数控机床仿真

机电工程学院

毕业设计外文资料翻译

设计题目: 基于FANUC系统的数控车削仿真

——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：年月日

机械工程研究所卷 55/1/2006

虚拟计算机数控系统

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于虚拟计算机数控。已经呈现出各种各样的应用实例，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于机床的虚拟模型。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于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于实际的机床。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，目的是为了避免由于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于真实数学模型（其用于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],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，它类似于加拿大不列颠哥伦比亚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、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。

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。

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 自适应滑模控制(SMC)的模糊逻辑调谐

进给驱动自适应滑模控制的，基于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，滑模控制是过于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（低于调谐）。在例子（c）中，由于最初指定的较高的干扰适应（即整体行动）结果，设计师不稳定的。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。