本發(fā)明屬于非圓磨削仿真實驗領(lǐng)域，特別涉及到一種回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件磨削加工半實物仿真平臺。

背景技術(shù)：

回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件如凸輪軸、轉(zhuǎn)子發(fā)動機內(nèi)腔、曲軸、橢圓活塞等作為發(fā)動機的核心部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，其輪廓的加工精度對于設(shè)備的驅(qū)動部分起著至關(guān)重要的作用，其主要精度指標(biāo)-廓形誤差也被提出了更高的要求。該類零件普遍采用X-C兩軸聯(lián)動磨削加工以保證其精度，在磨削加工過程中，X軸隨著C軸的旋轉(zhuǎn)運動進行位置跟蹤運動，各軸相互協(xié)調(diào)運動完成磨削加工。由于輪廓廓形的非圓特性，導(dǎo)致磨削過程中磨削點速度、加速度會不斷的發(fā)生突變，致使伺服系統(tǒng)輸入指令比較復(fù)雜，再加上磨削過程中機床振動、磨削力波動、砂輪磨損和砂輪架不平衡等各種干擾因素影響使得伺服系統(tǒng)跟蹤輸入指令出現(xiàn)較大的超調(diào)量甚至不穩(wěn)定。即使伺服系統(tǒng)在跟蹤特定指令時出現(xiàn)小的相位誤差，都能夠?qū)е路菆A輪廓產(chǎn)生較大的廓形誤差，因此伺服系統(tǒng)的跟蹤性能必須滿足磨削加工要求才能提高回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件的廓形精度。然而在回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件磨削X-C聯(lián)動加工控制和伺服系統(tǒng)控制算法的研究過程中，數(shù)控磨床高昂的測試費用、控制器的封裝特性以及實際加工條件的不方便都極大的制約了X-C聯(lián)動加工協(xié)調(diào)控制和跟蹤控制算法的開發(fā)調(diào)試，因此在實驗室條件下對回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件磨削進行半實物仿真研究成為一種重要手段。

由于半實物仿真技術(shù)能夠在仿真系統(tǒng)中接入實物以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，運動機構(gòu)接近于實際情況，為數(shù)控磨床伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜曲線高精度跟蹤控制提供有利的實驗條件。因此在實驗室條件下設(shè)計并搭建回轉(zhuǎn)類非圓磨削磨床半實物仿真仿真平臺，并在此平臺上進行數(shù)控磨床伺服系統(tǒng)的跟蹤性能及快速高精度的控制算法進行理論研究與仿真，為提高非圓零件廓形精度的控制方法提供了一定的依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件磨削半實物仿真仿真平臺，以解決回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件X-C聯(lián)動磨削加工協(xié)調(diào)控制及控制算法開發(fā)調(diào)試在磨床數(shù)控控制系統(tǒng)上不能實現(xiàn)的問題。

該仿真平臺包括控制模塊和運動模塊，所述的控制模塊包括Dspace設(shè)備、數(shù)據(jù)總線、控 制器面板和仿真計算機；所述的運動模塊包括電機固定座、伺服電機、聯(lián)軸器、支撐軸承、滾珠絲杠、固定支座、直線電機、圓光柵角度測量儀、滑塊、直線導(dǎo)軌、光柵尺位移傳感器等。

進一步，其特征在于所述的控制模塊中，Dspace設(shè)備用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，輸出伺服電機的角位移信號和直線電機的位移信號；仿真計算機建立的X-C聯(lián)動加工模型，在線實時控制指令信號輸入和輸出以及數(shù)據(jù)采集等，控制模型可以改變，用來模擬不同控制算法下的非圓輪廓零件X-C聯(lián)動磨削加工。

進一步，其特征在于所述的回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件磨削加工半實物仿真平臺，所述的運動模塊運動形成的軌跡為被加工工件如凸輪軸、轉(zhuǎn)子發(fā)動機內(nèi)腔、曲軸、橢圓活塞等回轉(zhuǎn)類非圓零件的輪廓。

