CN114386197A - 一种数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法 - Google Patents

Abstract

一种数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法，包括以下步骤：(1)SolidWorks环境下搭建数控雕刻机的机械总装配模型；(2)SimMechanics模型转换；(3)创建基于Matlab/Simulink的数控雕刻机动力学可视化虚拟调试系统。本发明基于Solidworks及Matlab/Simulink创建了数控雕刻机虚拟调试系统，该方法简单便捷，通过使用该虚拟调试系统，省去了现实中调试的成本，提高了产品开发效率。

Description

一种数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法

技术领域

本发明涉及一种用于对数控雕刻机进行虚拟调试系统的创建方法。

背景技术

目前数控雕刻机制造厂家在调试伺服控制参数时，判断动态性能好坏通常是通过人工观测伺服电机旋转平稳度以及监听旋转噪音的方式，这种方式误差大且消耗大量的人力、物力和财力，频繁启停易对雕刻机设备造成损害；而通过经常采用专门的动态性能检测仪器来调整，长期租赁价格昂贵，则大大增加了企业成本。

对于数控雕刻机的虚拟调试，传统的方法通常是在传统PID控制基础之上，推导出位置环、速度环、电流环的传递函数公式，建立机械传动系统的简化数学模型，进而搭建出整个伺服进给系统的完整数学模型，分析不同的伺服系统与机械结构参数对于雕刻机性能的影响。但对于数控雕刻机而言，这种方法在建立数学模型时比较困难，模型误差较大，同时不能直观地反映数控雕刻机的物理组成。

发明内容

本发明针对当前数控雕刻机调试存在的问题，基于Solidworks及Matlab/Simulink，提出一种简单、便捷的数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法。

本发明的数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法，包括以下步骤：

(1)SolidWorks环境下搭建数控雕刻机的机械总装配模型；

(2)SimMechanics模型转换；

(3)创建基于Matlab/Simulink的数控雕刻机动力学可视化虚拟调试系统。

所述步骤(1)搭建数控雕刻机的机械总装配模型的过程是：

在SolidWorks环境下建立总装配模型，给予数控雕刻机相关属性、层次结构和机械约束等关键信息，基于相应的调试目的对模型进行适度简化，对雕刻机的主要功能部件进行建模，建立包括床身、机架、主轴以及X、Y、Z三个进给轴的导轨、滑块和工作台等关键零部件在内的几何模型，并将各零部件模型按照实际装配关系添加配合，以各零部件的各自作用对数控雕刻机总装配模型进行分割，根据实际关键零部件的功能需求，将数控雕刻机总装配体模型划分成多个子装配体模型(如木材加工系统子装配体模型、机械传动系统子装配体模型、伺服系统子装配体模型等)，选择各子装配体模型之间的配合关系，在SimMechanics中尽可能地以低副(旋转副和移动副)来代替高副。

总装配模型文件中的各零部件全部以英文命名，防止在MATLAB环境中读取时不可识别。

所述步骤(2)SimMechanics模型转换的过程是：

根据实际雕刻机部件功能实现子装配体模型的划分，同时结合Simscape高级语言来实现进给系统各关键功能部件物理建模与模块化封装；在MATLAB环境下通过“smimport”指令将所述步骤(1)获得的XML文件与STEP文件导入，将XML文件转化为SLX格式的文件，即为SimMechanics的动力学模型。

所述步骤(3)数控雕刻机动力学可视化虚拟调试系统的创建过程是：

将Simulink/Simscape中提供的伺服进给驱动模型与SimMechanics的动力学模型相结合，作为虚拟调试系统模型；advanced mates在SolidWorks中能够被用来限制X、Y、Z轴的最大行程，在虚拟调试系统模型中通过加入饱和块的方式，将数控雕刻机各执行机构的输入信号限制在上下饱和值，建立考虑三个进给轴最大行程的简化动力学模型。

本发明基于Solidworks及Matlab/Simulink创建了数控雕刻机虚拟调试系统，该方法简单便捷，通过使用该虚拟调试系统，省去了现实中调试的成本，提高了产品开发效率。

