数控机床仿真

1、®砒“槌机电工程学院毕业设计外文资料翻译设计题目:基于FANUGC统的数控车削仿真图形显示模块设计译文题目:虚拟计算机数控系统学生姓名：张曦卯学 号： 200928050307专业班级：机制升0903指导教师：牛红宾正文：外文资料译文附 件：外文资料原文指导教师评语:签名:机械工程研究所卷55/1/2006摘要：本文介绍一种数控系统的综合虚拟仿真模型。虚拟计算机数控有一个模块化的架构设计，能使一个真正的计算机数控从进给驱动， 反馈设备，坐标轴控 制规则和轨迹插值的标准库函数中迅速地模块化。额外的计算机数控模块可以通 过用户容易地模块化和集成丁虚拟计算机数控。已经呈现出各种各样的应用实

2、例，其中包括轮廓错误的预测，进给驱动控制装置、刀具轨迹的自动转变和为改 善转弯和快速识别闭环驱动动力的进给修正。 并为各种运算法则提供了详细的实 验验证。关键字：虚拟；仿真；计算机数控（CNC）1简介虚拟制造技术的目的是设计一种完全的数字化工厂，在那里每一部分都通过优化的过程参数进行模块化和生成，在计算机仿真环境中生成的误差可由纠正措 施预测出来。实现这一目标的一个重要步骤是虚拟模型的构造，虚拟模型能够准确地表现出机床的的动态性和制造工艺1。本文介绍一种计算机数控系统应用 丁机床的虚拟模型。在设计阶段，虚拟计算机数控（ VCNC）能够预测和优化机 床动力性能。在真正的机床制造出来之前，通过在虚

3、拟计算机数控中运行部分程 序和评估轮廓造型性能，各种各样的设计选择（例如导轨、驱动、编码、控制规 律和插补运算方法的选择）的影响能够评估出来。在真实的机床上，虚拟计算机 数控不需要占用任何生产时间也能用丁调谐伺服控制和插补参数的计算。在虚拟模型中，一旦所需的响应和轮廓造型得到保证， 这些虚拟模型参数将以最小的停 机时间应用丁实际的机床。在工艺过程规划中，虚拟计算机数控可以用来评估不 同部分程序的轮廓编程误差和对进给速度及刀具轨迹进行必要的调整，目的是为了避免由丁伺服误差造成的公差失效。虚拟计算机数控的仿真精度依赖丁真实数 学模型（其用丁描述每个组件的动态行为）的利用率。这是通过进给驱动动力2,

4、轨迹生成算法，控制规律3, 4, 5, 6，和进给驱动（例如摩擦7以及齿侧间隙8） 的精心设计的模型实现的。所有这些将影响到刀具的整体定位精度。虚拟计算机 数控建立MATLAB? / SIMULINK? 平台上，并且拥有一个开放式结构，所以 能让用户根据需要添加新的模块或改变现有的算法。各种各样的应用已经得到发 展，其充分利用虚拟计算机数控在预测和改善真实的计算机数控机床的动态性能 方面的精确仿真能力。它们是：部分程序轮廓编程误差的预测；,进给驱动的自动调谐伺服控制器；使用样条插值的尖角跟踪；-虚拟模型的快速识别；自此以后，虚拟计算机数控结构将通过对先进的虚拟计算机数控应用的解释 和实验性验证

5、来进行简要地介绍和研究。2虚拟计算机数控结构虚拟计算机数控的结构如图1所示，它类似丁加拿大不列颠哥伦比业大学制 造自动化实验室开发的真正的、可重构的和开放式计算机数控9。虚拟计算机数控接受计算机辅助设计/计算机辅助制造系统以工业标准的刀位（CL）文件格式 生成的参考刀具路径指令。刀位文件解释为实现所需刀具运动（其中包括线性的、 圆形的和样条段）。坐标轴轨迹指令是利用在刀具路径指令之上所需的进给剖面 生成的。进给剖面是使用分段常数的、不规则四边形的或立方体的加速度瞬变进 行配置的。通过设定运动控制、进给驱动和反馈模块组成的坐标轴伺服环是封闭 的。运动控制器可在常用的控制规则（例如P、PI、PID

6、、P-PI级联和提前量控制，如同在极点配置3、广义预测4、自适应滑模5、正反馈控制6和摩擦补偿7 的方法论中提出的先进的技术） 库中选择。进给驱动模块可以被设定用来仿真直 接动力或齿轮传动的动力。放大器、电机、轴转动惯量、摩擦和激励机制的特点 可以由非线性响应（例如量化、电流及电压饱和度、爬行摩擦和轴向间隙）来完 全定义。实验性识别的或分析性预测的高阶驱动模型可以与结构谐振合并一起。反馈模块可以由线或角位置、速度和加速度传感器的组合与每个用户定义的精度 及噪音特点来进行设定。当虚拟计算机数控装配好时，其性能可通过运行各种各 样的部分程序，评估伺服跟踪、轮廓误差及轴速度、加速度、拉伸曲面、电机功

