摘（zhāi） 要：以 HMC630 臥式（shì）加工中心進給係統為對象，建立加工中心三維模型，利用三閉環比例積分微分（PID）控製方法建立三（sān）環伺服控製係統，搭建加工（gōng）中心機電聯合仿真平台。 仿真結果（guǒ）表明，仿真平台能夠得到接近（jìn）於真實情況的加工軌跡，並得到加工中（zhōng）心進（jìn）給驅動係統的動力學參數（速度、加速度、位移、載荷等）。 對加工軌跡的（de）分析，將有助於（yú）對加工中心進行軌跡預測及路徑優化。
 
        關鍵詞（cí）：加工中心 進給驅動係統 剛柔耦合 聯合仿真
 
        在高速加工技術中， 數控機床的進給驅動係統要求具有高速度和高加速度。 進給驅動部件（jiàn）動態特性（xìng）的優良不僅影響機床的工（gōng）作性能和加工精度， 而且對進給伺服驅動係統的伺服性能也（yě）有很大影響［1-3］。 因此，必須深入研（yán）究進給驅動（dòng）機構的動態特性（xìng）。 以往（wǎng）對進給驅動係統的（de）仿真研究大多建立在多（duō）剛體（tǐ）動力（lì）學模型的基礎上，導致結果往往達不到精度要求［4-6］。
 
        筆者基於對加工中心進給驅（qū）動（dòng）係統的發展現狀和機械動力學仿真等方麵的研究， 結合多（duō）體係統動力理論，運用（yòng） Pro/E 和 ADAMS 軟件（jiàn）建立了加（jiā）工中心進給驅動（dòng）係統的（de）動力學模（mó）型。 考（kǎo）慮到部分柔性構件變形（xíng）對整個運（yùn）動過程的影響， 將部分剛性（xìng）構（gòu）件轉換為柔性構件，建立（lì）更符合（hé）實際情況的（de）剛（gāng）柔耦合（hé）動力學模（mó）型。之後通過 Simulink 建立加工中心的伺服控製係統， 並（bìng）通過ADAMS/Control 將建（jiàn）立的控製係統與 ADAMS 機械係統模型連接起來，搭建機電聯合仿真平台。在仿真（zhēn）平台上進行運動仿真， 獲得加（jiā）工中心的三軸加工（gōng）軌跡及動態特性（xìng）參數。
 
       1 、進給驅動係統簡介
 
       如（rú）圖 1 所示， 加工中心（xīn）進給驅動係統由執行電機來（lái）驅（qū）動執行構件，實現加工中心的精確進給運動。進給原理為：利用數控裝（zhuāng）置發出控製指令給伺服電機，伺服電機經聯軸器與滾珠絲杠直接相（xiàng）連， 驅動滾珠絲杠母副作（zuò）旋（xuán）轉運動， 通過（guò）絲杠螺母帶動工作（zuò）台作直線運動（dòng）［7］。

       
  
       圖 1 驅（qū）動係統結構示意圖
 
 
       2 、HMC630 臥式（shì）加工中心進給驅動係統（tǒng）剛柔耦合虛擬樣機模型的建立（lì）
 
       2.1 HMC630 加工中（zhōng）心機械模型的建立（lì）
 
       利用 Pro/E 軟件建立加工中心各零件及裝配體的（de）三維模（mó）型，並導入 ADAMS View 中進行分（fèn）析。 對導入到 ADAMS 中的三維模型添加相應的約束和驅動，添加的部分約束（shù）見表 1，定義約束後的模型如圖 2 所示。在滾珠絲杠上添加一個常數驅（qū）動， 以驗（yàn）證模型的正確性（xìng）。 若驗（yàn）證結果有誤（wù），則修改直至正確。 若驗證正確，則解除施加在（zài）驅動關節處的常數驅動，在此處施加一（yī）個（gè）單向驅動力矩，此力矩由控製係統輸入，即電機輸出的驅動轉矩。
 
 
                               表1 添加（jiā）的（de）約束列表
     
  
  
      2.2 滾珠絲杠（gàng）柔性體的（de）建立
 
      進（jìn）給驅動係（xì）統是加工中心的重要組（zǔ）成部分，它的動態特性直接影響加工中（zhōng）心的加工精度。將滾珠絲杠作為柔性體（tǐ），建立多柔（róu）體係統的模型，這樣更貼近於實際，更能提高（gāo）仿
真的精度［8］。
  

     
  
      圖 2 添（tiān）加約束後的加工中心模型圖
 
      生成柔性體部件，即模態中性文件（jiàn）有很多方式，可以（yǐ）利用其它有限元軟件如 ANSYS、ABAQUES 等生成再導（dǎo）入（rù）到 ADAMS 中，也可以利（lì）用 ADAMS 自帶（dài）的柔性體模塊 。 筆者 采 用 ADAMS 自 帶 的 柔 性 體 模 塊ADAMS Flex，選用模式為直接將導入模型的某個剛性部（bù）件轉化為柔性部件， 之（zhī）前添加在剛性部件上的約束和驅動力矩相（xiàng）應地轉移到轉化後的柔性部件上， 不需要再次添加。生成的滾珠（zhū）絲杠柔性體如圖（tú） 3 所示。滾珠絲杠的（de）前六階模態振（zhèn）型如圖 4 所示（shì）， 前（qián）六階模態參（cān）數見表 2。 從圖 4 可以看出（chū）滾珠絲杠在（zài）第三階模態（tài）後開始產生明顯變形，之後隨著（zhe）模態階數的（de）增加，滾珠絲杠（gàng）產生的彎曲變形越來越劇烈。
 