附图说明

图1是本发明数控开料机的虚拟调试系统的创建总体流程。

图2是三维模型和可视化动力学模型的转化关系示意图。

图3是SolidWorks环境下建立的数控开料机三维CAD模型示意图。

图4是数控开料机SimMechanics的动力学模型示意图。

具体实施方式

图1给出了本发明数控雕刻机的虚拟调试系统的创建总体流程，具体如下所述。

1.SolidWorks环境下搭建数控雕刻机的机械总装配模型

数控装置和机械系统经由电气和控制子系统进行联接，机械系统是数控雕刻机的执行机构，电气和控制子系统是数控雕刻机的驱动控制部件；电气、控制与机械系统作为数控雕刻机关键的功能子系统，很大程度上影响数控雕刻机的动态特性和静态特性。通过对数控雕刻机本体基本结构进行研究分析，才能有效确保机电一体化模型建立的准确性。

利用SolidWorks软件建立数控雕刻机的机械总装配模型，其中三维CAD模型包含了数控雕刻机形状、质量、尺寸以及拓扑结构约束等信息。通过SimMechanics link插件实现三维模型和可视化动力学模型的转化，转化关系如图2所示。

首先在SolidWorks环境下建立总装配模型，给予数控雕刻机相关属性、层次结构、机械约束等关键信息。由于数控雕刻机是一个相对复杂的机械设备，在模型的建立过程中如果对雕刻机的每一个结构细节进行描述，工作量巨大且没有必要。基于相应的调试目的，可对模型进行适度简化，对雕刻机的主要功能部件进行建模，省略对整体系统影响很小的一些零部件和结构，如螺栓螺孔、导槽等。建立床身、机架、主轴和X、Y、Z三个进给轴的导轨、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。

为使数控雕刻机导出的文件能够有效利用，还需对三维模型进行前处理。首先，在建模过程中，装配体(数控雕刻机总装配体模型)文件中的各零部件全部以英文命名，防止在MATLAB环境中读取时不可识别。以各零部件的各自作用对装配体进行分割，根据实际子零件的功能需求，将子零件装配成多个子装配体模型(如木材加工系统子装配体模型、机械传动系统子装配体模型、伺服系统子装配体模型等)；合理选择各子装配体模型之间的配合关系，以保证在SimMechanics中尽可能地以低副(旋转副和移动副)来代替高副。对机械三维实体模型利用SolidWorks插件进行干涉检测等手段，进一步确保机械系统建模的正确性。

在SolidWorks软件中打开数控雕刻机的三维装配后，通过“Multibody SecondGeneration”选项导出数控雕刻机第二代格式XML文件以及多个STEP文件，导出过程生成一个XML文件，其中包含程序集的结构和定义每个部件的参数，以及一组STEP文件，这些文件提供可视化功能并指定每个CAD部件的三维表面几何形状，所有导出文件全部保存在同一个文件夹中，以便能够让MATLAB全部识别。

2.SimMechanics模型转换

机械传动系统作为伺服系统的执行机构，与电机本体之间也产生机电耦合关系，电机产生的机械能由电机的转子输出，以转矩的形式传给机械系统，同时机械系统作为负载，对电机产生反作用，从而影响能量转换的过程。伺服电机的输出转矩通过机械传动机构转换成直线运动，驱动机床移动部件实现所要求的位移指令。各领域间的功能耦合实现最终的机械动作，因此在建模分析时，将根据实际物理部件实现模块组划分，同时结合Simscape高级语言来实现进给系统各关键功能部件物理建模与模块化封装。

Simscape是在Simulink基础上的扩展工具模块，包含许多子功能库，可以支持复杂的不同类型物理系统混合建模和仿真。Simscape采用物理拓扑网络方式构建模型，每一个模块都对应一个实际的物理元器件，模块之间的连接线代表元件之间装配和能量传递关系。Simscape根据模型所表达的系统组成关系，自动推导出由机械组件、电子组件、控制组件等组成的系统动态特性的数学方程式。

