多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)

多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)隨首機床向髙i也高祐方向發(fā)展以■及趙高世切削技術(shù)的廣泛需求“高述切削機床的廿發(fā)與研兗主耍集屮在鬲述主軸系統(tǒng)、鬲述進給系統(tǒng)、機床總休結(jié)松的改進、高性能數(shù)控系統(tǒng)等兒個方1『?高述切削是高切削汕度、高進給率*1小切削量的組合，講給述度為傳統(tǒng)5-10倍.這就要求機床進給系統(tǒng)仃鬲進給速度、氏好的加減述特性、高晴度、快響痕、寬調(diào)HI范舉等特性卩I相比充師加二系統(tǒng).高過進給系統(tǒng)的設(shè)計在加匚系統(tǒng)的加I常度*穩(wěn)定性加應(yīng)用范圍I提出了更高的要求.建模仿真技術(shù)是進—步研宛設(shè)計乘統(tǒng)性能的重要手段,如何進行高效率、高精度的倩真成了進給累統(tǒng)研兗的關(guān)注熱點°機床進給乘統(tǒng)的建模仿車的意2與重耍性主耍從以卜兒個方ini考慮：(L)機床進給傳動泵統(tǒng)模型研發(fā)的耍求L討部件設(shè)計時.必須葆刻理解各部件在?:『能二件釜件卜的物理特性耍求口瀝乘統(tǒng)建愎與仿直是丨|前通用的乎段-⑵機床伺服桌統(tǒng)設(shè)計要求L隨著饑床技術(shù)的快速發(fā)展.對機床伺服耕度的要求越來越高-為保込粘度要求.恆服控制方法乜變得驚豆?IM建立伺服控制系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)進行分析以達到提高機床精度設(shè)計的前提條件。機床優(yōu)化運行要求：通過對機床性能檢測(溫升、變形等)評估，可以優(yōu)化機床的運行，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。建立系統(tǒng)的統(tǒng)一模型是進一步優(yōu)化機床運行狀態(tài)必須完成的工作。仿真開發(fā)效率的要求：半前，國內(nèi)機床技術(shù)發(fā)展與國外相比還有一定的差距,機床齊系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運動變得復(fù)雜而難掌握。機床仿真模型庫的開發(fā)應(yīng)用，可以在較短的時冋內(nèi)搭建仿真系統(tǒng)模型，有效地提高機床的建模效率，降低開發(fā)周期’基于上述考慮，機床進給系統(tǒng)對各種彤響因子都提出了要求，為高精度的模擬進給系統(tǒng)，迫切需要能快速構(gòu)建機床進給系統(tǒng)統(tǒng)一仿真模型。作為機床的“執(zhí)行乎”，機床進給系統(tǒng)是由機械傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等不同分系統(tǒng)構(gòu)成的有機整體，這些子系統(tǒng)分屬于不同的學(xué)科領(lǐng)域?齊個子系統(tǒng)間存在著多物理過程及多參雖復(fù)雜耦合關(guān)系.而機床進給系統(tǒng)動態(tài)性能研紀由各個子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系和系統(tǒng)輸入等因素決定.且子系統(tǒng)的動態(tài)性能也不是僅Itl單個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)就能完全確定的.它還受與Z耦合的其他子系統(tǒng)的影響。為建立進給系統(tǒng)的統(tǒng)一模型.技術(shù)難題在于如何實現(xiàn)進給系統(tǒng)內(nèi)部多領(lǐng)域間的統(tǒng)一耦合。LI前針對機床進給系統(tǒng)性能研究的越來越多.但仍然局限于分系統(tǒng)或針對單領(lǐng)域.很少涉及到多個領(lǐng)域間的統(tǒng)一建模與仿真，冋時基于多領(lǐng)域址綱難統(tǒng)一，這無疑制約了系統(tǒng)仿真精度。基于口前所面臨的問題，部分學(xué)者?采用不同的建模方法和技術(shù)途徑探索出了進給系統(tǒng)的多領(lǐng)域建模與仿真，大都采用基數(shù)據(jù)的建模方式.