数控机床实践应用毕业设计

第一章绪论1.1课题研究的背景和意义重型数控立式车床主要服务于能源、交通、原材料、中型机械、航空航天、国防等国家重点行业领域，是我国装备制造业具有代表性的产品。齐重数控装备股份有限公司生产的重型数控立式车床系列产品的国内市场占有率约为90%，其设计和制造水平基本上可以代表我国目前此类产品的生产水平。由于我国数控机床行业普遍采用自主生产机床本体，配套国外数字控制系统的生产方式，因此，提高国产数控机床的制造技术水平的主要途径是提高机床本体的设计制造水平。而机床的进给系统对精度的影响是最大的，因此，提高进给系统的质量就显的尤为重要。当前由于各种先进制造技术的快速发展，特别是高速切削技术的出现，对于机床的进给系统的要求越来越高。但是，以国产重型立式车床为例，却需要进给系统以较低的速度运动；另一方面进给系统在低速运动时往往会出现爬行现象，为此需要分析进给系统在低速运动时，要保持机床稳定，保证加工精度的要求，进给系统的刚度和阻尼系数等参数的取值范围，并要确定这些参数之间的相互关系，最终确定优化方案，得出优化结果。另外，工厂的设计和生产任务较繁忙，对于重型数控立式车床的进给系统的设计多采取类比设计和简单的计算方法，而没有进行系统的、较精密的数值计算，原因是进行现代的设计方法，除了要求理论知识丰富、计算手段高级外，测试手段必须也同步跟上，这在一般企业本身是难以实现的，因此采取校企联合的方式，利用学校方面的理论知识较丰富，企业技术人员设计和现场经验较多的各自优势，对工厂所存在的主要技术难题进行联合研究，提高产品技术水平，是目前我国现阶段最有效的方法之一。本课题以***数控股份有限公司生产的重型数控立式系列中的5米立式机床为研究对象，对于影响车床加工精度和稳定性的关键部件之一——工作台进给系统进行重点攻关，在现有基础上，通过CAD软件对进给系统建模，再对模型输入实际中可能产生的各种信号，模拟工业现场信号情况，最后在仿真软件中优化设计出材料刚度和阻尼系数来保持进给系统的稳定性和精度。传统的设计主要凭借着多年的经验或采用类比的方法解决现有的问题，但是这些方法已经不能提高产品的精度和稳定性，必须进行更加精确的计算，但传统的计算方法计算量非常大无法应用于实际中。随着计算机技术的发展，大型工程软件的开发和使用，充分的解决了现有的这些问题。Pro/E是目前世界上最先进的集CAD/CAM/CAE于一体的计算机辅助设计系统软件，它改变了过去传统的产品设计和制造方法，设计人员不再花大量的时间用铅笔、尺和绘图纸，可根据设计构思和设计要求直接进行产品的三维几何造型，即概念设计，并可对模型进行平移、旋转、缩放以及从不同的视角观察其三维设计效果，这样完全可以避免因空间想象错误而造成的产品设计错误。用传统设计方法，在二维图纸空间上要对运动类机构进行设计，特别是空间运动机构设计是非常困难，甚至是不可能的，而运用Pro/E，空间机构设计不但可以非常方便实现，而且非常直观，易于修改，设计人员的智慧和创新能力可以得到充分地发挥和展现，甚至设计方法和思路都可以随之而创新。本文利用ADAMS和MATLAB软件对机床进行结构分析，直观的看到机床在外部信号影响下，在一定的刚度和阻尼系数等参数下，机床进给系统的精度和稳定性的情况。从而实现对机床的稳定性和精度的控制。1.2机械结构设计的发展1952年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升机叶片轮廓。数控化铣床的计算与控制装置采用电子管元件组成的专用计算机，即逻辑运算与控制采用硬件连接电路。1955年，该类机床进入使用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。1958年，我国开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定的成绩。近年来由于引进了国外的数控系统和伺服系统的制造技术，使我国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目前，我国已有几十家机床厂能够生产不同种类的数控机床和加工中心。在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。数字控制机床（简称NC机床）的产生较好地解决了复杂、精密、小批多变零件的加工问题，满足了科学技术和社会生产日益发展的需要。NC机床不仅提高了加工精度和生产效率，同时也减轻了劳动强度，改善了劳动条件。计算机数字控制机床（简称CNC机床）也称现代数控机床，是20世纪70年代发展起来的一种新颖的控制系统。它是实现柔性自动化的关键设备和柔性自动生产线的基本单元。CNC机床综合应用了计算机、自动控制、电气传动、精密测量、精密机械制造等技术的最新成果而发展起来的，它采用微处理器作为机床的数控装置，通过编制各种系统软件来实现不同的控制功能和加工功能。随着科技的发展，先进制造技术的不断成熟对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工的应用，对数控机床的各个系统都提出了更高的要求，数控系统又再向前发展，柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)相继投入使用。传统机械结构设计方法，在二维图纸空间上要对运动类机构进行设计，特别是空间运动机构设计是非常困难，甚至是不可能的。而在现代CAD(计算机辅助设计)、CAE（计算机辅助工程）软件和技术的支持下，空间机构设计不但可以实现，而且非常直观、易于修改，设计人员的智慧和创新能力可以得到充分地发挥和展现，甚至设计方法和思路都可以随之而创新。此外，传统的一些工具软件只能对单个零部件进行优化分析，这主要是因为机械系统动力学方程有些是非线性的，求解困难。另一个方面，传统的方法在设计结束后总要生产物理样机，对设计进行测试和调试，一旦设计出现缺陷就要重新修改所设计的程序，重新建立样机，这不仅大大的延长了生产周期，而且增加了产品设计的成本。近年来，并行工程的概念在工程应用中日益受到广泛重视，按照并行工程概念组织产品的设计到生产，可以实现优化的系统设计，而不是优化的零部件设计。