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1、数控机床进给系统建模仿真数控机床进给系统建模仿真分析与设计参数优化分析与设计参数优化机械0806王 龙1、课题来源、课题来源n n本课题来源于华中科技大学本科生毕业设计，由CAD中心指导。n n指导老师 黄运保 王启富2、课题研究目的和意义、课题研究目的和意义n n2.12.1、研究目的、研究目的n n课题以数控机床进给系统为实例，建立通用的进课题以数控机床进给系统为实例，建立通用的进给系统多领域模型库，解决进给系统多领域耦合给系统多领域模型库，解决进给系统多领域耦合问题，为统一模型仿真精度的进一步提高提供理问题，为统一模型仿真精度的进一步提高提供理论基础。论基础。n n相比于传统的加工系统，
2、数控机床进给系统的设相比于传统的加工系统，数控机床进给系统的设计在加工系统的加工精度、稳定性及应用范围上计在加工系统的加工精度、稳定性及应用范围上提出了更高的要求，建模仿真技术是进一步研究提出了更高的要求，建模仿真技术是进一步研究设计系统性能的重要手段，如何进行高效率、高设计系统性能的重要手段，如何进行高效率、高精度的仿真成了进给系统研究的关键。精度的仿真成了进给系统研究的关键。n n2.22.2、课题研究的重大意义课题研究的重大意义课题研究的重大意义课题研究的重大意义n n机床进给系统的建模仿真的意义与重要性主要体机床进给系统的建模仿真的意义与重要性主要体现在以下几个方面现在以下几个方面 n
3、 n(1)(1)机床进给传动系统模型研发的要求：对部件机床进给传动系统模型研发的要求：对部件设计时，必须深刻理解各部件在可能工作条件下设计时，必须深刻理解各部件在可能工作条件下的物理特性要求，而系统建模与仿真是目前通用的物理特性要求，而系统建模与仿真是目前通用的手段。的手段。n n(2)(2)机床伺服系统设计要求：随着机床技术的快机床伺服系统设计要求：随着机床技术的快速发展，对机床伺服精度的要求越来越高。为保速发展，对机床伺服精度的要求越来越高。为保证精度要求，伺服控制方法也变得繁复，而建立证精度要求，伺服控制方法也变得繁复，而建立伺服控制系统模型是对系统进行分析以达到提高伺服控制系统模型是对
4、系统进行分析以达到提高机床精度设计的前提条件。机床精度设计的前提条件。n n(3)(3)机床优化运行要求：通过对机床性能检测机床优化运行要求：通过对机床性能检测(温温升、变形等升、变形等)评估，可以优化机床的运行，可以带评估，可以优化机床的运行，可以带来巨大的经济效益。建立系统的统一模型是进一步来巨大的经济效益。建立系统的统一模型是进一步优化机床运行状态必须完成的工作。优化机床运行状态必须完成的工作。n n(4)(4)仿真开发效率的要求：当前，国内机床技术发仿真开发效率的要求：当前，国内机床技术发展与国外相比还有一定的差距，机床各系统的协调展与国外相比还有一定的差距，机床各系统的协调运动变得复
5、杂而难掌握。机床仿真模型库的开发应运动变得复杂而难掌握。机床仿真模型库的开发应用，可以在较短的时间内搭建仿真系统模型，有效用，可以在较短的时间内搭建仿真系统模型，有效地提高机床的建模效率，降低开发周期。地提高机床的建模效率，降低开发周期。n n基于上述考虑，数控机床进给系统对各种影响因素基于上述考虑，数控机床进给系统对各种影响因素都提出了很高的要求，这就需要我们应用仿真模型都提出了很高的要求，这就需要我们应用仿真模型和参数的优化设计，模拟进给系统的实际运行情况。和参数的优化设计，模拟进给系统的实际运行情况。3、研究现状和相关背景、研究现状和相关背景n n3.1多领域物理系统建模仿真技术多领域物
6、理系统建模仿真技术n n复杂产品通常是机械、控制、电子、液压、复杂产品通常是机械、控制、电子、液压、气动和软件等多个不同学科领域子系统的气动和软件等多个不同学科领域子系统的综合组合体。要对这些复杂产品进行完整、综合组合体。要对这些复杂产品进行完整、准确的仿真分析，靠单个领域的仿真是远准确的仿真分析，靠单个领域的仿真是远远不够的，多领域建模及协同仿真技术便远不够的，多领域建模及协同仿真技术便应运而生，它对于完整研究复杂产品的行应运而生，它对于完整研究复杂产品的行为具有重要意义。为具有重要意义。n n机床进给系统机床进给系统机床进给系统机床进给系统是由机械传动系统、电气系统、控制是由机械传动系统、
7、电气系统、控制系统、润滑系统和冷却系统等不同分系统构成的有系统、润滑系统和冷却系统等不同分系统构成的有机整体，这些子系统分属于不同的学科领域，各个机整体，这些子系统分属于不同的学科领域，各个子系统间存在着多物理过程及多参量复杂耦合关系，子系统间存在着多物理过程及多参量复杂耦合关系，而机床进给系统动态性能研究由各个子系统间的耦而机床进给系统动态性能研究由各个子系统间的耦合关系和系统输入等因素决定，且子系统的动态性合关系和系统输入等因素决定，且子系统的动态性能也不是仅由单个系统的结构参数就能完全确定的，能也不是仅由单个系统的结构参数就能完全确定的，它还受与之耦合的其他子系统的影响。为建立进给它还受
