多领域物理系统建模仿真技术

多领域物理系统建模仿真技术随首机床向髙i也高祐方向发展以■及趙高世切削技术的广泛需求“高述切削机床的廿发与研兗主耍集屮在鬲述主轴系统、鬲述进给系统、机床总休结松的改进、高性能数控系统等儿个方1『・高述切削是高切削汕度、高进给率*1小切削量的组合，讲给述度为传统5-10倍.这就要求机床进给系统仃鬲进给速度、氏好的加减述特性、高晴度、快响痕、宽调HI范舉等特性卩I相比充師加二系统.高过进给系统的设计在加匚系统的加I常度*稳定性加应用范围I提出了更高的要求.建模仿真技术是进—步研宛设计乘统性能的重要手段,如何进行高效率、高精度的倩真成了进给累统研兗的关注熱点°机床进给乘统的建模仿車的意2与重耍性主耍从以卜儿个方ini考虑：(L)机床进给传动泵统模型研发的耍求L讨部件设计时.必须葆刻理解各部件在•:『能二件釜件卜的物理特性耍求口沥乘统建愎与仿直是丨|前通用的乎段-⑵机床伺服桌统设计要求L随着饥床技术的快速发展.对机床伺服耕度的要求越来越高-为保込粘度要求.恆服控制方法乜变得驚豆・IM建立伺服控制系统模型是对系统进行分析以达到提高机床精度设计的前提条件。机床优化运行要求：通过对机床性能检测(温升、变形等)评估，可以优化机床的运行，可以带来巨大的经济效益。建立系统的统一模型是进一步优化机床运行状态必须完成的工作。仿真开发效率的要求：半前，国内机床技术发展与国外相比还有一定的差距,机床齐系统的协调运动变得复杂而难掌握。机床仿真模型库的开发应用，可以在较短的时冋内搭建仿真系统模型，有效地提高机床的建模效率，降低开发周期’基于上述考虑，机床进给系统对各种彤响因子都提出了要求，为高精度的模拟进给系统，迫切需要能快速构建机床进给系统统一仿真模型。作为机床的“执行乎”，机床进给系统是由机械传动系统、电气系统、控制系统、润滑系统和冷却系统等不同分系统构成的有机整体，这些子系统分属于不同的学科领域•齐个子系统间存在着多物理过程及多参虽复杂耦合关系.而机床进给系统动态性能研紀由各个子系统间的耦合关系和系统输入等因素决定.且子系统的动态性能也不是仅Itl单个系统的结构参数就能完全确定的.它还受与Z耦合的其他子系统的影响。为建立进给系统的统一模型.技术难题在于如何实现进给系统内部多领域间的统一耦合。LI前针对机床进给系统性能研究的越來越多.但仍然局限于分系统或针对单领域.很少涉及到多个领域间的统一建模与仿真，冋时基于多领域址纲难统一，这无疑制约了系统仿真精度。基于口前所面临的问题，部分学者•采用不同的建模方法和技术途径探索出了进给系统的多领域建模与仿真，大都采用基数据的建模方式.在考虑领域间的耦合关系时有一定的局限性：而基于统一语言Modelica的建模方法以其诸多优点(可实现参数化、榄块化、图形化建模等)成功应用于汽车工业、航空发动机等复杂系统的建模仿真方而，实现了在同一软件平台下实现多领域物理系统模型的组装，解决了异构环境数据交互问题，实现了多领域虽纲的统一。为适应现代机床的高速、高效、高精发展，传统的机床进给系统的设计建模方法已满足不了发展需求。本文将甬绕机床进给系统的多领域耦合建模与仿真展幵研究.结合具有优势的多领域建模技术.提出采用统一语育Modclica的建模方法来实现机床进给系统的模块化建模仿真.建立机床进给系统的模型库.构建机床进给系统的统一仿真嘆型，从而可实现机床进给系统的高效建模.有利于进行机床进给系统的多领域耦合访真和整体性能分析.提高仿真分析精度。该研究的展开为进一步实现机床的统一建嘆奠定了基础。1.2多领域物理系统建模仿真技术多领域物理系统建模仿真技术是将机械、电子、液压、控制等不同学科领域的模型组装成为一个可以协同仿真的耦合仿真系统模型⑺。多领域系统的建模技术经历了从单一领域独立建模到多卞领域统一建模、而向过程建模到而向对象建滾的发展阶段。