一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法
【專利摘要】一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，屬于數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，包括：通過數(shù)控機(jī)床多體剛?cè)狁詈辖Ｏ到y(tǒng)和有限元技術(shù)獲得機(jī)床系統(tǒng)在該實(shí)時(shí)位置的動(dòng)力學(xué)多體耦合模型；通過動(dòng)力學(xué)仿真求解器獲得數(shù)控機(jī)床進(jìn)給裝置在每一個(gè)實(shí)時(shí)位置時(shí)機(jī)床的振動(dòng)特性；通過數(shù)控機(jī)床共享內(nèi)存輸入/輸出接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)特性的仿真信號(hào)和數(shù)控機(jī)床數(shù)控軟件系統(tǒng)之間的信號(hào)交互；在可編程控制模塊中應(yīng)用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真求解器和機(jī)床數(shù)控軟件系統(tǒng)的集成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：通過數(shù)控機(jī)床多體剛?cè)狁詈辖：蛯?shí)時(shí)求解系統(tǒng)取代昂貴、復(fù)雜的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床精確、全面的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。
【專利說明】
一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與 數(shù)控系統(tǒng)集成的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，數(shù)控機(jī)床自身的幾何精度已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平。機(jī)床振動(dòng)特性對(duì)其誤差 的影響更加明顯，是影響機(jī)床加工精度的主要因素之一。在工作過程中數(shù)控機(jī)床的振動(dòng)基 本分兩大類:受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。受迫振動(dòng)是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的不平衡力、斷續(xù)切削的沖擊力 等多種形式的干擾力對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)持續(xù)作用的結(jié)果。自激振動(dòng)是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)主要的振動(dòng)形 式，如在切削過程中刀具和工件之間發(fā)生的顫振，其對(duì)工件表面質(zhì)量和精度的影響很大。由 于機(jī)床系統(tǒng)過去某一時(shí)間的狀態(tài)或若干時(shí)刻的狀態(tài)對(duì)其當(dāng)前振動(dòng)狀態(tài)的影響存在一個(gè)時(shí) 間上的滯后(時(shí)滯），由此產(chǎn)生的再生顫振機(jī)床系統(tǒng)是典型的時(shí)滯非線性動(dòng)力系統(tǒng)。
[0003] 數(shù)控機(jī)床是機(jī)械系統(tǒng)特性與控制系統(tǒng)特性相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其特性不僅受幾 何誤差、熱變形測(cè)量誤差的影響，更受控制系統(tǒng)參數(shù)匹配、裝配質(zhì)量及剛度等引起的動(dòng)態(tài)特 性的影響。數(shù)控系統(tǒng)必須與機(jī)床動(dòng)態(tài)特性緊密配合，以確保任何加工任務(wù)都具有高動(dòng)態(tài)性 能。數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的獲得，目前主要是采用傳感器技術(shù)，對(duì)加工過程中出現(xiàn)的各種物理 信息，如聲、光、電、力、力矩、振動(dòng)和功率進(jìn)行測(cè)試并反饋給控制系統(tǒng)，從分析處理結(jié)果來對(duì) 機(jī)床切削振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制。
[0004] 這些安裝在數(shù)控機(jī)床上的大量傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備，不僅價(jià)格昂貴，而且測(cè)試精度和 抗干擾能力也受當(dāng)前技術(shù)的制約。此外，控制系統(tǒng)軟件的伺服性能及高速控制能力、智能化 及自適應(yīng)控制能力等因素，也是影響加工工件精度的主要原因，是制約高速高精度數(shù)控機(jī) 床加工效率和精度的主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明建立了機(jī)床系統(tǒng)多體剛?cè)狁詈戏蔷€性動(dòng)力學(xué)建模方法;適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī) 床在線檢測(cè)信號(hào)高效、高精度要求，研究模型超單元子結(jié)構(gòu)降階方法和機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型最 優(yōu)化算法，得到機(jī)床系統(tǒng)實(shí)時(shí)位置固有模態(tài)和振動(dòng)特性的仿真計(jì)算結(jié)果;研究用仿真計(jì)算 結(jié)果取代昂貴、復(fù)雜的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法，為機(jī)床控制提供輸入信號(hào)。