在現(xiàn)代制造技術(shù)系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕的作用。我國(guó)自“七五”計(jì)劃以來(lái)，數(shù)控技術(shù)方面的研究工作得到政府、企業(yè)和專家學(xué)者的高度重視，獲得了較大的發(fā)展，但與世界先進(jìn)水平相比仍有很大差距。隨著機(jī)床向高精度、高表面質(zhì)量和高生產(chǎn)率方向發(fā)展，對(duì)數(shù)控伺服控制系統(tǒng)的調(diào)試一直困擾著工程技術(shù)人員，很多場(chǎng)合只能采用簡(jiǎn)化模型加經(jīng)驗(yàn)調(diào)整的方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，使得參數(shù)調(diào)整繁瑣且大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)并沒(méi)有工作在最優(yōu)的狀態(tài)下。本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在Pro／E中建立了完整的數(shù)控銑床模型，并在ADAMS中實(shí)現(xiàn)了數(shù)控銑床的運(yùn)動(dòng)仿真，在此基礎(chǔ)上，基于ADAMS和MATLAB平臺(tái)對(duì)數(shù)控銑床的工作臺(tái)建立了3種控制方案：基于ADAMS／View的伺服控制系統(tǒng)仿真、基于M刪B的伺服控制系統(tǒng)仿真以及基于ADAMS和MATLAB的伺服控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真。通過(guò)對(duì)3種方法的比較分析可以看出，ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真為獲得數(shù)控伺服控制系統(tǒng)的參數(shù)提供了1種全新的方法。
1 數(shù)控銑床虛擬樣機(jī)的建模與運(yùn)動(dòng)仿真
虛擬樣機(jī)技術(shù)VP(Virtual Prototyping)又稱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，它以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制學(xué)理論為核心，借助于成熟的三維計(jì)算圖形技術(shù)、圖形的用戶界面技術(shù)、信息技術(shù)、集成技術(shù)等，將分散的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和分析過(guò)程集成在一起。
數(shù)控銑床機(jī)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)其各個(gè)主要部件的實(shí)現(xiàn)功能不同，可以將其分為基礎(chǔ)件、傳動(dòng)件以及配套件等�；A(chǔ)件主要包括底座、立柱、工作臺(tái)、導(dǎo)軌等。傳動(dòng)件主要包括X、Y、X 3方向的絲桿進(jìn)給系統(tǒng)和配重機(jī)構(gòu)。配套件主要包括導(dǎo)軌保護(hù)罩、排屑裝置、照明燈、冷卻裝置等輔助設(shè)備。數(shù)控銑床與普通銑床不同，它的主運(yùn)動(dòng)和各個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都是由單獨(dú)的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以它的傳動(dòng)鏈短，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)鼠為了
保證數(shù)控銑床的的快速響應(yīng)特性和加工精度，在數(shù)控銑床上普遍采用精密滾珠絲杠副和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。本文中的數(shù)控銑床是具有三軸聯(lián)動(dòng)功能的立式銑床，因此要求它的運(yùn)動(dòng)部件能沿著X、Y、Z 3方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其Pro／E模型的具體結(jié)構(gòu)如見(jiàn)圖1所示。利用ADAMS／View提供的數(shù)據(jù)接口，把Pm／E中的裝配體模型導(dǎo)入ADAMS中重新編輯，添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)，就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，圖2是時(shí)間在1.6s時(shí)的數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)仿真圖。
圖1數(shù)控銑床的Pro／E裝配模型
圖2數(shù)控銑床在ADAMS中的運(yùn)動(dòng)
2 基于ADAMS／View的伺服控制系統(tǒng)仿真
ADAMS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是ADAMS軟件對(duì)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析的基本環(huán)節(jié)之一。針對(duì)一般的控制環(huán)節(jié)可以用ADAMS／View提供的控制工具箱Controls Toolkit進(jìn)行處理，直接在ADAMS／View樣機(jī)模型中添加控制模塊，完成機(jī)電一體化系統(tǒng)的仿真分析。
在ADAMS／View中建立的工作臺(tái)速度控制系統(tǒng)，是以x向絲杠的角速度作為控制對(duì)象，將給定的角速度與實(shí)際角速度進(jìn)行比較，產(chǎn)生的速度偏差通過(guò)控制模塊與絲杠上的控制力矩進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而控制虛擬樣機(jī)中絲杠的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并通過(guò)反饋環(huán)節(jié)與給定轉(zhuǎn)速不斷地進(jìn)行比較，最終使絲杠的轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，ADAMS／View中的控制原理如圖3所示。
圖3 ADAMS／View中的控制原理框圖
在ADAMS／View中建立的工作臺(tái)速度控制系統(tǒng)的主要步驟：(1)打開(kāi)模型，在x向絲杠上添加控制力矩Contr01。torque；2)在Conlzols Toolkit中建立輸入環(huán)節(jié)，包括給定速度input—vdesired和絲杠實(shí)際角速度為input—vactual，因?yàn)榻o定的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速是3000f／rain，轉(zhuǎn)化為角度則給定速度為18 ooo(。)Is，轉(zhuǎn)化為弧度為314 rad／s；(3)建立比較環(huán)節(jié)；(4)建立增益環(huán)節(jié)；(5)關(guān)聯(lián)力矩；(6)進(jìn)行仿真，將仿真時(shí)間設(shè)置為5s，仿真步數(shù)為50步，ADAMS／View中的速度仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 ADAMS／View中的速度仿真圖
3 基于MATLAB的伺服控制系統(tǒng)仿真
MATLAB的Simulink 3工具箱是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的工具。Simulink具有模塊化、可封裝、可重載、面向結(jié)構(gòu)圖編程以及高度可視化等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。Simulink含有Sinks(輸出方式)、Source(輸入源)、接受器、Connections(連接與接口)線性和非線性組件等子模塊庫(kù)。每個(gè)字模塊庫(kù)又含有相應(yīng)的功能模塊，可以方便地創(chuàng)建自己的模塊。定義完一個(gè)模型以后，就可以通過(guò)Simulink的菜單或者在MATLAB的命令窗口輸入命令對(duì)它進(jìn)行仿真。