该技术已经广泛应用于汽车、航空航人E行器等复杂多领域产品(涵孟了机械系统、控制系统、电子系统、液压系统等多个领域)的特性研究，故要完整准确的描述复杂产品的行为，就必须建立各领域子系统的整体耦合模型进行协同仿真⑴。口前，多领域建模仿真技术方法主要有3种：基于接口的建模方法、基于高层体系结构的建模方法和基于统一语言的建模方法。基于接口的多领域建模仿真方法基于接口的多领域建榄方法先利用某领域商用仿真软件完成模型构建，再通过各领域商用仿真软件zmj的接口，实现多领域建模，仿真过程通常利用各领域商用仿真软件提供的协同仿真功能•实现不同领域模型Z冋的协同仿真⑷，如图L1所示。女11,福特公司应用ADAMS和Xmaih软件对车辆姿态控制系统VAC建模仿真®:Visteon公司应用ADAMS和MATLAB软件建模仿真以开发转矩控制器⑹。图1.1基于接口的协同仿真莎个商用软件实现的务领域建模仿直与基于接□的莎领域建模方法相对应的.闵此该方法具有基于接口的多领域建模方法的诸多玦点，主要体现在：仿真软件需提供软件接口，建立接口处耦合关系，才能实现多领域建模：软件接口属商业公司私有，不具备幵放性与标准性，扩充困难。基于高层体系结构(HLA)的多领域建模仿真方法1995年，美国国防建榄与仿真办公空制定了征国防部范圉内建立一个通用的仿真

技术框架的建模与仿真主计划以保证各种仿真应用间的互操作性。技术框架的核心是高层体系结构HLA(HighLevelofArchiieciure),7,oHLA用于构造大规模仿真模型，解决应用集成问题，已彼IEEE接收为标准。HLA定义的联邦系统是为实现某个特定仿真口的而建立的仿真系统，具有幵放性和可扩展性。该联邦系统中包含若干联邦成员、联邦对發以及各仿真模型接口数据和运行时间支撐系统RTKRun-Timelnfrasiruciure)o很拯HLA的规则，联邦成员Z间的数据通信必须通过RTI・RTI类似于••软总线二联邦成员存联邦运行过程中可随时••插入”。同基于接口建模法相同之处在于建模人员也需应用不同商业软件建立模型，不同的是，与软件接口无关，采用HLA方法将模型A输出变虽映射到模型B输入变虽，对象类DIT1,T2仿真模型B对象类DIT1,T2仿真模型BIT3图1.2基于HLA的多领域建陆模型输入与输出变虽Z间的映射基于HLA的建模法克服了基于接口的建模法的诸多缺陷，较好的实现了多领域系统的建模仿真，但仍然存在着如下缺点：领域组件建模需得到各领域商用仿真工具的合作：人为割裂各领域子系绒间的耦合，实现子系统集成较困难：针对不同仿真应用配苴编写代码，在多个求解器步长协调方而存在技术难题。基于统一建模语言的多领域建模方法基于统一建模语言的多领域建模方法具有建立与领域无关的通用模型的能力，可实现任意特定领域的统一建模•由『其模型描述形式相同，故基r统一建模语肓的多领域建模方法能够实现不同领域模型间的无缝集成。7()年代后期，HildingElmqvist提出了采用微分和代数方程式描述不同物理系统的而向对象(ObjectOriented)的多领域建模方法叫该方法对不同领域如电气、机械领域的对象分别进行建模，并存放于不同数据库中的不同口录下。而向对象的筋领域建模方法具有数据封装、继承和层次化等特征。容易实现模型的重用，减少错误的发生。基于这种想法,先后出现了较多的基于统一语言的建模方法,如键合图叫系统图㈣、pciri网等，在总结和归纳先前多种方法的基础上，欧洲仿真界F1997年提出的一种针对复杂物理系统建模和仿真问题的基于方程的统一建模语言Modelica,它采用而向对象和组件的思想，对不同领域物理系统的模型进行统一表述，实现了统一建模，支持层次结构建模，且Midclica语言口带有可重用的机械、电子、液压、控制、热流等领域的标准库和扩展库。