在现代制造技术系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测及自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对实现制造业的柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻的作用。我国自“七五”计划以来，数控技术方面的研究工作得到政府、企业和专家学者的高度重视，获得了较大的发展，但与世界先进水平相比仍有很大差距。随着机床向高精度、高表面质量和高生产率方向发展，对数控伺服控制系统的调试一直困扰着工程技术人员，很多场合只能采用简化模型加经验调整的方法进行参数调节，使得参数调整繁琐且大部分数控机床的伺服系统并没有工作在最优的状态下。本文利用虚拟样机技术，在Pro／E中建立了完整的数控铣床模型，并在ADAMS中实现了数控铣床的运动仿真，在此基础上，基于ADAMS和MATLAB平台对数控铣床的工作台建立了3种控制方案：基于ADAMS／View的伺服控制系统仿真、基于M删B的伺服控制系统仿真以及基于ADAMS和MATLAB的伺服控制系统联合仿真。通过对3种方法的比较分析可以看出，ADAMS和MATLAB联合仿真为获得数控伺服控制系统的参数提供了1种全新的方法。
1 数控铣床虚拟样机的建模与运动仿真
虚拟样机技术VP(Virtual Prototyping)又称系统动态仿真技术，它以机械系统运动学、动力学和控制学理论为核心，借助于成熟的三维计算图形技术、图形的用户界面技术、信息技术、集成技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起。
数控铣床机构复杂，根据其各个主要部件的实现功能不同，可以将其分为基础件、传动件以及配套件等。基础件主要包括底座、立柱、工作台、导轨等。传动件主要包括X、Y、X 3方向的丝杆进给系统和配重机构。配套件主要包括导轨保护罩、排屑装置、照明灯、冷却装置等辅助设备。数控铣床与普通铣床不同，它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动，所以它的传动链短，结构比较简鼠为了
保证数控铣床的的快速响应特性和加工精度，在数控铣床上普遍采用精密滚珠丝杠副和直线滚动导轨副。本文中的数控铣床是具有三轴联动功能的立式铣床，因此要求它的运动部件能沿着X、Y、Z 3方向进行运动。其Pro／E模型的具体结构如见图1所示。利用ADAMS／View提供的数据接口，把Pm／E中的装配体模型导入ADAMS中重新编辑，添加运动副和驱动，就可以进行运动仿真，图2是时间在1.6s时的数控铣床运动仿真图。
图1数控铣床的Pro／E装配模型
图2数控铣床在ADAMS中的运动
2 基于ADAMS／View的伺服控制系统仿真
ADAMS控制系统设计是ADAMS软件对复杂的机械系统进行建模和仿真分析的基本环节之一。针对一般的控制环节可以用ADAMS／View提供的控制工具箱Controls Toolkit进行处理，直接在ADAMS／View样机模型中添加控制模块，完成机电一体化系统的仿真分析。
在ADAMS／View中建立的工作台速度控制系统，是以x向丝杠的角速度作为控制对象，将给定的角速度与实际角速度进行比较，产生的速度偏差通过控制模块与丝杠上的控制力矩进行关联，从而控制虚拟样机中丝杠的实际转速，并通过反馈环节与给定转速不断地进行比较，最终使丝杠的转速达到给定转速，ADAMS／View中的控制原理如图3所示。
图3 ADAMS／View中的控制原理框图
在ADAMS／View中建立的工作台速度控制系统的主要步骤：(1)打开模型，在x向丝杠上添加控制力矩Contr01。torque；2)在Conlzols Toolkit中建立输入环节，包括给定速度input—vdesired和丝杠实际角速度为input—vactual，因为给定的伺服电机转速是3000f／rain，转化为角度则给定速度为18 ooo(。)Is，转化为弧度为314 rad／s；(3)建立比较环节；(4)建立增益环节；(5)关联力矩；(6)进行仿真，将仿真时间设置为5s，仿真步数为50步，ADAMS／View中的速度仿真结果如图4所示。
图4 ADAMS／View中的速度仿真图
3 基于MATLAB的伺服控制系统仿真
