进给系统Adams和Simulink联合仿真

《现代数控技术及装备》课程设计报告题目：三轴数控铣床进给系统的ADAMS和SIMUILNK联合仿真学院：机械工程学院班级：姓名：学号：摘要以某数控三轴立式铣床为对象，通过测绘，利用SolidWorks建立三轴立式铣床整机模型。

本文在此模型的基础上，将机床整机模型导入ADAMS 中，并在ADAMS 中添加约束和驱动；利用虚拟样机技术建立了机床伺服进给驱动系统多体动力学模型，通过MATLAB/Simulink 模块建立了机床伺服进给驱动系统控制模型，通过ADAMS/Controls 模块作为两软件的接口，将ADAMS中的机械模型的位移、速度等输出反馈给控制模型，建立了机床进给驱动系统的机电联合仿真模型，实现了复杂机电系统的联合仿真，仿真结果表明机床整机进给系统具有良好的动态响应特性。

并为机床进给系统的设计与调试提供可靠依据。

关键词: 虚拟样机技术; 伺服进给驱动系统; 机电联合仿真目录1 绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 本文主要涉及内容 (1)2数控铣床的整机建模 (2)2.1X和Z向进给系统建模 (2)2.2 Y向进给系统建模 (2)3 动力学建模 (4)3.1 模型导入 (4)3.2 运动学仿真 (4)3.3 动力学系统建模 (5)3.4 动力学模型导出 (6)4 ADAMS/Simulink联合仿真 (7)4.1 联合仿真的创建 (7)4.2联合仿真分析 (8)4.3 联合仿真的结论 (11)5 总结 (12)结束语 (13)参考文献 (14)附录 (15)1绪论1.1 背景数控机床伺服进给驱动系统主要由伺服电机、伺服驱动器、联轴器，丝杠导轨和工作台组成，是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台与刀具相对运动的控制系统。

现代数控机床是一个非常复杂的机电耦合系统，进给伺服系统的速度、精度等性能很大程度上决定了数控机床的整体性能，因此研制高性能的进给伺服系统是发展现代数控机床技术的关键。

在传统的机电控制系统设计过程中，机械工程师和控制工程师各自都需要建立自己的模型，然后分别采用不同各自的仿真软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计调试和实验，最后通过建好的物理样机模型对其进行机械系统和控制系统联合调试，如果发现问题就要重新修改各自的仿真模型，然后重新建造物理样机并对其进行再一次的联合调试这种设计方式显然比较费时费力。

机电联合仿真技术可以很好地解决传统机电控制系统设计的不足，为机械和控制系统进行联合分析提供了一个全新的方法，即利用虚拟样机技术对机械系统和控制系统进行反复联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试，大大缩短样机的开发周期和减少开发成本。

1.2本文主要设计内容本文以三轴数控立式铣床为研究对象，对机床进给系统联合仿真，主要有一下相关工作：1.测绘机床，在solidworks中实现机床各部件的建模以及装配，建立完整的数控机床模型。

2.将模型装配体简化并转化为中间x_t格式导入到Adams中，添加材料属性、约束和驱动，进行运动学仿真。

3.建立机床进给系统的动力学模型，并导出simulink可读文件。

4.在simulink中建立控制模型，调节控制参数，验证系统的动态响应特性。

2 数控铣床整机建模SolidWorks在零件造型、装配操作上直观简单，容易上手，而且功能强大。

本次建模采用此软件，同时也为了与后续的动力学建模软件ADAMS 在零件互转上具有更好的兼容性。

2.1 X、Z向进给系统建模Z向进给系统主要包括底座、导轨、滚珠丝杠螺母、以及驱动单元和工作台，为了尽可能的减少联合仿真的中的计算量，建模中将导轨、支承单元等与底座集成，并将联轴器与丝杠集成，省略了繁琐的固定件。

X向进给系统如图所示图2.1 Z向进给系统模型图2.2 Z向和X向进给系统模型2.2 Y向进给系统建模Y向进给系统主要包括：立柱、主轴单元、导轨、滚珠丝杠螺母以及支承单元和驱动单元，为了尽可能的减少联合仿真的中的计算量，建模中将导轨、支承单元等与底座集成，并将联轴器与丝杠集成，省略了繁琐的固定件。

Y向进给系统如图所示。

图2.3 机床整机图其他模型及相关细节不做详细介绍，具体见附件13 动力学建模机械手的动力学建模是在ADAMS软件中完成的。

ADAMS是世界上运用最广泛的机械系统动力学分析软件，应用广泛，包括航空航天、汽车工程、工业机械和工程机械等领域。

而且ADAMS能够与绝大多数CAD软件（如SolidWorks、Pro/E、CATIA、UG等）进行模型的导入导出，同时也能够与大多数控制软件（如MATLAB、EASY5 等）进行联合仿真。

因此，在本次作业中，完成正是这部分内容：将SolidWorks模型导入到ADAMS中建立动力学模型，再与MATLAB进行联合仿真。

本次设计中，可对XYZ三向进给系统进行动力学联合仿真，但是由于三轴同时仿真，计算机计算量特别大，仿真时间很长，所以本文中仅仅以Z向进给系统为例，进行联合仿真介绍。

