作业中，完成正是这部分内 容：将SolidWorks模型导入到ADAMS中建立动力学模型，再与MATLAB进行联 合仿真。本次设计中，可对XYZ三向进给系统进行动力学联合仿真，但是由于三轴同 时仿真，计算机计算量特别大，仿真时间很长，所以本文中仅仅以Z向进给系统 为例，进行联合仿真介绍。3.1模型导入将建好的SolidWorks模型另存为ADAMS能读取的文件类型Parasolid（*.x_t） 文件，因为ADAMS使用的是Parasolid内核，能够

10、获得较高的文件类型精度，处 理时间更短、更方便。导出后的文件见附件2在ADAMS中导入模型时，在导入 对话框中，File Type 选择 Parasolid，在 File To Read 栏右键选 Browse，将 SolidWorks 导出的模型选中，默认ASCII类型，创建模型名称为model_2。3.1.2环境设置在建立虚拟样机前，需要设置ADAMS工作环境，包括设置坐标系、单位制、 重力加速度大小和方向等。设置坐标系坐标系的设置可通过菜单Settings Coordinate System，弹出坐标系设置对话 框，选择Cartesian，即笛卡尔坐标系，也是ADAMS/View默认的坐

11、标系。设置单位选择统一的单位制有利于快速准确地进行建模分析，单击菜单 Setting - Units，弹出单位设置对话框，这里选择MKS单位制，即长度为米，质量为千克， 力为牛顿，时间为秒。3）设置重力加速度大小和方向动力学建模中，零部件的重力是不可缺少的重要参数，因此在此之前必须设 置重力。单击菜单Setting-Gravity，弹出重力加速度设置对话框，默认的方向 为负Y方向，大小为9806.65mm/sA2，点击OK即可。3.2运动学仿真3.2.1定义材料属性在ADAMS中建立动力学模型，需要给每个零件定义材料。为了保证机床的 工作效率，底座、立柱为铸铁，滚珠丝杠螺母为钢铁。因此，在定义

12、材料时，将 除操作方法为：在需要定义的材料的零件上右击，选择Part： *，其中*为零件名， 再选择 Modify，在 Define Mass By 栏选择 Gemetry and Material Type，在 Material Type处右键Browser选择材料即可。3.2.2添加运动副进给系统中的运动副主要有移动副、转动副、螺旋副。1、移动副在导轨和滑块之间添加移动副，操作方法是：选择主工具箱的Joint： move 命令，主工具箱下方的Construction项设置为2Bod-1Loc和Pick Feature，前者表 示选择两个构件和一个连接位置点，运动副被固定在第一个构件上，相对

13、于第二 个构件运动；后者表示选择特征以确定矢量方向来定义运动副的方向。2、转动副在丝杠和支承单元处添加旋转副，操作方法是：选择主工具箱的Joint： move 命令，主工具箱下方的Construction项设置为2Bod-1Loc和Pick Feature，前者表 示选择两个构件和一个连接位置点，运动副被固定在第一个构件上，相对于第二 个构件运动；后者表示选择特征以确定矢量方向来定义运动副的方向。3、固定副在底座和ground以及底座和立柱之间添加固定副。固定副的操作为：点击 工具箱的 Joint:Fixed，然后选择 Construction 的形式为 2Bod-Loc，Pick Featu

14、re， 然后选择要固定到一起的两个零件，再选择固定位置即可。3.2.3创建驱动这里使用的是rotational joint motion 3，这是一种扭矩，选取建模时已定义的旋转连接，给各滚珠丝杠添加扭矩。分别给XYZ三向添加扭矩。3.2.4运动仿真点击主工具箱的Interactive Simulation Controls，设置仿真时间为15s，步数 为500步。仿真过程见附件3。3.3动力学系统建模3.3.1设置力矩首先需要解除运动学的驱动控制。分别在各电机驱动上右键选择Motion： * (*为驱动名称)一(De)activate，取消勾选两个复选框，点击OK即可。解除驱动 后，需要在每

