高速高精度數控進給驅動的機電聯合系統仿真

王嘉偉

(山西農業大學信息學院，山西晉中，030801)

試驗與檢測

高速高精度數控進給驅動的機電聯合系統仿真

王嘉偉

(山西農業大學信息學院，山西晉中，030801)

利用相關軟件設置復雜機電系統仿真方案，包括復雜運動指令的生成、交流伺服控制以及多體系統動力學等方面，建立數控進給驅動系統的機電聯合仿真平臺，對該數控的進給驅動的動態特性進行分析。通過對比分析得出，建立的仿真平臺可對高速高精度數控進給驅動的整體動態特性進行有效分析和相關評估，從而為其設計思路提供理論支撐。

高速高精度數控；進給驅動；機電系統；聯合仿真

1 引言

現代數控機床廣泛采用的是以滾珠絲杠作為傳動機構的半閉環控制進給驅動系統，數控系統發出的進給位移和速度指令信號由伺服驅動裝置和機械傳動機構、驅動機床的工作臺等執行部件進行工作進給和快速進給[1]。在傳統模式下，在進給驅動系統的研究方面，各環節之間通常都是分開進行運作，例如，在對機械傳動機構進行相關研究時，只關注靜態的定位精度；在對伺服驅動進行研究時，只關注控制系統本身的特性；在對數控加工刀位軌跡進行規劃時，只關注傳統的幾何問題。因此，這種傳統模式已經很難滿足新形勢下數控技術的高速高精度要求。隨著現代數控技術的不斷進步和發展，高速加工的機理與常規速度加工機理之間逐漸顯現出巨大的差別，具體表現在兩個方面：一方面由于進給速度的提高，使得機床的慣性作用得到明顯增強，由此出現的噪音和震動等問題會對其性能和壽命產生相當嚴重的影響；另一方面是由于機床的高速運轉導致部分零件產生變形現象，由此改變了相關機械設備的運動方式和動力特性[2]。因此，在對數控機床的機械傳動機構進行相關研究時，要首先將其動力特性納入考慮范圍，避免在機械運作過程中由于失誤和意外而造成的經濟損失。

2 進給驅動系統的建模基礎

2.1 伺服驅動系統

由于凸極式永磁式同步電動機d軸電感和q軸電感相等，且此過程中d軸的等效繞組電流為0，因此，可假設電流環在q軸上建立相關模型：

(1)

式中，Uq為q軸等效繞組電壓；iq為q軸等效繞組電流；Rs為定子相電阻；Lq為q軸等效繞組電感；ωm為轉子機械角速度；Tm為電磁轉矩；ψf為永磁滋體基波勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；pn為磁極對數；p為微分算子。

2.2 機械傳動系統

在傳統的進給驅動系統設計中，機械傳動機構在電機扭矩或力作用下，通常情況下以剛體利用慣量來建立相關的模型，在此過程中容易忽略機械內部的振動模態，而這些震動模態在高速進給驅動系統中很容易被伺服系統的高響應激發[3]。因此，在對機械的傳動機構進行動力學建模時，為了更精確地分析驅動系統的動態性能，設計出穩定的控制系統和優化的插補算法，傳動部件的彈性功能是相關工作人員必須著重考慮的重要因素。

3 機電聯合系統仿真平臺的實現

數控指令模塊、伺服驅動模塊、機械傳動模塊和分析顯示模塊等四個功能模塊共同構成了驅動機電聯合系統的仿真平臺。

3.1 數控指令模塊

從專業角度上分析得知，數控系統運動指令的生成是一個相對比較復雜的計算過程，某種程度上利用C++語言S函數的方法可使計算過程相對簡化，同時應用之前工作過程中用C++語言編寫的插補算法也可大大提高工作效率。其中，C++語言中的S函數在擴展Simulink功能上發揮著相當重要的作用，其在Matlab的MEX運行機理的基礎上得以建立。在對C++源文件進行編寫之后，通過Mex命令對其進行編譯，進而生成可供Simulink調用的動態裝載的可執行文件，其模塊的輸出為離散的數控指令信號[4]。