進一步，其特征在于所述控制模塊和運動模塊通過數(shù)據(jù)總線連接，所述的控制模塊中，Dspace設(shè)備、控制器面板和仿真計算機通過數(shù)據(jù)總線連接。所述運動模塊中，伺服電機固定在電機固定座上，通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠一端相連接。滾珠絲杠兩端通過滾珠絲杠支撐座支撐，并與直線導(dǎo)軌平行。直線電機放置在直線導(dǎo)軌上，滑塊將直線電機和滾珠絲杠連接在一起。伺服電機固定座和直線導(dǎo)軌固定在鉗工平臺上。

進一步，其特征在于直線電機帶動滑塊做往復(fù)直線運動，伺服電機帶動滾珠絲杠將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，直線電機帶動滑塊的運動位移與滾珠絲杠的直線運動位移相匹配形成非圓輪廓，實現(xiàn)X-C聯(lián)動加工。

進一步，其特征在于所述的運動模塊用于模擬回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件在實際磨削加工中X軸系統(tǒng)驅(qū)動砂輪架的往復(fù)直線運動和C軸系統(tǒng)被加工工件的旋轉(zhuǎn)運動。直線電機沿著直線導(dǎo)軌做往復(fù)直線運動，直線導(dǎo)軌上裝有光柵尺位移傳感器，用于檢測直線電機方向上的跟蹤位移偏差；伺服電機貼有圓光柵角度測量儀，用于檢測伺服電機方向上的跟蹤回轉(zhuǎn)角度偏差。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：該仿真平臺能夠模擬回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件X-C聯(lián)動磨削加工過程，通過改變控制器模型，用來模擬不同控制算法下的非圓輪廓零件X-C聯(lián)動磨削加工，能夠?qū)δハ鬟\動中伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度、跟蹤誤差、輪廓軌跡等磨削動態(tài)信息進行實時觀察，同時該仿真平臺還能夠用于研究伺服系統(tǒng)跟蹤誤差對輪廓誤差的影響，為減小非圓輪廓誤差、提高非圓零件廓形精度的研究提供有力實驗依據(jù)。

附圖說明

圖1仿真平臺結(jié)構(gòu)圖

圖中：

1-Dspace設(shè)備 2-數(shù)據(jù)總線 3-控制器面板 4-仿真計算機

5-電機固定座 6-伺服電機 7-聯(lián)軸器 8-支撐座

9-滾珠絲杠 10-固定支座 11-滑塊 12-直線電機

13-鉗工平臺 14-直線導(dǎo)軌 15-光柵尺位移傳感器 16-圓光柵角度測量儀

圖2仿真平臺運動控制流程圖

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對發(fā)明的仿真平臺進行詳細的闡述。

圖1表示回轉(zhuǎn)類非圓磨削磨床半實物仿真仿真平臺結(jié)構(gòu)圖。該仿真平臺包括控制模塊和運動模塊，控制模塊包括Dspace設(shè)備1；數(shù)據(jù)總線2，用于傳輸數(shù)據(jù)信息；控制器面板3，用于信號指令輸入與輸出；仿真計算機4，用于創(chuàng)建加工模型、在線實時控制、數(shù)據(jù)采集等；電機固定座5；伺服電機6；聯(lián)軸器7，用于連接伺服電機6和滾珠絲杠9；支撐座8，與軸承支座相連接固定滾珠絲杠9；滾珠絲杠9，將伺服電機輸出的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動；固定支座10，用于穩(wěn)定連接滾珠絲杠和滑塊直線電機之間的聯(lián)動關(guān)系；滑塊11，根據(jù)X軸直線電機的指令做直線運動；直線電機12，安裝在直線導(dǎo)軌11上；鉗工平臺13，用來固定電機固定座5和直線導(dǎo)軌14的平臺；直線導(dǎo)軌14，用來支撐和引導(dǎo)滑塊按照給定的方向做往復(fù)直線運動；光柵尺位移傳感器15，用于測量滑塊11的直線位移。圓光柵角度測量儀16，用來測量伺服電機6的角位移。

