1、®丹姑燈摩機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯設(shè)計(jì)題目：基于FANUC系統(tǒng)的數(shù)控車削仿真圖形顯示模塊設(shè)計(jì)譯文題目：虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)學(xué)生姓名：張曦卯學(xué) 號(hào)： 200928050307專業(yè)班級(jí)：機(jī)制升0903指導(dǎo)教師：牛紅賓正文：外文資料譯文附 件：外文資料原文指導(dǎo)教師評(píng)語：簽名:機(jī)械工程研究所卷55/1/2006虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)摘要：本文介紹一種數(shù)控系統(tǒng)的綜合虛擬仿真模型。虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控有一個(gè)模 塊化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，能使一個(gè)真正的計(jì)算機(jī)數(shù)控從進(jìn)給驅(qū)動(dòng)， 反饋設(shè)備，坐標(biāo)軸控 制規(guī)則和軌跡插值的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)中迅速地模塊化。額外的計(jì)算機(jī)數(shù)控模塊可以通 過用戶容易地模塊化和集成于虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控。已經(jīng)

2、呈現(xiàn)出各種各樣的應(yīng)用實(shí) 例，其中包括輪廓錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)控制裝置、刀具軌跡的自動(dòng)轉(zhuǎn)變和為改 善轉(zhuǎn)彎和快速識(shí)別閉環(huán)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的進(jìn)給修正。 并為各種運(yùn)算法則提供了詳細(xì)的實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵字：虛擬；仿真；計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）1簡(jiǎn)介虛擬制造技術(shù)的目的是設(shè)計(jì)一種完全的數(shù)字化工廠， 在那里每一部分都通過 優(yōu)化的過程參數(shù)進(jìn)行模塊化和生成，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境中生成的誤差可由糾正措 施預(yù)測(cè)出來。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)重要步驟是虛擬模型的構(gòu)造，虛擬模型能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)出機(jī)床的的動(dòng)態(tài)性和制造工藝。本文介紹一種計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用 于機(jī)床的虛擬模型。在設(shè)計(jì)階段，虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控（ VCNC ）能夠預(yù)測(cè)和優(yōu)化機(jī) 床動(dòng)力性能。在真正

3、的機(jī)床制造出來之前，通過在虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控中運(yùn)行部分程 序和評(píng)估輪廓造型性能，各種各樣的設(shè)計(jì)選擇（例如導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)、編碼、控制規(guī) 律和插補(bǔ)運(yùn)算方法的選擇）的影響能夠評(píng)估出來。在真實(shí)的機(jī)床上，虛擬計(jì)算機(jī) 數(shù)控不需要占用任何生產(chǎn)時(shí)間也能用于調(diào)諧伺服控制和插補(bǔ)參數(shù)的計(jì)算。在虛擬模型中，一旦所需的響應(yīng)和輪廓造型得到保證， 這些虛擬模型參數(shù)將以最小的停 機(jī)時(shí)間應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)床。在工藝過程規(guī)劃中，虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控可以用來評(píng)估不 同部分程序的輪廓編程誤差和對(duì)進(jìn)給速度及刀具軌跡進(jìn)行必要的調(diào)整，目的是為了避免由于伺服誤差造成的公差失效。虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控的仿真精度依賴于真實(shí)數(shù) 學(xué)模型（其用于描述每個(gè)組件的動(dòng)態(tài)行為） 的利

4、用率。這是通過進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力, 軌跡生成算法，控制規(guī)律3, 4, 5，和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)（例如摩擦以及齒側(cè)間隙） 的精心設(shè)計(jì)的模型實(shí)現(xiàn)的。所有這些將影響到刀具的整體定位精度。虛擬計(jì)算機(jī) 數(shù)控建立MATLAB? / SIMULINK? 平臺(tái)上，并且擁有一個(gè)開放式結(jié)構(gòu)，所以 能讓用戶根據(jù)需要添加新的模塊或改變現(xiàn)有的算法。各種各樣的應(yīng)用已經(jīng)得到發(fā) 展，其充分利用虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控在預(yù)測(cè)和改善真實(shí)的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能 方面的精確仿真能力。它們是：部分程序輪廓編程誤差的預(yù)測(cè)；進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)調(diào)諧伺服控制器；使用樣條插值的尖角跟蹤；虛擬模型的快速識(shí)別；自此以后，虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控結(jié)構(gòu)將通過對(duì)先進(jìn)的虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控應(yīng)用的解

