CN113009827A - 一种基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，包括以下步骤：（1）创建数控雕刻机的机电一体化模型；（2）创建数控雕刻机的整机虚拟调试模型；（3）实验验证整机虚拟调试模型的可靠性；（4）多目标优化算法求雕刻机动态性能最优解；（5）创建面向用户的虚拟调试交互界面。本发明为数控雕刻机提供一种调试伺服控制参数更加简便快捷的方法，提高了效率，降低调试成本，为滚珠丝杠等关键机械传动部件的选型以及在装配过程中对于轴承、导轨滑块等部件的预紧提供了一定的理论支撑；创建面向用户的虚拟调试界面能够让用户直接修改参数和观测结果，而不必深入了解虚拟调试模型的搭建过程、数据处理过程以及数据传输程序等信息，增加了实用性。

Description

一种基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟调试技术的数控雕刻机动态性能优化方法，属于数控雕刻机控制技术领域。
背景技术
雕刻机行业趋于向高速、高精度和多轴控制方向发展，这就要求雕刻机产品不断提高其伺服控制与结构的综合性能，从而改善其加工精度和加工效率。雕刻机作为一种典型的机电加工设备，其动态性能的好坏直接影响了加工零部件的质量。影响动态性能的因素很多，其中就包括伺服控制参数的设置及机械结构刚度，而机械结构刚度取决于关键传动部件的选型以及装配过程中各部件的预紧等。
基于物理系统模型的多学科、综合性建模平台Simulink/Simscape更为直观和方便，更接近于真实的物理模型，更好表现出物理系统的组成结构，提供多种可用于复杂、综合性对象仿真的广义执行模块；同时，Simulink与SolidWorks存在数据传输接口，可实现不同领域间的协同仿真，因此Simulink/Simscape是实现复杂机电系统实体建模的有力工具。
目前雕刻机在调试伺服参数时，判断动态性能好坏通过人工观测伺服电机旋转平稳度以及听旋转噪音方式，效率低，误差大；而采用专门的动态性能检测仪器，价格昂贵，大大增加了企业成本。
发明内容
本发明针对现有雕刻机的伺服参数调试技术存在的问题，提供一种快捷方便、成本低、效率高的基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，以有效改善上述现有技术问题。
本发明的基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，包括以下步骤：
(1)创建数控雕刻机的机电一体化模型；
(2)创建数控雕刻机的整机虚拟调试模型；
(3)验证整机虚拟调试模型的可靠性；
(4)多目标优化算法求雕刻机动态性能最优解；
(5)创建面向用户的虚拟调试交互界面。
所述步骤(1)创建数控雕刻机的机电一体化模型，包括搭建数控雕刻机的电气系统、控制系统和机械系统，具体过程是：
①搭建电气系统：建模环境下调用功率变换的三相二电平电压源逆变器和永磁伺服电机，为机械系统提供转矩以及其它运动信号，同时调用电流传感器模块搭建电路电流测量系统，测量电动机输入电流作为矢量控制器的反馈信号；搭建信号集成子系统(调用“bus to vector”和“bus selector”模块)，实现反馈电机信号的选择输入、电流控制器与电机信号的总线集成以及将各路多变量信号转化为矢量信号；调用三相电源、整流器、制动斩波器模块，串联连接，为逆变器提供直流电源；
②搭建控制系统：调用两自由度位移控制器(在Simulink/Simscape中)，选择速度控制器，产生用于矢量控制器的转矩设定值，估计电机磁链组件和电磁转矩；调用矢量控制器，并对其类型及输入输出接口进行转换，实现三电平信号指示三相逆变器在逆变器饱和期间向机器施加负、零或正直流母线电压；
③搭建机械系统：选择机械系统元器件(利用Simscape Foundation Library库中Mechanical和Utilities选项)，包括质量、转动惯量、扭转刚度、连接刚度、角速度源、角度传感器、滚珠丝杠、直线位移传感器、机械参考模块、Simulink信号-物理信号转换模块、示波器、求解器，其中，求解器选择变步长，自动求解设置。
所述步骤(2)创建数控雕刻机的整机虚拟调试模型的具体过程是：