實(shí) 現(xiàn)仿真環(huán)境和數(shù)控系統(tǒng)的集成，以仿真計(jì)算結(jié)果取代傳感器在線監(jiān)測(cè)并輸入到數(shù)控系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)機(jī)床自適應(yīng)控制。
[0006] 為了達(dá)到機(jī)床工作狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果快速、有效輸入數(shù)控系統(tǒng)的要求， 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，將動(dòng)力學(xué)仿真信號(hào)作為 數(shù)控系統(tǒng)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)床仿真環(huán)境與數(shù)控系統(tǒng)信息集成；
[0008] 通過機(jī)床多體剛?cè)狁詈蠈?shí)時(shí)建模系統(tǒng)和有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床相關(guān)零部件有限元 網(wǎng)格劃分，得到零部件的柔性體模型，將柔性體模型定義為超單元子結(jié)構(gòu);根據(jù)機(jī)床進(jìn)給裝 置的實(shí)時(shí)位置的不同，定義每一個(gè)實(shí)時(shí)位置上超單元子結(jié)構(gòu)之間的連接單元，獲得機(jī)床系 統(tǒng)在該實(shí)時(shí)位置的動(dòng)力學(xué)多體耦合模型。將待生成連接單元的進(jìn)給裝置柔性體上的邊長(zhǎng)或 者面進(jìn)行平均劃分，將等距的域按順序生成域向量，每個(gè)向量元素包含該域中的所有單元 節(jié)點(diǎn)?？筛鶕?jù)進(jìn)給裝置的運(yùn)動(dòng)方向的一維、二維或者三維描述，定義相應(yīng)的一維、二維或者 三維域向量。通過超單元模態(tài)綜合法，將連接子結(jié)構(gòu)應(yīng)定義為一個(gè)常量，并且可以提出矩 陣。機(jī)床實(shí)時(shí)位置的動(dòng)力學(xué)多體耦合模型主矩陣中，應(yīng)不包含連接子結(jié)構(gòu)變量。
[0009] 通過動(dòng)力學(xué)仿真求解器對(duì)機(jī)床系統(tǒng)每一個(gè)實(shí)時(shí)位置動(dòng)力學(xué)多體耦合模型進(jìn)行降 階處理，為機(jī)床實(shí)時(shí)位置動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算提供精確、高效、可行的動(dòng)力學(xué)超單元模型。在考 察機(jī)床系統(tǒng)低階主模態(tài)的前提下，研究高階主模態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。分析機(jī)床多體 剛?cè)狁詈夏Ｐ投嗔W(xué)方程的復(fù)雜程度和固有模態(tài)分析的邊界條件，建立一個(gè)目標(biāo)優(yōu)化函 數(shù)，通過求該目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，從而確定適合機(jī)床實(shí)時(shí)控制的固有模態(tài)最優(yōu)化算法并進(jìn) 行求解，得到機(jī)床實(shí)時(shí)位置的動(dòng)態(tài)特性信息。由此建立數(shù)控機(jī)床每一個(gè)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)(如不 同的進(jìn)給位置、不同的進(jìn)給速度等)的在線整體模型。
[0010] 通過數(shù)控機(jī)床共享內(nèi)存輸入/輸出接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)特性的仿真 信號(hào)和數(shù)控機(jī)床數(shù)控軟件系統(tǒng)之間的信號(hào)交互。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給裝置的實(shí)時(shí)位置可以通過域 向量中的某一元素進(jìn)行描述。根據(jù)需要可建立彈簧或者彈簧-阻尼單元的連接子結(jié)構(gòu)。建立 進(jìn)給裝置實(shí)時(shí)位置的連接單元子結(jié)構(gòu)時(shí)，選取該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的域向量中對(duì)應(yīng)該實(shí)時(shí)位置的 向量元素，將其包含的單元節(jié)點(diǎn)作為SLAVE單元。在對(duì)應(yīng)的需要建立連接單元的耦合體上離 SLAVE單元中心最近的節(jié)點(diǎn)作為MASTER節(jié)點(diǎn)，生成SLAVE與MASTER之間的連接單元子結(jié)構(gòu)。 當(dāng)生成某一實(shí)時(shí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)多體之間的連接單元子結(jié)構(gòu)時(shí)，通過編程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)刪除模型中上 一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的連接單元子結(jié)構(gòu)。
