基于ADAMS与MATLAB的数控机床伺服进给驱动系统联合仿真.pdf

2 0 1 3年 8月 第4 l 卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 5 ． 0 4 2 基于 A D A MS 与 M A T L A B的数控机床伺服进给驱动系统联合仿真 叶献彬 ，张 东升 ，冯斌 西安交通大学机械工程 学院，陕西西安 7 1 0 0 4 9 摘要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 MA T L A B ／ S i m u l i n k模块建立了机床伺服 进给驱动系统控制模型，通过研究 A D A M S与 MA T L A B ／ S i m u l i n k之间的接口，建立了机床进给驱动系统的机电联合仿真模 型，实现了复杂机电系统的联合仿真。 关键词虚拟样机技术 ；伺服进给驱动系统；机电联合仿真 中图分类号T P一3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 51 6 0 4 Uni t e d S i mu l a t i o n a b o ut CNC M a c hi ne To o l Fe e d Dr i v e Sy s t e m Ba s e d o n ADAM S a n d M ATLAB ， YE Xi a n b i n． ZHANG Do n g s h e n g． F ENG Bi n 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 ，X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t A mu l t i b o d y d y n a mi c s mo d e l o f s e r v o f e e d d r i v e s y s t e m w a s b u i l t b y u s i n g v i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n i q u e ． A c o n t r o l s y s t e rn mo d e l o f s e n r 0 f e e d s y s t e m wa s b u i l t b y MAT L AB ／S i mu l i n k mo d u l e ．Ba s e d o n t h e i n t e r f a c e b e t w e e n ADAMS a n d MA T LA B ／ S i mu l i n k ，me c h a n i c a l e l e c t r o n i c C O s i mu l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d，a n d t h e c o mp l e x me c h a n i c a l e l e c t r o n i c s y s t e m C O s i mu l a t i o n w a s r e a l i z e d ． Ke y wo r d s Vi rt u al p r o t o t y p e t e c h n o l o g y；S e r v o f e e d d r i v e s y s t e m；Me c h an i c a l - e l e c t r o n i c c o s i mu l a t i o n 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。现代 数控机床是一个非常复杂的机电耦合系统。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，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。传统的机电控制系统设计流程如图1 所 示 机 罄 杀 计 H 机 械 仿 真 模 型 H仿 真 分 析 念设计l I 物理样机调试 控 ； 善 箍 计 卜 _ 叫 控 制 仿 真 模 型 H仿 真 分 析 图 1 传统的机电控制系统设计 基于多领域的建模与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，联合仿真技术为机 械和控制系统进行联合分析提供了一个全新的方法。 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⋯。联合仿真的机电系统设计如图2所示。 图2 机电系统的联合仿真 美国开发 的 A D A M S软件是世界上最具权威性 的、应用范围最广的机械系统动力学和运动学的分析 软件，A D A M S可以自动生成包括机、电、液一体化 在内的，任意复杂系统的运动学和多体动力学数字化 虚拟样机模型 ，非常方便用户对各种机械系统进行运 动学和动力学分析。而 MA T L A B具有强大的计算功 能、极高的编程效率及模块化的建模方式 ，因此把 A D A MS 和 MA T L A B联合起来进行仿真，可以充分发 挥两种软件的优势，将机械系统仿真分析和控制系统 设计有机地结合起来 ，实现机 电系统 的联合 仿真 分析 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 3 1 基金项目国家重大专项资助项目 2 0 1 0 Z X 0 4 0 0 1 0 2 1 作者简介叶献彬 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为伺服进给驱动系统联合仿真分析。Em a i l y e x i a n b i n l 1 1 I 1 6 3 ． e o m。 第 1 5 期 叶献彬 等基于 A D A M S 与 M A T L A B的数控机床伺服进给驱动系统联合仿真 1 6 3 电机参数 L 0 ． 0 0 0 1 2 H，R 0 ． 1 8 H L 为电 机 电枢 电感 ，R 为 电机 电枢 电阻 。 