在基于Modelica实现的复杂物理系统建模与仿真平台下可实现工程实际中多领域物理系统的可视化建模，如图1.3所示的基FModelica语言建立的简单电路图，该方法不仅可以调用Modelica标准模型库和用户扩展库建立幵放式可重用的设计机械、电子、液压、控制等领域的多领域复杂物理系统的可视化模型，而且还可以用户自定义的领域模型库，实现领域知识的重用山)。基于Modelica语言的多领域建模方法主要优点'2，1：建模方便。该方法支持陈述式建模、非因果建模、而向对象建模和连续混合建模，其中口带的幵放性标准模型库模型可扩展、可重用、可拖放建模等优点亦可方便实现复杂系统的高过伯度建模：模型重用性高。非因果建模表述方程关系简单易读，根据类比性可通过直接调用或稍加修改模型来仿真相似类型的问题：无需符号处理。对比以往的建模方法，其非因果建模便用户从繁琐的模型方程推导中解脱出来，陈述式建模使方程更具可读性，模型更有效：建模与仿真相对独立。用户只需知道怎样通过方程描述仿真模型的行为，而不需关心模型的详细实现。图1.3基于Modelica建立的物理模型图鉴于上述基于Modelica语言的多领域建模法的各种优势•该方法已经广泛应用于机、电、液、控等领域。国外方而，随着Modelica语言的不断改进成熟，Modelica建模法己经幵始应用于电动汽车系统"I、机械多体系统小1、热动力学系统"I电力系统卩旬等系统的建模与仿真：国内方而，随Z也展幵了基于Modelica语言的建模仿真应用，如华北工学院的发动机部件模型库幵发"I、上海交通大学的燃气涡轮仿真模型建立I阖，广州工业大学对芯片机的多领域建模与仿真（冋，山东科技大学的机电液控耦合系统仿真㈤I,华屮科大学的Mworks平台的开发“等。1.3进给系统建模研究现状复杂机电产品的多领域物理系统建模仿真技术一直是机械系统创新的焦点.同时也是机械产品设计的难点。该技术侧重于系统层次的性能分析与优化设计，通过建立进给系统的多领域模型并进行虚拟试验可精确、快捷预测机床进给系统的性能。U前国内外有关进给系统统一模型的设计、建模、分析、优化等方而的研究和开发己展幵。在国外.1997lg,K.Srinivasan等通过对机床进给系统及其控制方式调査研究发现.要减小系统的加工误差.进给系统要满足调速范圉宽、定位精度准、克服负载能力强、快速响应性以及多轴控制精度高等要求.综述探讨驱动器、电力传动装过、机械支承结构和传感器佶号处理中的摩擦阻尼特性、控制方式等对进给系统加工误差的彤响，从控制、电子、机械三方而预测了进给系统需要改进和研究的方向。1999年，R.Gunlhcr,W.Marlin”就在IEEE/ASME智能机电一体化会议上提出了应用CAx软件来建立机床机电一体化模型来评估和优化机床动态特性的统一建模思想，初步建立了考虑机械、控制、软件部分相互作用的多体动力学模型，重点对机床控制部分的响应特性以及机械部分的振动特性进行了分析。YAllinias等（釦机床权威学者早期也幵始探讨LI前的虚拟机床技术及其所而临的挑战，并探讨了如何将涉及到多学科领域的机床动态模型中机床运动学、结构动力学和控制技术应用于机床完整建模与仿真。随后，进给系统各领域的建模仿真如雨后春笋般出现。如K.Erkorkmaz,YAllinias"在通过建立的进给驱动统一模型基础上，探讨了一种可识别其动态参数和摩擦特性的方法，并通过卡尔曼濾波器检测阻尼力矩，建立了轴的动态摩擦模型。M-Ebrahimi,R.Whalley1261采用方块图建模方法通过将系统中弹性部件的一系列连接用整体刚度替代来实现机床进给系统的建模仿真，突出了克服摩擦与间隙等菲线性特性中刚度的重要性，建立了机床进给系统的整体刚度模型，同时实现了简化非线性系统模型的参数优化。