在MATLAB环境下通过“smimport”指令将所述步骤(1)获得的XML文件与STEP文件导入，将XML文件转化为SLX格式的文件，即为SimMechanics的动力学模型。

3.创建基于Matlab/Simulink的数控雕刻机动力学可视化虚拟调试系统

伺服驱动系统是数控雕刻机的机电系统的重要组成部分，接收数控装置发出的位移、速度指令，经变换、放大、调整后，控制电机和机械传动机构驱动坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，跟随指令运动，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而雕刻加工出形状较为复杂的零件。伺服驱动系统性能的好坏对于开料机的动态性能有很大的影响，影响着开料机的加工精度和质量，为保证机开料机进给系统响应的快速性和准确性，要求伺服控制系统具有良好的速度、位移响应性能和抵抗外界因素干扰的能力。

Simulink/Simscape提供了很多现成的伺服进给驱动模型，各子系统基本元器件都可以从功能子库中拖曳到建模空间，同时借助Simulink数学模块完成整体建模。将Simulink/Simscape伺服进给驱动模型与SimMechanics模型相结合，可作为数控雕刻机的虚拟调试系统模型。SimMechanics不能够识别advanced mates关系，而advanced mates在SolidWorks中能够被用来限制X、Y、Z轴的最大行程。因此，在模型中通过加入饱和块的方式，将关节执行器(数控雕刻机的各执行机构)的输入信号限制在上下饱和值，建立了考虑三个进给轴最大行程的简化动力学模型。

以下给出具体实施例。

数控开料机作为一种常见的数控雕刻机被广泛的应用于板材加工领域，因此本发明选定数控开料机的虚拟调试系统作为实施例。

1.创建数控开料机的三维Solidworks模型

要实现数控开料机动力学模型的可视化，首先需要在SolidWorks环境下建立总装配模型，给予开料机相关属性、层次结构、机械约束等关键信息。由于开料机是一个相对复杂的机械机构，在模型的建立过程中如果对开料机的每一个结构细节进行描述，工作量巨大且没有必要。基于相应的研究目的，可对模型进行适度简化，对开料机的主要功能部件进行建模，省略对整体系统影响很小的一些零部件和结构，如螺栓螺孔、导槽等。建立床身、机架、主轴和X、Y、Z三个进给轴的导轨、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。SolidWorks环境下建立的数控开料机三维CAD模型如图3所示。

2.SimMechanics模型转换

在SolidWorks软件中打开数控开料机的三维装配后，通过“Multibody SecondGeneration”选项导出开料机第二代格式XML文件以及多个STEP文件，导出过程生成一个XML文件，其中包含程序集的结构和定义每个部件的参数，以及一组STEP文件，这些文件提供可视化功能并指定每个CAD部件的三维表面几何形状，所有导出文件全部保存在同一个文件夹中，以便能够让MATLAB全部识别。

数控开料机SimMechanics XML文件包含了其特征结构，并使用标签定义描述数据信息，是三维设计模型与虚拟仿真模型转换的桥梁，由此实现了异构信息的提取和统一。其中，包括了对象名称“name”、功能描述“description”、长度“length”、距离“distance”、质量“mass”和版本“version”等多个元素属性；以及功能输出坐标变换“Transform”、位置“position”，功能标识“Function ID”以及数字流“Flow”等多个子元素的信息赋予。

在MATLAB环境下通过“smimport”指令将XML文件与STEP文件导入，将XML文件转化为SLX格式的文件，即为SimMechanics的动力学模型，如图4所示。CAD导入过程中STEP文件实现了动力学模型的可视化。