MATLAB的Simulink 3工具箱是以控制系统的传递函数为基础进行计算机仿真的工具。Simulink具有模块化、可封装、可重载、面向结构图编程以及高度可视化等优点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。Simulink含有Sinks(输出方式)、Source(输入源)、接受器、Connections(连接与接口)线性和非线性组件等子模块库。每个字模块库又含有相应的功能模块，可以方便地创建自己的模块。定义完一个模型以后，就可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB的命令窗口输入命令对它进行仿真。
工作台伺服系统是由驱动模块与伺服电动机等组成的一个高精度角度闭环随动系统，其输入为数控系统给出的指令脉冲，输出为电动机转角。在以光栅、脉冲编码器等组成检测反馈环节所实现的闭环控制下，电动机的转角将跟随数控指令变化。通过高精度的精密丝杠螺母副传动，电动机的角位移被转化为所需的工作台的直线位移。控制系统原理框如图5所示。采用半闭环控制，在伺服电机上加检测元件，检测电机的速度和位移。在精度要求不是很高的条件下，不用对电流进行反馈，直接是一单闭环调速系统，可以外加一个位置环，但本文只对速度控制系统进行了研究。
图5数控铣床伺服控制系统原理框图
利用MATLAB对Y向工作台的伺服控制系统进行仿真时，首先要对Y向工作台建立数学模型，用能量守恒的方法将负载的转动惯量等效到电机轴侧，(1／2)Jew21=(1／2)Jyw21+(1／2)(My+M丝+Ms)V2，整理得Je=Jy+(My+M丝+Ms)V2／w21。
利用在ADAMS／View中建立的仿真模型，可以得到如下数据：Jy=0.182，Mx=136.3，M丝=4.974，My=262.818，w1=100π／3 rad／s，V=16.67mm／s，解得Je=0.284kg·m2,其中各符号代表意义如下：Je为负载的等效转动惯量；Jy为y方向丝杠转动惯量；Mx为X T作台质量；肘苎为x方向丝杠质量；My为y方向工作台质量；w1为y方向丝杠角速度；V为工作台移动速度。
建立数学模型后，在MATLAB中建立y向工作台进给系统的控制仿真模型，如图6所示。对以上模型进行仿真，仿真结果如图7所示，从仿真结果曲线中可以看出，系统是稳定的。
图6 Y向工作台的仿真模型
图7阶跃响应曲线
4 基于ADAMS和MATLAB的伺服控制系统联合仿真
ADAMS与MATLAB的联合控制是在ADAMS中建立机械运动部分的虚拟样机，然后由ADAMS输出描述系统方程的有关参数，再在MATLAB中读入ADAMS输出的信息并建立起控制方案，在仿真计算过程中，ADAMS与MATLAB进行数据交换，由ADAMS的求解器求解系统的方程，由MATLAB求解控制方程。
建立联合仿真的主要步骤：(1)在ADAMS打开数控铣床的虚拟样机模型；(2)确定输入与输出变量，输入变量是控制力矩变量torque，用于接受控制系统传递过来的ADAMS的输入信号，即控制系统的输出信号，输出变量是X方向丝杠的角速度velocity，用于给控制系统输入实时的速度信号，同时反馈给控制系统；(3)加载ADAMS／Controls模块，导出控制参数torque和veloc。畸，构建的模型已经成功地转为MATLAB可以读取的形式，ADAMS／Control将输入和输出信息保存在m文件(Matlab程序)中，同时产生一个模型文件(。a如)，一个命令文件(。cmd)，供联合仿真分析时使用； (4)启动M舭B程序，将MATLAB的工作目录指向ADAMS的工作目录，并对在MATLAB／Simulink中显示的adams sub模块进行设置；(5)在MATLAB中建立控制方案，如图8所示；(6)通过仿真计算，分别得到在MATLAB仿真结果(图9)和ADAMS中的仿真结果(图10)。
图8联合仿真控制方案
图9 MATLAB仿真结果
图10 ADAMS仿真结果
从联合仿真结果可以看出，系统具有很好的稳定性，今后的工作除了进一步完善数控铣床的虚拟样机模型外，重点研究虚拟样机的参数化，使得虚拟样机性能能够真正的接近实际物理样机，能够更方便的考导轨摩擦，热变形和主轴的高速切削的影响，在这个基础上对虚拟样机同时实施X，y，Z 3个方向控制就会得到更加满意的效果。
5 结论
(1) 将复杂的控制系统添加到机械系统样机模型中，然后对机电一体化系统进行联合分析。
(2) 可直接利用ADAMS程序建立控制系统分析中的机械系统仿真模型，无需进行数学公式建模。
(3) 可以使机械设计师和控制工程师共享一个虚拟样机模型进行同样的设计验证和实验，使机械系统设计和控制系统设计能够协调一致，并同步进行修正以达到机电一体化最佳化设计。
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本文标题：基于虚拟样机的数控铣床伺服控制系统
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