5、釋 和實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證來進(jìn)行簡(jiǎn)要地介紹和研究。2虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控結(jié)構(gòu)虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它類似于加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)制 造自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的真正的、可重構(gòu)的和開放式計(jì)算機(jī)數(shù)控9。虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控接受計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的刀位（CL）文件格式 生成的參考刀具路徑指令。刀位文件解釋為實(shí)現(xiàn)所需刀具運(yùn)動(dòng)（其中包括線性的、 圓形的和樣條段）。坐標(biāo)軸軌跡指令是利用在刀具路徑指令之上所需的進(jìn)給剖面 生成的。進(jìn)給剖面是使用分段常數(shù)的、不規(guī)則四邊形的或立方體的加速度瞬變進(jìn) 行配置的。通過設(shè)定運(yùn)動(dòng)控制、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和反饋模塊組成的坐標(biāo)軸伺服環(huán)是封閉 的。運(yùn)動(dòng)控制器可在常用的控制規(guī)則（例如

6、P、PI、PID、P-PI級(jí)聯(lián)和提前量控制，如同在極點(diǎn)配置、廣義預(yù)測(cè)、自適應(yīng)滑模5、正反饋控制和摩擦補(bǔ)償 的方法論中提出的先進(jìn)的技術(shù)）庫中選擇。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模塊可以被設(shè)定用來仿真直 接動(dòng)力或齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力。放大器、電機(jī)、軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦和激勵(lì)機(jī)制的特點(diǎn) 可以由非線性響應(yīng)（例如量化、電流及電壓飽和度、爬行摩擦和軸向間隙）來完 全定義。實(shí)驗(yàn)性識(shí)別的或分析性預(yù)測(cè)的高階驅(qū)動(dòng)模型可以與結(jié)構(gòu)諧振合并一起。 反饋模塊可以由線或角位置、速度和加速度傳感器的組合與每個(gè)用戶定義的精度 及噪音特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控裝配好時(shí)，其性能可通過運(yùn)行各種各 樣的部分程序，評(píng)估伺服跟蹤、輪廓誤差及軸速度、加速度、拉伸曲面

7、、電機(jī)功 率和轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行評(píng)估。它也可以進(jìn)行頻率和時(shí)域分析，這幫助用戶評(píng)估及提高利 潤(rùn)率和虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控坐標(biāo)軸的伺服性能的穩(wěn)定性。計(jì)翔咂計(jì)模型+計(jì)算機(jī)輔助囲刀位文件"¥.LOADTLFEDRAT/ 10000.00, MEM PM*-1RAPICk1GOTO 0.000.0.000.50.000*J座郴由何雁環(huán)*B”加蠶”+申 sfsw*-'-遊涪削弧坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)+銀蹤扌空制+璉給驅(qū)動(dòng)" 伺般動(dòng)力"冥有同服誤差的實(shí)際刀具位置期環(huán)）5坐標(biāo)軸扌呂令圖1:虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3應(yīng)用實(shí)例接下來將列舉虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控應(yīng)用的例子。通過實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證，簡(jiǎn)要地闡述每一個(gè)

