基于ADAMS和MATLAB的数控机床进给驱动系统的机电联合仿真.pdf

2 0 1 4年 5月 第4 2卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 4 Vo l _ 4 2 No ． 1 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1～3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 0 8 基于 A D A M S和 MA T L A B的数控机床进给驱动系统 的机电联合仿真 赵 大兴 ，杨 勇 ，许 万 ，丁 国龙 ，彭玲 1 ．湖北工业大学机械工程 学院，湖北武汉 4 3 0 0 6 8 ； 2 ．宜昌长机科技有限责任公 司，湖北宜昌 4 4 3 0 0 3 摘要根据机械多刚体动力学理论建立数控机床进给驱动系统的数学模型，利用机械系统动力学分析软件 A D A M S建 立动力学模型、c编写数控进给指令、MA T L A B ／ S i m u l i n k建立数控机床进给驱动系统 S i m u l i n k仿真模型，结合三者实 现机床的机电联合仿真。仿真分析结果表明该仿真平台能用来分析进给驱动伺服系统的动态特性，为物理样机进给系统 的设计与调试提供可靠的参考依据。 关键词多刚体动力学；进给驱动；机电联合仿真 中图分类号T H 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 0 2 8 4 M e c h a ni c a l a n d El e c t r i c a l Co． s i mul a t i o n f o r CNC M a c hi ne To o l Fe e d Dr i v e S y s t e m Ba s e d o n ADAM S a nd M ATLAB ZHAO Da x i n g ， YANG Yo n g ， XU W a n ， DI NG Gu o l o n g ， PENG L i n g 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，H u b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 6 8 C h i n a ； 2 ． Y i c h a n g C h a n g j i a n g Ma c h i n e T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ，Y i c h a n g H u b e i 4 4 3 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e me c h a n i c a l t h e o r y o f mu l t i b o d y d y n a mi c s ，the ma t h e ma t i c a l mo d e l of the f e e d d r i v e s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d ．T h e d y n a mi c mo d e l o f me c h a n i c a l s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d b y u s i n g d y n a mi c s a n a l y s i s s o f t w a r e ADAMS，C w a s u s e d t o writ e CNC f e e d i ns t r uc t i o ns，t h e Si mul i n k s i mu l a t i o n mo de l s of t h e CNCma c hi ne t o o l f e e d d riv e s ys t e m wa s e s t a bl i s h e d b y u s i n g MAT L AB ／ S i mu l i n k ． T h e t h r e e a b o v e we r e c o mb i n e d t o a c h i e v e e l e c t r o me c h a n i c al s o ． s i mu l a t i o n o f t h e ma c h i n e ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s i mu l a t i o n p l a t f o r m c a n b e u s e d t o a n a l y z e t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s of t h e f e e d d ri v e s e l T o s y s t e m．I t p r o v i d e s r e l i a b l e r e f e r e n c e f o r de s i g n a n d d e b ug g i ng o f p hy s i c a l p r o t o t y p e f e e d s ys t e m． Ke y wo r d s Mu l t i b o d y d y n a mi c s F e e d d r i v e E l e c t r o me c h a n i c al s o s i mu l a t i o n 现代数控机床向着高速、高精度 、高效率的方向 发展 。