对数控雕刻机进行简化三维建模(忽略一些无关紧要的零部件和结构，比如螺栓螺孔、导槽等)，建立床身、机架以及X、Y和Z三个进给轴的滚珠丝杠、导轨、滑块、工作台关键零部件的几何模型并将各零部件模型按照实际装配关系添加配合；安装SimMechanicslink插件，导出数控雕刻机XML文件和STEP文件(通过“Multibody Second Generation”选项)，将XML文件与STEP文件通过smimport指令导入Simulink中，实现数控雕刻机动力学模型可视化，得到机器的可视化真实的实体仿真画面，在自动生成的3D动画中或通过点击“Mechanics Explorers”按钮查看系统动态，通过添加虚拟传感器，得到机器位移曲线及速度曲线；与步骤(1)中的机电一体化模型整合，得到整机的虚拟调试模型。
所述步骤(3)验证整机虚拟调试模型的可靠性的具体过程是：
通过动态位移测量位移仪器采集数控雕刻机X、Y和Z三个进给轴的位移-时间数据，保存数据文件，每根进给轴设置三种不同速度，每种速度重复三次取平均值，利用Matlab脚本语言与绘图工具绘制位移曲线，计算各组数据动态性能技术指标，与仿真结果对比，修改虚拟调试模型控制系统和机械系统参数，直至满足误差需求。
所述步骤(4)雕刻机动态性能最优解，通过多目标优化算法计算求得，具体过程是；
优化变量综合连接刚度、综合扭转刚度、位置环增益和速度环增益的取值范围为80％～120％，取得30～40组实验参数，改变模型参数进行仿真，得到每一组动态性能指标数据，通过机器学习算法拟合每一个目标变量与设计变量数据，拟合度达到算法模型可靠性要求，通过多目标优化算法求得动态性能技术指标的最优解。
所述步骤(5)创建面向用户的虚拟调试交互界面的具体过程是：
基于Matlab脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面，通过“GraphicalUser Interface”界面实现与Simulink虚拟调试环境交互，GUI界面展示雕刻机机电混合模型各进给轴固定参数区、可变参数区，同时，界面包括雕刻机三维动画展示区，位移、速度曲线展示区，以及优化结果分析区以及具有数据文件存储功能；功能选项区用于X、Y、Z轴的虚拟调试模型展示选择。
本发明为数控雕刻机提供一种调试伺服控制参数更加简便快捷的方法，提高效率，减少成本；同时，为滚珠丝杠等关键机械传动部件的选型以及在装配过程中对于轴承、导轨滑块等部件的预紧提供了一定的理论支撑。创建面向用户的虚拟调试界面能够让用户直接修改参数和观测结果，而不必深入了解虚拟调试模型的搭建过程、数据处理过程以及数据传输程序等信息，增加了此方法的可实用性。
附图说明
图1是本发明基于虚拟调试技术的数控雕刻机动态性能优化方法的流程图。
图2是本发明中数控雕刻机简化三维图。
图3是本发明中面向用户的虚拟调试交互界面示意图。
具体实施方式
以K500型三轴数控雕刻机为例，结合附图，具体说明本发明的实施方式。如图1，为本发明的流程图。
第一步，创建数控雕刻机机电一体化模型
S01:搭建雕刻机电气系统
在Simscape库中Specialized Power Systems--Electrical drives选项中选择三相逆变器，将“Drive type”选项选择为“PMSM vector control”，用于驱动永磁伺服电机，逆变器采用三相二电平电压源逆变器，是伺服系统中用于功率变换的关键功能部件，该模型由直流侧一个受控电流源和交流侧两个受控电流源和三个受控电压源组成。在Simscape Electrical库中Specialized Power Systems--Machines选项下选择永磁伺服电机，该模型进行一定理想假设，采用转子坐标系，划分三个子系统，一个子系统将三相电压参数进行坐标变换，将其变换为直轴和正交轴；第二个子系统向上使用直流正交电压来产生电流(直流和正交)以及其他相关的机械量，如扭矩、角速度和角度等；第三个子系统将直、交轴上的电压转换回三相域,然后将多路复用的三相电压信号从电机反馈到逆变器，以此来实现电机为机械系统提供转矩以及其他运动信号的目的。调用电流传感器搭建电路电流测量模块，测量电动机输入电流作为矢量控制器的反馈信号。调用“bus to vector”、“bus selector”模块搭建信号集成子系统，实现反馈电机信号的选择输入、电流控制器与电机信号的总线集成以及将各路多变量信号转化为矢量信号，以作为三相逆变器的输入信号。调用三相电源、整流器、制动斩波器模块，串联连接，为逆变器提供直流电源。
S02：搭建雕刻机控制系统
