數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)建模仿真分析與課件

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)建模仿真分析與設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化機(jī)械08061、課題來源本課題來源于華中科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)，由CAD中心指導(dǎo)。指導(dǎo)老師黃運(yùn)保王啟富2、課題研究目的和意義2.1、研究目的課題以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)為實(shí)例，建立通用的進(jìn)給系統(tǒng)多領(lǐng)域模型庫，解決進(jìn)給系統(tǒng)多領(lǐng)域耦合問題，為統(tǒng)一模型仿真精度的進(jìn)一步提高提供理論基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)的加工系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在加工系統(tǒng)的加工精度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍上提出了更高的要求，建模仿真技術(shù)是進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能的重要手段，如何進(jìn)行高效率、高精度的仿真成了進(jìn)給系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。(3)機(jī)床優(yōu)化運(yùn)行要求：通過對(duì)機(jī)床性能檢測(cè)(溫升、變形等)評(píng)估，可以優(yōu)化機(jī)床的運(yùn)行，可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。建立系統(tǒng)的統(tǒng)一模型是進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)必須完成的工作。(4)仿真開發(fā)效率的要求：當(dāng)前，國內(nèi)機(jī)床技術(shù)發(fā)展與國外相比還有一定的差距，機(jī)床各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)變得復(fù)雜而難掌握。機(jī)床仿真模型庫的開發(fā)應(yīng)用，可以在較短的時(shí)間內(nèi)搭建仿真系統(tǒng)模型，有效地提高機(jī)床的建模效率，降低開發(fā)周期?；谏鲜隹紤]，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)各種影響因素都提出了很高的要求，這就需要我們應(yīng)用仿真模型和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。3、研究現(xiàn)狀和相關(guān)背景3.1多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)復(fù)雜產(chǎn)品通常是機(jī)械、控制、電子、液壓、氣動(dòng)和軟件等多個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域子系統(tǒng)的綜合組合體。要對(duì)這些復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行完整、準(zhǔn)確的仿真分析，靠單個(gè)領(lǐng)域的仿真是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，多領(lǐng)域建模及協(xié)同仿真技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，它對(duì)于完整研究復(fù)雜產(chǎn)品的行為具有重要意義。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等不同分系統(tǒng)構(gòu)成的有機(jī)整體，這些子系統(tǒng)分屬于不同的學(xué)科領(lǐng)域，各個(gè)子系統(tǒng)間存在著多物理過程及多參量復(fù)雜耦合關(guān)系，而機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能研究由各個(gè)子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系和系統(tǒng)輸入等因素決定，且子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也不是僅由單個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)就能完全確定的，它還受與之耦合的其他子系統(tǒng)的影響。為建立進(jìn)給系統(tǒng)的統(tǒng)一模型，問題的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)內(nèi)部多領(lǐng)域間的統(tǒng)一耦合。目前針對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能研究的越來越多，但仍然局限于分系統(tǒng)或針對(duì)單領(lǐng)域，很少涉及到多個(gè)領(lǐng)域間的統(tǒng)一建模與仿真。多領(lǐng)域建模是協(xié)同仿真分析的前提，目前多領(lǐng)域建模方法主要有三種：一種是基于接口的方法；一種是基于高層體系結(jié)構(gòu)(HighLevelArchitecture,HLA)的方法，還一種則是基于統(tǒng)一語言的方法。（1）基于接口的多領(lǐng)域建?；诮涌诘姆椒ㄊ浅浞职l(fā)揮各領(lǐng)域商用仿真軟件在各自領(lǐng)域的特長(zhǎng)，利用它們分別完成各自領(lǐng)域仿真模型的構(gòu)建，然后基于各領(lǐng)域商用仿真軟件之間提供的接口完成多領(lǐng)域建模，從而實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域模型之間的“協(xié)同仿真運(yùn)行”，達(dá)到對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試與評(píng)估的目的?；诮涌诘亩囝I(lǐng)域建模技術(shù)的關(guān)鍵是正確利用支持多領(lǐng)域建模的商用仿真軟件之間的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，以充分發(fā)揮各軟件的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)彼此的不足。當(dāng)然，我們也應(yīng)該看到它存在的很多缺點(diǎn)：①仿真軟件需提供軟件接口，建立接口處耦合關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模；②軟件接口屬商業(yè)公司私有，不具備開放性與標(biāo)準(zhǔn)性，擴(kuò)充困難。它的主要缺點(diǎn)如下：①領(lǐng)域組件建模需得到各領(lǐng)域商用仿真工具的合作；②人為割裂各領(lǐng)域子系統(tǒng)間的耦合，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)集成較困難；③針對(duì)不同仿真應(yīng)用配置編寫代碼，在多個(gè)求解器步長(zhǎng)協(xié)調(diào)方面存在技術(shù)難題。（3）基于統(tǒng)一建模語言的多領(lǐng)域建?；诮y(tǒng)一建模語言的多領(lǐng)域建模方法具有建立與領(lǐng)域無關(guān)的通用模型的能力，可實(shí)現(xiàn)任意特定領(lǐng)域的統(tǒng)一建模。由于其模型描述形式相同，故基于統(tǒng)一建模語言的多領(lǐng)域建模方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同領(lǐng)域模型間的無縫集成和數(shù)據(jù)交換。其中，最為常用的是Modelica語言。Modelica語言是為解決多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真，在歸納和統(tǒng)一先前多種建模語言的基礎(chǔ)上，于1997年提出的一種基于方程的陳述式建模語言。Modelica語言采用數(shù)學(xué)方程描述不同領(lǐng)域子系統(tǒng)的物理規(guī)律和現(xiàn)象，根據(jù)物理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于語言內(nèi)在的組件連接機(jī)制實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)成和多領(lǐng)域集成，通過求解微分代數(shù)方程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行。該語言可以為任何能夠用微分方程或代數(shù)方程描述的問題實(shí)現(xiàn)建模和仿真。3.2、進(jìn)給系統(tǒng)建模仿真研究現(xiàn)狀