在考慮領(lǐng)域間的耦合關(guān)系時有一定的局限性：而基于統(tǒng)一語言Modelica的建模方法以其諸多優(yōu)點(可實現(xiàn)參數(shù)化、欖塊化、圖形化建模等)成功應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空發(fā)動機等復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真方而，實現(xiàn)了在同一軟件平臺下實現(xiàn)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)模型的組裝，解決了異構(gòu)環(huán)境數(shù)據(jù)交互問題，實現(xiàn)了多領(lǐng)域雖綱的統(tǒng)一。為適應(yīng)現(xiàn)代機床的高速、高效、高精發(fā)展，傳統(tǒng)的機床進給系統(tǒng)的設(shè)計建模方法已滿足不了發(fā)展需求。本文將甬繞機床進給系統(tǒng)的多領(lǐng)域耦合建模與仿真展幵研究.結(jié)合具有優(yōu)勢的多領(lǐng)域建模技術(shù).提出采用統(tǒng)一語育Modclica的建模方法來實現(xiàn)機床進給系統(tǒng)的模塊化建模仿真.建立機床進給系統(tǒng)的模型庫.構(gòu)建機床進給系統(tǒng)的統(tǒng)一仿真嘆型，從而可實現(xiàn)機床進給系統(tǒng)的高效建模.有利于進行機床進給系統(tǒng)的多領(lǐng)域耦合訪真和整體性能分析.提高仿真分析精度。該研究的展開為進一步實現(xiàn)機床的統(tǒng)一建嘆奠定了基礎(chǔ)。1.2多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)是將機械、電子、液壓、控制等不同學(xué)科領(lǐng)域的模型組裝成為一個可以協(xié)同仿真的耦合仿真系統(tǒng)模型⑺。多領(lǐng)域系統(tǒng)的建模技術(shù)經(jīng)歷了從單一領(lǐng)域獨立建模到多卞領(lǐng)域統(tǒng)一建模、而向過程建模到而向?qū)ο蠼L的發(fā)展階段。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、航空航人E行器等復(fù)雜多領(lǐng)域產(chǎn)品(涵孟了機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等多個領(lǐng)域)的特性研究，故要完整準確的描述復(fù)雜產(chǎn)品的行為，就必須建立各領(lǐng)域子系統(tǒng)的整體耦合模型進行協(xié)同仿真⑴。口前，多領(lǐng)域建模仿真技術(shù)方法主要有3種：基于接口的建模方法、基于高層體系結(jié)構(gòu)的建模方法和基于統(tǒng)一語言的建模方法?；诮涌诘亩囝I(lǐng)域建模仿真方法基于接口的多領(lǐng)域建欖方法先利用某領(lǐng)域商用仿真軟件完成模型構(gòu)建，再通過各領(lǐng)域商用仿真軟件zmj的接口，實現(xiàn)多領(lǐng)域建模，仿真過程通常利用各領(lǐng)域商用仿真軟件提供的協(xié)同仿真功能?實現(xiàn)不同領(lǐng)域模型Z冋的協(xié)同仿真⑷，如圖L1所示。女11,福特公司應(yīng)用ADAMS和Xmaih軟件對車輛姿態(tài)控制系統(tǒng)VAC建模仿真?:Visteon公司應(yīng)用ADAMS和MATLAB軟件建模仿真以開發(fā)轉(zhuǎn)矩控制器⑹。圖1.1基于接口的協(xié)同仿真莎個商用軟件實現(xiàn)的務(wù)領(lǐng)域建模仿直與基于接□的莎領(lǐng)域建模方法相對應(yīng)的.閔此該方法具有基于接口的多領(lǐng)域建模方法的諸多玦點，主要體現(xiàn)在：仿真軟件需提供軟件接口，建立接口處耦合關(guān)系，才能實現(xiàn)多領(lǐng)域建模：軟件接口屬商業(yè)公司私有，不具備幵放性與標準性，擴充困難?；诟邔芋w系結(jié)構(gòu)(HLA)的多領(lǐng)域建模仿真方法1995年，美國國防建欖與仿真辦公空制定了征國防部范圉內(nèi)建立一個通用的仿真