7、 率和转矩来进行评估。它也可以进行频率和时域分析，这帮助用户评估及提高利 润率和虚拟计算机数控坐标轴的伺服性能的稳定性。刀位文件a刀具几何路径座标何服不i 一 寸际翊制位置 i 刀位文件2 转跖在伉，/V进给曝m 桐服动力a¥.】 LOADTL*1FEDRAT/ 1OQOG.0Q岫IWGOTO ； 0 000.0 COO 60.000*'坐标轴运动卜t +跟踪控制+ /F一丫血m阁,“ 加嘉E一-史给剖虱u计算机辅设计模型计算机辅助嘲具有伺花误差的实际刀臭位置-坐标轴指令琮和轮廓读貌估1干图1:虚拟计算机数控系统结构3应用实例接下来将列举虚拟计算机数控应用的例子。通过实验性验

8、证，简要地阐述每一个应用例子。3.1轮廓线精度的预测虚拟计算机数控的轮廓和跟踪误差预测精度是通过在3轴加工中心上进行金刚石和循环加工测试来验证9。对实例进行的模拟和实验包括关闭具有PID的伺服环路和自适应滑模控制。跟踪具有PID控制的金刚石刀具路径（50毫米边长度，200毫米/秒的）的结果例子如图2所示。预测的及测量的跟踪和轮廓误 差与其他的是基本一致的。类似的结果也可以由其他情况得到。 这些情况包括不 同的刀具路径和控制器，它们在这里不能简明地呈现出来。 总的来说，虚拟计算 机数控能够预测具有一些编码计数的伺服误差7跟踪误差跟踪误差Ck_0_皿_1.201251"1J8 1.20

9、1.22 1 24时间协图2:金刚石刀具路径的预测的和实验表明的跟踪及轮廓误差3.2白适应滑模控制（SMC）的模糊逻辑调谐进给驱动自适应滑模控制的，基丁自动调谐策略的模糊逻辑已经在虚拟计算 机数控平台上得到了发展。调谐结构如图3所示。在底层的伺服回路中，执行平 稳的来回运动时，性能的描述（例如最大跟踪误差（TRE）,控制回路边缘阶段 （PHA），控制信号振荡水平（OSC）在中级层得到评价。这些描述是通过监 督的上层的模糊变量。在监督的上层上，适当的调整与调整规则和调谐经验相一 致。结果是，直到获得可以接受的伺服性能时， 滑模控制的结果是不同的。在虚 拟计算机数控的成功的调整之上，控制参数在实际

10、的计算机数控机床上进行实 施。三个自动调谐的例子如图 4所示。在例子（a）中，滑模控制是过丁调谐而 且反应是高度振动的。在例子（b）中，最初的滑模控制设计是稳定的但是缓慢 的（低丁调谐）。在例子（c）中，由丁最初指定的较高的干扰适应（即整体行 动）结果，设计帅不稳定的。在所有的例子中，模糊逻辑调谐器能够恢复性能和 可接受的产量跟踪结果。这已经在实际的机床上得到验证。1主灯"II511高水平的模糊逻辑控制I橙官噩安中级层湖 I 性能评估水平图3:基于自动调谐策略的自适应滑模控制模糊逻辑(a) 振动系绽的是初的反应模概滑整后5O.1O专.定的泾专=:最初反应00 51.0(c)不稳定系统

11、的0 51.0尊初反应模糊调整后图4:自动调整前后的驱动性能3.3具有样条插值的尖角跟踪已经在虚拟计算机数控实施的另一个想法是使用等变性质的五次样条函数插值的尖角跟踪11。两种方法已经被实验证实，如图5所示。在副角的方法中(图 5 (a)，在造型公差()允许范围内，刀具轨迹长度和转弯时间略微减少了。当使用高带宽伺服控制器时，它能够精确地跟踪修改过的刀具路径。这是适用的。 在副角方法中(图5 (b),刀具路径稍微地延伸到抵消下切，通常是由丁低 带宽的控制器大相位滞后引起的。 在这两种方法中，已被参数化的刀具路径使用 适当的切线和正常的边界条件和虚拟计算机数控中不断调整的转弯时的进给率， 以确保在

