數控仿真系統范文第1篇
關鍵詞：數控教學,編程理論,機床操作,實踐
隨著中國由世界制造業大國向制造業強國的邁進, 數控機床的裝備率逐年提高, 數控加工技術得到廣泛的應用, 數控人才已經成為勞動力市場急需的人才。如何盡快地培養出滿足市場需要、掌握數控機床編程知識操作技能的數控復合型技能人才已成為數控教學工作者必須面對的嚴峻問題。作為數控編程與操作的專業教師, 深感如何將數控編程理論教學與數控機床操作實踐有機地結合起來是值得我們認真探討的關鍵問題。
1 數控加工仿真系統可以解決數控設備不足的問題
數控機床屬于高科技產品, 品種多價格高。一臺數控車床或數控銑床一般需二三十萬, 一臺數控加工中心也是少則幾十萬多則幾百萬。數控機床的操作訓練若完全依賴數控機床進行實作訓練, 投入大, 消耗多, 成本高, 即使是實力雄厚的培訓學校和企業也無力承擔起此種消耗與投入。因此探索一種新的數控加工技術教學模式來達到投入少、見效快、培養的學生適應性強、受企業歡迎的教學模式勢在必然, 這種教學模式應當區別于傳統的機械加工培養模式。通過多年的實踐教學探索得出引入數控加工仿真系統教學為是解決這一問題的重要途徑。既能解決學生實習時不熟悉數控系統操作及控制面板的問題, 又可以大大提高學生的學習興趣, 還能提高學生的編程能力及對不同數控系統不同數控機床的適應能力, 同樣也是一種進行數控實作前模擬加工教學的有效途徑。
2 數控加工仿真系統在教學中的具體應用
2.1 數控加工仿真系統的選用
數控加工仿真系統的軟件形式很多, 有的是數控機床本身自帶的仿真系統, 但這種數控機床的仿真系統在教學中局限性較大, 不適于教師教學和學生訓練。有的是一些先構圖而后自動編程仿真軟件, 也不適應于手工編程教學的要求。國內還有其它幾種數控加工仿真軟件, 但都有一些不盡人意之處。經過多方面比較, 我校最終選擇了上海宇龍公司的數控加工仿真系統的教學軟件。該軟件是來源于美國的基于虛擬現實的仿真軟件, 是一種富有價值的教學輔助工具, 它可以實現對數控車床、數控銑床和數控加工中心加工零件全過程的仿真, 其中包括毛坯定義、夾具刀具定義與選用, 零件基準測量和設置, 數控程序輸入、編輯和調試, 擁有FANUC數控系統、SIEMENS數控系統、華中數控系統、廣州數控系統等多種數控系統, 具有多系統、多機床、多零件的加工仿真模擬功能, 該軟件具有獨創性, 達到國際、國內領先水平。
2.2 數控加工仿真系統的應用方法
2.2.1 靈活應用教學方法, 課堂教學中變學生被動學習為主動學習。
由于大部分基礎好的學生選擇上高中, 職業技術學校教師教學很困難, 傳統的教學方式已很難使學生接受, 因此, 利用先進的教學方法、教學手段來提高學生的學習興趣顯得尤為重要。數控專業教師應有較高的教學水平和教學能力, 有較強的數控職業能力即數控編程能力、工藝處理能力、實際動手能力、自動編程能力, 能較為嫻熟地運用行動導向的教學方法, 在課堂教學真正體現學習為主體, 突出顯示學生動手動腦的活動, 變學生被動學習為主動學習。在教學過程中, 教師起引導作用, 即對學生活動中遇到的困難或無法下手的問題進行引導、講解。課堂教學中每節課的知識點盡可能集中, 深入淺出, 便于學生掌握編程方法與技巧。
2.2.2 恰當運用數控加工仿真系統, 充分發揮其課堂教學中的作用。
數控加工仿真系統主要應用于數控編程與操作這一理論教學課程, 還要作為數控操作技能訓練的輔助工具。教師應十分重視數控加工仿真系統在教學中的應用方法, 擺正數控加工仿真系統在教學中的位置, 既不能完全依賴數控加工仿真系統放棄教師在教學中的引導作用, 也不能在教學中教師唱獨角戲采用常規的教學模式而忽視數控加工仿真系統的應用, 應該科學地、充分地發揮數控加工仿真系統在教學中的作用。
2.2.3 科學安排教學內容, 循序漸近掌握數控編程與操作技巧。
在教學過程中教學內容的安排分為三個模塊。其一為基礎模塊, 主要講解與訓練最常用的FANUC數控系統中的數控車床、數控銑床、數控加工中心的編程方法、操作應用, 這一模塊是教學重點, 必須使學生熟練掌握, 靈活應用;其二為提高模塊, 主要講解與訓練SIEMENS數控系統的三種機床的編程與操作, 以幫助學生進一步加強不同在數控系統下對不同數控機床的編程方法的理解與應用能力;模塊三為拓展模塊, 主要講解國產數控系統中的華中數控系統和廣州數控系統中的數控車床的編程與操作方法, 擴大學生的知識面, 提高學生對不同操作系統、不同操作面板的編程與操作能力。這三個模塊的教學可根據學生的不同層次進行安排, 中專中技層次難度較低, 高技大專層次難度稍大, 三個模塊課時較多。這樣, 學生在從業時能夠信心十足的面對所操作的數控機床, 較快適應所從事的工作。
