数控机床进给系统建模仿真 分析与设计参数优化 机械 0806 王 龙 1、课题来源 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 指导老师 黄运保 王启富 2、课题研究目的和意义 2.1、研究目的 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 问题，为统一模型仿真精度的进一步提高提供理 论基础 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 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 精度的仿真成了进给系统研究的关键 2.2、 课题研究的重大意义 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 (1) 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的 物理特性要求，而系统建模与仿真是目前通用的 手段 (2) 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机 床精度设计的前提条件。
(3) 机床优化运行要求：通过对机床性能检测 (温升、 变形等 )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优化 机床运行状态必须完成的工作 (4) 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 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 地提高机床的建模效率，降低开发周期 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 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 3.1多领域物理系统建模仿真技术 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 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 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 为具有重要意义 机床进给系统 是由机械传动系统、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 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， 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 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 系统的统一模型，问题的关键在于如何实现 进给系 统内部多领域间的统一耦合 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 对单领域，很少涉及到多个领域间的统一建模与仿 真 机床进给系统示意图 : 机床进给系统模型 : 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 当然，我们也应该看到它存在的很多缺点： 仿真软件需提供软件接口，建立接口处 耦合关系，才能实现多领域建模； 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）基于高层体系结构的方法（ HLA） HLA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 的联邦成员，并按照 HLA的规范进行集成以实现 协同仿真因此，基于 HLA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 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， 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 HLA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 仿真 它的主要缺点如下： 领域组件建模需得到各领域商用仿真工 具的合作； 人为割裂各领域子系统间的耦合，实现 子系统集成较困难； 针对不同仿真应用配置编写代码，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。
Modelica 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 Modelica语言的多领域建模方法主要优点 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 放性标准模型库模型可扩展、可重用、可拖放建模 等优点亦可方便实现复杂系统的高置信度建模； 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 来仿真相似类型的问题； 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， 陈述式建模使方程更具可读性，模型更有效； 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 实现。
3.2、进给系统建模仿真研究现状 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 国内外对机床进给系统的性能研究都建立在机床进 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 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、 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 势在必行， Modelica的多 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 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 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 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 和 物理仿真 两个部分 几何仿真将刀具与工件视为刚体，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 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： 1）适应于高速加工过程的模型难以建立 2）仿真模型的通用性差 3）与几何仿真未充分结合 4、课题内容 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： 数控机床伺服驱动 Modelica建模； 数控机床伺服电机 Modelica建模； 数控机床进给运动部件 Modelica建模； 数控机床进给系统 Modelica建模； 数控机床进给系统仿真分析； 数控机床进给系统参数优化 5、预期目标 （ 1） 熟悉数控铣床进给系统的结构组成和工作原理； （ 2）熟悉并掌握在 MWorks平台下 Modelica建模的方 法，为数控铣床进给系统建模； 进给系统的 Modelica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 翻译英文文献、阅读参考文献 12周 开题答辩 35周 数控机床进给系统运动部件三维 CAD建模 68周 数控机床进给系统 Modelica建模 910周 数控机床进给系统仿真分析 1011周 数控机床进给系统参数优化 1213周 装备图绘制、论文撰写 1416周 答辩 17周 7.参考文献 1刘志新 ,张大卫 .“ 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，2006.4. 2赵建军，丁建完，周凡利，陈立平 . Modelica语言及其多领域建模与仿真机理 .系统仿真 学报， 2006（ 2）： 570-571. 3曾 妮 . 数控机床进给系统建模与仿真，机电技术 . 2010（ 1）： 27-28. 4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 .系统仿真学报， 2002,14(8):1034-1039. 5 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 .机电一 体化 .2000， 1:45一 48. 6 姬舒平，刘卡林，邹继明，马玉林 .NCVerification的研究现状及展望 .组 合机床与自动化加工技术， 1997(5):42一 45. 7 周济，周艳红 .数控加工技术 .北京，国防工业出版社 .2002. 8 董玉红 ,邵俊鹏，周室仁 .CK7815 数控机床进给伺服系统的建模及仿真 J.哈尔滨理工大 学学报 , 2005,10(3):25-27. 9 张伯霖 .高速切削技术及应用 .北京 :机械工业出版社 ,2003. 10 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， 2006. 11 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 .系统仿真学报， 2002,14(8):1034-1039. 12Dal Y. Ohm. Analysis of PID and PDF compensators for motion control systems. Industry Applications Society Annual Meeting. 1994, 1923-1929. 13Z Nagy, A Bradshaw. Comparison of PI and PDF controls of a manipulator arm. UKCC International conference on control. 1998,vol.455:739-744. 14Ya-Qiu Liu, Qu Wu. The study on an improved PDF controller and its application in high order follow up system. Proceedings of the Eighth International Conference on Machine Learning and Cybernetics. 2009,2015-2019. 谢谢观看！ 。