[0011] 通過研究機(jī)床動(dòng)力學(xué)矩陣方程的復(fù)雜程度和固有模態(tài)分析的邊界條件，比較 Jacobi算法、Protenz法（包含ArnoIdi ,Lanczos，Jacobi-Davidson等算法）、QR算法、KryIoV 下空間算法、Gersgorin估算法在計(jì)算時(shí)間、精確度及實(shí)現(xiàn)難易程度方面的差異，分析各種 方法使用的最大矩陣秩數(shù)、初始矩陣定義難易度等，求解機(jī)床動(dòng)力學(xué)多體耦合模型，確定數(shù) 控系統(tǒng)固有模態(tài)和振動(dòng)特性。通過分析確定了高效、精確矩陣方程固有模態(tài)算法后，即可對(duì) 模型進(jìn)行求解，得到機(jī)床系統(tǒng)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，并輸入到數(shù)控系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制算法 的依據(jù)，如機(jī)床發(fā)生顫振時(shí)可借助固有模態(tài)和機(jī)床實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)特征來定義控制策略和減振 措施。這是一個(gè)在機(jī)床工作過程中重復(fù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)交互的過程，從而獲得機(jī)床每一個(gè)工 作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性，達(dá)到通過仿真獲得機(jī)床減振控制信號(hào)的目標(biāo)。將機(jī)床系統(tǒng)前一個(gè)時(shí) 間點(diǎn)的固有模態(tài)當(dāng)作下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)固有模態(tài)方程求解的起始值，從而能夠?qū)C(jī)床每一個(gè)發(fā) 生微小變化的工作位置進(jìn)行計(jì)算，并保證計(jì)算時(shí)間得到顯著的縮短。同時(shí)根據(jù)實(shí)際機(jī)床進(jìn) 給速度和加工精度的需求確定模型固有頻率計(jì)算的誤差允許范圍及計(jì)算時(shí)間，如根據(jù)機(jī)床 實(shí)際進(jìn)給速率，確定模型計(jì)算時(shí)間應(yīng)< 6ms。
[0012] 通過可編程控制模塊，應(yīng)用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，將實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真求解器和機(jī)床 數(shù)控軟件系統(tǒng)的集成。將外掛設(shè)備的總線集成到共享內(nèi)存輸入/輸出接口。在可編程控制模 塊定義了外掛設(shè)備接收信號(hào)過濾算法和開關(guān)動(dòng)作的算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自我保護(hù)。
[0013] 系統(tǒng)也可對(duì)機(jī)床下一個(gè)工作位置的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行一定條件下的預(yù)測(cè)。動(dòng)力學(xué)仿真 求解器和機(jī)床數(shù)控軟件系統(tǒng)的集成時(shí)，由于模型的本身特點(diǎn)及計(jì)算參數(shù)設(shè)置的原因，可能 導(dǎo)致仿真環(huán)境和控制系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)出錯(cuò)，比如動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算在規(guī)定的時(shí)間里不收斂、計(jì) 算精度達(dá)不到預(yù)期要求等。在可編程控制模塊定義了外掛設(shè)備接收信號(hào)過濾算法和開關(guān)動(dòng) 作的算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自我保護(hù)，來規(guī)避上述出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床或者仿真系統(tǒng)向 可編程控制模塊發(fā)出出錯(cuò)的變換信號(hào)時(shí)，變換信號(hào)將通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)傳送給外掛設(shè)備， 由外掛設(shè)備發(fā)出機(jī)床關(guān)閉指令，及時(shí)將機(jī)床轉(zhuǎn)換到一個(gè)安全的工作狀態(tài)，從而達(dá)到機(jī)床自 適應(yīng)智能控制的效果。通過對(duì)一個(gè)工作部-滑塊的簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行建模和計(jì)算，來驗(yàn)證 本項(xiàng)目中相關(guān)建模方法和算法的可靠性。最后建立一個(gè)簡(jiǎn)單的二軸機(jī)床模型，將其多體模 型和其控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，驗(yàn)證本項(xiàng)目中提出的通過多體耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果為機(jī)床實(shí)時(shí) 工作狀態(tài)進(jìn)行控制和減振技術(shù)的可行性。