机械系统仿真分析(MSS)技术将分散的零部件设计和分析技术，如某单一系统中零部件的CAD和FEA(有限元分析)技术，揉合在一起，以提供一个更全面的了解产品工作性能的方法，从而真正地实现并行工程设计要求。机械系统自动动力仿真程序(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalsystem,ADAMS)采用模拟样机技术，将强大的大位移、非线性分析求解功能与使用方便的用户界面相平衡，并提供与其它CAE软件如控制分析软件Matrix、有限元分析软件ANSYS等的集成模块扩展设计手段。ADAMS是世界范围内广泛使用的机械系统仿真分析软件，在汽车、航天等领域有着广泛的应用。随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛的应用在各个设计领域。现在，它已经突破了二维图纸电子化的框架，转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的虚拟样机制作技术。使用虚拟样机技术可以在设计阶段预测产品性能，优化产品设计，缩短产品的研制周期，节约开发费用。机械系统动力学仿真软件ADAMS可以直接创建完全参数化的机械系统几何模型，也可以使用从CAD软件（如：Pro/Engineer）传出来的造型逼真的几何模型；然后在几何模型上施加约束、力或力矩和运动激励；最后机械系统进行交互式的动力学仿真分析，在系统水平上真实地预测机械结构的工作性能，实现系统水平的最优设计。1.3本文的主要研究内容本文主要研究重型数控机床进给系统的结构分析，针对机床在低速条件下的爬行问题提出解决方法和需要优化的参数，通过仿真提出一种高效的机电一体化设计方法。主要工作包括：1.对重型数控机床进给系统发生爬行现象的临界速度提出数学模型进行理论计算分析，根据计算结果在理论上提出几种降低临界速度的可能方法，这些方法主要从进给系统工作台与导轨面间的动、静摩擦因数之差，传动系统的整体刚度以及工作台的质量等因素进行考虑，从中找出理论上使重型数控机床进给系统中的工作台在非常低的运动速度下，仍然能够平稳、精确的运行的方案。2.针对所建立的数学模型，在动力学仿真软件ADAMS中建立重型数控机床进给系统的三维实体模型，并对模型进行约束、参数化设置，最后实施仿真分析，得出仿真结果与数学模型中的理论结论相比较，验证理论上提出的参数修改方案的正确性。3.针对现有机电一体化设计方法的长周期，高成本等弊端提出新的设计方法，即利用ADAMS/MATLAB联合仿真，在ADAMS中建立机械模型，在MATLAB中建立电气控制模型，最后在MATLAB中完成电机对模型的控制仿真。由仿真结果验证利用联合仿真进行机电一体化的前期设计的可行性与高效性。第二章进给系统爬行现象的数学建模本章利用动力学相关知识对重型机床进给系统进行数学建模，并着重针对机床进给系统在低速运动时的爬行现象从理论加以分析。2.1进给系统数学建模如图2-1所示，重型数控机床的进给系统是以进给系统的丝杠作为驱动件，工作台为被驱动负载。设驱动装置的等效刚度为K，系统的粘滞摩擦系数为C，工作台与导轨之间的摩擦力为F(指静摩擦力或库仑摩擦力)，工作台质量为m，进给系统的输入为丝杠的匀速转动，输出为工作台的位移。进给系统的简化模型如图2-2所示。设工作台的指令位移为yi，实际输出位移为yo，根据图2-2的简化模型，应用达朗贝尔原理，列出进给系统的微分方程为式中K(yi-yo)——丝杠作用于工作台的驱动力；Fs——工作台与导轨面间的静摩擦力；Fc——工作台与导轨面间的库仑摩擦力由式(2-1)可知，当丝杠作用于工作台的驱动力没有克服静摩擦力时，工作台处于静止状态；当驱动力大于静摩擦力时，工作台开始运动，此时工作台要克服粘性摩擦力和库仑摩擦力。在低速运行时，工作台主要克服库仑摩擦力。实际中，静摩擦力Fs大于库仑摩擦力Fc，动、静摩擦力之差Fs－Fc越大，摩擦力的这种非线性特性越易引起系统的自激振荡，越易导致系统产生爬行现象。2.2临界速度的理论计算当机床工作台的移动速度低于某一临界速度vc时，易产生低速爬行现象。设驱动速度为v，经过时间t后，工作台的位移为ys，则根据达朗贝尔原理可得当工作台的移动速度高于临界速度时，则移动速度处于稳定状态，不会出现爬行现象。此时则有,将其代入式(2-2)可得此时，若把驱动装置的刚度等效为一个弹簧，则弹簧的伸长量是一个定值，即有当工作台的移动速度较低时，工作台的移动速度不稳定，出现爬行现象。于是弹簧的伸长量也随时发生变化，工作台的瞬时位移较稳态值ys有一个偏移量δ，代入式(2-2)得式中f——随相对滑动速度变化的摩擦力变化量设f与速度的变化量δ成正比，比例系数为C1，则有由(2一7)式解得式中ξ——系统的阻尼比ω——系统的有阻尼固有频率,当阻尼较小时τ——时间,为了便于计算，可以从驱动开始计时后的不同时刻而设定A、B——由初始条件确定的常数设从开始驱动时(t=0)，经过时间t0后，作用于工作台上的力为导轨面间的静摩擦力F2，工作台处于运动前的平衡状态，即t=t0,，代入式(2-2)得当工作台开始运动的瞬间，静摩擦力转化为动摩擦力，使工作台获得一个加速度。则初始条件为将式(2-10)代入式(2-8)解得则相应的自激振动速度为如果要求系统是稳定的，由式(2-12)应有式(2-14)即为工作台不发生爬行现象的条件，理论上可以通过令式(2-14)的左边等于1，解得D的临界值Dc，将其代入式(2-11)，就可解出临界速度Vc。为了便于求解，实际计算时可以近似取D≈√4πξ，代入式(2-11)得由式(2-15)可见，减少动、静摩擦力之差(或摩擦因数之差?μ)，提高传动刚度K，增加阻尼比等，均可以减小产生爬行的临界速度，降低爬行现象发生的可能性。对于普通数控机床，主要考虑传动刚度、动静摩擦因数之差对机床性能的影响，但对于重型数控机床，还应该考虑工作台的质量对机床性能的影响，工作台质量越大，惯性力越大，越易产生爬行。2.3本章小结本章通过对重型数控机床进给系统进行数学建模，利用达朗贝尔原理对模型进行分析得出进给系统爬行现象与发生爬行现象时的速度即临界速度有关，当系统运动速度大于临界速度不会发生爬行，反之，当系统运动速度小于临界速度则发生爬行；进一步对临界速度的计算可以得出，临界速度的大小与工作台质量，动静摩擦力之差以及传动件的刚度有关，而且可以看到动静摩擦力之差是发生爬行现象的根本原因。