15、个旋转关节处建立单分量力矩。点击主工具箱的Applied Force： Torque，分别设置参数为“Two Bodies”，Action Body选择被驱动的构件，Reaction Body选择施力的构件，即可创建单分量力矩。分别将名称改为SFORCE_X和SFORCE_Y、SFORCE_Z。3.3.2创建输入输出变量1)输入变量及确定创建输入状态变量，选择 BuildSystem ElementsState VariableNew，输 入变量名为control_torque_X，F(time)一栏为0，表示控制力的数值将从控制软件 的输出获得。同样方法创建变量control_torque_

16、Y、control_torque_Z。在ADAMS 图形窗口中，右键单击SFORCE_X，选择Modify，在Function 一栏定义为 VARVAL(Control_torque_X),以实时从状态变量control_ torque_2中接收力矩的数 值。同样方法对SFORCE_Y、SFORCE_Y设置。确定输入变量，择 Build Data Elements Plant Plant Input New，在 Variable Name中用右键选择创建的control_torque_Z变量，点击OK即可。2)输出变量及确定创建输出变量，选择 BuildSystem ElementsState

17、 VariableNew，输入变 量名为 Xx，F(time)一栏为 DZ(MARKER_73,MARKER_72, MARKER_72)，表示返回 绕X向的位移变化。再创建变量Vx，F(time)一栏为 VZ(MARKER_73,MARKER_72,MARKER_72)，表示返回X向的速度。再创建变量Vx， F(time)一栏为 ACCZ(MARKER_73,MARKER_72,MARKER_72)，表示返回 X 向的加速 度。同样方法创建变量Xy、Vy、Ay和Xz、Vz、Az。确定输出变量，选择Build Data ElementsPlantPlant OutputNew，在 Variab

18、le Name 中用右键选择创 建的Xz、Vz、Az变量，点击OK即可。3.4动力学模型导出选择菜单栏 Tools Plugin Manager，勾选 Adams/Control 一行，点击 OK。 此时，菜单栏多出一个Controls菜单，选择其下的Plant Export。将File Prefix 一 栏改为Controls_plant_3，在Input Signal(s)栏用From Pinput选取上述定义的输 入状态变量，在Output Signal(s)栏用From Poutput选取定义的输出变量;将Target Software 改为 MATLAB，Adams/Solver C

19、hoice 选择 C+，如图所示。点击 OK。 此时，即在ADAMS的工作目录下生成Controls_plant_3.m的变量信息文件、 Controls_plant_3.cmd 的调用 Adams/Solver 文件和 Controls_plant_3.adm 的 ADAMS模型文件。ADAMS模型文件和导出20文件见附件5。图3.1 ADAMS模型导出设置至此，ADAMS下的动力学模型全部建立完成并导出。该过程中，若有一个 变量的定义出错，则在联合仿真时都不会得出理想的结果，须返回此节对ADAMS 动力学模型检查并重新定义。4 ADAMS/Simulink 联合仿真进给系统的联合仿真是基于

20、ADAMS与MATLAB的接口模块Adams/Control, 利用Matlab/Simulink模块搭建积极系统的联合仿真系统，实现基于ADAMS和 MATLAB的进给系统的联合仿真，此种仿真极大地提高了进给系统的设计效率。 在此次作业中，搭建联合仿真系统，通过调节控制系统的参数，提高系统的动态 响应特性。4.1联合仿真的创建在联合仿真创建之前，首先需要将上述导出的Controls_plant_3.m、Controls_plant_3.cmd、Controls_plant_3.adm 的文件、ADAMS 模型文件 model2.bin文件仿真同一个工作目录下。将MATLAB软件的工作目录调整

