基于刚柔-机电耦合的龙门机床主轴进给驱动联合仿真.pdf

2 0 1 6年 1月 第 4 5 卷 第 1 期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e ri n g J a n ． 2 0 1 6 Vo 1 ． 4 5 No ． 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j 。 i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 6 ． O 1 ． 0 0 5 基 于刚柔 一机 电耦合 的龙 门机床 主轴进给驱动联合仿真 胡芳 ， 叶文华 南京航空航天大学机械电子工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 摘要 以龙 门机床主轴进给驱动为研 究对 象， 利 用虚拟样机技 术建立其 多体动力学模型 ， 确 定 了 丝杠、 滑枕柔性和导轨一滑块结合面参数， 构建了主轴进给模块刚柔耦合模型； 在 M A T L A B ／ S i m u ． 1 i n k中建立了永磁同步电机矢量控制模型， 通过二者间的接 口， 建立了龙门机床主轴进给驱动刚 柔一 机电耦合仿真模型， 对三环 P I D参数进行 了整定。仿真结果表明， 设计的伺服 系统具有快 速 、 稳定和准确的特点。该仿真模型也 实现 了复杂机 电系统的联合仿真。 关键词 龙 门机床 ； 伺服进给 系统 ； 刚柔耦合 ； 机电耦合 ； 联合仿真 中图分类号 T H1 2 2 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 6 O 1 0 0 2 7 0 5 1 龙门机床主轴进给驱动联合仿真问题的 提出 龙门机床主轴进给驱动主要 由伺服驱动器 、 永 磁同步电机、 联轴器、 滚珠丝杠副、 滑枕和导轨等组 成。传统机电伺服系统的设计， 机械部分和电气部 分是独立建模分开设计的， 它们分别根据各自被分 配的性能指标完成设计 、 制造 ， 然后将二者组装起 来进行测试， 若未达到设计要求再对设计方案进行 修改重新设计⋯。 其流程如图l 所示 。 然而在机 获取系统性能指标 为机械系统、控制系统 制定性能指标 机械系统设计 I I控制系统设计 机械系统实现 I I控制系统实现 系统集 成与测 试 Y ⑨ 电伺服系统中， 机械系统和控制系统闻存在直接的 机电耦合作用， 因此为了提高整个伺服系统的性 能， 机械系统和控制系统需要联合起来设计_ 2 ] 。 基于多领域建模和联合仿真技术 能够较好地 解决机电控制系统设计的不足 ， 可以运用联合仿真 技术对机械系统和控制系统进行联合设计_ 3 ] 。利 用虚拟样机技术将控制系统和机械系统联合起来 进行反复调试， 直到获得满足设计要求的结果， 最 后再进行物理样机试制 ， 这样能够大大缩短开发周 期， 降低开发成本。其设计流程如图2 所示。 图 2 机 电系统联合仿真 本文以龙门机床主轴进给驱动为研究对象 ， 分 别在 A D A M S和 M A T L A B中建立机械系统和控制 系统模型， 并通过二者间的接口， 将机械系统模型 收稿 日期 2 0 1 51 0 0 9 基金项目 江苏省产学研前瞻性联合研究项目 B Y 2 0 0 9 1 0 3 ； 江苏省“ 六大人才高峰” 项目 作者简介 胡芳 1 9 8 9 一 ， 女， 江苏泗阳人， 南京航空航天大学硕士研究生， 主要研究方向为龙门机床伺服进给系统联合仿真分析 。 2 7 2 0 1 6 年第 1 期 胡芳 基于刚柔 一 机电耦合的龙门机床主轴进给驱动联合仿真 近实际物理模型 ； 此外 ， 通过 MA T L A B ／ S i m u l i n k能 够解决 A D A M S 软件只能进行简单控制的问题， 通 过对刚柔 一 机电耦合模型进行仿真分析， 为物理样 机 的设计打下了坚实的基础。 参考文献 [ 1 ] D e q u i d t A， C a s t e l a i n J M， V a l d e 8 E ．M ec h a n i c a l p r e d i g n o f h i s h p e r f o r m a n c e m o t i o n s e r v o m e c h a n i s m s [ J ] ． M e c h a n i s m and Ma c h i n e T h e o r y ， 2 0 0 0， 3 5 8 1 0 4 71 0 6 3 ． [ 2 ] 保宏， 段宝岩， 杜敬利， 等． 复杂机构的控制与结构同步优化 设计[ J ] ． 计算力学学报 ， 2 0 0 8 1 8 一 l 3 ． [ 3 ] 叶献彬， 张东升， 冯斌． 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【 j ] ． 机床与液压， 2 0 1 3 1 5 1 6 01 6 3． 罗卫平．基于刚柔耦合的数控机床动态特性分析[ J ] ．机床 与液压 ， 2 0 1 l 5 1 1 81 2 0 ． 姚延风， 刘强。 吴文镜． 基于刚柔 一 机电耦合的机床直线电 机进给系统动态性能仿真研究[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 1 1 1 1 9 1一l 9 6． 张学良． 机械结合面动态基础性能理论、 实验与建模研究 [ M] ． 西安 西安理工大学出版社， 1 9 9 8 ． 陈峰华． A D A M S 2 0 1 2虚拟样机技术从入门到精通[ M] ． 北 京 清华大学出版社， 2 0 1 3 ． 李虎． 加工中心进给系统机电联合仿真研究[ D ] ． 武汉 华中 科技大学， 2 0 1 2 ． Cos i mu l a t i o n o f t h e s p i n d l e s e r v o f e e d s y s t e m o f g a n t r y ma c h i n e t o o l b a s e d o n rig i dfl e x i b l e ＆ e l e c t r i c a l me c h a n i c a l c o u p l i n g HU F a n g，YE We n h u a S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s and A s t r o n a u t i c s ， J i ang s u N a n j i n g ， 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n v i r t u a l p r o t o typ i n g t e c h n o l o g y ，i t s t u d i e s t h e s p i n d l e s e r v o f e e d mo d u l e o f g an t r y ma c h i n e t o o l ，b u i l d s i t s mu l t i b o d y d y n a mi c s mo d e l a n d fl e x i b i l i t y o f b a l l s c r e w，r a m a s we l l a s c o n t a c t i n t e r f a c e o f l e a d r a i l s l i d e r ，e s t a b l i s h e s a v e c t o r c o n t r o l mo d e l o f P MS M i n MAT L AB ／ S i mu l i n k mo d u l e ．B a s e d o n t h e i n t e rfa c e b e t w e e n ADAMS a n d MA T L A B ／ S i mu l i n k ，i t i l l u s t r a t e s t h e ri s d dfl e x i b l e e l e c t ri c al me c h a n i c a l c o u p l i n g mo d e l o f s p i n d l e 8 e r Y o f e e d mo d u l e o f g ant r y ma c h i n e t o o 1 ．F u r t h e r mo r e，i t d e fi n e s the P I D p a r a me t e r s o f t h r e e l o o p，r e a l i z e s the c o mp l e x e l e c t r i c al me c h a n i c a l s y s t e m s i mu l a t i o n ． 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 d e s i g n e d s e r v o s y s t e m h a s the c h a r a c t e ri s t i c s o f r a p i d i ty，s t a b i l i t y and a c c u r a c y ． Ke y wo r d s s e r v o f e e d s y s t e m；r i g i dfl e x i b l e c o u p l i n g ；e l e c t r i c a l me c h a n i c al c o u p l i n g ；C Os i mu l a t i o n ． 3l 1 J 1 J 1 ●-1 J 1 J 竺J