第三章摩擦力的数学模型本章主要阐述几种典型的摩擦力数学模型，并简单介绍在虚拟样机ADAMS中对摩擦力模型的建立。3.1简述摩擦力3.1.1摩擦力的基本概念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工作的。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。同时其研究领域也逐步扩展，开始从分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制摩擦学性能为目标的方向发展。总之，摩擦存在于人们的生产、生活各个方面，在人类的文明建设中它有着十分重要的作用。人类研究摩擦除了利用摩擦外，最重要的还是研究如何减少摩擦，减少磨损，从而最大限度的发挥机械效能。3.1.2摩擦力的分类摩擦的分类方法很多，常见的有以下几种:1.摩擦副的运动状态分类：(1)静摩擦——两个物体在作宏观位移前的微观位移时，其接触表面之间的摩擦称为静摩擦。(2)动摩擦——两个物体作相对运动时，其接触表面之间的摩擦称为动摩擦。一般情况下，动摩擦系数小于静摩擦系数。2.摩擦副的运动形式分类：(1)滑动摩擦——两个相互接触的表面作相对滑动（或具有相对滑动趋势）时的摩擦，称为滑动摩擦。例如，活塞在气缸中的往复运动等。(2)滚动摩擦——物体在力矩的作用下，沿接触表面滚动时的摩擦，称为滚动摩擦。例如，各种车辆的车轮在地面的滚动等。3.按摩擦副表面的润滑状况分类：(1)干摩擦——通常是指名义上无润滑的摩擦，即接触面间不施加润滑剂时的摩擦。实际上不施加润滑剂并不保证是干摩擦，因为周围环境空气湿度也起润滑作用。(2)边界摩擦——两接触面间有一层极薄的润滑膜时的摩擦，这时摩擦取决于两表面状态和润滑膜的特性。(3)流体摩擦——两相对运动的表面完全被一层具有体积特性的流体所隔开时的摩擦，这时摩擦发生在流体内部分子之间，摩擦力的大小与摩擦副表面状态无关，而只与流体内部的分子运动阻力有关，即与流体的粘度（内摩擦）有关。(4)混合摩擦——介于上述情况之间的摩擦称为混合摩擦。如一部分接触点处于边界摩擦，而另一部分处于流体摩擦时，称为半流体摩擦；一部分接触点是干摩擦，而另一部分是边界摩擦时，则称为半干摩擦。3.2摩擦力的非线性及其进给系统爬行现象的机理3.2.1摩擦力的非线性国内对于摩擦机理的研究起步较晚，而国外对于该领域的研究已经有相当长的历史了。对于摩擦现象进行科学研究开始于七世纪意大利文艺复兴时期。达芬奇最早对固体摩擦作了实验研究，于1509年提出“一切物体，刚要开始滑动，便产生称为摩擦力的阻力。在表面光滑的平面间摩擦时，摩擦力大小约为其重量的四分之一。”他指出摩擦力与法向压力成正比。法国工程师阿蒙顿(Amontons)利用光学透镜研磨工具实测了摩擦力与法向压力的关系，于1699年进一步弄清了固体摩擦的规律[15]。杰出的物理学家库仑(CoulombAC)对滑动摩擦、滚动摩擦都作过精心的试验，发展了阿蒙顿的成果，于1785年完成了现在所称的古典摩擦定律。然而，古典摩擦定律尚不能准确、全面地反映摩擦的客观规律，影响摩擦力大小的因素比定律所描述的要复杂的多。英国著名学者鲍登(BowdenFP)和泰伯(TaborD)经过对固体摩擦多年的深入研究，于上世纪40年代后期提出了摩擦的粘着理论，借以解释了很多摩擦现象。格林(GreenAP)最早把滑移线场(slip－linefield)分析方法应用于金属表面滑动接触的研究，提出微凸体滑动接触的模式。查林(ChallenJM)等人又应用滑移线场分析方法对滑动中硬滑块前有塑性材料堆积时的各种参数进行了分析和考察。苏(SunNP)等人综合考虑微凸体变形、粘着和犁沟的作用对金属滑动摩擦进行研究，形成了摩擦的滑移线场综合理论。按此理论计算结果在一定范围内与试验结果相吻合，适用于大部分金属材料。但在实际应用时，许多参数还有待试验测定。随着人们对摩擦现象认识的不断加深，发现处于润滑状态下，伺服机械中的摩擦力的大小是接触面间相对运动速度的函数。根据相对运动速度的不同，摩擦可以分成四个区域：静摩擦区、边界润滑区、部分液体润滑区以及全液体润滑区，见图3-1。这四个区域的摩擦依次对应机械的速度从零加速到无限时控制器需要克服摩擦的动态过程，其中静摩擦区域的特性与速度无关，静摩擦区摩擦主要表现为静摩擦，边界润滑区和部分液体润滑区主要表现为Stribeck摩擦，全液体润滑区主要表现为库仑摩擦和粘性摩擦。随着速度的增加，粘性摩擦随之增大。对于摩擦的全过程，这四个区域分别对应一个阶段，下面将简单描述各个阶段摩擦的动态特性在第一阶段，两相互接触表面相对静止，相互接触的微凸体间存在切向和法向的作用力。当有外力作用时，微凸体发生弹性形变使其偏离平衡位置（预滑动位移），力的作用消失后又恢复原位，类似于一个弹簧。在这一阶段，摩擦力(静摩擦力)不依赖于速度，它实际上可以认为是由弹性变形所产生的，正如Polycarpou和Soom(1992年)指出的那样，静摩擦力并不是真正意义上的摩擦力，而是一种约束力，因为它既不耗能也不是滑动的结果。在第二阶段，两相互接触表面间作非常低速的相对滑动，这一速度不足以建立两表面间的流体润滑层，只在接触边界存在润滑，总体上看来还是固——固接触，因此表面间存在剪切力，这就是第二阶段摩擦力的来源机理。一般情况下，常假设边界润滑阶段的摩擦大于第三、四阶段，然而情况并非总是如此，例如，某些固体间的剪切力可能小于某些流体的粘着力。在第三阶段，随着相对滑动速度的增大，接触区中的某些部位出现流体润滑层，润滑层的形成受润滑粘性、相对运动速度和表面几何形状等多种因素的影响。粘性和运动速度越大，润滑层越厚，如果润滑层的厚度超过了微凸体的高度，则两接触面被完全分离。在这一阶段，润滑层的厚度高于某些微凸体的高度，因此是部分固——固接触，粘着力和剪切力同时存在，随着相对滑动速度的增大，润滑层的加厚，固——固接触越来越少，摩擦力也越来越小。在第四阶段，随着相对滑动速度的进一步增大，润滑层逐渐加厚，甚至超过所有微凸体的高度，两接触面间不再有固——固接触，负载完全被润滑层支撑。