[0014] 本系統(tǒng)以實(shí)時(shí)仿真信號(hào)結(jié)果為判斷依據(jù)，基于加加速度控制的加減速控制方法， 采用限制加加速值，并利用濾波器對(duì)加加速度進(jìn)行光滑處理，來減少加工中由于加加速突 變而產(chǎn)生的機(jī)床振動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量加工，達(dá)到機(jī)床良好的加減速性能。分析機(jī)床多 體仿真模型中結(jié)合部剛度、阻尼等因素對(duì)機(jī)床固有模態(tài)計(jì)算精度的影響，研究系統(tǒng)實(shí)時(shí)固 有頻率、進(jìn)給速度、合成最大加速度、最大JERK數(shù)值、進(jìn)給距離和濾波長(zhǎng)度等因素對(duì)加加速 振蕩控制時(shí)插補(bǔ)周期的影響，通過定義一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)并通過其求得最佳的插補(bǔ)周期， 進(jìn)而進(jìn)行機(jī)床系統(tǒng)的實(shí)時(shí)加加速控制，達(dá)到機(jī)床自適應(yīng)控制。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:通過數(shù)控機(jī)床多體剛?cè)狁詈辖：蛯?shí)時(shí)求解系統(tǒng)取代昂貴、 復(fù)雜的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床精確、全面的自適應(yīng)控制。
[0016] 用機(jī)床系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真信號(hào)替代機(jī)床傳感器在線監(jiān)測(cè)信號(hào)，并將仿真環(huán)境和數(shù)控系 統(tǒng)集成，進(jìn)而根據(jù)仿真信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)床自適應(yīng)減振控制，提出了一種全新的控制理念。提出的 方法對(duì)超音速飛行器，如飛機(jī)、導(dǎo)彈等的控制技術(shù)有著很好的借鑒作用。
[0017] 從計(jì)算速度、精度、可執(zhí)行難易度等方面，系統(tǒng)比較分析比較了各種固有模態(tài)的計(jì) 算方法;提出了仿真和控制系統(tǒng)集成的可行、有效的方法，并通過試驗(yàn)臺(tái)來驗(yàn)證項(xiàng)目的研究 成果。
[0018] 提出了應(yīng)用機(jī)床動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自適應(yīng)控制 方法，并開展理論分析、有限元實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證的全面研究，攻克了編程、數(shù)據(jù)交換、自適 應(yīng)控制策略、安全開關(guān)等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，形成一套完善的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真并將仿真信號(hào)應(yīng) 用于自適應(yīng)控制的方法和技術(shù)。
【附圖說明】
[0021 ]圖1.添加仿真集成模塊后的數(shù)控系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2.采用彈簧-阻尼鏈接單元連接的柔性體系統(tǒng)；
[0023]圖3.編程控制模塊中類與對(duì)象定義關(guān)系圖；
[0024]圖4.實(shí)現(xiàn)機(jī)床仿真系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)集成技術(shù)路線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了達(dá)到機(jī)床工作狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果快速、有效輸入數(shù)控系統(tǒng)的要求， 首先通過機(jī)床多體剛?cè)狁詈蠈?shí)時(shí)建模系統(tǒng)，利用有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床相關(guān)零部件有限元網(wǎng) 格劃分，得到零部件的柔性體模型，將柔性體模型定義為超單元子結(jié)構(gòu)。并且通過超單元技 術(shù)產(chǎn)生一個(gè)高效、低階的計(jì)算模型。在建模軟件中對(duì)各個(gè)柔性體子結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合連接，建立 機(jī)床動(dòng)力學(xué)多體剛?cè)狁詈夏Ｐ偷木仃嚪匠?。由此建立?shù)控機(jī)床每一個(gè)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)(如不 同的進(jìn)給位置、不同的進(jìn)給速度等)的在線整體模型。