2.2.4 正確進行教學評價, 提高學生的學習意識和自覺性。
教學時所進行的教學評價包括學生的自我評價、學生相互之間的評價和教師評價。上機應用數控加工仿真系統進行數控編程與操作練習時以教師評價為主, 對每次的練習成績及時登記。評價方法包括口頭評價和試題測評, 而試題測評方法包括課題測評及期末測評。教師對學生進行口頭評價時應注意方式和語言的選擇, 對做得不好的學生不采用直接批評的方法, 只是指出該學生哪些地方做得好, 哪些不太好, 應如何改進;對于比較差的學生稱為“學習較為困難一點的學生”。課堂測評應有較強的目的性, 不是難為學生, 而是通過學生進行測試, 來提高學生的學習意識、學習熱情, 學習的自覺性和自信心, 因此, 測試題應與課堂教學、上機應用數控加工仿真系統的練習要求相適應?？记暗膹土晳休^強的目的性, 不應超出范圍, 課程的總評成績不過分注重一次期末考試結果, 而是更多地、客觀地關注學生在整個學習過程中的學習效果。教師在教學中有明確的教學目的, 逐個系統、逐種機床進行講解及安排練習, 因人施教, 因村施都, 恰到好處。
總之, 數控加工仿真系統軟件在教學中的應用尚在起步與探索階段, 只要積極思考在應用中產生的問題, 主動采取應對措施, 正確發揮其在教學中的作用, 就一定能收到事半功倍的效果。
參考文獻
[1]胡曉華, 尤組成.CNC加工過程的計算機模擬仿真[D].科技成果學術論文, 1996 (5) .
數控仿真系統范文第2篇
隨著科學技術的發展, 數控技術正在得到廣泛的應用。數控人才成為市場急需的人才, 如何盡快地培養出滿足市場需要、掌握數控機床編程和操作技術的數控技能型人才成為數控教學工作者必須研究的問題。作為數控教學的專業教師, 深感如何將數控理論和實踐教學有機地結合起來是值得我們認真探討與研究的。
由于數控機床是一種新型工藝裝備, 故數控技術工人的培養和數控機床的教學還處在剛剛起步的狀態, 如何利用數控加工仿真系統進行教學更是處在探索階段, 因此有必要對數控教學模式、教學手段和教學方法的完善進行有益的探索, 創新數控專業的職業技能鑒定的工作方法, 建立一套完整的數控教學新體系。
2 數控實習 (實驗) 教學中存在的問題
(1) 數控機床是一種機電一體化的新型設備, 價格較之普通機床要昂貴得多。數控機床的操作訓練若完全依賴數控機床進行實作訓練, 投入大消耗多成本高。
(2) 數控機床的系統多, 型號多且更新較快, 對學院而言是不可能將所有的系統配齊的, 這樣經常會出現學生在校期間所學的系統與工廠中不符的情況, 使到了工廠后不能盡快適應機床。
(3) 數控機床是自動運行的, 學生在初學時, 常常會由于在編程中的疏忽或操作中的失誤造成刀具或機床的損壞, 甚至造成人身危害。
為了解決上述問題, 我院從數控專業開設起, 就嘗試利用數控加工仿真系統軟件進行教學, 均對我院數控教學等方面發揮了重大的作用。
3 數控加工仿真系統的產生
隨著計算技術的發展, 尤其是虛擬現實技術和理念的發展, 產生了可以模擬實際設備加工環境及其工作狀態的計算機仿真培訓系統。它用計算機仿真培訓系統進行培訓, 不僅可迅速提高操作者的素質, 而且安全可靠、費用低。
目前在國內已經有很多學校將計算機仿真初步運用于數控操作人才培訓的教學之中, 也產生了各種仿真教學系統。簡單來講就是利用計算機和其他的專用硬件軟件去產生一種真實場景的仿真, 參與者可以通過與仿真場景的交互來體驗一種接近于真實的場景的感覺。因此能進一步培訓操作者的實際工作技能。
4 數控加工仿真系統的應用方法
4.1 活應用教學方法, 使學生成為課堂學習的主體
由于大部分高職學生學習基礎差, 所以教師教學很困難, 傳統的教學方式已很難使學生接受。
因此, 利用先進的教學方法、教學手段來提高學生的學習興趣顯得尤為重要。數控專業教師應有較高的教學水平和教學能力, 有較強的數控職業能力, 能較為嫻熟地運用行動導向的教學方法, 在課堂教學真正體現學生為主體, 突出顯示學生動手動腦的活動, 變學生被動學習為主動學習。
4.2 恰當運用數控加工仿真系統, 充分發揮其課堂教學中的作用