为适应机床进给驱动装过的高速高精发展要求，M.S.kim,S.C.Chung'271提出了同时考虑驱动机构与运动控制的综合设计方法.该方法不仅要获収驱动装过的数学模型.而且要选择合适的控制算法.该方法使模型的动态特性更接近实际。Y.Allinias,A.Vcrl等（绚综述了机床进给系统的设计与控制，分别概述了机械结构模型（滚珠丝杠与直线电机）、控制驱动模型以及检测模型的设计要领，探讨了机床进给系统的虚拟模型，并提出了口前进给驱动系统的设计分析与驱动控制的工程设计原则与所而临的挑战.总结出摩擦、间隙补偿、实时补偿、控制算法、热变形、儿何变形等控制技术的不断创新是推动口前进给系统进一步向高速高精发展的不变课题。在国内•机床进给系统的统一建模的研究也逐步在幵展。为了适应机床的高速化发展，进给系统除了采用经过改进的滚珠丝杠以外.又出现了直线电机和并联虚拟机构等新型的高速进给方式，但直线电机和并联机虚拟机构的成本高与技术不完善等问题，还未彼广泛接受，滚珠丝杠在高速进给驱动系统中仍占主导地位|29-301.有关高速滚珠丝杠建模仿真技术的进一步研究还在继续。女II,东北大学与沈阳第一机床厂对研制幵发的CHH6125卧式车削中心滚珠丝杠进给系统建立了多刚体动力学模型，通过一定的简化推导出加速度数学模型，讨论了机床进给加减連特性，提出进给系统主要部件改进方法以提高驱动性能。张晓乐等（别为研究铳床进给系统的定位精度与动静态性能稳定性，利用Matlab/Simulink软件对伺服系统进行建模.并采用ADAMS完成参数化样机模型。华中科技大学的吴吴（列将机床进给系统划分为有机关联的单学科系统（机械子系统、电机驱动子系统与控制子系统），对子系统分别建模后，应用ADAMS/MATLAB实现联合仿真以研究机械部分的摩擦非线性特性.但未考虑热变形及间隙等影响因素。董玉红等为提高机床进给系统性能.在如何提高系统性能与优化设计方而做了大虽的研剜心5".37列，如应用阿克曼极点配呂法设计系统反馈控制器以精准获得刚度对系统稳定性的彤响、通过修改Simulink模拟的实际系统中的伺服控制参数来研究系统响应特性、采用rnallab工具箱S1S0设计器设计机床伺服系统的校止补偿器以修止控制精度、建立进给伺服系统统一模型以研究摩擦与间隙对系统性能的彤响等，但针对不同的特性研究对模型进行了大虽简化.未考虑热变形，且停留在理论层而，没有相关实验支撐。上述国内外研究均考虑了机床的动力学特性，忽略了机床进给系统热变形。而机床在加工过程中的加工误差的40%~70%都来口于热变形网，机床的高速化致使进给系统热变形在不断增加，因此，有必要建立机床进给系统的热模型以进一步研究其热变形对机床加工性能的形响。热变形引起的加工误差的主要热源削來门于轴承发热、齿轮传动与液压油的摩擦热、离合器啮合发热、电机高速旋转产热、导轨发热、切削热以及外部环境热源等，由这些热源引起热误差分为两类：一类是与位移无关的热误差（仅是温度的嗨数）.一类是与位移有关的热误差（是位移和温度的嗨数）。建立热模型以预测进给系统热误差的研究的方法有多种.如多元回归分析、改进后的集中容虽法、最小二乘法和有限元法等。Huang（m应用多元回归法分析滚珠丝杠进给系统的热变形,将前后轴承以及螺母处的温度设过为分析模型的独立变虽以预测滚珠丝杠的热变形虽，S.K.Kim'421等采用改进后的集中容虽法来分析滚珠丝杠的热变形引起的位移偏差,并实现实时预估热变形虽，但多元回归分析与改进后的集中容虽法必须要通过试验来测试计算结果的准确性，限制了其应用范I荊。XiaJunyong等"I采用最小二乘法建立丝杠热学模型以研究其热动力特性，但模型仿真模拟时需先识别系统模型，过程比较緊琐。有限元法是目前热分析中应用最广泛的方法,如Schmill等何根据经验公式推导了机械