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1、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
2、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11.1 背景11.2 本文主要涉及内容 1 2数控铣床的整机建模 22.1X和Z向进给系统建模22.2 Y 向进给系统建模23 动力学建模 43.1 模型导入 43.2 运动学仿真 43.3 动力学系统建模 53.4 动力学模型导出 64 ADAMS/Simulink 联合仿真 74.1 联合仿真的创建 74.2 联合仿真分析 84.3 联合仿真的结论 115 总结 12
3、结束语 13参考文献 14附录 151 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
4、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
5、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
6、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
7、 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
8、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
9、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SettingfCoordinate 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 Setti ng f Un its，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SettingfGr
10、avity，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/sA2，点击0K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
11、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
12、，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In teractiv
13、e Simulation Con trols，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)f(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 SF
14、ORCE_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 BuildSystem ElementsState VariableNew，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 Eleme nts Pla nt Pla nt In put 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 BuildSystem ElementsState VariableNew,输入变 量名为 Xx, F(time)一栏为 DZ(MARKER_73,MARK