數控加工仿真系統主要應用于數控編程與操作這一理論教學課程, 還可作為數控操作技能訓練的輔助工具。教師應十分重視數控加工仿真系統的在教學中的應用方法, 擺正數控加工仿真系統在教學中的位置, 既不能完全依賴數控加工仿真系統放棄教師在教學中的引導作用, 也不能在教學中教師唱獨角戲采用常規的教學模式而忽視數控加工仿真系統的應用, 應該科學地、充分地發揮數控加工仿真系統在教學中的作用。
4.3 科學安排教學內容, 循序漸近掌握數控編程與操作技巧
在教學過程中教學內容的安排分為三個教學模塊。其一為基礎模塊, 主要講解與訓練最常用的FANUC數控系統中的的編程方法、操作及應用, 由于配備FANUC系統的數控機床在數控加工中的市場占有率高, 所以這一模塊是教學重點, 必須使學生熟練掌握, 靈活應用:其二為提高模塊, 主要講解與訓練SIEMENS系統的機床的編程與操作, 以幫助學生在不同數控系統下對不同數控機床的編程方法的理解與應用能力;模塊三為拔高模塊, 主要講解國產數控數控系統中的華中數控系統的數控編程與操作方法, 擴大學生的知識面, 從而適應高職數控大賽指定系統—華中數控系統的編程與操作。
這三個模塊的教學可根據學生不同層次進行安排。這樣, 學生在從業時能夠信心十足的面對所操作的數控機床, 較快適應所從事的工作。 當然, 運用此方法, 我們學院在各種大賽比武中取得了好的成績。
4.4 正確進行教學評價, 提高學生的自覺學習意識
教學時所進行的教學評價包括學生的自我評價、學生相互之間的評價和教師評價。上機應用數控加工仿真系統進行數控編程與操作練習時以教師評價為主, 對每次的練習成績及時登記。評價方法包括口頭評價和試題測評, 而試題測評方法包括課題測評及期末測評。教師對學生進行口頭評價時應注意方式和語言的選擇, 對做得不好的學生不采用直接批評的方法, 只是指出該學生哪些地方做得好, 哪些不太好, 應如何改進;對于比較差的學生稱為“稍微弱一點的學生”。 課堂測試應有較強的目的性, 不是難為學生, 而是通過對學生進行測試, 來提高學生的學習意識、學習熱情, 學習的自覺性和自信心。
5 數控加工仿真系統的應用效果
5.1 理論教學應用數控加工仿真系統可以極大地提高學生的學習興趣
在引入數控加工仿真系統應用軟件之前, 數控編程與操作課程與其他課程教學模式相同, 主要是課堂教學, 學生對自己所編的程序正確與否是通過教師批改作業來知曉的。這種方法教師檢查程序需逐個程序段進行查閱, 內容多而十分麻煩, 一些在數控機床上常常無法通過的書寫錯誤也不易查出, 而這些問題的解決在實際數控編程中是十分重要的。至于數控操作問題, 在黑板上講解各個按鍵的作用、名稱與使用更是一件費力不討好的事, 習者枯燥, 教者乏味。
引入數控加工仿真系統進行教學以后, 學生所編程序可以直接在計算機數控加工仿真系統的模擬加工演示, 對程序編寫和書寫的錯誤能直接看出, 機床操作面板的使用與零件的加工過程也和實際加工情況十分相似, 學生可以從任意角度觀察數控機床加工過程, 毛坯加工為成品的過程歷歷在目, 直觀形象, 便于學習與掌握, 編程與操作的作業可以直接在計算機上檢查, 每次有檢查, 次次有結果, 使學生對這門課程有了濃厚的學習興趣。
5.2 技能訓練應用數控加工仿真系統可降低訓練成本提高訓練效率和安全性
數控機床是一種較為昂貴的機電一體化的新型設備, 它具備“高速、高效、高精度”的特點, 如果初學時就讓學生直接在數控機床上操作, 可能出現撞壞刀具等現象, 甚至因操作失誤對學生造成人身危害。引入數控加工仿真系統進行技能操作, 可以大大降低實訓的消耗, 約50個機位的計算機包括50個結點的正版數控加工仿真系統軟件, 所需費用相當于一臺三十萬元的數控機床, 卻能解決50-150個學生的初階段的技能訓練問題, 學生可以輕松對實習過程進行初始化, 對未能完成的實習實行項目保存, 對已完成的實習課題進行調入回顧, 而后再進行幾次實際操作就能達到事半功倍的效果, 大大提高了實習效率降低了實習成本。
因此應用數控加工仿真系統可以減少考生占用數控機床的時間約50%, 學生可以將編程與程序校驗時間放在計算機上完成, 然后通過數據傳輸將所編程序輸入數控機床, 對零件進行加工, 安全性及效率均大為提高。
參考文獻
[1]黃志輝.數控加工編程與操作[M].北京:電子工程出版社, 2008, (8) .