圖2仿真平臺模擬仿真控制流程圖。在仿真計算機中利用MATLAB/Simulink建立非圓磨削過程中X-C聯(lián)動加工系統(tǒng)運動控制Simulink框圖模型，通過RTW將Simulink框圖生成可執(zhí)行的C代碼后，Dspace設(shè)備和控制器板把C代碼信號處理后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換口輸出電壓信號，經(jīng)過電機的功率放大轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動模塊接收的運動指令，控制并輸出伺服電機的角位移信號和直線電機的位移信號，各個部件之間通過數(shù)據(jù)總線相互傳遞信息。在運動模塊中，滾珠絲杠一端通過聯(lián)軸器與伺服電機相連接，將伺服電機輸出的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，滾珠絲杠與直線導(dǎo)軌相平行，保證運動的平穩(wěn)性，另一端通過支撐軸承與直線導(dǎo)軌連接并固定，伺服電機和直線電機在接收信號后，伺服電機帶動滾珠絲杠做直線運動，直線電機帶動滑塊在直線導(dǎo)軌做往復(fù)直線運動。滾珠絲杠與滑塊之間通過支撐軸承相連接。在運動過程中，直線電機不輸入指令，伺服電機輸入指令時，所述的運動模塊用于模擬實際磨削加工中C軸系統(tǒng)帶動被加工工件的旋轉(zhuǎn)運動。伺服電機不輸入指令，直線電機輸入指令時，所述的運動模塊用于模擬實際磨削加工中X軸系統(tǒng)驅(qū)動砂輪架的往復(fù)直線運動。伺服電機和直線電機同時輸入指令時，伺服電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠做旋轉(zhuǎn)運動，滾珠絲杠上的滑塊隨著直線電機做直線運動，直線電機的直線位移與伺服電機的角度位移相匹配，實現(xiàn)X-C兩軸聯(lián)動模擬回轉(zhuǎn)類非圓零件的實際磨削加工。直線導(dǎo)軌上裝有光柵尺位移傳感器，用于檢測X軸方向上移動 滑塊跟蹤位移偏差；C軸電機貼有圓光柵角度測量儀，用于檢測伺服電機輸出跟蹤回轉(zhuǎn)角度偏差。光柵傳感器和圓光柵角度測量儀測量獲得位移信號和角位移信號，并通過Dspace的對應(yīng)接口傳輸?shù)焦た貦C中作為實時反饋信號。運動模塊中的伺服電機、直線電機、直線導(dǎo)軌固定在鉗工平臺上，保證運動過程的平穩(wěn)和測量的準(zhǔn)確性。

在運動模塊執(zhí)行命令的同時，打開仿真計算機中的ControlDesk綜合實驗環(huán)境軟件，軟件導(dǎo)航器窗口能夠顯示已下載的Dspace平臺和Simulink平臺，工具窗口能夠用于訪問Simulink仿真模型中的變量和參數(shù)，軟件主窗口通過建立的儀表面板能夠顯示運動模塊中C軸伺服電機輸出的角位移曲線和X軸直線電機輸出的位移曲線，通過對運動模塊中滾珠絲杠以及滑塊運動數(shù)據(jù)的的采集。通過圓光柵角度測量儀和光柵尺位移傳感器的反饋信息，不斷調(diào)整非圓輪廓零件X-C聯(lián)動加工仿真模型控制器的參數(shù)，觀察儀表面板中C軸和X軸跟蹤誤差曲線以及非圓輪廓曲線。該仿真平臺還能夠通過仿真計算機改變聯(lián)動加工控制器模型，用來模擬不同控制算法下的非圓輪廓零件的X-C聯(lián)動磨削加工。

本發(fā)明的半實物仿真平臺實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件聯(lián)動加工系統(tǒng)跟蹤控制算法調(diào)試的模擬實驗，其結(jié)構(gòu)新穎，不需耗費大量的人力物力，調(diào)試方便?？稍诎踩煽康膶嶒灄l件下，針對各種回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件磨削加工進行仿真，通過模擬仿真，既能真實的呈現(xiàn)非圓零件磨削過程中的磨削動態(tài)信息變化，又可以充分發(fā)揮虛擬計算機建模仿真與磨床模擬場景構(gòu)建的優(yōu)勢，本發(fā)明可為回轉(zhuǎn)類非圓輪廓零件磨削過程中伺服系統(tǒng)的跟蹤控制實驗提供精準(zhǔn)的測量結(jié)果，可以極大程度上節(jié)約控制算法的研發(fā)周期，同時節(jié)約調(diào)試成本，實時性好，具有較精準(zhǔn)的控制效果和擴展性。為實現(xiàn)非圓輪廓類零件高速磨削過程的穩(wěn)定控制、提高非圓零件的廓形精度及生產(chǎn)效率提供重要實驗支撐。