近年来 ，随着计算 机技术 的 E t 臻 成熟 ，在对机 械系统进行分析时 ，虚拟样机技术越来越多地应用到 机电系统设计中。同时，使用系统仿真软件可以在各 种虚拟环境 中真实 地模 拟系统的运用 ，在计算 机上方 便地修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整 个系统不断改进 ，直至获得最优设计方案 。可见 ，用 虚拟样机代替真实的物理样机设计可大大提高设计效 率 、缩短产品开发周期 、快速 响应市场 、降低产 品的 开发成本 ，能够获得优化的控制系统整体性能。 机床的主要进给方式为数控系统发出速度指令 和进给位移指令信号，经伺服驱动装置和机械传动机 构，驱动机床工作台实现进给。滚珠丝杠作为机床进 给驱动的主要传动方式 ，被广泛地应用在机床进给运 动中 ，如图1 所示 。然而机床运 动特性 的好 坏主要 体 现在进给驱动上 ，滚珠丝杠的刚性旋转 、扭转和轴向 偏差会造成工作台的直线和转动偏差，自然就会影响 到机 床的加工精度。 图 1 进给驱动示意图 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 5 基金项目武汉市科技青年晨光计划项目 2 0 1 2 7 1 0 3 1 3 8 6 ；武汉市青年科技晨光计划项目 2 0 1 3 0 7 0 1 0 4 0 1 0 0 1 5 作者简介赵大兴 1 9 6 2 一 ，博士，教授，研究方向为数字化设计与制造、产品质量视觉检测等。Em a i l y y o n g 5 5 5 1 63 ．c o n。 3 0 机床与液压 第 4 2卷 方程可 由下列方程表示 电压平衡方程 f U d R i d p d 一 q 【 U R i p l f r d 磁链方 程 r dLd i d 【 L q i 电磁转 矩方程 T oT P i 。 永磁同步电动机的机械运动方程式为 T o B w 忽略电枢反应对输 出转矩及电机轴黏滞 系数 B 的影响 ，进行 L a p l a c e 变换 得到永 磁 同步 电机 模型 的 动态结构图 ，如图 4所示 。 图 4 电机模型动态结构图 2 ． 2控 制 系统结构 模 型 伺服控制 系统 主 要 包括 检测 装 置 、信 号 转换 电 路 、放大装置 、补偿装置 、执行机构 、电源装置 和被 控对象等部分。检测装置用来检测输入信号和系统输 出；放大装置对控制信号进行功率放大；执行部件主 要实现机电转换 ，将 电信号转换成机械位移 。为使各 部件信号之间有效匹配 ，并使系统具有良好的工作品 质 ，一般还有信号转换线路和补偿装置。 采用 P I D控制 ，加入位 置 、速度 以及 电流各 环节 的调节器传递函数模块，构成位置伺服系统的动态结 构框 图 ，如图 5所示 。 图5 伺服驱动系统动态结构框图 图中，0 为指令角位移 ；0 为机械的输出转角； 为指令 角速 度 ； 为 机 械 输 出 角速 度 ； 为 指 令 电流 ；i 为输 出 电流 ；K K K 为三 环 的 比例 增益 ；T I 和 分 别 为 电 流控 制 器 和速 度 控 制 器 的 积分 时 间 常 数 ；L 为 电 动 机 电感 ；R 为 电动 机 电 阻 ；K 为转 矩常数 ；K 1 ． 5 p ；K 为 电机 反 电动 势常数；K P n ；卢 i 为电流环反馈系数 ；C t 为速 度 环反馈 系 数 ； 。 为位 置 环反 馈 系 数 ，G s 为 机 械传 递 函数 。 3进给驱动机电联合仿真 A D A M S具有快速简单 的模功能 、强大 的函数 库 、 交互式仿真等，但针对复杂的控制系统而言，仅依靠 A D A M S软件难 以实现其精确的运动。A D A MS ／ C o n t r o i s 模 块提供 了与许 多控制 系统软件 MA T L A B ， E A S Y S等 的接 口功 能。M A T L A B广泛 地应 用 于 包 括信号与图像处理、控制系统设计、系统仿真等诸多 领域。S i m u l i n k借助 M A T L A B的计算功能 ，可方便地 建立各种模型、改变仿真参数，能很有效地解决仿真 技术 中 的 问题 。A D A M S中定 义 有 S i m u l i n k接 口， 可 以将 A D A MS中建 立 的非 线 性 机 械模 型转 化 成 为 S i m u l i n k中 的 S - F u n c t i o n函数 ，将 生 成 的 S - F u n c t i o n 函数加入到 S i m u l i n k建立 的控制器模型 中，利用这些 软件可以将机械系统仿真分析工具同控制设计仿真软 件有效结合起来，完成机床进给驱动的机 电联合仿 真。 3 ． 1 控制 系统协 同模型的建立 在 A D A M S构建 的机 械模型 嵌入 到 S i m u l i n k中成 为一个模块。通过 c 语言编写定义机床数控系统 指令信号 ，利用 M A T L A B程序 文件在命 令窗 中用 M E X命令编译 C P P文件 ，生成了一个供 S i m u l i n k调 用 的动 态链 接文件 d U文件 ，同时导入 S - F u n c t i o n 里面建立 s函数模块。将 S - F u n c t i o n模块拖人新建的 m o d e l 文件 中得 到进 给 系统 的 S i m u l i n k图 ，如 图 6 所示