采用现有经典的三环控制模式，调用两自由度位移控制器，在SimscapeElectrical库中Specialized Power Systems--Electrical drives选项下选择速度控制器，将“Controller type”选项改为“Without flux reference output”，用于矢量控制驱动器的交流电机的PI速度调节器模型，该调节器产生用于矢量控制器的转矩设定值，用于估计电机磁链组件和电磁转矩。在Simscape Electrical库中Specialized PowerSystems--Electrical drives选项下选择矢量控制器，将“Model drive level”选项改为“Average”，产生三电平脉冲信号(-1，0，1)，实现三电平信号指示三相逆变器在逆变器饱和期间向机器施加负、零或正直流母线电压的作用。
S03：搭建雕刻机机械系统
雕刻机进给轴由滚珠丝杠驱动，将电机的旋转运动转化为螺母的直线运动。利用Simscape Foundation Library库中Mechanical和Utilities选项选择机械系统元器件，如质量、转动惯量、扭转刚度、连接刚度、角速度源、角度传感器、滚珠丝杠、直线位移传感器、机械参考模块、Simulink信号-物理信号转换模块、示波器、求解器。其中，求解器选择变步长，自动求解设置。
通过查阅产品手册和相关资料，设置调用的各元器件其余参数均与实际机器的参数一致。
第二步，创建数控雕刻机整机虚拟调试模型
利用三维建模工具SolidWorks对雕刻机进行简化建模，建立床身、机架和X、Y、Z三个进给轴的滚珠丝杠、导轨、滑块、工作台等关键零部件的几何模型并将各零部件模型按照实际装配关系添加配合，如图2。SolidWorks安装SimMechanics link插件，通过“MultibodySecond Generation”选项导出雕刻机XML文件以及多个STEP文件，其中，XML映射信息文件包含程序集的结构和定义每个部件之间的约束，STEP文件提供可视化功能并指定每个CAD部件的三维参数，包括质量、惯量、尺寸、颜色等信息。将XML文件与STEP文件通过smimport指令导入Simulink环境中，可实现雕刻机动力学模型可视化，设置必要的驱动模块(动力源)和检测模块，可得到机器的可视化实体仿真画面，可在自动生成的3D动画中或通过点击“Mechanics Explorers”按钮查看系统动态，通过添加虚拟传感器，可以得到机器位移曲线及速度曲线。与第一步中雕刻机机电一体化模型整合，可得到整机的虚拟调试模型。
第三步，实验验证模型可靠性
利用AT930型激光跟踪仪采集雕刻机X、Y、Z轴位移-时间数据，PC机配套动态软件保存“.csv”数据文件。通过数据线传输到PC机配套动态软件中，保存数据文件。每根进给轴设置三种速度不同的实验方案，每种方案重复三次取平均值，以避免数据的偶然性，增加精确度。设置合理采样频率，便于后续数据处理，利用Matlab脚本语言与绘图工具绘制位移曲线，计算动态性能技术指标，与仿真结果对比，适当修改虚拟调试模型控制系统和机械系统参数，直至满足需求。两者误差在20％之内，可证明虚拟调试模型准确可靠。
第四步，多目标优化算法求雕刻机动态性能最优解
优化变量参数综合连接刚度、综合扭转刚度、位置环增益、速度环增益取值范围为80％～120％之间，通过Box-Behnken实验设计方法取得几十组实验参数(30～40组实验参数)，改变模型参数进行仿真，得到每一组动态性能指标数据，包括超调量、定位精度和响应效率。采用计算机高速处理器，可大大加快仿真速度，节约70％的仿真时间。通过二阶响应面算法拟合每一个目标变量与设计变量数据，拟合度大于0.9，则响应面模型可靠，拟合度达到算法模型可靠性要求。通过NSGA-Ⅱ多目标优化算法求得Pareto最优解集，根据模糊集合理论选择最优解。
第五步，创建面向用户的虚拟调试交互界面
基于Matlab脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面，如图3所示，通过“Graphical User Interface”界面实现与Simulink虚拟调试环境交互，GUI界面展示雕刻机机电混合模型各进给轴固定参数区、可变参数区，同时，界面包括雕刻机三维动画展示区，位移、速度曲线展示区，以及优化结果分析区以及具有数据文件存储功能。功能选项区用于X、Y、Z轴的虚拟调试模型展示选择。

Claims (6)