 
                                     表（biǎo） 2 滾珠絲杠前六階振動頻率
     
     
  
      2.3 多剛體模型與剛柔耦合模型仿真（zhēn）結果對比
 
      在ADAMS 中對多剛 體模型和剛柔（róu）耦合模型輸（shū）入（rù）相同的電機轉速18 000 °/s （按（àn）電機額定轉速 3 000r/min 計算（suàn）轉化而得）， 設置仿真時間 0.5 s，仿真步數 100 步，對兩個（gè）模型（xíng）進行運動（dòng）仿真， 並將兩個模（mó）型工作台的位移和速度進行對比。對比圖 5 和圖 6 可知， 加工中（zhōng）心的位移曲線（xiàn）是一致的（de）。 但對比圖7 和圖（tú） 8 可知， 剛柔耦合模（mó）型工作台速度曲線呈現（xiàn）一定的波動， 主（zhǔ）要原因是剛柔（róu）耦合模型中考慮了滾珠絲杠（gàng）的彈性變形， 這樣會造（zào）成加（jiā）工中心的振動， 進而影響加工中心的加工精度。 所以對加工中心動力學
建模時， 將滾珠絲杠作為柔性（xìng）體來（lái）處理更符（fú）合實際情況（kuàng）， 仿真結果（guǒ）更為（wéi）精準。
  
     
  
      3 、加工中心進給伺服控製係統的設計
 
      加工中心進給係統是一個（gè）單輸入、 多輸出的複雜強耦合機電一體化係統， 要（yào）對其運動過程實（shí）現（xiàn）比較精確的（de）控製， 就（jiù）必須采用雙閉（bì）環或多閉環的運動控製（zhì）方法，使其能夠比較準確地跟蹤預定的軌跡路線［9-10］。 加工中心三軸伺服控製圖如圖 9 所示。

  
      通過對（duì）速度（dù）環、位置環參數的調節，實現了 3 個進給軸對於階躍信號的快速響應， 三軸參數調節前後響應情況如圖（tú） 10~圖（tú） 12 所示。
 
      通過 ADAMS/Control 將 ADAMS 建立的剛柔耦合模型導（dǎo）入 Simulink， 作為（wéi） Simulink 機電聯合仿真平台的機械模塊。圖 13 所示為完整（zhěng）的（de）加工中心三軸進給機電聯合仿真平台。
  
     
  
      
  

       
 
       圖 9 三軸伺服控製係（xì）統
  

      
  
       圖 10 X 軸伺服控製係統階躍響（xiǎng）應曲線
  
  

      
       圖 11 Y 軸伺服控製係統階躍響應曲線
  

      
  
       圖 12 Z 軸伺服控製（zhì）係統階躍響應曲線（xiàn）
  

      
  
       圖（tú） 13 加工中心機電（diàn）聯合仿真平台

       4、 聯合仿真結果分析
   
      通過 M 語言編寫 S 函數數（shù）控指令作為輸入信號（hào），在機電聯合仿真平台上分別給 X、Y、Z 3 個（gè）運動軸輸入進給運動數控指令， 然（rán）後（hòu）開始聯合運動仿真。 仿真（zhēn）結束（shù）後， 分別將（jiāng）各軸的響應曲線整合為（wéi）平麵加工軌跡與空間加工軌跡， 並將聯合仿真軌跡與理想加工（gōng）軌跡進行對比，如圖 14~圖 18 所示。 根據對比結（jié）果可知，此聯合仿真平台能夠真實（shí）地模擬加工中心的加工情況，無論整體軌跡圖（tú）還是局部（bù）放（fàng）大圖， 聯合仿（fǎng）真軌跡都與理想加工軌跡很接近，隻存（cún）在（zài）微小的偏差［11］。

        圖 14 XY 平麵加工軌跡比較
  

       
  
        圖 15 圖 14 中 1 處（chù）局部放大圖
  

       
  
        圖 16 三維空間加工軌跡比較

  
  
       
    
       5 、結束（shù）語
 
      通過應（yīng）用 Pro/E 和 ADAMS 建立了臥式加工中（zhōng）心的多剛體（tǐ）動力學模型， 將其（qí）中容易變形的滾珠絲杠轉換為柔性體，建立了更真實的剛柔耦合動力（lì）學模型。將剛柔耦合模型與 Simulink 中建立的三軸進給伺（sì）服控製係統聯合，建立加工中心機電聯合仿真平台。通過該聯合仿真平台模擬加工中（zhōng）心的加工軌（guǐ）跡，結果（guǒ）證（zhèng）明，聯合仿真軌跡與理（lǐ）想加工軌跡非常接近， 不僅驗證（zhèng）了聯合仿真平台的正確性， 而且可以為加工中心加工（gōng）軌跡預測與路（lù）徑優化提（tí）供（gòng）依據。 在 ADAMS 後處理模塊中獲得的（de）大量加工中心動力學（xué）參數 （速（sù）度（dù）、 加速度、 載（zǎi）荷等（děng）），將有助於物理樣機的設計與研製，為（wéi）加工中心的開發提供了一種新（xīn）的（de）途徑（jìng）。