在这一阶段，剪切力进一步减小，粘性摩擦占主导地位，其大小与速度成正比。这一阶段摩擦的损耗最小。随着摩擦学的不断发展，和对摩擦现象不断观察和研究，人们发现滑动摩擦还具有以下主要特性：1.静止接触时间的影响在润滑条件下，金属接触表面间的摩擦力不仅是相对运动速度的函数(Stribeck摩擦)，摩擦力还具有时间依赖性，即增加的静摩擦力[18][19](Risingstaticfriction)。接触时间增加将使静摩擦系数增大，对于塑性材料这一影响更为显著。对于这一特性的解释是由于摩擦表面在法向载荷作用下，粗糙峰彼此嵌入并产生很高的接触应力和塑性变形，使实际接触面积增加。随着静止接触时间延长，相互嵌入和塑性变形程度都加强，所以静摩擦系数增加。如图3-2所示。2.跃动现象精细的试验研究证明：干摩擦运动并非连续平稳的滑动，而是一物体相对另一物体断续的滑动，此称为跃动现象。当摩擦表面是弹性固定时，跃动现象更为显著。跃动现象是干摩擦状态区别于良好润滑状态的特征。滑动摩擦的跃动现象对机器工作的平稳性产生不利的影响。如闭合摩擦离合器时的颤动、车辆在制动过程中的尖叫、刀具切削金属时的振动，以及滑动导轨在缓慢移动时的爬行现象等等都与摩擦跃动现象有关。有关跃动现象的解释有两个原因：一是摩擦力随滑动速度的增加而减少造成的；二是摩擦力随接触时间延长而增加的结果。在高速滑动条件下，前者的作用为主；而滑动速度较低时，后者是决定性因素。3.预位移在施加外力使静止的物体开始滑动的过程中，当切向力小于静摩擦力的极限值时，物体产生一个极小的预位移而达到新的静止位置。预位移的大小随切向力的增加而增大，物体开始稳定滑动时的最大预位移称为极限位移。对应极限位移的切向力就是静摩擦力。图3-3所示几种金属材料的预位移与摩擦系数的关系曲线。由图可知：仅在开始阶段预位移才与切向力成正比，随着趋近于极限位移，预位移增长速度不断加大，当达到极限位移后，摩擦系数将不再增加。预位移具有弹性，即切向力消除后物体沿反方向移动，试图回复到原位置，但保留一定残余位移量。切向力越大，残余位移量也越大。图3-4所示，当施加切向力时，物体沿OLP到达P点，其预位移量为OQ。当切向力消除时，物体沿PMS移动到S点，出现残余位移量OS。如果对物体重新施加原来的切向力，则物体将沿SNP移到P点。4.摩擦记忆(frictionmemory)特性所谓摩擦记忆就是接触表面间相对运动速度发生改变时，摩擦力滞后一段时间才会改变的现象。5.不对称性(Asymmetries)电机机械部分的机械误差和电机轴的不平衡会使电机的动力学特性不对称。Canudas采用Coulomb摩擦＋viscous摩擦组成模型代表摩擦特性，考虑了摩擦的不对称性；采用这种模进行的实验也表明Coulomb摩擦的不对称性是显著的；这种不对称性也被Armstrong的结论所证实。6.向下弯曲特性(Downwardbends)实验表明，在静摩擦被克服后，摩擦力矩按指数下降，直到变化力矩的60％，然后再按与速度成正比增加[21]。其幅值与润滑和机械作用有关。这种弯曲发生在速度接近零处，这种类型的摩擦有时称为Stick-Sli摩擦。7.位置相关性(Positiondependence)在有些机械装置中，摩擦还与角位置有关在电机传动装置中，位置相关性可以被认为是电机轴和减速器对中机械误差的结果。这些机械误差会产生周期等于减速比的振荡。Maiaux和Armstrong所进行的工业机器手实验表明这种相关性相对较弱，所以在大多数场合可以忽略。3.2.2摩擦力对爬行现象的影响摩擦对伺服进给系统的影响主要有在双向运行速度反向时造成运动不连续；在单向、低速运行时会导致爬行现象；在高速运行时会造成较大的跟随误差。下面就爬行现象的产生机理作详细论述。机床进给系统的运动件移动速度较低时，尽管驱动速度是匀速的却产生忽快忽慢或者时而停顿时而跳跃，这种现象被称之为“爬行”现象。进给运动中的爬行现象破坏了系统运动的均匀性和平衡性，使被加工工件的精度和表面质量下降，也会使机床导轨加速磨损从而降低其定位精度。为了从理论上研究摩擦自激振动，必须建立动力学模型及研究摩擦特性。应用集中参数离散化的方法，把传动系统的所有组成传动件各自具有质量和弹性，转换集中起来，把这一传动系统看作是一个无弹性的集中质量B和一个无质量的弹簧所组成的单自由度质量弹簧阻尼振动系统，见图3-5。图中B为从动件，其质量m为移动运动件的质量，加上所有转动件据能量守恒定律转化过来的质量。摩擦爬行现象的机理分四个阶段，如图3-6所示。fs：静摩擦系数fc：动摩擦系数图3-6爬行现象机理1.贮能过程主动件A以匀速V0向右移动，由位置1→2，由于刚度K不大，弹簧开始压缩。在此阶段中，驱动力小于摩擦力与阻尼力之和，故从动件B不动，摩擦系数为fs，随着A的右移，驱动力F逐渐加大。2.跳跃过程主动件继续右移由位置2→3，此时驱动力F大于静摩擦力Fs和阻尼力Fc之和。B开始移动，摩擦系数fs即很快下降到fc。且随着速度的增加而下降，于是B加速，因此，此段时间B位移较大，弹簧K放松，阻尼力仍起阻碍运动作用。3.放能过程在第三个时间间隔，主动件A继续匀速右移由位置3→4，由于上一过程B加速及本过程中B质量大，惯性大，使弹簧继续放松，因此驱动力减小，使从动件B减速。随着速度减小，动摩擦力Fc增大，使从动件B进一步减速。4.停顿过程主动件A在第四个时间间隔中，继续匀速右移，由位置4→5，由于A的速度V0很小，B的运动惯性使弹簧放松，等到驱动力大于阻尼力时，B即停止。如此周而复始，出现了走走停停现象。在这整个过程中，A是匀速的，B则是不匀速的，即是时快时慢现象。若主动件A速度高于某一定值，则在第四阶段B速度尚未降到0，弹簧即已开始压缩，驱动力加大。这样，从动件B不会停顿下来，虽然，这种情况初始阶段与终了阶段B的运动快慢不匀(即振动)，但由于导轨间存在着粘性阻尼，振动振幅将衰减下去，过一定时间就接近匀速，“爬行”而终止。因此，“爬行”现象的出现与否是摩擦自激振动是否稳定的问题。3.3摩擦力模型的建立3.3.1摩擦力模型综述摩擦是一种比较复杂的现象，有很多类型，其特性有很大的差异，人们至今也未能完全洞悉其机理。