仿真结果见图 1 l 一1 2 。 Cont r ol s ．Pl ant．2 P ART 1 0 P ART／ 1 0 图 1 1 l ， 轴工作台的位移曲线、速度曲线、加速度曲线 Co n t r o l s ．．Pl a n t．．2 PART 1 5 P ART ／ 1 5 2 ． 0 6 ． 5 1 1 ． 0 l 5 ． 5 2 0 ． 0 An a l y s i s Co n t r o I s PI l n t _ 2 t ／ s 2 01 2 0 7 ． 2 7 2 0 2 9 4 4 图 1 2 y轴电机的角加速度和角速度 给定输入信号为正弦信号，从仿真的结果看，显 示了较好的动态特性。通过建立机电仿真模型不但可 以分析进给驱动系统整体动态特性，并且可以比较数 控系统各种插补算法的优劣 ，还可以分析机械传动机 构的动力学特性，设计伺服控制算法并进行控制参数 的优化调整等 ，获得优化 的机 电一体化系统 整体 性能 。 5 ‘结论 利用 A D A M S与 MA T L A B软件成功对数控机床伺 服进给系统进行了机 电联合仿真分析。在仿真过程 中，不需要推导机械系统复杂的微分方程，利用 A D A MS软件建立虚拟模型进行分析，大大方便了建模 过程。与那些近似线性化的数学模型相比，通过 A D ． A MS 建立的虚拟样机模型能更好地接近实际物理模 型，而 A D A MS自带的控制工具箱只能解决一些简单 的控制问题 ，所以通过 MA T L A B ／ S i m u l i n k可 以解决 A D A MS 软件的控制 问题。通过 A D A M S和 MA T L A B 对数控机床伺服进给系统进行了仿真分析，为物理样 机设计奠定了坚实的基础。 参考文献 【 1 】李剑峰， 汪建兵 ， 林建军 ， 等． 机电系统联合仿真与集成 优化[ M3 ． 北京 电子工业出版社， 2 0 1 0 ． 【 2 】HA N G J i a n g a n g ． D e v e l o p m e n t o f L o g i c a l M o d e l s f o r C N C Ma c h i n e T o o l Mo t i o n C o n t r o l S y s t e m w i t h Ap p l i c a t i o n t o V i r t u a l Ma c h i n e T o o l D e s i g n [ D] ． D a v i s U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a Da v i s ， 2 0 0 5 ． 【 3 】 沈俊， 宋健． 基于 A D A M S和 S i m u l i n k联合仿真的 A B S 控制算法研究[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 ， 1 9 5 1 1 4 1 1 1 4 3， 1 1 6 0 ． 【 4 】 刘金锟． 先进 P I D控制及其 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 5 】陈德民， 槐创峰 ， 张克涛， 等． 虚拟样机技术[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 6 】 梁思率 ， 张和明． A D A M S 二次开发技术在分布式仿真中 的应用[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 ， 1 9 1 0 2 3 0 4 2 3 0 7 ． 【 7 】 李鹏， 郝骞， 任一峰 ， 等． 基于 A D A M S和 M a t l a b自平衡 双轮电动车系统的联合仿真[ J ] ． 机床电器， 2 0 1 1 4 5 65 8 ． 【 8 】 郑建荣． 虚拟样机技术入门与提高[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 1 ． 上接第 1 3 6页 参考文献 【 1 】谷鸣宇． 六 自由度机械手运动学、 动力学分析及计算机 仿真[ D] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 5 1 2 ． 【 2 】 程永伦． 钱江一号焊接机器人运动学研究及仿真分析 [ D] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 8 1 6 ． 【 3 】彭韬， 周学才． 基于国产 M C T 8 0 0 0 运动控制卡的开放式 结构机器人控制系统[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 0 1 ， 2 3 2 65． 【 4 】 WR I G H T P K ． P ri n c i p l e s o f O p e n a r c h i t e c t u r e M a n u f a c t u r i n g S y s t e m s [ J ] ． J o u r n al o f Ma n u f a c t u ri n g S y s t e m s ， 1 9 9 5 ， 1 4 3 1 8 72 0 2 ． 【 5 】 伍文伟． 六自由度开放式机器人控制系统的研究 [ D ] ． 长沙 湖南大学， 2 0 0 7 1 9 2 O ． 【 6 】 安萍． 工业机器人何时能有中国国籍[ N ] ． 中国工业报， 2 0 1 0 ． 【 7 】吴勇， 熊振华 ， 丁汉． 基于 R T X和 M F C的后封装平台数 据采集和控制系统[ J ] ． 系统工程与电子技术， 2 0 0 4 ， 2 6 9 1 2 5 71 2 6 1 ． 【 8 】R T X O v e r v i e w [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． i n t e r v al z e r o ． c o m ／ p r o d u e t s ／ rt x o v e r v i e w ／． 2 0 1 2一O 7～1 O ．