數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與研究

1、*來稿日期:2007-05-25圖7顫振控制系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)函數(shù)曲線Fig.7Amplitude-frequency response curve of chatter control system由圖7可知,增加系統(tǒng)的阻尼能使振幅得到衰減,尤其是在共振區(qū)附近,通過控制電流變阻尼器的電場強(qiáng)度可以很方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼,大幅度減小振幅。因此,通過在線調(diào)節(jié)電流變液阻尼器的阻尼大小來控制切削顫振是一種既可行又高效的方法,通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓的大小可以大幅度減小振幅。4結(jié)語(1電流變液是一種智能材料,利用它的力學(xué)性能,尤其是黏度和剪切屈服應(yīng)力迅速、可逆變化這一特性,可得到一種易于控制、連續(xù)可調(diào)的阻尼介質(zhì),用

2、它做阻尼材料,可以對機(jī)床切削顫振進(jìn)行有效的控制。(2根據(jù)剪切模式電流變液阻尼器的工作原理,設(shè)計(jì)了一基于剪切模式的電流變阻尼器,其剛度系數(shù)KE 和阻尼系數(shù)CE 會隨電場強(qiáng)度的增高而增大,將其用于半主動控制中具有響應(yīng)速度快,控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。(3將剪切模式電流變液阻尼器安裝在普通刀座上,設(shè)計(jì)一個顫振控制專用刀座系統(tǒng),對該系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)模型建立和分析,最后通過計(jì)算機(jī)仿真表明通過調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度可以控制該系統(tǒng)的阻尼率,進(jìn)而大幅度減小振幅,能有效地進(jìn)行顫振控制。參考文獻(xiàn)1陶寶祺.智能材料結(jié)構(gòu)M.北京:國防工業(yè)出版社,19972魏宸官.電流變技術(shù)-機(jī)理材料工程應(yīng)用M.北京:北京理工大學(xué)出版社,20003張景繪

3、等.一體化振動控制M.北京:科學(xué)出版社,20054呂海波,張春良.電流變阻尼器應(yīng)用于切削顫振控制的研究J.機(jī)械加工與自動化技術(shù),2006(1:78801引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品需求的提高,工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)中所需工藝日益復(fù)雜,開發(fā)階段采用實(shí)物進(jìn)行測試的難度和成本不斷提高。采用硬件在環(huán)仿真技術(shù)可以有效降低開發(fā)費(fèi)用,縮短開發(fā)時間。在汽車和航空領(lǐng)域硬件在環(huán)仿真技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與研究馬昭樊留群張浩(同濟(jì)大學(xué)CMIS 研究中心,上海200083Development and research of simulation experimental platform for

4、 the control system of NC machine toolMA Zhao ,FAN Liu-qun ,ZHANG Hao (Tongji University ,CMIS Research Center ,Shanghai 200083,China """""""""""""""""""""""""""&quo

5、t;""""""""""""""#""""""""""""""""""""$%$"""""""""""""""

6、"""""$【摘要】介紹硬件在環(huán)仿真的概念,系統(tǒng)組成。對基于硬件在環(huán)仿真技術(shù)的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了系統(tǒng)分析,重點(diǎn)論述了平臺架構(gòu)中的軟件系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床部件的對象模型。實(shí)踐表明,在數(shù)控機(jī)床的開發(fā)過程中合理采用硬件在環(huán)仿真技術(shù)可以有效的縮短開發(fā)周期,降低測試成本,提高數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。關(guān)鍵詞:硬件在環(huán);控制系統(tǒng);對象模型【Abstract 】The concept,System composing of Hardware-in-the-loop simulation are introduced.The simulati

7、on experimental platform of Hardware-in-the-loop simulation application in the control System for NC Machine tool is also analyzed.Software system of the platform and each object model of NC ma-chine tool are put emphasis present.The practice indicates that it can effectively cut the development pe-

8、riod of NC Machine tool,save the test expenditure and enhance the reliability and security of control sys-tem for NC Machine tool by applying the hardware-in-the-loop simulation to the control system for NC Machine Tool.Key words:Hardware-in-the-loop ;Control system ;Object model中圖分類號:TH165文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A&a

9、mp;&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&文章編號:1001-39

10、97(200803-0133-03第3期2008年3月-133-Machinery Design &Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)與制造阻尼率!=0.1阻尼率!=0.3阻尼率!=0.5阻尼率!=0.7用,是其重要的研究方法,并且硬件在環(huán)仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段也在不斷完善和創(chuàng)新。數(shù)控機(jī)床制造業(yè)中同樣可以采用這項(xiàng)技術(shù),它可以為數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的快速調(diào)試和安裝提供有效的輔助手段,并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,對象模型功能的越加豐富,它必將深入到數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)階段,為數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)帶來巨大變革。2硬件在環(huán)仿真硬件在環(huán)仿真1(Hardware-in-the-loop Simulation ,HILS 是隨