1.一种基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)创建数控雕刻机的机电一体化模型；
(2)创建数控雕刻机的整机虚拟调试模型；
(3)验证整机虚拟调试模型的可靠性；
(4)多目标优化算法求雕刻机动态性能最优解；
(5)创建面向用户的虚拟调试交互界面。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，其特征是，所述步骤(1)创建数控雕刻机的机电一体化模型，包括搭建数控雕刻机的电气系统、控制系统和机械系统，具体过程是：
①搭建电气系统：建模环境下调用功率变换的三相二电平电压源逆变器和永磁伺服电机，为机械系统提供转矩以及其它运动信号，同时调用电流传感器模块搭建电路电流测量系统，测量电动机输入电流作为矢量控制器的反馈信号；搭建信号集成子系统，实现反馈电机信号的选择输入、电流控制器与电机信号的总线集成以及将各路多变量信号转化为矢量信号；调用三相电源、整流器、制动斩波器模块，串联连接，为逆变器提供直流电源；
②搭建控制系统：调用两自由度位移控制器，选择速度控制器，产生用于矢量控制器的转矩设定值，估计电机磁链组件和电磁转矩；调用矢量控制器，并对其类型及输入输出接口进行转换，实现三电平信号指示三相逆变器在逆变器饱和期间向机器施加负、零或正直流母线电压；
③搭建机械系统：选择机械系统元器件，包括质量、转动惯量、扭转刚度、连接刚度、角速度源、角度传感器、滚珠丝杠、直线位移传感器、机械参考模块、Simulink信号-物理信号转换模块、示波器、求解器，其中，求解器选择变步长，自动求解设置。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，其特征是，所述步骤(2)创建数控雕刻机的整机虚拟调试模型的具体过程是：
对数控雕刻机进行简化三维建模，建立床身、机架以及X、Y和Z三个进给轴的滚珠丝杠、导轨、滑块、工作台关键零部件的几何模型并将各零部件模型按照实际装配关系添加配合；安装SimMechanics link插件，导出数控雕刻机XML文件和STEP文件，将XML文件与STEP文件通过smimport指令导入Simulink中，实现数控雕刻机动力学模型可视化，得到机器的可视化真实的实体仿真画面，查看系统动态，通过添加虚拟传感器，得到机器位移曲线及速度曲线；与步骤(1)中的机电一体化模型整合，得到整机的虚拟调试模型。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，其特征是，所述步骤(3)验证整机虚拟调试模型的可靠性的具体过程是：
通过动态位移测量位移仪器采集数控雕刻机X、Y和Z三个进给轴的位移-时间数据，保存数据文件，每根进给轴设置三种不同速度，每种速度重复三次取平均值，利用Matlab脚本语言与绘图工具绘制位移曲线，计算各组数据动态性能技术指标，与仿真结果对比，修改虚拟调试模型控制系统和机械系统参数，直至满足误差需求。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，其特征是，所述步骤(4)雕刻机动态性能最优解，通过多目标优化算法计算求得，具体过程是；
优化变量综合连接刚度、综合扭转刚度、位置环增益和速度环增益的取值范围为80％～120％，取得30～40组实验参数，改变模型参数进行仿真，得到每一组动态性能指标数据，通过机器学习算法拟合每一个目标变量与设计变量数据，拟合度达到算法模型可靠性要求，通过多目标优化算法求得动态性能技术指标的最优解。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟调试的数控雕刻机动态性能优化方法，其特征是，所述步骤(5)创建面向用户的虚拟调试交互界面的具体过程是：
基于Matlab脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面，通过“Graphical UserInterface”界面实现与Simulink虚拟调试环境交互，GUI界面展示雕刻机机电混合模型各进给轴固定参数区、可变参数区，同时，界面包括雕刻机三维动画展示区，位移、速度曲线展示区，以及优化结果分析区以及具有数据文件存储功能；功能选项区用于X、Y、Z轴的虚拟调试模型展示选择。
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