如圖2所示，為了對(duì)機(jī)床實(shí)時(shí)進(jìn)給位置 進(jìn)行建模，需要在進(jìn)給部件柔性體1和2之間實(shí)時(shí)定義連接單元，并刪除前一時(shí)間點(diǎn)已建立 的連接單元，以獲得該位置的多體耦合模型。柔性體之間連接單元的生成和刪除通過編程 實(shí)現(xiàn)，最重要的是快速搜尋所需的連接單元節(jié)點(diǎn)。常用連接單元是彈簧一一阻尼單元。采用 這種單元連接兩個(gè)自由子結(jié)構(gòu)時(shí)，要求1、2自由子結(jié)構(gòu)上節(jié)點(diǎn)的位置、序號(hào)一一對(duì)應(yīng)，這給 限元網(wǎng)格劃分提出了很高的要求;如果接合面上節(jié)點(diǎn)單元比較多，并且是非等距分布，則無 法通過節(jié)點(diǎn)生成連接單元。同時(shí)，如果接合面上節(jié)點(diǎn)數(shù)目很大，則尋找連接單元節(jié)點(diǎn)的所需 時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)耦合建模時(shí)間過長(zhǎng)，不能滿足高效建模的要求。
[0026] 采用定距依序算法搜尋單元節(jié)點(diǎn)，以確保快速找到1、2子結(jié)構(gòu)上的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，生成 連接單元。將進(jìn)給路線長(zhǎng)度進(jìn)行一維等距離劃分，長(zhǎng)度為最近兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。將等距 的域按順序生成一個(gè)向量，每個(gè)向量元素包含該域中的所有單元節(jié)點(diǎn)。實(shí)時(shí)域中序號(hào)為m的 元素表達(dá)方式為：
⑴ 表示進(jìn)給裝置（自由子結(jié)構(gòu)2)在y方向上的實(shí)時(shí)位置，1為導(dǎo)軌（自由子結(jié)構(gòu)1)長(zhǎng)度。 建立實(shí)時(shí)位置Xw的彈簧--阻尼連接單元時(shí)，直接選取該時(shí)間點(diǎn)離MASTER節(jié)點(diǎn)最近的對(duì) 應(yīng)域中的所有節(jié)點(diǎn)作為單元節(jié)點(diǎn)。通過定義節(jié)點(diǎn)搜尋域的方法，避免了花很長(zhǎng)時(shí)間找連接 單元節(jié)點(diǎn)的問題，從而確保快速建模的要求。根據(jù)實(shí)際模型中機(jī)床結(jié)合部的特點(diǎn)，也可將節(jié) 點(diǎn)搜尋域定義為二維、或者三維的向量，在公式（1)中添加 yact和Zact即可。搜尋節(jié)點(diǎn)的算法 等同于一維算法。
[0027] 在使用彈性結(jié)構(gòu)的有限元模型時(shí)，超單元法首先將各子結(jié)構(gòu)的內(nèi)域自由度(副自 由度)縮聚到邊界自由度（主自由度）上，然后把這些消去了內(nèi)域自由度的子結(jié)構(gòu)（即超單 元）用連接單元組合起來進(jìn)行求解。本項(xiàng)目將綜合比較超單元法中靜力變換超單元法 (Guyan縮減法）、定頻動(dòng)力變換超單元法(Kuhar縮減法)和模態(tài)綜合超單元法等算法在計(jì)算 時(shí)間和精度上的差異，為機(jī)床實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型降階提供依據(jù)。
[0028] 機(jī)床多體耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：
(2) 此處M、D、K分別為系統(tǒng)質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，q(t)及其一、二階導(dǎo)數(shù)表示運(yùn)動(dòng)矢量、速 度和加速度。u(t)是初始載荷向量，f為初始輸入矩陣。將上述動(dòng)力學(xué)方程應(yīng)用于一階模 態(tài)J
;則有
[0029] 方程(3)也同樣適用于含有自由體及連接子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。對(duì)連接子結(jié)構(gòu)矩 陣1，7(r)的定義，通過推導(dǎo)可得多體耦合系統(tǒng)動(dòng)力模型主矩陣 gesamtA:
[0030] 應(yīng)用機(jī)床動(dòng)力學(xué)多體耦合模型矩陣方程求解系統(tǒng)固有模態(tài)、頻率，是分析機(jī)床實(shí) 時(shí)振動(dòng)特性，進(jìn)而進(jìn)行自適應(yīng)控制的必要條件。利用系統(tǒng)主矩陣 gesamtA變換高效、精確求解 系統(tǒng)固有模態(tài)時(shí)，做了下述界定：（1)機(jī)床實(shí)時(shí)位置的動(dòng)力學(xué)多體耦合模型主矩陣中，不包 含連接子結(jié)構(gòu)變量。通過超單元模態(tài)綜合法，將連接子結(jié)構(gòu)應(yīng)定義為一個(gè)常量，并且可以提 出矩陣；（2)通過變換得到系統(tǒng)主矩陣方陣，將方陣的大小控制在50<n x<500之間；（3)在 考察機(jī)床系統(tǒng)低階主模態(tài)的前提下，研究高階主模態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響；（4)將機(jī)床系 統(tǒng)前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的固有模態(tài)當(dāng)作下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)固有模態(tài)求解起始值，從而能夠?qū)C(jī)床每一 個(gè)發(fā)生微小變化的工作位置進(jìn)行計(jì)算，并保證計(jì)算時(shí)間得到顯著的縮短；（5)根據(jù)數(shù)控機(jī)床 的現(xiàn)有技術(shù)水平，確定模型固有頻率計(jì)算的誤差允許范圍及計(jì)算時(shí)間（如根據(jù)機(jī)床實(shí)際進(jìn) 給速率，確定模型計(jì)算時(shí)間應(yīng)< Ims)。