11、著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種集多項(xiàng)技術(shù)為一體的綜合仿真技術(shù)3。它是根據(jù)控制系統(tǒng)中被控對象的功能和行為建立虛擬對象模型,控制器(硬件通過高速接口與對象模型相連接組成與實(shí)際控制系統(tǒng)操作類似的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。通過仿真實(shí)驗(yàn)可以對控制系統(tǒng)的控制策略、控制功能及系統(tǒng)可靠性等進(jìn)行測試和評估2。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)主要由三個部分組成:控制器、高速接口模塊和實(shí)時對象模型?？刂破鳟a(chǎn)生控制信號并接收實(shí)時對象模型的反饋信號;高速接口進(jìn)行信號的采集和傳輸;計(jì)算機(jī)提供人機(jī)界面配置對象實(shí)時模型的參數(shù),對象實(shí)時模型根據(jù)接受的信號模擬實(shí)際被控對象的行為。3數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺3.1系統(tǒng)總體構(gòu)成本文所介紹的數(shù)控機(jī)床

12、控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺,如圖1所示。圖1實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)平臺自下向上分為四個層次:設(shè)備層、數(shù)據(jù)傳輸層、仿真模擬層和人機(jī)界面層。設(shè)備層為不同的實(shí)際控制器(如PLC 或數(shù)控設(shè)備發(fā)送控制命令;數(shù)據(jù)傳輸層采用NI (National In-struments 數(shù)據(jù)采集卡,型號可根據(jù)需要選定,負(fù)責(zé)上層和下層信號的采集和傳輸,實(shí)現(xiàn)高速接口模型的功能。本實(shí)驗(yàn)平臺采用M 系列PCI-6251和PCI-6514兩款數(shù)據(jù)采集卡;仿真模擬層根據(jù)控制策略模擬具體設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并將相關(guān)信息傳遞給其它對象模型;人機(jī)界面層實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,配置對象模型的參數(shù)。3.2硬件選擇本實(shí)驗(yàn)平臺目前主要針對3MK207數(shù)控軸承套圓磨床(其

13、他機(jī)床類型可根據(jù)需要進(jìn)行開發(fā),控制器為OMRON-CJ1M 中型PLC ,其它類型的控制器可以根據(jù)需要選擇,NI 都有與之匹配的數(shù)據(jù)采集卡。NIM 系列PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡具有16路模擬輸入,16位分辨率,模擬和數(shù)字觸發(fā),兩個32位計(jì)數(shù)器/定時器,實(shí)現(xiàn)模擬信號的采集和發(fā)送,數(shù)據(jù)采集速度可以達(dá)到毫秒級;PCI-6514具有64路光電工業(yè)數(shù)字I/0通道。這些通道的100針連接器可與100針附件牢固連接,具有可靠的工業(yè)應(yīng)用特性,實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號的采集和發(fā)送。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明,數(shù)據(jù)采集卡所有通道完成一次數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的時間約為(79ms ,可以滿足數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)實(shí)時性的要求。數(shù)據(jù)采集卡還可以根據(jù)實(shí)際

14、控制系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行靈活的擴(kuò)展。軟件系統(tǒng)采用微軟.NET 技術(shù)開發(fā),主要分為三個部分:用戶設(shè)計(jì)平臺、對象模型和硬件端口配置窗口。用戶設(shè)計(jì)平臺借鑒Labview 軟件框架分為前面板和后面板,前面板編輯對象模型,配置對象模型的參數(shù),實(shí)現(xiàn)對象模型的可視化;后面板進(jìn)行對象模型的邏輯關(guān)聯(lián);硬件端口配置窗口列出計(jì)算機(jī)中所安裝的數(shù)據(jù)采集卡,并由用戶根據(jù)需要配置數(shù)據(jù)采集卡端口地址,與實(shí)際控制系統(tǒng)匹配。程序執(zhí)行分為三個部分:輸入過程映像區(qū),循環(huán)掃描,輸出過程映像區(qū)。當(dāng)用戶配置完仿真模型參數(shù),開始循環(huán)掃描時,仿真計(jì)算機(jī)先將數(shù)據(jù)采集卡信號寫入過程映像區(qū),然后仿真模型從輸入過程映像區(qū)得到對應(yīng)數(shù)據(jù),執(zhí)行內(nèi)部算法,并

15、將結(jié)果寫入輸出過程映像區(qū),一次循環(huán)結(jié)束后,仿真計(jì)算機(jī)將輸出過程映像區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集卡,然后進(jìn)行新的循環(huán)。由數(shù)據(jù)采集卡完成控制器與仿真計(jì)算機(jī)之間的信息通訊,仿真計(jì)算機(jī)監(jiān)控控制器的指令。在對3MK207數(shù)控機(jī)床分析的基礎(chǔ)上,對象模型主要包括卡盤、磨架、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、儀表架、修整器、主動測量儀、電磁閥、變頻器、指示燈和按鈕等部件。(1卡盤具有一個數(shù)字輸入信號:激磁;兩個數(shù)字輸出信號:卡盤有磁和故障信號。當(dāng)上料到位時,控制器發(fā)出激磁信號,卡盤對象模塊接受到信號后,首先判斷是否有故障存在(故障根據(jù)一定幾率給出,如果沒有則改變顏色以表示卡盤有磁,并根據(jù)用戶配置端口號向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出卡盤有磁信號,數(shù)據(jù)采集卡