技術(shù)框架的建模與仿真主計劃以保證各種仿真應(yīng)用間的互操作性。技術(shù)框架的核心是高層體系結(jié)構(gòu)HLA(HighLevelofArchiieciure),7,oHLA用于構(gòu)造大規(guī)模仿真模型，解決應(yīng)用集成問題，已彼IEEE接收為標準。HLA定義的聯(lián)邦系統(tǒng)是為實現(xiàn)某個特定仿真口的而建立的仿真系統(tǒng)，具有幵放性和可擴展性。該聯(lián)邦系統(tǒng)中包含若干聯(lián)邦成員、聯(lián)邦對發(fā)以及各仿真模型接口數(shù)據(jù)和運行時間支撐系統(tǒng)RTKRun-Timelnfrasiruciure)o很拯HLA的規(guī)則，聯(lián)邦成員Z間的數(shù)據(jù)通信必須通過RTI?RTI類似于??軟總線二聯(lián)邦成員存聯(lián)邦運行過程中可隨時??插入”。同基于接口建模法相同之處在于建模人員也需應(yīng)用不同商業(yè)軟件建立模型，不同的是，與軟件接口無關(guān)，采用HLA方法將模型A輸出變雖映射到模型B輸入變雖，對象類DIT1,T2仿真模型B對象類DIT1,T2仿真模型BIT3圖1.2基于HLA的多領(lǐng)域建陸模型輸入與輸出變雖Z間的映射基于HLA的建模法克服了基于接口的建模法的諸多缺陷，較好的實現(xiàn)了多領(lǐng)域系統(tǒng)的建模仿真，但仍然存在著如下缺點：領(lǐng)域組件建模需得到各領(lǐng)域商用仿真工具的合作：人為割裂各領(lǐng)域子系絨間的耦合，實現(xiàn)子系統(tǒng)集成較困難：針對不同仿真應(yīng)用配苴編寫代碼，在多個求解器步長協(xié)調(diào)方而存在技術(shù)難題。基于統(tǒng)一建模語言的多領(lǐng)域建模方法基于統(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，可實現(xiàn)任意特定領(lǐng)域的統(tǒng)一建模?由『其模型描述形式相同，故基r統(tǒng)一建模語肓的多領(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。7()年代后期，HildingElmqvist提出了采用微分和代數(shù)方程式描述不同物理系統(tǒng)的而向?qū)ο?ObjectOriented)的多領(lǐng)域建模方法叫該方法對不同領(lǐng)域如電氣、機械領(lǐng)域的對象分別進行建模，并存放于不同數(shù)據(jù)庫中的不同口錄下。而向?qū)ο蟮慕铑I(lǐng)域建模方法具有數(shù)據(jù)封裝、繼承和層次化等特征。容易實現(xiàn)模型的重用，減少錯誤的發(fā)生?；谶@種想法,先后出現(xiàn)了較多的基于統(tǒng)一語言的建模方法,如鍵合圖叫系統(tǒng)圖㈣、pciri網(wǎng)等，在總結(jié)和歸納先前多種方法的基礎(chǔ)上，歐洲仿真界F1997年提出的一種針對復(fù)雜物理系統(tǒng)建模和仿真問題的基于方程的統(tǒng)一建模語言Modelica,它采用而向?qū)ο蠛徒M件的思想，對不同領(lǐng)域物理系統(tǒng)的模型進行統(tǒng)一表述，實現(xiàn)了統(tǒng)一建模，支持層次結(jié)構(gòu)建模，且Midclica語言口帶有可重用的機械、電子、液壓、控制、熱流等領(lǐng)域的標準庫和擴展庫。在基于Modelica實現(xiàn)的復(fù)雜物理系統(tǒng)建模與仿真平臺下可實現(xiàn)工程實際中多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的可視化建模，如圖1.3所示的基FModelica語言建立的簡單電路圖，該方法不僅可以調(diào)用Modelica標準模型庫和用戶擴展庫建立幵放式可重用的設(shè)計機械、電子、液壓、控制等領(lǐng)域的多領(lǐng)域復(fù)雜物理系統(tǒng)的可視化模型，而且還可以用戶自定義的領(lǐng)域模型庫，實現(xiàn)領(lǐng)域知識的重用山)?；贛odelica語言的多領(lǐng)域建模方法主要優(yōu)點'2，1：建模方便。該方法支持陳述式建模、非因果建模、而向?qū)ο蠼：瓦B續(xù)混合建模，其中口帶的幵放性標準模型庫模型可擴展、可重用、可拖放建模等優(yōu)點亦可方便實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的高過伯度建模：模型重用性高。非因果建模表述方程關(guān)系簡單易讀，根據(jù)類比性可通過直接調(diào)用或稍加修改模型來仿真相似類型的問題：無需符號處理。對比以往的建模方法，其非因果建模便用戶從繁瑣的模型方程推導(dǎo)中解脫出來，陳述式建模使方程更具可讀性，模型更有效：建模與仿真相對獨立。用戶只需知道怎樣通過方程描述仿真模型的行為，而不需關(guān)心模型的詳細實現(xiàn)。圖1.3基于Modelica建立的物理模型圖鑒于上述基于Modelica語言的多領(lǐng)域建模法的各種優(yōu)勢?該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機、電、液、控等領(lǐng)域。