8、應(yīng)用例子。3.1輪廓線精度的預(yù)測(cè)虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控的輪廓和跟蹤誤差預(yù)測(cè)精度是通過在3軸加工中心上進(jìn)行金剛石和循環(huán)加工測(cè)試來驗(yàn)證9。對(duì)實(shí)例進(jìn)行的模擬和實(shí)驗(yàn)包括關(guān)閉具有 PID 的伺服環(huán)路和自適應(yīng)滑?？刂啤８櫨哂?PID控制的金剛石刀具路徑（50毫米 邊長(zhǎng)度，200毫米/秒的）的結(jié)果例子如圖2所示。預(yù)測(cè)的及測(cè)量的跟蹤和輪廓誤 差與其他的是基本一致的。類似的結(jié)果也可以由其他情況得到。 這些情況包括不 同的刀具路徑和控制器，它們?cè)谶@里不能簡(jiǎn)明地呈現(xiàn)出來。 總的來說，虛擬計(jì)算 機(jī)數(shù)控能夠預(yù)測(cè)具有一些編碼計(jì)數(shù)的伺服誤差。3跟蹤誤差跟蹤誤差12CM251330 1.0 800.51 51 181.20 1.2

9、2 1.24時(shí)間砂時(shí)間砂4圖2:金剛石刀具路徑的預(yù)測(cè)的和實(shí)驗(yàn)表明的跟蹤及輪廓誤差3.2自適應(yīng)滑?？刂疲⊿MC）的模糊邏輯調(diào)諧進(jìn)給驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)滑模控制的，基于自動(dòng)調(diào)諧策略的模糊邏輯已經(jīng)在虛擬計(jì)算 機(jī)數(shù)控平臺(tái)上得到了發(fā)展。調(diào)諧結(jié)構(gòu)如圖3所示。在底層的伺服回路中，執(zhí)行平 穩(wěn)的來回運(yùn)動(dòng)時(shí)，性能的描述（例如最大跟蹤誤差（TRE），控制回路邊緣階段（PHA），控制信號(hào)振蕩水平（OSC）在中級(jí)層得到評(píng)價(jià)。這些描述是通過監(jiān) 督的上層的模糊變量。在監(jiān)督的上層上，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與調(diào)整規(guī)則和調(diào)諧經(jīng)驗(yàn)相一 致。結(jié)果是，直到獲得可以接受的伺服性能時(shí)， 滑?？刂频慕Y(jié)果是不同的。在虛 擬計(jì)算機(jī)數(shù)控的成功的調(diào)整之上，控制參數(shù)在實(shí)際

10、的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行實(shí) 施。三個(gè)自動(dòng)調(diào)諧的例子如圖 4所示。在例子（a中，滑模控制是過于調(diào)諧而 且反應(yīng)是高度振動(dòng)的。在例子（b）中，最初的滑?？刂圃O(shè)計(jì)是穩(wěn)定的但是緩慢 的（低于調(diào)諧）。在例子（c）中，由于最初指定的較高的干擾適應(yīng)（即整體行 動(dòng)）結(jié)果，設(shè)計(jì)師不穩(wěn)定的。在所有的例子中，模糊邏輯調(diào)諧器能夠恢復(fù)性能和 可接受的產(chǎn)量跟蹤結(jié)果。這已經(jīng)在實(shí)際的機(jī)床上得到驗(yàn)證。1主京II511高水平的模糊邏輯控制I性能評(píng)估水平d自坦怖莖m卜4右匕辛軌跡的坐標(biāo)軸放人器圖3:基于自動(dòng)調(diào)諧策略的自適應(yīng)滑?？刂颇：壿?3)抿紂爾緩的最初的反應(yīng)*模矮調(diào)整疳Oo lS 4 -1少0 51.0%O5O.1O桓宅笛緩運(yùn)=

11、:最初反應(yīng)00 51.0(c)不穩(wěn)定系統(tǒng)的1U勺模糊調(diào)整后0取初反應(yīng)圖4:自動(dòng)調(diào)整前后的驅(qū)動(dòng)性能J£M I 1 反饋測(cè)量|I3.3具有樣條插值的尖角跟蹤已經(jīng)在虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控實(shí)施的另一個(gè)想法是使用等變性質(zhì)的五次樣條函數(shù)插值的尖角跟蹤11。兩種方法已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如圖5所示。在副角的方法中（圖 5（ a）,在造型公差（.）允許范圍內(nèi)，刀具軌跡長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)彎時(shí)間略微減少了 。 當(dāng)使用高帶寬伺服控制器時(shí)，它能夠精確地跟蹤修改過的刀具路徑。這是適用的。 在副角方法中（圖5（b），刀具路徑稍微地延伸到抵消下切，通常是由于低 帶寬的控制器大相位滯后引起的。 在這兩種方法中，已被參數(shù)化的刀具路徑使用 適