16、將信號反饋給控制器。(2磨架具有三個數(shù)字輸入信號:磨架進(jìn)、磨架退和磨架停;兩個數(shù)字輸出信號:到達(dá)磨架前位和到達(dá)磨架后位。用戶可以配置磨架當(dāng)前位置、前位位置和后位位置參數(shù)。磨架狀態(tài)不通顏色區(qū)分,并根據(jù)所配置參數(shù)和接受信號進(jìn)行移動。(3進(jìn)給機(jī)構(gòu)具有兩個數(shù)字輸入信號:進(jìn)使能、退使能,一個計(jì)數(shù)器信號:脈沖數(shù);輸出信號包括四個數(shù)字信號:工件尺寸偏置,驅(qū)動器故障,是否到達(dá)進(jìn)給前極限,是否到達(dá)進(jìn)給后極限。用戶可以設(shè)置起始位置,粗磨結(jié)束位置,補(bǔ)償結(jié)束位置,脈沖當(dāng)量,前極限位置,后極限位置等參數(shù)。(4主動測量儀具有測量使能,當(dāng)前工件尺寸,兩個輸入信號,測量使能為數(shù)字量信號由控制器給出,當(dāng)前工件尺寸可以由PLC

17、設(shè)備數(shù)控設(shè)備信號匹配虛擬信號虛擬儀表架虛擬工裝夾具設(shè)備控制策略虛擬進(jìn)給人機(jī)界面系統(tǒng)配置設(shè)備配置-134-第3期馬昭等:數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與研究用戶選定的對象模型給出,這里由進(jìn)給機(jī)構(gòu)給出。輸出信號包括四個數(shù)字輸出信號:毛坯尺寸合格,粗磨尺寸到,精磨尺寸到和工件尺寸到。用戶可以配置主動測量儀的補(bǔ)償值和相應(yīng)的可視化參數(shù)。對象模型都是根據(jù)設(shè)備實(shí)際功能和運(yùn)行過程進(jìn)行開發(fā),一般都分為輸入端口,內(nèi)部算法,輸出端口三個部分。仿真模塊既可以與控制器進(jìn)行通信也可以與其他仿真模塊通信。整個程序的進(jìn)程由控制器程序進(jìn)行控制。4實(shí)例說明下面以卡盤對象模型為例說明仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)架和使用流程。數(shù)據(jù)采集卡將信

18、號反饋給控制器。圖2設(shè)備列表窗口圖3地址配置窗口首先進(jìn)入前面板,點(diǎn)擊“設(shè)備檢查和初始化”按鈕,檢查計(jì)算機(jī)安裝的數(shù)據(jù)采集卡是否有故障,如果沒有,點(diǎn)擊“設(shè)備列表”按鈕,彈出設(shè)備列表窗口(見圖2。設(shè)備列表窗口列出了計(jì)算機(jī)中安裝的數(shù)據(jù)采集卡,雙擊相應(yīng)位置彈出地址配置窗口(見圖3,配置對應(yīng)設(shè)備的端口地址,地址配置完成后進(jìn)入前面板,從左邊的“工具箱”中選擇需要的對象模型,這里選擇卡盤對象模型(見圖4,同時自動生成后面板卡盤對象模型(見圖5。雙擊對象模型配置對象模型的參數(shù),前面板為可視化參數(shù)和功能參數(shù),后面板為關(guān)聯(lián)的對象模型和端口。參數(shù)配置完成后,點(diǎn)擊“循環(huán)掃描”按鈕,監(jiān)控對象模型的運(yùn)行,測試和評估控制系統(tǒng)的控制策略、控制功能及系統(tǒng)可靠性。最后點(diǎn)擊“停止掃描”退出循環(huán)。圖4前面板圖5后面板5結(jié)論針對日益復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床,設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng),它作為控制系統(tǒng)的測試平臺,可以有效的模擬機(jī)床不同部件的運(yùn)行情況,并對整個控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行直觀的判斷分析。本實(shí)驗(yàn)平臺具有幾個特點(diǎn):(1仿真計(jì)算機(jī)完全模擬真實(shí)的機(jī)床設(shè)備,對象模型所發(fā)出的指令和所接受的信息由仿真計(jì)算機(jī)提供,使控制器完全運(yùn)行在模擬的真實(shí)環(huán)境中。(2仿真計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)可以根據(jù)需要構(gòu)建對象模