[0031] 以西門子公司840D數(shù)控系統(tǒng)為例，如圖1所示，通過機(jī)床多體剛?cè)狁詈蠈?shí)時(shí)建模系 統(tǒng)，經(jīng)有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床相關(guān)零部件有限元網(wǎng)格劃分，得到零部件的柔性體模型，將柔性 體模型定義為超單元子結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)床進(jìn)給裝置的實(shí)時(shí)位置的不同，定義每一個(gè)實(shí)時(shí)位置 上超單元子結(jié)構(gòu)之間的連接單元，獲得機(jī)床系統(tǒng)在該實(shí)時(shí)位置的動(dòng)力學(xué)多體耦合模型;通 過動(dòng)力學(xué)仿真求解器對(duì)機(jī)床系統(tǒng)每一個(gè)實(shí)時(shí)位置動(dòng)力學(xué)多體耦合模型進(jìn)行降階處理，為機(jī) 床實(shí)時(shí)位置動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算提供精確、高效、可行的動(dòng)力學(xué)超單元模型;通過數(shù)控機(jī)床共享 內(nèi)存輸入/輸出接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)特性的仿真信號(hào)和數(shù)控機(jī)床數(shù)控軟件系 統(tǒng)之間的信號(hào)交互。通過共享內(nèi)存(I/O)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)任務(wù)(如CNC、SPS)、非實(shí)時(shí)任務(wù) (如HMI、仿真系統(tǒng)Virtuos，以及外掛設(shè)備)之間的數(shù)據(jù)和任務(wù)指令的交換;將有限元軟件中 生成的機(jī)床零部件柔性體連接在一起，生成多體剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)模型，在建模系統(tǒng) Virtuos.M中完成柔性體模型讀入，并將模型數(shù)據(jù)和指令傳輸給求解系統(tǒng)Virtuos. S，執(zhí)行 系統(tǒng)固有模態(tài)和振動(dòng)特性的計(jì)算。本發(fā)明利用可編程控制模塊，通過C/C++面向?qū)ο缶幊碳?術(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真環(huán)境和數(shù)控系統(tǒng)集成功能。首先通過編程實(shí)現(xiàn)建模環(huán)境Virtuos. M和求解環(huán)境 Virtuos. S之間的無縫集成;然后在Virtos.M環(huán)境下定義有限元柔性體模型的讀入方法，在 Virtos. S環(huán)境下定義連接單元子結(jié)構(gòu)，并通過連接子結(jié)構(gòu)將各柔性體連接在一起，建立多 體耦合動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行固有模態(tài)的求解;最后通過編程實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果和實(shí)時(shí)任務(wù)指令之 間的數(shù)據(jù)交換。
[0032] 通過在可編程控制模塊定義外掛設(shè)備接收信號(hào)過濾算法和開關(guān)動(dòng)作的算法，實(shí)現(xiàn) 數(shù)控機(jī)床的自我保護(hù)，來規(guī)避出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)CNC或者Virtos. S向SPS發(fā)出出錯(cuò)的變換信號(hào) 時(shí)，變換信號(hào)將通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)傳送給外掛設(shè)備，由外掛設(shè)備發(fā)出機(jī)床關(guān)閉指令，及時(shí)將 機(jī)床轉(zhuǎn)換到一個(gè)安全的工作狀態(tài)(如圖1所示）。
[0033] 同時(shí)，也可對(duì)機(jī)床下一個(gè)工作位置的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行一定條件下的預(yù)測(cè)，從而達(dá)到 機(jī)床自適應(yīng)智能控制的效果。通過對(duì)一個(gè)工作部-滑塊的簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行建模和計(jì) 算，來驗(yàn)證本項(xiàng)目中相關(guān)建模方法和算法的可靠性。最后建立一個(gè)簡(jiǎn)單的二軸機(jī)床模型，將 其多體模型和其控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，驗(yàn)證本項(xiàng)目中提出的通過多體耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果為 機(jī)床實(shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行控制和減振技術(shù)的可行性。
