在現代制造技術系統中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測及自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對實現制造業的柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕的作用。我國自“七五”計劃以來，數控技術方面的研究工作得到政府、企業和專家學者的高度重視，獲得了較大的發展，但與世界先進水平相比仍有很大差距。隨著機床向高精度、高表面質量和高生產率方向發展，對數控伺服控制系統的調試一直困擾著工程技術人員，很多場合只能采用簡化模型加經驗調整的方法進行參數調節，使得參數調整繁瑣且大部分數控機床的伺服系統并沒有工作在最優的狀態下。本文利用虛擬樣機技術，在Pro／E中建立了完整的數控銑床模型，并在ADAMS中實現了數控銑床的運動仿真，在此基礎上，基于ADAMS和MATLAB平臺對數控銑床的工作臺建立了3種控制方案：基于ADAMS／View的伺服控制系統仿真、基于M刪B的伺服控制系統仿真以及基于ADAMS和MATLAB的伺服控制系統聯合仿真。通過對3種方法的比較分析可以看出，ADAMS和MATLAB聯合仿真為獲得數控伺服控制系統的參數提供了1種全新的方法。
1 數控銑床虛擬樣機的建模與運動仿真
虛擬樣機技術VP(Virtual Prototyping)又稱系統動態仿真技術，它以機械系統運動學、動力學和控制學理論為核心，借助于成熟的三維計算圖形技術、圖形的用戶界面技術、信息技術、集成技術等，將分散的產品設計開發和分析過程集成在一起。
數控銑床機構復雜，根據其各個主要部件的實現功能不同，可以將其分為基礎件、傳動件以及配套件等。基礎件主要包括底座、立柱、工作臺、導軌等。傳動件主要包括X、Y、X 3方向的絲桿進給系統和配重機構。配套件主要包括導軌保護罩、排屑裝置、照明燈、冷卻裝置等輔助設備。數控銑床與普通銑床不同，它的主運動和各個坐標軸的進給運動都是由單獨的伺服電動機驅動，所以它的傳動鏈短，結構比較簡鼠為了
保證數控銑床的的快速響應特性和加工精度，在數控銑床上普遍采用精密滾珠絲杠副和直線滾動導軌副。本文中的數控銑床是具有三軸聯動功能的立式銑床，因此要求它的運動部件能沿著X、Y、Z 3方向進行運動。其Pro／E模型的具體結構如見圖1所示。利用ADAMS／View提供的數據接口，把Pm／E中的裝配體模型導入ADAMS中重新編輯，添加運動副和驅動，就可以進行運動仿真，圖2是時間在1.6s時的數控銑床運動仿真圖。
圖1數控銑床的Pro／E裝配模型
圖2數控銑床在ADAMS中的運動
2 基于ADAMS／View的伺服控制系統仿真
ADAMS控制系統設計是ADAMS軟件對復雜的機械系統進行建模和仿真分析的基本環節之一。針對一般的控制環節可以用ADAMS／View提供的控制工具箱Controls Toolkit進行處理，直接在ADAMS／View樣機模型中添加控制模塊，完成機電一體化系統的仿真分析。
在ADAMS／View中建立的工作臺速度控制系統，是以x向絲杠的角速度作為控制對象，將給定的角速度與實際角速度進行比較，產生的速度偏差通過控制模塊與絲杠上的控制力矩進行關聯，從而控制虛擬樣機中絲杠的實際轉速，并通過反饋環節與給定轉速不斷地進行比較，最終使絲杠的轉速達到給定轉速，ADAMS／View中的控制原理如圖3所示。
圖3 ADAMS／View中的控制原理框圖
在ADAMS／View中建立的工作臺速度控制系統的主要步驟：(1)打開模型，在x向絲杠上添加控制力矩Contr01。torque；2)在Conlzols Toolkit中建立輸入環節，包括給定速度input—vdesired和絲杠實際角速度為input—vactual，因為給定的伺服電機轉速是3000f／rain，轉化為角度則給定速度為18 ooo(。)Is，轉化為弧度為314 rad／s；(3)建立比較環節；(4)建立增益環節；(5)關聯力矩；(6)進行仿真，將仿真時間設置為5s，仿真步數為50步，ADAMS／View中的速度仿真結果如圖4所示。
圖4 ADAMS／View中的速度仿真圖
3 基于MATLAB的伺服控制系統仿真
MATLAB的Simulink 3工具箱是以控制系統的傳遞函數為基礎進行計算機仿真的工具。Simulink具有模塊化、可封裝、可重載、面向結構圖編程以及高度可視化等優點，可大大提高系統仿真的效率和可靠性。Simulink含有Sinks(輸出方式)、Source(輸入源)、接受器、Connections(連接與接口)線性和非線性組件等子模塊庫。每個字模塊庫又含有相應的功能模塊，可以方便地創建自己的模塊。定義完一個模型以后，就可以通過Simulink的菜單或者在MATLAB的命令窗口輸入命令對它進行仿真。