12、當(dāng)?shù)那芯€和正常的邊界條件和虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控中不斷調(diào)整的轉(zhuǎn)彎時(shí)的進(jìn)給率， 以確保在保持初始角的公差（習(xí) 時(shí)使轉(zhuǎn)角時(shí)間最小。這兩個(gè)轉(zhuǎn)彎策略的執(zhí)行結(jié) 果如圖6和7所示。在圖6中，在公差允許范圍內(nèi)，伸到抵消下切，通常是由于 低帶寬的控制器大相位滯后引起的。 在這兩種方法中，已被參數(shù)化的刀具路徑使 用適當(dāng)?shù)那芯€和正常的邊界條件和虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控中不斷調(diào)整的轉(zhuǎn)彎時(shí)的進(jìn)給 率，以確保在保持初始角的公差（習(xí) 時(shí)使轉(zhuǎn)角時(shí)間最小。這兩個(gè)轉(zhuǎn)彎策略的執(zhí) 行結(jié)果如圖6和7所示。在圖6中，在公差允許范圍內(nèi)，滑模控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的周 期從185毫秒減少到181毫秒。在圖7中，由P-PI伺服控制器的大相位滯后引 起的350微米輪廓誤

13、差是可以消除的，而且輪廓誤差將控制在極限值厶=30微米之下。在虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控仿真中，兩個(gè)轉(zhuǎn)彎實(shí)例已經(jīng)在計(jì)算機(jī)數(shù)控加工中心上進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證。圖5:副角和過角樣條曲線技術(shù)7原始刀冥路徑英彎性能(b)參去洛刀具路徑 轉(zhuǎn)彎性能8#刀具貉翟#X_ _X竝輪鄭誤差輪廟誤差M差仝墨100 um-100 ump(a)原始刀具路徑(b)修改后的刀具路徑圖6:具有滑模控制的90°副角的造型性能#轉(zhuǎn)角性能#O時(shí)間sec過角樣條曲線轉(zhuǎn)角性能93.4虛擬驅(qū)動(dòng)模型的快速識(shí)別虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控可以作為一種很有用的工具來預(yù)測(cè)和改善計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床 的性能。然而，預(yù)測(cè)的精度緊緊地取決于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模型， 該模型是由斷開伺服

14、環(huán) 和進(jìn)行一系列識(shí)別測(cè)試決定的。這通常是費(fèi)時(shí)的，而且在生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)用上不總是 實(shí)用的。作為另一種選擇方式，為構(gòu)建驅(qū)動(dòng)模型已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種快速識(shí)別途徑， 如圖8所示。激勵(lì)是通過執(zhí)行一個(gè)包括非隨機(jī)動(dòng)作指令的 G代碼來實(shí)現(xiàn)的，激 勵(lì)盡可能地調(diào)整以顯示閉環(huán)動(dòng)力。等效跟蹤和干擾傳遞函數(shù)及摩擦模型是通過監(jiān) 視時(shí)域位置指令和編碼器的讀寫來識(shí)別的，以至于在測(cè)量和預(yù)測(cè)的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)之 間的差別至少在廣義上最小化。因?yàn)橛刹逖a(bǔ)器生成的運(yùn)動(dòng)指令是平穩(wěn)的，它們?nèi)?少用來模型所需激勵(lì)的持久性。 因此，只能識(shí)別剛體的動(dòng)評(píng)估整個(gè)動(dòng)力力。 閉環(huán) 模型的穩(wěn)定性是通過設(shè)置極點(diǎn)位置的邊界來保證的。盡管不能保證參數(shù)真正的作用，但是識(shí)別傳遞函