然而为了克服摩擦给伺服系统带来的危害，提高伺服系统的性能，人们希望从控制角度出发，建立一个能比较全面反应摩擦现象的模型，为此，很多学者进行了大量的研究。关于摩擦建模的研究可以追溯至16世纪早期，那时，LeonardodaVinci就提出了经典的模型：“摩擦力正比负载，与运动方向相反且不依赖于接触面积”，此模型经Coulomb发展后被称为Coulomb模型。1833年，Morin又引入了静摩擦的概念，1866年，Reynolds引入粘滞摩擦的概念，从而形成了至今仍然广泛使用的“静摩擦＋Coulomb摩擦＋粘滞摩擦”的模型。近年来，为了能更精确地描述摩擦的动力学行为，尽可能全面地描述摩擦的动态特性，一些学者又提出了多种摩擦模型，到目前为止，已提出的摩擦力模型有30几种，如：指数模型、七参数模型、复位积分器模型、PolycarpouSoom开发的用来描述处于边界与混合状态下线接触滚动体摩擦力的被称之为两维混合摩擦力模型及Karnopp的状态转换模型。Rabinowiez将增加的静摩擦力和摩擦记忆现象纳入模型中，考虑了摩擦的时间效应，包括停留时间和滞后时间。Kato对静摩擦力和停滞时间的关系进行了深入研究，提出了增加的摩擦力实验模型。Hess和Soom采用纯时滞模型来描述摩擦记忆现象。下面就有代表性的几种摩擦模型进行详细论述。1.七参数模型七参数模型是Armstrong于1994年提出的。它实际上是将摩擦在四个阶段所表现的不同特性与时间依赖特性(增加的静摩擦力和摩擦记忆现象)集成在一起，综合描述摩擦的特性，是一种较完善的模型。该模型能够反映出Coulomb摩擦、粘滞摩擦、Stribeck摩擦现象。但其实质上是将静态模型同摩擦的动态特性生硬地组合在一起，缺乏明确的物理意义，并且存在冗余参数。B.Armstrong采用摄动分析的方法，将其进一步化简，得到一个用5个参数描述的摩擦模型。2.Karnopp模型Karnopp是在1985年提出的一种来描述Stick-Slip运动的模型，采用这种模型不仅可以计算Stick-Slip运动过程中的阻尼力，而且考虑了速率在零附近力计算的积分稳定性问题。当相对速度v>vs时系统处于滑动状态，摩擦力由相对速度确定的动摩擦力曲线Fslip决定；当相对速度vs≤v时(落入图3-7阴影区)，即认为系统处于粘合状态并进行状态转换，摩擦力由系统的外力决定且不大于静摩擦力Fstatic。两种不同的状态对应两组不同的运动方程，通过对相对速度的实时判断，决定使用哪一组方程。Karnopp模型是介于静态模型和动态模型之间的一种简化模型，通过规定静止区间，降低了对速度信号质量的要求，更适合于工程实践。3.状态变量模型状态变量模型主要源于地理学家(Dieterich1979)对于岩石摩擦动力学的研究，目前由这些模型所预测的动力学行为也在玻璃、塑料、钢铁等表面的实验所证实[27]。如设接触表面间的相对速度为v，摩擦力为F(t)，那么，n阶状态变量模型有如下形式：式中θ——状态变量这种形式的模型表明速率的突然变化不能引起摩擦状态θ的突然变化，而是直接影响其时间导数。4.时间延迟模型Hess和Soom研究了振动速率信号输入情形下的摩擦力响应，发现随着振动频率的增加，摩擦－速率特性为滞环状，以稳态摩擦曲线为中心，滞环的尺寸随频率增加而增加。式中v——速率；A——延迟时间；C0C1C5.刚毛模型CanudasdeWit于1995年提出了刚毛模型，这一模型不但可以描述增加的静摩擦力及摩擦记忆现象，而且可以描述Stribeck曲线，是目前较为完善的模型之一。见图3-8。假设两个相对运动的摩擦表面之间为弹性刚毛接触，下表面的材料刚度大于上表面，由于相对运动导致刚毛弹性变形，产生摩擦力，当相对运动速度足够大时，刚毛之间产生滑动。刚毛的平均变形用z表示，则摩擦力和摩擦状态可以表示为：式中Fe——库仑摩擦力；Fs——静摩擦力；Fc——粘性摩擦力；q——相对运动速度；qs——Stribeck速度；σ,σ——分别为滑动阻尼系数和粘性摩擦系数该模型不仅考虑了粘性摩擦、库仑摩擦，而且考虑了静态摩擦及Stribeck负斜率效应，较充分地反映了摩擦运动的机理。3.3.2ADAMS中摩擦力模型的建立与运用ADAMS中摩擦力模型的建立我们在ADAMS中建立模型时，经常用到各种联接副(joint)，包括移动联接副(translationjoint)、转动联接副(revolutejoint)、圆柱连接(cylinderjoint)、万向轴联接(universaljoint)等，在这些联接中可以进行摩擦力的设置。ADAMS/solver中对摩擦力建立模型包括三种状态，如图3-9所示：1.动摩擦(DynamicFriction)在这种状态下，联接副的连接速度超过黏附过渡(StictionTransitionVelocity)速度的1.5倍，计算摩擦力时要利用动摩擦系数。2.过渡摩擦(TransitionFriction)这种状态发生在动静摩擦的过渡阶段。如果联接副的运动速度大小是1~1.5倍黏附过渡速度，ADAMS会调用一个STEP函数使摩擦力从静摩擦过渡到动摩擦。3.静摩擦(StaticFriction)当联接副的速度低于黏附速度时，ADAMS将进入静摩擦状态。在这种状态下，ADAMS/solver将调用联接副爬行模块，联接副速度和静摩擦系数进行计算。摩擦力在移动副中的使用在计算移动副的摩擦力时可能存在联接副中的作用力(F)、弯矩(Tm)、扭矩(Fn)和预加力(Fprfrc)，如图3-10、图3-11所示。在计算的过程中，Xs模块用来把弯矩转化为一个等效力,利用Rn把扭矩转化为一个等效力,摩擦力利用FRD模块来计算。ADAMS/solver在进行模型的建立求解时，运用四个开关SW1~SW4来打开/关闭这四种类型力，如图3-12所示。从图中可以看出，ADAMS的求解器Solver中也是采用模块的思想进行运算处理，这就使得ADAMS与MATLAB之间的联合仿真的实现成为可能。3.4本章小结本章介绍了几种摩擦力的数学模型，并在此基础上介绍了摩擦力对爬行现象的影响。同时，简单介绍了在虚拟样机ADAMS的求解器solver中摩擦力模型的建立，对比可以看出，利用ADAMS是可以模拟出数控机床在实际条件下的摩擦状态的。由此确定利用其对数控机床进给系统爬行现象进行仿真是完全可行的。