8、与之耦合的其他子系统的影响。为建立进给系统的统一模型，问题的关键在于如何实现系统的统一模型，问题的关键在于如何实现进给系进给系进给系进给系统内部多领域间的统一耦合统内部多领域间的统一耦合统内部多领域间的统一耦合统内部多领域间的统一耦合。目前针对机床进给系。目前针对机床进给系统性能研究的越来越多，但仍然局限于分系统或针统性能研究的越来越多，但仍然局限于分系统或针对单领域，很少涉及到多个领域间的统一建模与仿对单领域，很少涉及到多个领域间的统一建模与仿真。真。机床进给系统示意图:机床进给系统模型:n n多领域建模是协同仿真分析的前提，目前多领域建模方法主要有三种：一种是基于接口的方法；一种是基于高层
9、体系结构(High Level Architecture,HLA)的方法，还一种则是基于统一语言的方法。（1）基于接口的多领域建模 基于接口的方法是充分发挥各领域商用仿真软件在各自领域的特长，利用它们分别完成各自领域仿真模型的构建，然后基于各领域商用仿真软件之间提供的接口完成多领域建模，从而实现不同领域模型之间的“协同仿真运行”，达到对产品的设计、分析、测试与评估的目的。基于接口的多领域建模技术的关键是正确利用支持多领域建模的商用仿真软件之间的接口进行数据转化，以充分发挥各软件的特长，弥补彼此的不足。n n当然，我们也应该看到它存在的很多缺点：n n 仿真软件需提供软件接口，建立接口处耦合关系
10、，才能实现多领域建模；n n 软件接口属商业公司私有，不具备开放性与标准性，扩充困难。（2 2）基于高层体系结构的方法（）基于高层体系结构的方法（HLAHLA）HLAHLA是一种支持分布式仿真的集成框架标准，它是一种支持分布式仿真的集成框架标准，它将由不同领域的仿真软件建立的模型划分为不同将由不同领域的仿真软件建立的模型划分为不同的联邦成员，并按照的联邦成员，并按照HLAHLA的规范进行集成以实现的规范进行集成以实现协同仿真。因此，基于协同仿真。因此，基于HLAHLA的多领域建模方法实的多领域建模方法实质上是一种模型集成方法，它需要得到各领域商质上是一种模型集成方法，它需要得到各领域商用仿真软
11、件公司的合作，需要针对不同的仿真应用仿真软件公司的合作，需要针对不同的仿真应用配置模型接口，编写集成代码，实现较为困难，用配置模型接口，编写集成代码，实现较为困难，而且需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合而且需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系。基于关系。基于HLAHLA的建模法克服了基于接口的建模的建模法克服了基于接口的建模法的诸多缺陷，较好的实现了多领域系统的建模法的诸多缺陷，较好的实现了多领域系统的建模仿真。仿真。它的主要缺点如下：它的主要缺点如下：n n 领域组件建模需得到各领域商用仿真工具的合作；n n 人为割裂各领域子系统间的耦合，实现子系统集成较困难；n n 针对不同仿真
12、应用配置编写代码，在多个求解器步长协调方面存在技术难题。（3）基于统一建模语言的多领域建模）基于统一建模语言的多领域建模n n基于统一建模语言的多领域建模方法具有建立与领域无关的通用模型的能力，可实现任意特定领域的统一建模。由于其模型描述形式相同，故基于统一建模语言的多领域建模方法能够实现不同领域模型间的无缝集成和数据交换。其中，最为常用的是Modelica语言。n nModelica 语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统一先前多种建模语言的基础上，于1997年提出的一种基于方程的陈述式建模语言。Modelica 语言采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物
13、理系统的拓扑结构，基于语言内在的组件连接机制实现模型构成和多领域集成，通过求解微分代数方程系统实现仿真运行。该语言可以为任何能够用微分方程或代数方程描述的问题实现建模和仿真。基于基于基于基于ModelicaModelica语言的多领域建模方法主要优点语言的多领域建模方法主要优点语言的多领域建模方法主要优点语言的多领域建模方法主要优点 n n 建模方便。该方法支持陈述式建模、非因果建建模方便。该方法支持陈述式建模、非因果建模、面向对象建模和连续混合建模，其中自带的开模、面向对象建模和连续混合建模，其中自带的开放性标准模型库模型可扩展、可重用、可拖放建模放性标准模型库模型可扩展、可重用、可拖放建模