3.2 伺服驅動模塊

對伺服驅動系統數學模型進行相關分析之后，通過Simulink工具箱建立一個伺服驅動系統的仿真模型。該模塊的輸入為數控指令信號以及機械傳動模塊中電機軸的角速度和角位移反饋信號，輸出為電機扭矩。

3.3 機械傳動模塊

根據前文介紹的有關動力學的建模方式，首先在ADAMS中創建一個傳動部件的幾個模型，然后對其間的位置關系進行精確確定，進而在各部件之間加入相應的運動副約束，最后在部件之間添加拉壓或扭轉彈簧并施加驅動力矩，這樣就可以成立一個完整的ADAMS樣機模型。然后在此樣機模型的基礎上，確定ADAMS的輸入變量和輸出變量。在ADAMS中建立一個需要和ADAMS的輸入型參量進行綁定的Plant-input變量作為控制模塊的整體輸入變量。電機軸的扭矩為模型的輸入，電機軸的角速度、角位移、工作臺的位移、速度以及加速度等為模型的輸出。

3.4 分析顯示模塊

機電系統在進行聯合仿真的過程中，伺服驅動模塊中傳遞環節的信號和ADAMS模塊中各機械傳動部分如工作臺的位移、速度以及角速度等信號，都可以統一輸出到分析顯示模塊中，進而由分析顯示模塊對上述信號進行實時采樣和顯示，由此計算出直線或圓插補誤差等相關數據。此外，分析顯示模塊在某種程度上與C++語言S函數方法有些相似，因為它是通過Matlab的M文件S函數進行編寫，而且分析顯示模塊在將信號的采樣數據輸出的同時，還可將其保存為文本文件，然后通過Matlab或其他工具手段進行進一步的分析和處理，這樣一來，不同形式下的機電系統的聯合仿真結果就可放在一起進行詳細的對比和分析[5]。

4 仿真和試驗結果

在仿真平臺上，以指令位移200mm、指令進給率10000mm/min，改變指令加速度進行進給驅動的整體動態性能仿真，將其結果保存為文本文件。由此可見，加速度越大，加速時間就會越短，在加速過程中造成的柔性沖擊也會同時變大，工作臺速度超程量也會相應的越大，仿真結果與試驗結果具有一定程度的相似性。過大的速度超程量會對機床加工的精度和質量造成嚴重影響。因此，在進行加工的過程中要選擇適當的指令加速度，以避免刀具在此過程中受到不同程度的磨損。

5 結論

在利用C++語言、Matlab和ADAMS軟件建立機床X軸進給驅動系統的機電聯合仿真平臺之前，首先要對數控機床的進給驅動系統機械傳動機構動力學模型和伺服驅動系統數學模型進行相關分析[6]。在建立的仿真平臺上用不同的指令加速度進行動態性能仿真分析，同時與實驗的相關結果進行對比，然后在數控機床設備高速運轉的條件下，對直線型加減速和S型加減速指令算法進行仿真對比和分析。根據相關的研究結果顯示，建立的仿真平臺不僅可以分析出數控進給驅動系統的整體動態型特征，對高速高精度數控的插補算法的優勢和缺陷進行相關比較，而且還可以對機械設備的傳動機構的動力學特點進行檢測，對伺服控制方法進行相關設計，同時對機床機械的相關參數進行優化和調整等，從而為機電一體化性能的提高奠定良好的基礎。

[1] 周勇,陳吉紅,彭芳瑜.高速高精度數控進給驅動的機電聯合系統仿真[J].機械科學與技術,2013,02(04):135-139.

[2] 周勇.高速進給驅動系統動態特性分析及其運動控制研究[D].華中科技大學,2012.

[3] 趙大興,楊勇,許萬等.基于ADAMS和MATLAB的數控機床進給驅動系統的機電聯合仿真[J].機床與液壓,2014,10(13):28-31.

[4] 李亞芹.數控沖床高速高精度同步定位分析與研究[D].佳木斯大學,2014.

[5] 葉凱.高速滾珠絲杠副進給驅動系統模態參數識別研究[D].武漢理工大學,2012.

[6] 徐金墀. 高速高精度PCB數控鉆床伺服進給系統的控制研究[D].北京交通大學,2012.

2015-08-17

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.05.008

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1000-6133(2015)05-0027-03