高速高精度数控进给驱动的机电联合系统仿真

王嘉伟

(山西农业大学信息学院，山西晋中，030801)

试验与检测

高速高精度数控进给驱动的机电联合系统仿真

王嘉伟

(山西农业大学信息学院，山西晋中，030801)

利用相关软件设置复杂机电系统仿真方案，包括复杂运动指令的生成、交流伺服控制以及多体系统动力学等方面，建立数控进给驱动系统的机电联合仿真平台，对该数控的进给驱动的动态特性进行分析。通过对比分析得出，建立的仿真平台可对高速高精度数控进给驱动的整体动态特性进行有效分析和相关评估，从而为其设计思路提供理论支撑。

高速高精度数控；进给驱动；机电系统；联合仿真

1 引言

现代数控机床广泛采用的是以滚珠丝杠作为传动机构的半闭环控制进给驱动系统，数控系统发出的进给位移和速度指令信号由伺服驱动装置和机械传动机构、驱动机床的工作台等执行部件进行工作进给和快速进给[1]。在传统模式下，在进给驱动系统的研究方面，各环节之间通常都是分开进行运作，例如，在对机械传动机构进行相关研究时，只关注静态的定位精度；在对伺服驱动进行研究时，只关注控制系统本身的特性；在对数控加工刀位轨迹进行规划时，只关注传统的几何问题。因此，这种传统模式已经很难满足新形势下数控技术的高速高精度要求。随着现代数控技术的不断进步和发展，高速加工的机理与常规速度加工机理之间逐渐显现出巨大的差别，具体表现在两个方面：一方面由于进给速度的提高，使得机床的惯性作用得到明显增强，由此出现的噪音和震动等问题会对其性能和寿命产生相当严重的影响；另一方面是由于机床的高速运转导致部分零件产生变形现象，由此改变了相关机械设备的运动方式和动力特性[2]。因此，在对数控机床的机械传动机构进行相关研究时，要首先将其动力特性纳入考虑范围，避免在机械运作过程中由于失误和意外而造成的经济损失。

2 进给驱动系统的建模基础

2.1 伺服驱动系统

由于凸极式永磁式同步电动机d轴电感和q轴电感相等，且此过程中d轴的等效绕组电流为0，因此，可假设电流环在q轴上建立相关模型：

(1)

式中，Uq为q轴等效绕组电压；iq为q轴等效绕组电流；Rs为定子相电阻；Lq为q轴等效绕组电感；ωm为转子机械角速度；Tm为电磁转矩；ψf为永磁滋体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链；pn为磁极对数；p为微分算子。

2.2 机械传动系统

在传统的进给驱动系统设计中，机械传动机构在电机扭矩或力作用下，通常情况下以刚体利用惯量来建立相关的模型，在此过程中容易忽略机械内部的振动模态，而这些震动模态在高速进给驱动系统中很容易被伺服系统的高响应激发[3]。因此，在对机械的传动机构进行动力学建模时，为了更精确地分析驱动系统的动态性能，设计出稳定的控制系统和优化的插补算法，传动部件的弹性功能是相关工作人员必须着重考虑的重要因素。

3 机电联合系统仿真平台的实现

数控指令模块、伺服驱动模块、机械传动模块和分析显示模块等四个功能模块共同构成了驱动机电联合系统的仿真平台。

3.1 数控指令模块

从专业角度上分析得知，数控系统运动指令的生成是一个相对比较复杂的计算过程，某种程度上利用C++语言S函数的方法可使计算过程相对简化，同时应用之前工作过程中用C++语言编写的插补算法也可大大提高工作效率。其中，C++语言中的S函数在扩展Simulink功能上发挥着相当重要的作用，其在Matlab的MEX运行机理的基础上得以建立。在对C++源文件进行编写之后，通过Mex命令对其进行编译，进而生成可供Simulink调用的动态装载的可执行文件，其模块的输出为离散的数控指令信号[4]。