数控机床进给系统在ADAMS中的仿真机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。在机床设计及试验中，可以通过对机床传动系统的设计分析及调试的各个阶段运用仿真技术。在进行方案比较时，可应用仿真技术建立各种方案的数学模型，输入有关参数，以确定理想的设计方案。当进入设计阶段后，则运用仿真软件优先选系统参数，从而得到结构中的最优方案，以获得最优性能和品质。对比用实物模型试验，仿真技术应用，既节省了资金和人力，缩短了设计周期，又提高了设计效率。因此，对于像机床这样机械系统复杂、设计周期长的系统尤其适合。ADAMS仿真软件是功能强大的机械系统自动动态仿真软件，具有很好的复杂机械系统的多体动力学数字样机制造功能。4.1ADAMS简介4.1.1虚拟样机技术的应用与研究范围虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成。目前有多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国机械动力学公司(MechanicalDynamicsInc.)的ADAMS，比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。虚拟样机技术已经广泛地应用到：汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门，复杂的火箭到轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间并提供了满意的设计方案。虚拟样机技术的研究对象是机械系统，在这里，机械系统可以被视为由多个相互连接、彼此能过相对运动的构件的组合。在机械系统设计中有3种行之不同的分析：1.机械系统的静力学分析在一定条件下，机械系统可以变为一个刚性系统，系统中的各构件之间没有相对运动，此时主要是分析在各种力的作用下，各构件的受力和强度分析。2.机械系统的运动学分析主要涉及系统及其各构件的运动分析，而与引起运动的力无关。运动学分析中，系统中一个或多个构件的位置或相对位置与时间的关系是规定好的，其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置的非线性方程组和速度、加速度的非线性方程组来确定。3.机械系统的动力学分析主要涉及由外力引起的系统运动分析，有两种情况：一种是确定与时间无关的力的作用下系统的平衡位置。再外力作用下系统的运动与运动学关系式相一致，这些关系是通过连接系统构件的运动副施加给系统。可以运用动力学方程或微分方程与代数方程的组合求解，确定系统的运动。另一种情况是运动学分析和动力学分析的混合形式。虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。目前，国际上已经出现基于虚拟样机技术的商用软件。4.1.2ADAMS的产生与应用机械系统动力学自动分析软件ADAMS(AutomaticDynamicsAnalysisofMechanicalSystem)，是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的非常著名的虚拟样机分析软件。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次工具平台。利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统的几何模型。该模型即可以是在ADAMS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其他CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力/力矩、运动激励和运动约束。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要数星期、数月才能完成的建造和测试物理样机的工作、现在利用ADAMS软件仅需要几个小时就可以完成，并能在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的[33]。ADAMS软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动、解释前其子系统或整个系统即产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能、预测精确的载荷变化过程，计算其运动路径，以及速度和加速度的分布图等。ADAMS强大的分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，使该软件使用起来既直观又方便，还可用户专门化。4.1.3ADAMS软件特点ADAMS主要特点如下：1.利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。2.分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析，包括刚体和柔性体分析。3.具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速准确。4.具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。5.具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。6.具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。令自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。7.可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和有限元的输入载荷。今支持同大多数CAD,FEA和控制设计软件包之间的双向通道。