3.1模型导入将建好的SolidWorks模型另存为ADAMS能读取的文件类型Parasolid(*.x_t)文件，因为ADAMS使用的是Parasolid 内核，能够获得较高的文件类型精度，处理时间更短、更方便。

导出后的文件见附件2在ADAMS中导入模型时，在导入对话框中，File Type选择Parasolid，在File To Read栏右键选Browse，将SolidWorks 导出的模型选中，默认ASCⅡ类型，创建模型名称为model_2。

3.1.2环境设置在建立虚拟样机前，需要设置ADAMS工作环境，包括设置坐标系、单位制、重力加速度大小和方向等。

设置坐标系坐标系的设置可通过菜单Setting→Coordinate System，弹出坐标系设置对话框，选择Cartesian，即笛卡尔坐标系，也是ADAMS/View默认的坐标系。

设置单位选择统一的单位制有利于快速准确地进行建模分析，单击菜单Setting→Units，弹出单位设置对话框，这里选择MKS 单位制，即长度为米，质量为千克，力为牛顿，时间为秒。

3）设置重力加速度大小和方向动力学建模中，零部件的重力是不可缺少的重要参数，因此在此之前必须设置重力。

单击菜单Setting→Gravity，弹出重力加速度设置对话框，默认的方向为负Y方向，大小为9806.65mm/s^2，点击OK 即可。

3.2 运动学仿真3.2.1 定义材料属性在ADAMS 中建立动力学模型，需要给每个零件定义材料。

为了保证机床的工作效率，底座、立柱为铸铁，滚珠丝杠螺母为钢铁。

因此，在定义材料时，将除操作方法为：在需要定义的材料的零件上右击，选择Part：*，其中*为零件名，再选择Modify，在Define Mass By 栏选择Gemetry and Material Type，在Material Type处右键Browser选择材料即可。

3.2.2 添加运动副进给系统中的运动副主要有移动副、转动副、螺旋副。

1、移动副在导轨和滑块之间添加移动副，操作方法是：选择主工具箱的Joint：move 命令，主工具箱下方的Construction项设置为2Bod-1Loc 和Pick Feature，前者表示选择两个构件和一个连接位置点，运动副被固定在第一个构件上，相对于第二个构件运动；后者表示选择特征以确定矢量方向来定义运动副的方向。

2、转动副在丝杠和支承单元处添加旋转副，操作方法是：选择主工具箱的Joint：move 命令，主工具箱下方的Construction项设置为2Bod-1Loc 和Pick Feature，前者表示选择两个构件和一个连接位置点，运动副被固定在第一个构件上，相对于第二个构件运动；后者表示选择特征以确定矢量方向来定义运动副的方向。

3、固定副在底座和ground以及底座和立柱之间添加固定副。

固定副的操作为：点击工具箱的Joint:Fixed，然后选择Construction 的形式为2Bod-Loc，Pick Feature，然后选择要固定到一起的两个零件，再选择固定位置即可。

3.2.3创建驱动这里使用的是rotational joint motion ，这是一种扭矩，选取建模时已定义的旋转连接，给各滚珠丝杠添加扭矩。

分别给XYZ三向添加扭矩。

3.2.4运动仿真点击主工具箱的Interactive Simulation Controls，设置仿真时间为15s，步数为500步。

仿真过程见附件3。

3.3动力学系统建模3.3.1设置力矩首先需要解除运动学的驱动控制。

分别在各电机驱动上右键选择Motion：*（*为驱动名称）→(De)activate，取消勾选两个复选框，点击OK即可。

解除驱动后，需要在每个旋转关节处建立单分量力矩。

点击主工具箱的Applied Force：Torque，分别设置参数为“Two Bodies”，Action Body 选择被驱动的构件，Reaction Body 选择施力的构件，即可创建单分量力矩。

分别将名称改为SFORCE_X和SFORCE_Y、SFORCE_Z。

3.3.2创建输入输出变量1）输入变量及确定创建输入状态变量，选择Build→System Elements→State Variable→New，输入变量名为control_torque_X，F(time)一栏为0，表示控制力的数值将从控制软件的输出获得。

同样方法创建变量control_torque_Y、control_torque_Z。

在ADAMS 图形窗口中，右键单击SFORCE_X，选择Modify，在Function一栏定义为VARVAL(Control_torque_X)，以实时从状态变量control_ torque_2中接收力矩的数值。

同样方法对SFORCE_Y、SFORCE_Y设置。

确定输入变量，择Build→Data Elements→Plant→Plant Input→New，在Variable Name中用右键选择创建的control_torque_Z变量，点击OK即可。

2）输出变量及确定创建输出变量，选择Build→System Elements→State Variable→New，输入变量名为Xx，F(time)一栏为DZ(MARKER_73,MARKER_72, MARKER_72)，表示返回绕X向的位移变化。

再创建变量Vx，F(time)一栏为VZ(MARKER_73,MARKER_72,MARKER_72)，表示返回X向的速度。

再创建变量Vx，F(time)一栏为ACCZ(MARKER_73,MARKER_72,MARKER_72)，表示返回X向的加速度。