12、保持初始角的公差()时使转角时间最小。这两个转弯策略的执行结 果如图6和7所示。在图6中，在公差允许范围内，伸到抵消下切，通常是由丁 低带宽的控制器大相位滞后引起的。 在这两种方法中，已被参数化的刀具路径使 用适当的切线和正常的边界条件和虚拟计算机数控中不断调整的转弯时的进给 率，以确保在保持初始角的公差()时使转角时间最小。这两个转弯策略的执 行结果如图6和7所示。在图6中，在公差允许范围内，滑模控制驱动系统的周 期从185毫秒减少到181毫秒。在图7中，由P-PI伺服控制器的大相位滞后引 起的350微米轮廓误差是可以消除的，而且轮廓误差将控制在极限值A=30微米之下。在虚拟计算机数控仿真中

13、，两个转弯实例已经在计算机数控加工中心上进 行了实验性验证。(a)副角样条曲线W点 终点(b)过角样条曲线图5:副角和过角样条曲线技术(a)原始刀具蹈役(b)壕淡后刀具第役转弯性能转弯姓能图6:具有滑模控制的90°副角的造型性能壮寂误至矽零洋生2?差 r公耋(a)原始刀具路径(b)修改后的刀具路径转角性能图7:具有P-PI申级控制的300过角样条曲线转角性能133.4虚拟驱动模型的快速识别虚拟计算机数控可以作为一种很有用的工具来预测和改善计算机数控机床 的性能。然而，预测的精度紧紧地取决丁进给驱动模型， 该模型是由断开伺服环 和进行一系列识别测试决定的。这通常是费时的，而且在生产机械

14、应用上不总是 实用的。作为另一种选择方式，为构建驱动模型已经设计了一种快速识别途径， 如图8所示。激励是通过执行一个包括非随机动作指令的G代码来实现的，激励尽可能地调整以显示闭环动力。等效跟踪和干扰传递函数及摩擦模型是通过监 视时域位置指令和编码器的读写来识别的，以至丁在测量和预测的坐标轴运动之 间的差别至少在广义上最小化。因为由插补器生成的运动指令是平稳的，它们缺 少用来模型所需激励的持久性。 因此，只能识别刚体的动评估整个动力力。 闭环 模型的稳定性是通过设置极点位置的边界来保证的。尽管不能保证参数真正的作 用，但是识别传递函数能够成功地捕捉进给驱动的关键动态特性。三阶传递函数实际的机床只

15、用在考虑摩擦力的情况下。由先进的快速识别技术构成的虚拟驱动模型在轮廓 跟踪测试中得到了验证。数径代码. 的识别一NlQGClxbTo J112001 N2DZ0.258- N30X-0 t 7W 事 X-2.99 2+1I插补器卜灿行进给驱动系统0数控卜切控制规则矽反馈测量GtracK(S)跟踪及屈摩擦力:虚拟软动模型h干艾岫，十加S +。对+的33 +日乏&冬寻3一个实例结果如图9所示，实际的驱动系统由零相位误差控制器6控制，而且一 个半径为20毫米的圆形刀具路径在进给速度为 100毫米/秒下控制生成。虚拟计 算机数控预测得及实验性的测量跟踪和轮廓误差剖面的比较如图 9所示。它们是

16、一致的，从而显示了先进的识别途径的有效性。跟踪误差卜可 1Um 0捍o x可10Q郡A5 OS O1 J1Easi时间sec)图9:圆形刀具路径的跟踪和轮廓误差4结论虚拟计算机数控允许机床计算机数控系统的动态行为在虚拟环境内得到造 型、评估和优化。当设计机床、拓展和调整控制、插补运算以及规划生产运作时， 它可以作为一种工具。现在已经呈现出应用实例了，其中包括轮廓误差的预测、 控制器的自动调整、尖角刀具路径规划和快速驱动识别， 这展示出了虚拟计算机 数控的好处。5感谢这项研究得到了加拿大自然科学与工程研究理事会、加拿大普拉特与惠特尼 主持的调研和杜兰特战略协议的赞助支持。6参考文献1 Altin

17、tas, Y., Brecher, C., Week, M., Witt, S., 2005,虚拟机床，应用历史， 54/2:651-673。2 Erkorkmaz, K., Altintas, Y., 2001，高速计算机数控系统设计：第二部分 -进给 驱动的建模和鉴定，机床及制造，41/10:1487-15093 Astrom, K.J., Wittenmark, B., 1997,计算机控制系统：原理与设计，第三版，新 泽西研究公司。4 Boucher, P., Dumur, D., Rahmani K.F., 1990,机床驱动的广义预测申级控制， 应用历史，39/1:357-360。5 Altintas, Y., Erkorkmaz, K., Zhu, W.-H.,2000,高速进给驱动的滑模控制器的设 计，应用历史，49/1:265-270。6 Tomizuka, M., 1987，数字控制的零相位误差跟踪运算法则，109:65-68。7 Armstrong, H.B., Dupont P., Canudas D.W.C., 1994，具有摩擦力机床控制的模型调查、刀具分析及补偿方法，自动化，30/7:1083-113&8 Kao, J.Y., Yeh,乙 M