工作臺伺服系統是由驅動模塊與伺服電動機等組成的一個高精度角度閉環隨動系統，其輸入為數控系統給出的指令脈沖，輸出為電動機轉角。在以光柵、脈沖編碼器等組成檢測反饋環節所實現的閉環控制下，電動機的轉角將跟隨數控指令變化。通過高精度的精密絲杠螺母副傳動，電動機的角位移被轉化為所需的工作臺的直線位移�？刂葡到y原理框如圖5所示。采用半閉環控制，在伺服電機上加檢測元件，檢測電機的速度和位移。在精度要求不是很高的條件下，不用對電流進行反饋，直接是一單閉環調速系統，可以外加一個位置環，但本文只對速度控制系統進行了研究。
圖5數控銑床伺服控制系統原理框圖
利用MATLAB對Y向工作臺的伺服控制系統進行仿真時，首先要對Y向工作臺建立數學模型，用能量守恒的方法將負載的轉動慣量等效到電機軸側，(1／2)Jew21=(1／2)Jyw21+(1／2)(My+M絲+Ms)V2，整理得Je=Jy+(My+M絲+Ms)V2／w21。
利用在ADAMS／View中建立的仿真模型，可以得到如下數據：Jy=0.182，Mx=136.3，M絲=4.974，My=262.818，w1=100π／3 rad／s，V=16.67mm／s，解得Je=0.284kg·m2,其中各符號代表意義如下：Je為負載的等效轉動慣量；Jy為y方向絲杠轉動慣量；Mx為X T作臺質量；肘苧為x方向絲杠質量；My為y方向工作臺質量；w1為y方向絲杠角速度；V為工作臺移動速度。
建立數學模型后，在MATLAB中建立y向工作臺進給系統的控制仿真模型，如圖6所示。對以上模型進行仿真，仿真結果如圖7所示，從仿真結果曲線中可以看出，系統是穩定的。
圖6 Y向工作臺的仿真模型
圖7階躍響應曲線
4 基于ADAMS和MATLAB的伺服控制系統聯合仿真
ADAMS與MATLAB的聯合控制是在ADAMS中建立機械運動部分的虛擬樣機，然后由ADAMS輸出描述系統方程的有關參數，再在MATLAB中讀入ADAMS輸出的信息并建立起控制方案，在仿真計算過程中，ADAMS與MATLAB進行數據交換，由ADAMS的求解器求解系統的方程，由MATLAB求解控制方程。
建立聯合仿真的主要步驟：(1)在ADAMS打開數控銑床的虛擬樣機模型；(2)確定輸入與輸出變量，輸入變量是控制力矩變量torque，用于接受控制系統傳遞過來的ADAMS的輸入信號，即控制系統的輸出信號，輸出變量是X方向絲杠的角速度velocity，用于給控制系統輸入實時的速度信號，同時反饋給控制系統；(3)加載ADAMS／Controls模塊，導出控制參數torque和veloc�；瑯嫿ǖ哪Ｐ鸵呀洺晒Φ剞D為MATLAB可以讀取的形式，ADAMS／Control將輸入和輸出信息保存在m文件(Matlab程序)中，同時產生一個模型文件(。a如)，一個命令文件(。cmd)，供聯合仿真分析時使用； (4)啟動M舭B程序，將MATLAB的工作目錄指向ADAMS的工作目錄，并對在MATLAB／Simulink中顯示的adams sub模塊進行設置；(5)在MATLAB中建立控制方案，如圖8所示；(6)通過仿真計算，分別得到在MATLAB仿真結果(圖9)和ADAMS中的仿真結果(圖10)。
圖8聯合仿真控制方案
圖9 MATLAB仿真結果
圖10 ADAMS仿真結果
從聯合仿真結果可以看出，系統具有很好的穩定性，今后的工作除了進一步完善數控銑床的虛擬樣機模型外，重點研究虛擬樣機的參數化，使得虛擬樣機性能能夠真正的接近實際物理樣機，能夠更方便的考導軌摩擦，熱變形和主軸的高速切削的影響，在這個基礎上對虛擬樣機同時實施X，y，Z 3個方向控制就會得到更加滿意的效果。
5 結論
(1) 將復雜的控制系統添加到機械系統樣機模型中，然后對機電一體化系統進行聯合分析。
(2) 可直接利用ADAMS程序建立控制系統分析中的機械系統仿真模型，無需進行數學公式建模。
(3) 可以使機械設計師和控制工程師共享一個虛擬樣機模型進行同樣的設計驗證和實驗，使機械系統設計和控制系統設計能夠協調一致，并同步進行修正以達到機電一體化最佳化設計。
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本文標題：基于虛擬樣機的數控銑床伺服控制系統
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