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。在机床设计及试验中，可以通过对机床传动系统的设计分析及调试的各个阶段运用仿真技术。在进行方案比较时，可应用仿真技术建立各种方案的数学模型，输入有关参数，以确定理想的设计方案。当进入设计阶段后，则运用仿真软件优先选系统参数，从而得到结构中的最优方案，以获得最优性能和品质。对比用实物模型试验，仿真技术应用，即节省了资金和人力，缩短了设计周期，又提高了设计效率。因此，对于像机床这样机械系统复杂、设计周期长的系统尤其适合。ADAMS仿真软件是功能强大的机械系统自动动态仿真软件，具有很好的复杂机械系统的多体动力学数字样机制造功能。4.2在ADAMS中建立数控机床进给系统实体模型在ADAMS/VIEW中直接对模型的各个部件进行建模，然后对各部件之间的关系进行约束限制，设置驱动力、力矩，设置各种驱动方式，最后对模型进行参数化设计。所建立模型如图4-1所示。4.3不同参数设置下进给系统的运动状态在建立进给系统的三维模型时，假设：(1)装配间隙为零，制造误差忽略不计；(2)所有材料质量是均匀的；(3)所建立的各个部件均为刚体。通过利用Pro/E和ADAMS软件联合进行仿真，分析研究动、静摩擦因数之差、传动刚度和工作台的质量对工作台的低速平稳性的影响。在设定进给系统的低速驱动速度为10mm/s的情况下，分别改变动、静摩擦因数之差、传动刚度和工作台的质量进行仿真，仿真结果如图4-2～图4-7所示。其中图4-2和图4-3是工作台质量为13000kg，传动刚度15KN/mm,动静摩擦因数之差分别取0.05、0.10时的工作台速度仿真曲线。由仿真曲线可知，随着动、静摩擦因数之差增大，工作台低速爬行现象越严重，与式(2-15)得出的结论一致。图4-4和图4-5是工作台质量为13000kg，动、静摩擦因数为0.12，传动刚度分别取25KN/mm、50KN/mm时的工作台速度仿真曲线。由仿真曲线可知，随着传动刚度的增大，工作台低速爬行得到改善，验证了式(2-15)的分析结果。本章图4-6和图4-7是传动刚度为15KN/mm，动、静摩擦系数为0.08，工作台质量分别取9000kg、13000kg时的工作台速度仿真曲线。由仿真曲线可知，随着工作台质量的增加，工作台移动的惯性力增加，并且根据式(2-15)可知，动、静摩擦力之差增大，导致临界速度vc增高，工作台越易产生爬行现象。由此可见，进给系统工作台与导轨面间的动、静摩擦因数之差越小、传动刚度越高、工作台的质量越小，机床工作台的低速平稳性能越好，越不易出现爬行现象。4.4本章小结本章利用ADAMS对重型数控机床进给系统进行仿真分析，并从中得到仿真结果，得出相关结论。根据重型数控机床进给系统的组成和特点，分析了进给系统产生低速爬行现象的原因，推导了进给系统的数学模型，计算出产生低速爬行的临界速度，并利用机械系统动力学分析软件ADAMS，对进给系统的低速爬行进行了仿真分析。理论分析和仿真结果表明：导轨间的动、静摩擦因数之差越小，传动刚度越高，临界速度越低，机床的低速平稳性越好；工作台的质量越小，惯性力越小，越不易产生爬行。该研究对于重型数控机床进给系统的设计以及机床性能的改进具有一定的参考价值。ADAMS/MATLAB联合仿真技术针对日益复杂的机械系统和越来越精密的控制系统，设计人员在进行设计时的困难程度越来越高，而计算机仿真技术的出现解决了这一问题。仿真技术的核心技术是虚拟样机技术，而虚拟样机的核心需要分别建立准确描述每个子系统的仿真模型，然后有机关联集成在一起进行系统性能仿真。机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分析时，还需要融合其它相关技术。为了能够充分发挥不同分析软件特长，有时可能希望虚拟样机软件可以支持其它机械系统计算辅助工程(MCAE)软件，或者反过来，虚拟样机软件的输入数据可以由其它专用软件产生。图5-1给出了虚拟样机技术的相关技术。一个优秀的虚拟样机分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学分析，还应该包含以下技术：1.几何形体的辅助设计(CAD)软件和技术用于机械系统的集合建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。2.有限元分析(FEA)软件和技术可以利用机械系统的运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统有限元分析(FEA)所需的外力和边界条件。或者利用有限元分析对结构应力、应变和强度进行进一步的分析。3.模拟各种各样作用力的软件编程技术虚拟样机软件运用开放式的软件编程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压动力、风力等等，以适应各种机械系统的要求。4.利用实验装置的实验结果进新某些构件的建模实验结果经过线性化处理输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。5.控制系统设计与分析软件和技术虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析。或者，可以应用其它专用的控制系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。6.优化分析软件和技术运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析，是一个重要应用领域，通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值，使机械系统获得最佳的综合性能。5.1ADAMS中的机电一体化设计利用伺服进给系统虚拟样机提供的集成环境对机械系统和电机控制系统进行联合仿真分析，是一种全新的设计方法。在传统的复杂机械系统设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立一个模型，然后分别采用不同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立调试。