[0034] 本發(fā)明確定了 一種基于加加速度控制的加減速控制方法，采用限制加加速值，并 利用濾波器對(duì)加加速度進(jìn)行光滑處理，來減少加工中由于加加速突變而產(chǎn)生的機(jī)床振動(dòng)， 達(dá)到機(jī)床良好的加減速性能，實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量加工。
[0035] 經(jīng)過分析機(jī)床多體仿真模型中結(jié)合部剛度、阻尼等因素對(duì)機(jī)床固有模態(tài)計(jì)算精度 的影響，確定了系統(tǒng)實(shí)時(shí)固有頻率、進(jìn)給速度F、合成最大加速度amax、最大JERK數(shù)值Jmax、 進(jìn)給距離1和濾波長(zhǎng)度L等因素對(duì)加加速振蕩控制時(shí)插補(bǔ)周期的影響，通過定義一個(gè)優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)并通過其求得最佳的插補(bǔ)周期，進(jìn)而進(jìn)行機(jī)床系統(tǒng)的實(shí)時(shí)加加速控制，達(dá)到機(jī)床自 適應(yīng)控制的效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，將動(dòng)力學(xué)仿真信號(hào)作為數(shù) 控系統(tǒng)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)床仿真環(huán)境與數(shù)控系統(tǒng)信息集成，其特征在于： (1) 通過機(jī)床多體剛?cè)狁詈蠈?shí)時(shí)建模系統(tǒng)和有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床相關(guān)零部件有限元網(wǎng) 格劃分，得到零部件的柔性體模型;將柔性體模型定義為超單元子結(jié)構(gòu);根據(jù)機(jī)床進(jìn)給裝置 的實(shí)時(shí)位置的不同，定義每一個(gè)實(shí)時(shí)位置上超單元子結(jié)構(gòu)之間的連接單元，獲得機(jī)床系統(tǒng) 在該實(shí)時(shí)位置的動(dòng)力學(xué)多體耦合模型； (2) 通過動(dòng)力學(xué)仿真求解器對(duì)機(jī)床系統(tǒng)每一個(gè)實(shí)時(shí)位置動(dòng)力學(xué)多體耦合模型進(jìn)行降階 處理，為機(jī)床實(shí)時(shí)位置動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算提供精確、高效、可行的動(dòng)力學(xué)超單元模型；分析機(jī) 床多體剛?cè)狁詈夏Ｐ投嗔W(xué)方程的復(fù)雜程度和固有模態(tài)分析的邊界條件，建立一個(gè)目標(biāo)優(yōu) 化函數(shù)，通過求該目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，從而確定適合機(jī)床實(shí)時(shí)控制的固有模態(tài)最優(yōu)化算法 并進(jìn)行求解，得到機(jī)床實(shí)時(shí)位置的動(dòng)態(tài)特性信息； (3) 通過數(shù)控機(jī)床共享內(nèi)存輸入/輸出接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)特性的仿真信 號(hào)和數(shù)控機(jī)床數(shù)控軟件系統(tǒng)之間的信號(hào)交互； (4) 在可編程控制模塊中應(yīng)用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真求解器和機(jī)床數(shù)控 軟件系統(tǒng)的集成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于將待生成連接單元的進(jìn)給裝置柔性體上的邊長(zhǎng)或者面進(jìn)行平均劃分，將等距的域 按順序生成域向量，每個(gè)向量元素包含該域中的所有單元節(jié)點(diǎn)；可根據(jù)進(jìn)給裝置的運(yùn)動(dòng)方 向的一維、二維或者三維描述，定義相應(yīng)的一維、二維或者三維域向量;數(shù)控機(jī)床進(jìn)給裝置 的實(shí)時(shí)位置可以通過域向量中的某一元素進(jìn)行描述;建立進(jìn)給裝置實(shí)時(shí)位置的連接單元子 結(jié)構(gòu)時(shí)，選取該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的域向量中對(duì)應(yīng)該實(shí)時(shí)位置的向量元素，將其包含的單元節(jié)點(diǎn) 作為SLAVE單元;在對(duì)應(yīng)的需要建立連接單元的親合體上離SLAVE單元中心最近的節(jié)點(diǎn)作為 MASTER節(jié)點(diǎn)，生成SLAVE與MASTER之間的連接單元子結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于通過超單元模態(tài)綜合法，將連接子結(jié)構(gòu)應(yīng)定義為一個(gè)常量，并且可以提出矩陣;機(jī) 