工作臺(tái)伺服系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)模塊與伺服電動(dòng)機(jī)等組成的一個(gè)高精度角度閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，其輸入為數(shù)控系統(tǒng)給出的指令脈沖，輸出為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角。在以光柵、脈沖編碼器等組成檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)所實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角將跟隨數(shù)控指令變化。通過(guò)高精度的精密絲杠螺母副傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的角位移被轉(zhuǎn)化為所需的工作臺(tái)的直線位移�？刂葡到y(tǒng)原理框如圖5所示。采用半閉環(huán)控制，在伺服電機(jī)上加檢測(cè)元件，檢測(cè)電機(jī)的速度和位移。在精度要求不是很高的條件下，不用對(duì)電流進(jìn)行反饋，直接是一單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以外加一個(gè)位置環(huán)，但本文只對(duì)速度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。
圖5數(shù)控銑床伺服控制系統(tǒng)原理框圖
利用MATLAB對(duì)Y向工作臺(tái)的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，首先要對(duì)Y向工作臺(tái)建立數(shù)學(xué)模型，用能量守恒的方法將負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效到電機(jī)軸側(cè)，(1／2)Jew21=(1／2)Jyw21+(1／2)(My+M絲+Ms)V2，整理得Je=Jy+(My+M絲+Ms)V2／w21。
利用在ADAMS／View中建立的仿真模型，可以得到如下數(shù)據(jù)：Jy=0.182，Mx=136.3，M絲=4.974，My=262.818，w1=100π／3 rad／s，V=16.67mm／s，解得Je=0.284kg·m2,其中各符號(hào)代表意義如下：Je為負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jy為y方向絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Mx為X T作臺(tái)質(zhì)量；肘苧為x方向絲杠質(zhì)量；My為y方向工作臺(tái)質(zhì)量；w1為y方向絲杠角速度；V為工作臺(tái)移動(dòng)速度。
建立數(shù)學(xué)模型后，在MATLAB中建立y向工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的控制仿真模型，如圖6所示。對(duì)以上模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示，從仿真結(jié)果曲線中可以看出，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
圖6 Y向工作臺(tái)的仿真模型
圖7階躍響應(yīng)曲線
4 基于ADAMS和MATLAB的伺服控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真
ADAMS與MATLAB的聯(lián)合控制是在ADAMS中建立機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的虛擬樣機(jī)，然后由ADAMS輸出描述系統(tǒng)方程的有關(guān)參數(shù)，再在MATLAB中讀入ADAMS輸出的信息并建立起控制方案，在仿真計(jì)算過(guò)程中，ADAMS與MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由ADAMS的求解器求解系統(tǒng)的方程，由MATLAB求解控制方程。
建立聯(lián)合仿真的主要步驟：(1)在ADAMS打開(kāi)數(shù)控銑床的虛擬樣機(jī)模型；(2)確定輸入與輸出變量，輸入變量是控制力矩變量torque，用于接受控制系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的ADAMS的輸入信號(hào)，即控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)，輸出變量是X方向絲杠的角速度velocity，用于給控制系統(tǒng)輸入實(shí)時(shí)的速度信號(hào)，同時(shí)反饋給控制系統(tǒng)；(3)加載ADAMS／Controls模塊，導(dǎo)出控制參數(shù)torque和veloc�；瑯�(gòu)建的模型已經(jīng)成功地轉(zhuǎn)為MATLAB可以讀取的形式，ADAMS／Control將輸入和輸出信息保存在m文件(Matlab程序)中，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)模型文件(。a如)，一個(gè)命令文件(。cmd)，供聯(lián)合仿真分析時(shí)使用； (4)啟動(dòng)M舭B程序，將MATLAB的工作目錄指向ADAMS的工作目錄，并對(duì)在MATLAB／Simulink中顯示的adams sub模塊進(jìn)行設(shè)置；(5)在MATLAB中建立控制方案，如圖8所示；(6)通過(guò)仿真計(jì)算，分別得到在MATLAB仿真結(jié)果(圖9)和ADAMS中的仿真結(jié)果(圖10)。
圖8聯(lián)合仿真控制方案
圖9 MATLAB仿真結(jié)果
圖10 ADAMS仿真結(jié)果
從聯(lián)合仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，今后的工作除了進(jìn)一步完善數(shù)控銑床的虛擬樣機(jī)模型外，重點(diǎn)研究虛擬樣機(jī)的參數(shù)化，使得虛擬樣機(jī)性能能夠真正的接近實(shí)際物理樣機(jī)，能夠更方便的考導(dǎo)軌摩擦，熱變形和主軸的高速切削的影響，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)虛擬樣機(jī)同時(shí)實(shí)施X，y，Z 3個(gè)方向控制就會(huì)得到更加滿意的效果。
5 結(jié)論
(1) 將復(fù)雜的控制系統(tǒng)添加到機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型中，然后對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合分析。
(2) 可直接利用ADAMS程序建立控制系統(tǒng)分析中的機(jī)械系統(tǒng)仿真模型，無(wú)需進(jìn)行數(shù)學(xué)公式建模。
(3) 可以使機(jī)械設(shè)計(jì)師和控制工程師共享一個(gè)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行同樣的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)，使機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠協(xié)調(diào)一致，并同步進(jìn)行修正以達(dá)到機(jī)電一體化最佳化設(shè)計(jì)。
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