國外方而，隨著Modelica語言的不斷改進成熟，Modelica建模法己經(jīng)幵始應(yīng)用于電動汽車系統(tǒng)"I、機械多體系統(tǒng)小1、熱動力學(xué)系統(tǒng)"I電力系統(tǒng)卩旬等系統(tǒng)的建模與仿真：國內(nèi)方而，隨Z也展幵了基于Modelica語言的建模仿真應(yīng)用，如華北工學(xué)院的發(fā)動機部件模型庫幵發(fā)"I、上海交通大學(xué)的燃氣渦輪仿真模型建立I闔，廣州工業(yè)大學(xué)對芯片機的多領(lǐng)域建模與仿真（冋，山東科技大學(xué)的機電液控耦合系統(tǒng)仿真㈤I,華屮科大學(xué)的Mworks平臺的開發(fā)“等。1.3進給系統(tǒng)建模研究現(xiàn)狀復(fù)雜機電產(chǎn)品的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)一直是機械系統(tǒng)創(chuàng)新的焦點.同時也是機械產(chǎn)品設(shè)計的難點。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，通過建立進給系統(tǒng)的多領(lǐng)域模型并進行虛擬試驗可精確、快捷預(yù)測機床進給系統(tǒng)的性能。U前國內(nèi)外有關(guān)進給系統(tǒng)統(tǒng)一模型的設(shè)計、建模、分析、優(yōu)化等方而的研究和開發(fā)己展幵。在國外.1997lg,K.Srinivasan等通過對機床進給系統(tǒng)及其控制方式調(diào)査研究發(fā)現(xiàn).要減小系統(tǒng)的加工誤差.進給系統(tǒng)要滿足調(diào)速范圉寬、定位精度準、克服負載能力強、快速響應(yīng)性以及多軸控制精度高等要求.綜述探討驅(qū)動器、電力傳動裝過、機械支承結(jié)構(gòu)和傳感器佶號處理中的摩擦阻尼特性、控制方式等對進給系統(tǒng)加工誤差的彤響，從控制、電子、機械三方而預(yù)測了進給系統(tǒng)需要改進和研究的方向。1999年，R.Gunlhcr,W.Marlin”就在IEEE/ASME智能機電一體化會議上提出了應(yīng)用CAx軟件來建立機床機電一體化模型來評估和優(yōu)化機床動態(tài)特性的統(tǒng)一建模思想，初步建立了考慮機械、控制、軟件部分相互作用的多體動力學(xué)模型，重點對機床控制部分的響應(yīng)特性以及機械部分的振動特性進行了分析。YAllinias等（釦機床權(quán)威學(xué)者早期也幵始探討LI前的虛擬機床技術(shù)及其所而臨的挑戰(zhàn)，并探討了如何將涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的機床動態(tài)模型中機床運動學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)和控制技術(shù)應(yīng)用于機床完整建模與仿真。隨后，進給系統(tǒng)各領(lǐng)域的建模仿真如雨后春筍般出現(xiàn)。如K.Erkorkmaz,YAllinias"在通過建立的進給驅(qū)動統(tǒng)一模型基礎(chǔ)上，探討了一種可識別其動態(tài)參數(shù)和摩擦特性的方法，并通過卡爾曼濾波器檢測阻尼力矩，建立了軸的動態(tài)摩擦模型。M-Ebrahimi,R.Whalley1261采用方塊圖建模方法通過將系統(tǒng)中彈性部件的一系列連接用整體剛度替代來實現(xiàn)機床進給系統(tǒng)的建模仿真，突出了克服摩擦與間隙等菲線性特性中剛度的重要性，建立了機床進給系統(tǒng)的整體剛度模型，同時實現(xiàn)了簡化非線性系統(tǒng)模型的參數(shù)優(yōu)化。為適應(yīng)機床進給驅(qū)動裝過的高速高精發(fā)展要求，M.S.kim,S.C.Chung'271提出了同時考慮驅(qū)動機構(gòu)與運動控制的綜合設(shè)計方法.該方法不僅要獲収驅(qū)動裝過的數(shù)學(xué)模型.而且要選擇合適的控制算法.該方法使模型的動態(tài)特性更接近實際。Y.Allinias,A.Vcrl等（絢綜述了機床進給系統(tǒng)的設(shè)計與控制，分別概述了機械結(jié)構(gòu)模型（滾珠絲杠與直線電機）、控制驅(qū)動模型以及檢測模型的設(shè)計要領(lǐng)，探討了機床進給系統(tǒng)的虛擬模型，并提出了口前進給驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計分析與驅(qū)動控制的工程設(shè)計原則與所而臨的挑戰(zhàn).