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)一直是機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新的焦點(diǎn)，同時(shí)也是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。該技術(shù)側(cè)重于系統(tǒng)層次的性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過建立進(jìn)給系統(tǒng)的多領(lǐng)域模型并進(jìn)行虛擬試驗(yàn)可精確、快捷預(yù)測(cè)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的性能。目前國內(nèi)外有關(guān)進(jìn)給系統(tǒng)統(tǒng)一模型的設(shè)計(jì)、建模、分析、優(yōu)化等方面的研究和開發(fā)已展開。國內(nèi)外對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的性能研究都建立在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，故機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的建模是實(shí)現(xiàn)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能研究的有力手段。尋求機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)方便快捷的建模方法一直是關(guān)注的焦點(diǎn)，上述研究中動(dòng)力學(xué)模型與熱模型的不可重構(gòu)、不可擴(kuò)展、單一性嚴(yán)重影響了進(jìn)給系統(tǒng)研究的效率，建立進(jìn)給系統(tǒng)統(tǒng)一模型庫勢(shì)在必行，Modelica的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的建模仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其成為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能研究的首選，相關(guān)方面的研究目前才剛剛起步。對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多領(lǐng)域建模做進(jìn)一步嘗試，結(jié)合多領(lǐng)域仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)統(tǒng)一仿真模型的建立，提高模型的仿真精度，將成為今后工作的重點(diǎn)所在。加工過程仿真作為虛擬制造技術(shù)的重要組成部分，國內(nèi)外已作了大量的研究。數(shù)控加工過程仿真包括幾何仿真和物理仿真兩個(gè)部分。幾何仿真將刀具與工件視為剛體，不考慮切削參數(shù)、切削力及其他因素對(duì)切削加工的影響，只是對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行翻譯，產(chǎn)生刀具位置數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件和刀架運(yùn)動(dòng)。刀具對(duì)工件進(jìn)行虛擬切削，同時(shí)檢查是否有碰撞、干涉。物理仿真包括加工精度分析，切削過程的熱變形，切削力作用下的系統(tǒng)彈性變形、夾緊變形，以及機(jī)床的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)分析等。4、課題內(nèi)容本文主要是通過對(duì)數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的多領(lǐng)域模型分析，建立具有一定通用性的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)模型庫，主要從機(jī)、電、控、熱四個(gè)方面綜合考慮，以便精確獲取進(jìn)給系統(tǒng)的性能特征，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型庫搭建模型仿真的準(zhǔn)確性和可行性。主要內(nèi)容如下：數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)Modelica建模；數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)Modelica建模；數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件Modelica建模；數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)Modelica建模；數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)仿真分析；數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。5、預(yù)期目標(biāo)（1）熟悉數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理；（2）熟悉并掌握在MWorks平臺(tái)下Modelica建模的方法，為數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)建模；進(jìn)給系統(tǒng)的Modelica模型如下：6.計(jì)劃安排

翻譯英文文獻(xiàn)、閱讀參考文獻(xiàn)1~2周開題答辯3~5周數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件三維CAD建模6~8周數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)Modelica建模9~10周數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)仿真分析10~11周數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化12~13周裝備圖繪制、論文撰寫14~16周答辯17周7.參考文獻(xiàn)

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