如果发现问题，机械工程师和控制工程师又需要回到各自的模型中，修改机械系统和控制系统，然后再进行物理样机的联合调试。ADAMS提供了两种对复杂机电一体化系统进行联合仿真分析的方法。一种是利用ADAMS/View提供的控制工具箱，控制工具箱提供了简单的线性控制模块和滤波模块，可以方便的实现前置滤波、PID控制和其他连续时间单元的模拟仿真。对于一些简单的控制问题，利用ADAMS/View的控制工具箱，可以直接在ADAMS/View环境的虚拟样机模型中添加控制模块，完成机电一体化系统的联合仿真分析。针对数控机床伺服进给系统，机械系统和控制系统的原理和构成都比较复杂，因此对于数控机床伺服进给系统虚拟样机控制系统的数字仿真模型的建立，仅利用ADAMS/View的控制工具箱提供的功能是难以胜任这种复杂的仿真任务的。本文采用的ADAMS软件提供的另一种方法，即利用ADAMS/Controls模块，将机械系统仿真分析工具同控制系统设计仿真软件有机地连接起来，实现机电一体化系统的联合仿真分析。此种方法可以实现以下功能：1.将复杂的控制系统添加到机械系统样机模型中，然后对机电一体化系统进行联合分析。2.可直接利用ADAMS程序建立控制系统分析中的机械系统仿真模型，无需使用数学公式建模。3.利用ADAMS环境和控制应用程序环境获得机电联合仿真结果。ADAMS/Controls模块支持同EASY5、MATLAB、MATRIX等控制系统设计分析软件进行联合分析。本文是采用MATLAB软件对数控机床进给伺服控制系统建模，然后与已在ADAMS环境中建立的进给伺服机械系统集成起来进行联合仿真。使用ADAMS/Controls控制模块，机械工程师和控制工程师可以共同享有同一个样机模型，进行设计、调试和试验。可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计效果，然后再进行物理样机的建造和调试。显然，利用虚拟样机技术对机电一体化系统进行联合设计、调试和试验的方法，同传统的方法相比起来具有明显的优势，可以大大地提高设计效率，缩短开发周期，降低开发产品成本，获得优化的机电一体化系统的整体性能。5.2ADAMS/MATLAB之间的数据交换使用ADAMS/Controls模块进行ADAMS和MATLAB对虚拟样机进行联合仿真分析，包括以下4个基本步骤，如图5-2所示。5.2.1从ADAMS中输出模型1．ADAMS/View环境中构造样机机械系统模型使用ADAMS/Control模块进行机电一体化系统联合仿真分析时，首先应该构造ADAMS/View中样机的机械系统模型，或者输入己经构造好的样机机械系统模型。样机机械系统的数字模型包括几何模型，各种约束和作用力等，构造的方法同构造纯机械系统ADAMS/View样机模型一样。2．定义ADAMS的输入与输出需要通过ADAMS/View或ADAMS/Solver中的信息文件或启动文件，确定ADAMS的输入和输出。输出是指进入控制程序的变量，表示从ADAMS/Control输出到控制程序的变量。而输入是指从控制程序返回到ADAMS的变量，表示控制程序的输出。如图5-3所示。通过定义输入和输出，实现ADAMS和MATLAB控制程序之间的消息闭环通讯。即从ADAMS输出的信号进入MATLAB，同时从MATLAB输出的信号进入ADAMS程序。这里所有程序的输入都应该设置为变量，而输出可以是变量或者是测量值。定义ADAMS/MATLAB接口模块参数的方法如下：(1)在ADAMS主界面中选择MATLAB接口设置，弹出ADAMS/MATLAB接口设置对话框，如图5-4所示。(2)在文件名栏，输入己在ADAMS/View环境中建立的虚拟样机机械系统的文件名V_test。(3)在输入变量文本输入栏，用鼠标右键显示弹出式菜单，从中选择ADAMS/Variable项，再选择Browse，利用ADAMS的数据库浏览器变量列表选择需要输入的变量名。(4)输出变量文本输入栏，同步骤3利用数据库浏览器变量列表选择输出变量名，多个变量之间用‘，’分隔。(5)在控制平台程序选择栏，选择同ADAMS进行联合仿真分析的控制软件MATLAB。ADMAS/MATLAB接口将输入和输出信息保存在.m(MATLAB程序)中，同时产生一个ADAMS/View的命令文件(.cmd)和一个ADAMS/Solver命令文件(.adm)，供联合仿真分析使用[39][40][41]。5.2.2在MATLAB中输入ADAMS文件控制系统建模的目的是建立一个机械和控制一体化的样机模型，通过向ADAMS方框图中添加控制系统，实现控制系统的建模，基本步骤如下：1.启动控制程序MATLAB启动MATLAB程序，设置其工作路径与ADAMS工作路径相同，在MATLAB命令输入提示符下直接输入V_test，调入ADAMS中的模型。2.在MATLAB程序中，输入ADAMS模块。在MATLAB中输入ADAMS模块的方法如下：(1)在MATLAB输入提示符处输入adams_sys，显示adams_sys窗口如图5-5所示。(2)在SIMULINK下新建一个文件，将图5-6的adams_sub模块连同输出显示器一同拖入其中。(3)双击adams_sub模块，显示其子系统如图5-7。3.在SIMULINK模块中，设置仿真参数。在图5-6中，双击MechanicalDynamics模块，显示其模块参数设置对话框如图5-7所示。4.运用SIMULINK工具，进行控制系统建模。5.3控制系统的数学模型的建立对于实际系统，尽管电机与负载是直接耦合的，但传动本质上是弹性的，而且轴承和框架也都不完全是刚性的。在电机驱动力矩的作用下，机械轴会受到某种程度的弯曲和变形。对于加速度要求大、快速性和精度要求高的系统或是转动惯量大、性能要求高的系统，弹性变形对系统性能的影响不能忽略。由于传动轴的弯曲和变形，在传递运动时含有储能元件。如果速度阻尼小，则在它的传递特性中将出现较高的机械谐振，此谐振对系统的动态性能影响较大。因此应将被控对象视为图5-8所示由电机、纯惯性负载以及联结二者的等效传递轴所组成的三质量系统[42][43]。根据图5-8建立电机的模型如图5-9所示