總結(jié)出摩擦、間隙補償、實時補償、控制算法、熱變形、兒何變形等控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新是推動口前進給系統(tǒng)進一步向高速高精發(fā)展的不變課題。在國內(nèi)?機床進給系統(tǒng)的統(tǒng)一建模的研究也逐步在幵展。為了適應(yīng)機床的高速化發(fā)展，進給系統(tǒng)除了采用經(jīng)過改進的滾珠絲杠以外.又出現(xiàn)了直線電機和并聯(lián)虛擬機構(gòu)等新型的高速進給方式，但直線電機和并聯(lián)機虛擬機構(gòu)的成本高與技術(shù)不完善等問題，還未彼廣泛接受，滾珠絲杠在高速進給驅(qū)動系統(tǒng)中仍占主導(dǎo)地位|29-301.有關(guān)高速滾珠絲杠建模仿真技術(shù)的進一步研究還在繼續(xù)。女II,東北大學(xué)與沈陽第一機床廠對研制幵發(fā)的CHH6125臥式車削中心滾珠絲杠進給系統(tǒng)建立了多剛體動力學(xué)模型，通過一定的簡化推導(dǎo)出加速度數(shù)學(xué)模型，討論了機床進給加減連特性，提出進給系統(tǒng)主要部件改進方法以提高驅(qū)動性能。張曉樂等（別為研究銃床進給系統(tǒng)的定位精度與動靜態(tài)性能穩(wěn)定性，利用Matlab/Simulink軟件對伺服系統(tǒng)進行建模.并采用ADAMS完成參數(shù)化樣機模型。華中科技大學(xué)的吳吳（列將機床進給系統(tǒng)劃分為有機關(guān)聯(lián)的單學(xué)科系統(tǒng)（機械子系統(tǒng)、電機驅(qū)動子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)），對子系統(tǒng)分別建模后，應(yīng)用ADAMS/MATLAB實現(xiàn)聯(lián)合仿真以研究機械部分的摩擦非線性特性.但未考慮熱變形及間隙等影響因素。董玉紅等為提高機床進給系統(tǒng)性能.在如何提高系統(tǒng)性能與優(yōu)化設(shè)計方而做了大雖的研剜心5".37列，如應(yīng)用阿克曼極點配呂法設(shè)計系統(tǒng)反饋控制器以精準獲得剛度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的彤響、通過修改Simulink模擬的實際系統(tǒng)中的伺服控制參數(shù)來研究系統(tǒng)響應(yīng)特性、采用rnallab工具箱S1S0設(shè)計器設(shè)計機床伺服系統(tǒng)的校止補償器以修止控制精度、建立進給伺服系統(tǒng)統(tǒng)一模型以研究摩擦與間隙對系統(tǒng)性能的彤響等，但針對不同的特性研究對模型進行了大雖簡化.未考慮熱變形，且停留在理論層而，沒有相關(guān)實驗支撐。上述國內(nèi)外研究均考慮了機床的動力學(xué)特性，忽略了機床進給系統(tǒng)熱變形。而機床在加工過程中的加工誤差的40%~70%都來口于熱變形網(wǎng)，機床的高速化致使進給系統(tǒng)熱變形在不斷增加，因此，有必要建立機床進給系統(tǒng)的熱模型以進一步研究其熱變形對機床加工性能的形響。熱變形引起的加工誤差的主要熱源削來門于軸承發(fā)熱、齒輪傳動與液壓油的摩擦熱、離合器嚙合發(fā)熱、電機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)熱、導(dǎo)軌發(fā)熱、切削熱以及外部環(huán)境熱源等，由這些熱源引起熱誤差分為兩類：一類是與位移無關(guān)的熱誤差（僅是溫度的嗨數(shù)）.一類是與位移有關(guān)的熱誤差（是位移和溫度的嗨數(shù)）。建立熱模型以預(yù)測進給系統(tǒng)熱誤差的研究的方法有多種.如多元回歸分析、改進后的集中容雖法、最小二乘法和有限元法等。Huang（m應(yīng)用多元回歸法分析滾珠絲杠進給系統(tǒng)的熱變形,將前后軸承以及螺母處的溫度設(shè)過為分析模型的獨立變雖以預(yù)測滾珠絲杠的熱變形雖，S.K.Kim'421等采用改進后的集中容雖法來分析滾珠絲杠的熱變形引起的位移偏差,并實現(xiàn)實時預(yù)估熱變形雖，但多元回歸分析與改進后的集中容雖法必須要通過試驗來測試計算結(jié)果的準確性，限制了其應(yīng)用范I荊。XiaJunyong等"I采用最小二乘法建立絲杠熱學(xué)模型以研究其熱動力特性，但模型仿真模擬時需先識別系統(tǒng)模型，過程比較緊瑣。有限元法是目前熱分析中應(yīng)用最廣泛的方法,如Schmill等何根據(jù)經(jīng)驗公式推導(dǎo)了機械