數控仿真系統范文第3篇
在人體模型的設計過程中將人體各部分運動簡化處理,綜合考慮零件的材料和制造工藝性,并結合國外人體模型的經驗,設計出基于我國人體測量數據的人體模型機械結構,該系統與人體自由度基本相同,能夠實現人體在三維空間的旋轉、彎曲、伸展、內收與外展運動。
1人體模型設計規則
人體模型可以看作是由身體不同部位相互連接而成,各部位可近似為剛體,且各部位之間通過關節點相連。人體既有作為一個整體的運動形式,其各個部位也有其特有的運動規律。在人體模型的設計中,按剛體運動規則進行相關設計。
基于人體的受損機理,人體模型設計必須遵循3點原則,即力學結構的仿真性、力學性能的相似性和重復使用性。力學結構的相似性是最重要的,有了這一點,才能保證試驗中獲取的數據是可信的,并能預測乘員身體各部分所受到的損傷程度。因此,必須強調力學結構的仿真性,它是實現前者的有效途徑。由于汽車碰撞試驗、飛機彈射座椅研制試驗、跳傘試驗等均是破壞性試驗,每一次試驗都會對人體模型產生相當大的損傷,而每個人體模型的成本不低,為了降低試驗成本,必須保證人體模型具有相當的強度,達到經濟的使用壽命(約20次)。因此在保證結構仿真的同時,還要考慮改善結構的受力狀況并合理選材。具體設計中,將人體模型的頭部和四肢都考慮為剛體,上臂關節、上臂與肩部的關節以及下肢關節采用鉸鏈方式,本設計是基于我國人體測量數據的第90百分位人體尺寸進行設計的。
2動態人體模型主要結構設計研究
2.1頸部
頸部采用異丁橡膠和鋁件相間隔,整體合模硫化而成。整個頸部前傾15°安裝在托架上,托架采用扇形齒嚙合定位,便于調整前傾角度。在動態彎曲(向前彎)和拉伸(向后彎)時,頸部相對力矩的響應具有類似人體頸部的轉角,通過頸部軸線的鋼索限制其伸長量、控制響應并提高其耐久性。頸椎部分總長為122mm,一端通過頭頸連接件與頭部相連,另一端通過頸上托架與固定在鎖骨焊接件上的頸下托架嚙合連接。
如圖1所示,頸椎與頸上托架連接圓盤設計為一鋁合金件,此圓盤通過頸部鋼索與頸椎相連,通過螺釘與頸上托架固定連接,整個結構去毛刺,表面鈍化處理。頸椎硬橡膠件共有4件,與頸椎構成件通過頸部鋼索相間連接。頸椎構成件為4件,材料也為硬橡膠。
如圖2所示,頸椎與頭部連接件材料選為鋁合金,4個沉孔均布;頸部鋼索總長150mm,球頭直徑17mm,右邊部分為外螺紋結構。頸上托架中間孔與鋼索螺紋部分相連,4個均布孔與連接圓盤中孔相連,扇形齒部分與頸下托架的扇形齒嚙合連接。
2.2腰
髖關節屬于多軸關節,關節運動范圍較大,可作球面運動和旋轉運動,其關節窩包繞關節頭的1/2以上,因為有關節唇,使關節窩增大,故也可以看作是球窩關節的特殊類型。骨盆為整個上身重量的承載體,故選擇鑄鋁件,它包括兩對銅質的球和窩狀股骨關節,可作與人相似的相對運動。骨盆下部設計了一個儀器空腔,可放置載荷傳感器,儀器空腔表面的蓋板可防塵。簡化設計時,將骨盆設計成如圖3所示結構,兩邊兩個球窩跟大腿骨球頭關節通過螺釘相連,這樣大腿球頭關節就可以模擬人體作球面運動和旋轉運動。