床實(shí)時(shí)位置的動(dòng)力學(xué)多體耦合模型主矩陣中，應(yīng)不包含連接子結(jié)構(gòu)變量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于當(dāng)生成某一實(shí)時(shí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)多體之間的連接單元子結(jié)構(gòu)時(shí)，通過編程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)刪除 模型中上一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的連接單元子結(jié)構(gòu);根據(jù)需要可建立彈簧或者彈簧-阻尼單元的連接 子結(jié)構(gòu)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于，通過研究機(jī)床動(dòng)力學(xué)矩陣方程的復(fù)雜程度和固有模態(tài)分析的邊界條件，比較 Jacobi 算法、Protenz法（包含Arnoldi，Lanczos，Jacobi-Davidson等算法）、QR算法、 Krylov下空間算法、Gersgor in估算法在計(jì)算時(shí)間、精確度及實(shí)現(xiàn)難易程度方面的差異，分 析各種方法使用的最大矩陣秩數(shù)、初始矩陣定義難易度，求解機(jī)床動(dòng)力學(xué)多體耦合模型，確 定數(shù)控系統(tǒng)固有模態(tài)和振動(dòng)特性。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于，在考察機(jī)床系統(tǒng)低階主模態(tài)的前提下，研究高階主模態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于，將機(jī)床系統(tǒng)前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的固有模態(tài)當(dāng)作下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)固有模態(tài)方程求解的起 始值，從而能夠?qū)C(jī)床每一個(gè)發(fā)生微小變化的工作位置進(jìn)行計(jì)算，并保證計(jì)算時(shí)間得到顯 著的縮短。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于根據(jù)實(shí)際機(jī)床進(jìn)給速度和加工精度的需求確定模型固有頻率計(jì)算的誤差允許范 圍及計(jì)算時(shí)間。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于通過在可編程控制模塊定義外掛設(shè)備接收信號(hào)過濾算法和開關(guān)動(dòng)作的算法，實(shí)現(xiàn) 數(shù)控機(jī)床的自我保護(hù)，來規(guī)避動(dòng)力學(xué)仿真求解器和機(jī)床數(shù)控軟件系統(tǒng)的集成時(shí)，由于模型 的本身特點(diǎn)及計(jì)算參數(shù)設(shè)置的原因，可能導(dǎo)致仿真環(huán)境和控制系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)， 當(dāng)數(shù)控機(jī)床或者仿真系統(tǒng)向可編程控制模塊發(fā)出出錯(cuò)的變換信號(hào)時(shí)，變換信號(hào)將通過現(xiàn)場(chǎng) 總線技術(shù)傳送給外掛設(shè)備，由外掛設(shè)備發(fā)出機(jī)床關(guān)閉指令，及時(shí)將機(jī)床轉(zhuǎn)換到一個(gè)安全的 工作狀態(tài);將外掛設(shè)備的總線集成到共享內(nèi)存輸入/輸出接口，在可編程控制模塊定義了外 掛設(shè)備接收信號(hào)過濾算法和開關(guān)動(dòng)作的算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自我保護(hù)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真及其與數(shù)控系統(tǒng)集成的方法，其 特征在于，以實(shí)時(shí)仿真信號(hào)結(jié)果為判斷依據(jù)，基于加加速度控制的加減速控制方法，采用限 制加加速值，并利用濾波器對(duì)加加速度進(jìn)行光滑處理，來減少加工中由于加加速突變而產(chǎn) 生的機(jī)床振動(dòng)，達(dá)到機(jī)床良好的加減速性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量加工，通過分析機(jī)床多體 仿真模型中結(jié)合部剛度、阻尼等因素對(duì)機(jī)床固有模態(tài)計(jì)算精度的影響，及研究系統(tǒng)實(shí)時(shí)固 有頻率、進(jìn)給速度、合成最大加速度、最大JERK數(shù)值、進(jìn)給距離和濾波長(zhǎng)度等因素對(duì)加加速 振蕩控制時(shí)插補(bǔ)周期的影響，定義了一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)并通過其求得最佳的插補(bǔ)周期，進(jìn) 而進(jìn)行機(jī)床系統(tǒng)的實(shí)時(shí)加加速控制，達(dá)到機(jī)床自適應(yīng)控制。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK105938329SQ201610216943
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】華青松, 周瓊瓊
【申請(qǐng)人】北京穩(wěn)力科技有限公司