3.2 伺服驱动模块

对伺服驱动系统数学模型进行相关分析之后，通过Simulink工具箱建立一个伺服驱动系统的仿真模型。该模块的输入为数控指令信号以及机械传动模块中电机轴的角速度和角位移反馈信号，输出为电机扭矩。

3.3 机械传动模块

根据前文介绍的有关动力学的建模方式，首先在ADAMS中创建一个传动部件的几个模型，然后对其间的位置关系进行精确确定，进而在各部件之间加入相应的运动副约束，最后在部件之间添加拉压或扭转弹簧并施加驱动力矩，这样就可以成立一个完整的ADAMS样机模型。然后在此样机模型的基础上，确定ADAMS的输入变量和输出变量。在ADAMS中建立一个需要和ADAMS的输入型参量进行绑定的Plant-input变量作为控制模块的整体输入变量。电机轴的扭矩为模型的输入，电机轴的角速度、角位移、工作台的位移、速度以及加速度等为模型的输出。

3.4 分析显示模块

机电系统在进行联合仿真的过程中，伺服驱动模块中传递环节的信号和ADAMS模块中各机械传动部分如工作台的位移、速度以及角速度等信号，都可以统一输出到分析显示模块中，进而由分析显示模块对上述信号进行实时采样和显示，由此计算出直线或圆插补误差等相关数据。此外，分析显示模块在某种程度上与C++语言S函数方法有些相似，因为它是通过Matlab的M文件S函数进行编写，而且分析显示模块在将信号的采样数据输出的同时，还可将其保存为文本文件，然后通过Matlab或其他工具手段进行进一步的分析和处理，这样一来，不同形式下的机电系统的联合仿真结果就可放在一起进行详细的对比和分析[5]。

4 仿真和试验结果

在仿真平台上，以指令位移200mm、指令进给率10000mm/min，改变指令加速度进行进给驱动的整体动态性能仿真，将其结果保存为文本文件。由此可见，加速度越大，加速时间就会越短，在加速过程中造成的柔性冲击也会同时变大，工作台速度超程量也会相应的越大，仿真结果与试验结果具有一定程度的相似性。过大的速度超程量会对机床加工的精度和质量造成严重影响。因此，在进行加工的过程中要选择适当的指令加速度，以避免刀具在此过程中受到不同程度的磨损。

5 结论

在利用C++语言、Matlab和ADAMS软件建立机床X轴进给驱动系统的机电联合仿真平台之前，首先要对数控机床的进给驱动系统机械传动机构动力学模型和伺服驱动系统数学模型进行相关分析[6]。在建立的仿真平台上用不同的指令加速度进行动态性能仿真分析，同时与实验的相关结果进行对比，然后在数控机床设备高速运转的条件下，对直线型加减速和S型加减速指令算法进行仿真对比和分析。根据相关的研究结果显示，建立的仿真平台不仅可以分析出数控进给驱动系统的整体动态型特征，对高速高精度数控的插补算法的优势和缺陷进行相关比较，而且还可以对机械设备的传动机构的动力学特点进行检测，对伺服控制方法进行相关设计，同时对机床机械的相关参数进行优化和调整等，从而为机电一体化性能的提高奠定良好的基础。

[1] 周勇,陈吉红,彭芳瑜.高速高精度数控进给驱动的机电联合系统仿真[J].机械科学与技术,2013,02(04):135-139.

[2] 周勇.高速进给驱动系统动态特性分析及其运动控制研究[D].华中科技大学,2012.

[3] 赵大兴,杨勇,许万等.基于ADAMS和MATLAB的数控机床进给驱动系统的机电联合仿真[J].机床与液压,2014,10(13):28-31.

[4] 李亚芹.数控冲床高速高精度同步定位分析与研究[D].佳木斯大学,2014.

[5] 叶凯.高速滚珠丝杠副进给驱动系统模态参数识别研究[D].武汉理工大学,2012.

[6] 徐金墀. 高速高精度PCB数控钻床伺服进给系统的控制研究[D].北京交通大学,2012.

2015-08-17

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.05.008

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1000-6133(2015)05-0027-03