21、到上面 工作目录下，在命令窗口输入Controls_plant_3，回车，显示如图4.1中a）所示 信息，再输入adams_sys，建立如图所示4.1b）所示Simulink模型。 alear Controls_Plant_3aris =2Q-Tan-205 14:15:09蚣 INTO : ADAMS plant actuBtats1 cant Drqj.-=_Z蚣 INTO : ADAMS plant sensorsZzVz1 Az ad：HJis_3ys图4.1 Matlab下模型新建一个Simulink文档，命名为control?，将图14b）中的“adams_sub” 模块拖入con

22、trol?中，构建进给系统的控制系统，本系统采用位置和速度双闭环 PID控制，给系统添加阶跃信号。添加位置环和速度换设计算法，采用负反馈的 方式进行调节。控制系统的图4.2所示，示波器用于方便观察各个部分的信号变 化，调节参数，方便比较。双击“adams_sub”模块，弹出如图4.3图4.2联合仿真控制系统Function Bl-ocPc Parameters: ADAMS- PlantAdams Plant (mask)SinLiilate any Adams plant model either in Adams/Solver form. (. adm file) or in Adama/

23、View form (. cmd file)Paranet ersAdams model file prefisAJJJIS_pref isOutput files pref is (opt. : if blanl! - to out put)ABAMS_pref in TOC o 1-5 h z Adams/Solw已r type C+Interprocess opt ion PIPE (DDE)Anxmat i on mode int e r act iveSimlatiori mode discretePlant input int erpolation. order 0Plant ou

24、tput ext rapolation order Coimnunicat zlon int erwal0.005Number of coirmuiiications per output已p1More parametBEEOKCancel Help Apply图4.3 adams_sub子模型双击子模型中的ADSMS Plant，出现如图17所示的联合仿真子模型设置界 面。选择Animation mode为interactive，即交互模式，表示联合仿真时ADAMS 软件将以图形界面的方式显示，可以观察机构的运动情况。选择Simulation mode 为discrete，即采用离散方式仿真

25、，机械系统动力学模型的求解由ADAMS提供 的求解器计算，控制系统则由MATLAB提供的求解器进行计算。设置的仿真时间为10秒，求解算法为ode45，其他默认。至此，联合仿真 的全部设置完成。4.2联合仿真分析在control2中单击Simulation菜单下的Start命令，开始进行联合仿真，并 调出ADAMS模型实时显示模型的变化。各示波器实时显示所测数据的变化曲线， 其中Xz/Vz/Az分别表示Z向进给系统的位移、速度和加速度。4.2.1参数调整方法进给系统是一个机电耦合系统，因此仿真过程中，控制参数的设置对机电耦合性能有着直接的影响。通过调节响应的控制参数可实现机床进给控制系统的快稳准

26、。当位置增益Xp=1.2, P=20，I=10时，系统的响应曲线如图所示。可以看到系当位置增益Xp=1.2, P=20，I=10时，系统的响应曲线如图所示。可以看到系（c）加速度响应曲线图4,4位移速度加速度响应曲线当位置增益Xp=0.8, P=20，I=10时，系统的响应曲线如图所示。可以看到系 统响应比较慢，并且仍存在存在振荡现象。(c)加速度响应曲线图4.5位移速度加速度响应曲线当位置增益Xp=1, P=80, I=10时，系统的响应曲线如图所示。可以看到系 统响应比较快，不再产生超调，振荡现象不明显。xz口 | 回 ir目龛I q eieiixz口 | 回 ir目龛I q eieii四邃玉|勺，（a）位移响应曲线（b）速度响应曲线目龛o）a反房隔,;| s filime pffset; 0（C）加速度响应曲线图4.6位移速度加速度响应曲线4.3结论通过改变控制系统的参数，发现减小位置增益能消除系统的超调现象，增大 P可增加系统的响应速度，减少系统的波动，增大I可加快系统的响应速度。这 位实际数控系统的机电耦合提供了设计依据。5总结通过仿真，验证了机床进给系统的可行性，机电联合仿真的可行性，过程中 获得的设计参数，有助于物理样