14、等优点亦可方便实现复杂系统的高置信度建模；等优点亦可方便实现复杂系统的高置信度建模；n n 模型重用性高。非因果建模表述方程关系简单模型重用性高。非因果建模表述方程关系简单易读，根据类比性可通过直接调用或稍加修改模型易读，根据类比性可通过直接调用或稍加修改模型来仿真相似类型的问题；来仿真相似类型的问题；n n 无需符号处理。对比以往的建模方法，其非因无需符号处理。对比以往的建模方法，其非因果建模使用户从繁琐的模型方程推导中解脱出来，果建模使用户从繁琐的模型方程推导中解脱出来，陈述式建模使方程更具可读性，模型更有效；陈述式建模使方程更具可读性，模型更有效；n n 建模与仿真相对独立。用户只需知道
15、怎样通过建模与仿真相对独立。用户只需知道怎样通过方程描述仿真模型的行为，而不需关心模型的详细方程描述仿真模型的行为，而不需关心模型的详细实现。实现。3.2、进给系统建模仿真研究现状、进给系统建模仿真研究现状n n复杂机电产品的多领域物理系统建模仿真技术一直是机械系统创新的焦点，同时也是机械产品设计的难点。该技术侧重于系统层次的性能分析与优化设计，通过建立进给系统的多领域模型并进行虚拟试验可精确、快捷预测机床进给系统的性能。目前国内外有关进给系统统一模型的设计、建模、分析、优化等方面的研究和开发已展开。n n国内外对机床进给系统的性能研究都建立在机床进国内外对机床进给系统的性能研究都建立在机床进
16、给系统动力学模型的基础之上，故机床进给系统的给系统动力学模型的基础之上，故机床进给系统的建模是实现机床进给系统性能研究的有力手段。寻建模是实现机床进给系统性能研究的有力手段。寻求机床进给系统方便快捷的建模方法一直是关注的求机床进给系统方便快捷的建模方法一直是关注的焦点，上述研究中动力学模型与热模型的不可重构、焦点，上述研究中动力学模型与热模型的不可重构、不可扩展、单一性严重影响了进给系统研究的效率，不可扩展、单一性严重影响了进给系统研究的效率，建立进给系统统一模型库建立进给系统统一模型库建立进给系统统一模型库建立进给系统统一模型库势在必行，势在必行，ModelicaModelica的多的多领域
17、物理系统的建模仿真技术的优势使其成为机床领域物理系统的建模仿真技术的优势使其成为机床进给系统性能研究的首选，相关方面的研究目前才进给系统性能研究的首选，相关方面的研究目前才刚刚起步。对机床进给系统多领域建模做进一步尝刚刚起步。对机床进给系统多领域建模做进一步尝试，结合多领域仿真技术，实现进给系统统一仿真试，结合多领域仿真技术，实现进给系统统一仿真模型的建立，提高模型的仿真精度，将成为今后工模型的建立，提高模型的仿真精度，将成为今后工作的重点所在。作的重点所在。加工过程仿真作为虚拟制造技术的重要组成部分，国内外已作了大量的研究。数控加工过程仿真包括几何仿真几何仿真和物理仿真两个部分。几何仿真将刀
18、具与工件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其他因素对切削加工的影响，只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动。刀具对工件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、干涉。物理仿真包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下的系统弹性变形、夹紧变形，以及机床的动态、静态分析等。n n目前国内外对几何仿真的研究比较成熟，并研制出具有商用价值的仿真软件或仿真模块，如 CG-Tech 公司的 Vedcut 和法国 Delmia 公司的 VNC。但是对物理仿真的研究还不够充分，不能满足先进制造技术的发展要求，存在的问题主要有以下几个方面：n n1）适应于高速加工过程的模型
19、难以建立n n2）仿真模型的通用性差n n3）与几何仿真未充分结合4、课题内容、课题内容n n本文主要是通过对数控铣床进给系统的多领域模型分析，建立具有一定通用性的机床进给系统模型库，主要从机、电、控、热四个方面综合考虑，以便精确获取进给系统的性能特征，并结合实验验证了该模型库搭建模型仿真的准确性和可行性。主要内容如下：n n数控机床伺服驱动Modelica建模；n n数控机床伺服电机Modelica建模；n n数控机床进给运动部件Modelica建模；n n数控机床进给系统Modelica建模；n n数控机床进给系统仿真分析；n n数控机床进给系统参数优化。5、预期目标、预期目标（1 1）熟
20、悉数控铣床进给系统的结构组成和工作原理；熟悉数控铣床进给系统的结构组成和工作原理；（2 2）熟悉并掌握在）熟悉并掌握在MWorksMWorks平台下平台下ModelicaModelica建模的方建模的方 法，为数控铣床进给系统建模；法，为数控铣床进给系统建模；进给系统的进给系统的ModelicaModelica模型如下模型如下：（3）学会对数控铣床进给系统进行仿真分析和参数优化。丝杠在工作台运动到不同的位置的运动曲线如下：6.计划安排计划安排翻译英文文献、阅读参考文献翻译英文文献、阅读参考文献 1212周周 开题答辩开题答辩 3535周周 数控机床进给系统运动部件三维数控机床进给系统运动部件三