由图4可以看出，数控开料机的SimMechanics动力学模型由机械配置各模块组成，具备设置重力、量纲、分析模式、约束求解器类型、公差线性化、可视化等功能。世界坐标系“Word”模块是SimMechanics机械动力学模型预定义的静止正交坐标框架，是机械模型所有框架网络的基础；机械环境模块，负责机构的仿真、机械约束的解释和仿真的线性化，应用整个模型的机械和仿真参数，为整个机构指定重力方向，设置线性化增量用于计算线性化的数值偏导数的扰动值；求解器配置采用后向欧拉法，采样时间设置为0.001s，非线性迭代次数为3次；上述三个模块是任何动力学求解必不可少的。模型中的移动副和旋转副表示开料机两个子系统之间的运动关系，使一个子系统相对另一个子系统进行一个自由度的运动。运动副驱动方法有两种，力矩驱动和运动驱动，选择后一种方式，可通过属性菜单进行设置，关节的基本体状态、信息检测和内部力学也可以根据需要由此指定，应用这些设置后，运动副模块将显示相应的物理信号端口。

子装配体系统中的Solid实体模块表示将结合体、惯性和质量、图形组件和刚性连接的框架组合成单个单元的实体，可根据实际情况设置外形、质心、位置以及坐标系等一些参数。

3.创建基于Matlab/Simulink的数控雕刻机动力学可视化虚拟调试系统

将Simulink/Simscape伺服进给驱动模型与SimMechanics模型相结合，实现了基于多体仿真方法的完整机电一体化混合，作为虚拟调试系统模型。将数控雕刻机的各执行机构的输入信号限制在上下饱和值，建立了考虑平动轴最大行程的简化动力学模型。

SimMechanics对代表体、关节和约束运动的模块方程进行推导和求解，系统动态可以通过自动生成的三维动画来实现。设置所必要的相关驱动模块(动力源)和检测模块，通过实体的运动仿真，可得到机构的可视化真实的实体仿真界面，可通过点击“MechanicsExplorers”属性按钮进行查看。

Claims (5)

1.一种数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)SolidWorks环境下搭建数控雕刻机的机械总装配模型；

(2)SimMechanics模型转换；

(3)创建基于Matlab/Simulink的数控雕刻机动力学可视化虚拟调试系统。

2.根据权利要求1所述的数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法，其特征是，所述步骤(1)搭建数控雕刻机的机械总装配模型的过程是：

在SolidWorks环境下建立总装配模型，给予数控雕刻机相关属性、层次结构和机械约束的关键信息，基于相应的调试目的对模型进行适度简化，对雕刻机的主要功能部件进行建模，建立包括床身、机架、主轴以及X、Y、Z三个进给轴的导轨、滑块和工作台的关键零部件在内的几何模型，并将各零部件模型按照实际装配关系添加配合，以各零部件的各自作用对数控雕刻机总装配模型进行分割，根据实际关键零部件的功能需求，将数控雕刻机总装配体模型划分成多个子装配体模型，选择各子装配体模型之间的配合关系，在SimMechanics中尽可能地以低副来代替高副。

3.根据权利要求2所述的数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法，其特征是，所述总装配模型文件中的各零部件全部以英文命名。

4.根据权利要求1所述的数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法，其特征是，所述步骤(2)SimMechanics模型转换的过程是：

根据实际雕刻机部件功能实现子装配体模型的划分，同时结合Simscape高级语言来实现进给系统各关键功能部件物理建模与模块化封装；在MATLAB环境下通过“smimport”指令将所述步骤(1)获得的XML文件与STEP文件导入，将XML文件转化为SLX格式的文件，即为SimMechanics的动力学模型。

5.根据权利要求1所述的数控雕刻机虚拟调试系统的创建方法，其特征是，所述步骤(3)数控雕刻机动力学可视化虚拟调试系统的创建过程是：

将Simulink/Simscape中提供的伺服进给驱动模型与SimMechanics的动力学模型相结合，作为虚拟调试系统模型；advanced mates在SolidWorks中能够被用来限制X、Y、Z轴的最大行程，在虚拟调试系统模型中通过加入饱和块的方式，将数控雕刻机各执行机构的输入信号限制在上下饱和值，建立考虑三个进给轴最大行程的简化动力学模型。

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