15、數(shù)能夠成功地捕捉進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特性。三階傳遞函數(shù)只用在考慮摩擦力的情況下。由先進(jìn)的快速識(shí)別技術(shù)構(gòu)成的虛擬驅(qū)動(dòng)模型在輪廓 跟蹤測(cè)試中得到了驗(yàn)證。馥控代碼 的識(shí)別詁進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I插補(bǔ)辭N.1QGC1X.0.0 E12001N2DZ0.258-N30X-0 T 7W聲 X-2.99 2+1GtracK(S)反饋測(cè)量數(shù)控悴勺控制規(guī)則伏摩擦力*:虛擬驅(qū)動(dòng)模型*圖8:快速識(shí)別技術(shù)加F+加十如+巧G帕鼻苗 T =3 +3譯+3一個(gè)實(shí)例結(jié)果如圖9所示，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由零相位誤差控制器 控制，而且一 個(gè)半徑為20毫米的圓形刀具路徑在進(jìn)給速度為 100毫米/秒下控制生成。虛擬計(jì) 算機(jī)數(shù)控預(yù)測(cè)得及實(shí)驗(yàn)性的測(cè)量跟

16、蹤和輪廓誤差剖面的比較如圖 9所示。它們是 一致的，從而顯示了先進(jìn)的識(shí)別途徑的有效性。s4TrgX10+as-s4rAI0.21510«養(yǎng)毎0.6 0.8 1.0時(shí)間sec圖9:圓形刀具路徑的跟蹤和輪廓誤4結(jié)論虛擬計(jì)算機(jī)數(shù)控允許機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為在虛擬環(huán)境內(nèi)得到造 型、評(píng)估和優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)床、拓展和調(diào)整控制、插補(bǔ)運(yùn)算以及規(guī)劃生產(chǎn)運(yùn)作時(shí)， 它可以作為一種工具?，F(xiàn)在已經(jīng)呈現(xiàn)出應(yīng)用實(shí)例了，其中包括輪廓誤差的預(yù)測(cè)、 控制器的自動(dòng)調(diào)整、尖角刀具路徑規(guī)劃和快速驅(qū)動(dòng)識(shí)別， 這展示出了虛擬計(jì)算機(jī) 數(shù)控的好處。5 感謝這項(xiàng)研究得到了加拿大自然科學(xué)與工程研究理事會(huì)、 加拿大普拉特與惠特尼 主持

17、的調(diào)研和杜蘭特戰(zhàn)略協(xié)議的贊助支持。6 參考文獻(xiàn)1 Altintas, Y., Brecher, C., Weck, M., Witt, S., 2005,虛擬機(jī)床，應(yīng)用歷史， 54/2:651-673。2 Erkorkmaz, K., Altintas, Y., 2001，高速計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)：第二部分 -進(jìn)給 驅(qū)動(dòng)的建模和鑒定，機(jī)床及制造， 41/10:1487-1509。3 Astrom, K.J., Wittenmark, B., 1997,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)： 原理與設(shè)計(jì)， 第三版，新 澤西研究公司。4 Boucher, P., Dumur, D., Rahmani K.F., 1990,機(jī)床驅(qū)動(dòng)的廣義預(yù)測(cè)串級(jí)控制， 應(yīng)用歷史， 39/1:357-360。5 Altintas, Y., Erkorkmaz, K., Zhu, W.-H.,2000, 高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的滑模控制器的設(shè) 計(jì),應(yīng)用歷史, 49/1:265-270。6 Tomizuka, M., 1 987,數(shù)字控制的零相位誤差跟蹤運(yùn)算法則,109:65-68。7 Armstrong, H.B., Dupont P., Canudas D.W.C., 1994,具有摩擦力機(jī)床控制的模型調(diào)查、刀具分析及補(bǔ)償方法,自動(dòng)化,30/7:1083-1138。8 Kao, J.Y., Yeh,乙 M., T