21、维CADCAD建模建模 6868周周 数控机床进给系统数控机床进给系统ModelicaModelica建模建模 910910周周 数控机床进给系统仿真分析数控机床进给系统仿真分析 10111011周周 数控机床进给系统参数优化数控机床进给系统参数优化 12131213周周 装备图绘制、论文撰写装备图绘制、论文撰写 14161416周周 答辩答辩 1717周周 7.参考文献参考文献 n n11刘志新刘志新,张大卫张大卫.“基于夹丝热电偶法的高速切削温度测量基于夹丝热电偶法的高速切削温度测量”,组合机床与自动化加工技术，组合机床与自动化加工技术，2006.4.2006.4.n n22赵建军，丁建完
22、，周凡利，陈立平赵建军，丁建完，周凡利，陈立平.ModelicaModelica语言及其多领域建模与仿真机理语言及其多领域建模与仿真机理.系统仿真系统仿真学报，学报，20062006（2 2）：）：570570-571.571.n n33曾曾 妮妮.数控机床进给系统建模与仿真，机电技术数控机床进给系统建模与仿真，机电技术.2010.2010（1 1）：）：27-28.27-28.n n44陈晓波，熊光楞，柴旭东陈晓波，熊光楞，柴旭东.仿真在复杂产品设计中的应用及面临的挑战仿真在复杂产品设计中的应用及面临的挑战.系统仿真学报，系统仿真学报，2002,14(8):1034-1039.2002,14
23、(8):1034-1039.n n5 5 范良志，张建钢，杨光友，钟飞范良志，张建钢，杨光友，钟飞.五轴数控铣削加工图形仿真技术五轴数控铣削加工图形仿真技术.机电一机电一n n体化体化.2000.2000，1:451:45一一48.48.n n6 6 姬舒平，刘卡林，邹继明，马玉林姬舒平，刘卡林，邹继明，马玉林.NCVerificationNCVerification的研究现状及展望的研究现状及展望.组组n n合机床与自动化加工技术，合机床与自动化加工技术，1997(5):421997(5):42一一45.45.n n7 7 周济，周艳红周济，周艳红.数控加工技术数控加工技术.北京，国防工业出
24、版社北京，国防工业出版社.2002.2002.n n8 8 董玉红董玉红,邵俊鹏，周室仁邵俊鹏，周室仁.CK7815.CK7815 数控机床进给伺服系统的建模及仿真数控机床进给伺服系统的建模及仿真J.J.哈尔滨理工大哈尔滨理工大学学报学学报,2005,10(3):25-27.,2005,10(3):25-27.n n9 9 张伯霖张伯霖.高速切削技术及应用高速切削技术及应用.北京北京:机械工业出版社机械工业出版社,2003.,2003.n n10 10 丁建完丁建完.陈述式仿真模型相容性分析与简约方法研究，华中科技大学，陈述式仿真模型相容性分析与简约方法研究，华中科技大学，2006.2006.
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26、ons Society Annual Meeting.1994,1923-1929.Industry Applications Society Annual Meeting.1994,1923-1929.n n13Z Nagy,A Bradshaw.Comparison of PI and PDF controls of a manipulator arm.13Z Nagy,A Bradshaw.Comparison of PI and PDF controls of a manipulator arm.UKCC International conference on control.1998
27、,vol.455:739-744.UKCC International conference on control.1998,vol.455:739-744.n n14Ya-Qiu Liu,14Ya-Qiu Liu,QuQu Wu.The study on an improved PDF controller and its Wu.The study on an improved PDF controller and its application in high order follow up system.Proceedings of the Eighth application in high order follow up system.Proceedings of the Eighth International Conference on Machine Learning and Cybernetics.2009,2015-2019.International Conference on Machine Learning and Cybernetics.2009,2015-2019.谢谢观看！