腰椎材料選為聚丙烯酸酯橡膠,整個腰椎向前彎曲,中心的雙面孔通過鋼索與骨盆相連,具有似人坐著的閑散狀態,符合人體腰椎特征。腰椎里的鋼索,在不減弱彈性和改變形狀的前提下增加強度。腰椎下部放置在托架上。骨盆腰椎的連接塊結構如圖4所示,右邊中心2個孔與腰椎鋼索球體部分相配合,3個斜通孔與腰椎下部鋼索緊板中孔通過螺釘相連,起固定鋼索緊板的作用,左邊2個通孔與骨盆固定連接。腰椎下部鋼索緊板用于連接腰椎和骨盆腰椎連接塊,中間球孔與腰椎鋼索球體部分配合;腰椎胸椎連結板用于連接腰椎和胸椎,中間2個沉孔與腰椎鋼索螺紋部分相連,通過4個通孔與胸椎相連。
2.3下肢
下肢結構主要包括大腿、膝關節、小腿及腳部5個部分。大腿部分與骨盆相連實現下肢相對軀干的運動;膝腳關節系統可完成人體坐標系上的2個方向的活動,即在矢狀面上的伸展和在前額面上的內收與外展,在矢狀面上彎曲與伸展的范圍為50°～70°,在前額面上的內收與外展的范圍為30°～40°;踝關節實現人體腳部相對于小腿的旋轉運動。
2.3.1大腿結構
人體大腿骨總長約為409mm,大腿部分由與骨盆相配合的股骨球頭、大腿骨干及傳感器替代件組成。由人機工程學可知,髖關節屬于多軸關節中的杵臼關節,其關節頭呈圓球狀,可沿3個相互垂直的運動軸作屈、伸、收、展、旋轉和環轉等各種運動,根據其結構特征,設計的股骨球頭如圖5所示,球體部分與骨盆球窩相配合,實現下肢相對于人體軀干的運動。長方體部分開孔與大腿骨通過螺釘固定連接,左右腿股骨球頭稍有區別,球頭轉向相反。
大腿骨干上部的窩狀結構與股骨球頭孔相配合,通過螺釘固定連接,下部結構通過螺釘與大腿骨傳感器替代件固定連接,大腿骨干總長181mm,大腿骨重心位置在離髖關節約177mm處,經分析計算并實驗研究,將此處設計成一圓盤狀。傳感器替代件總長130mm,上下對稱,上部通過螺釘與大腿骨相連,下部與膝關節相連,在測試時換裝上傳感器。
2.3.2小腿骨
小腿骨總長約為436mm,小腿部分由小腿骨干和小腿骨與膝關節連接件組成。小腿骨與膝關節連接件呈對稱結構,兩側分別與膝關節內側和外側止動塊相連,底部4個沉孔與小腿骨干固定連接,小腿骨干長366mm,其結構如圖6所示。
2.3.3腳部
由人機工程學可知,踝關節是單軸關節,作球面運動,自由度為1。設計時,將踝關節簡化為一作球面運動的球頭。腳部設計主要包括腳掌金屬支架、踝球頭關節、球頭關節下壓板和踝部上連接塊的設計。人體足長為264mm,考慮到轉動慣量以及加上皮膚后,整個腳重約1kg,根據人體腳骨形狀,并考慮到加工方便,經實驗研究將腳掌簡化為如圖7所示的形狀,腳掌呈對稱狀,重心位置在中線上,中線處的支架形似人的腳弓,該結構穩定性好,材料選取45鋼,鋼板厚3mm,表面光整。腳掌金屬骨架長設計為190mm,最大寬72mm,支架為鋼板焊接而成,高28mm,要求焊縫光整均勻無氣孔,圓柱部分與踝部球頭關節相連,柱體與腳掌前端距離為130mm,符合力矩平衡條件。
3結語
結合人機工程學,在UG系統CAD平臺上對第90百分位人體模型主要部位機械結構進行設計研究,主要涉及到人體頸部、胸部、腰部以及下肢的設計,限于篇幅,文章只給出了人體模型的部分設計內容,該設計為進一步研究其它百分位的人體機械模型奠定了基礎。
摘要：根據人機工程學和動態結構設計學,對基于我國人體測量數據的第90百分位的動態人體模型機械結構進行設計研究,為進一步研究其它百分位的人體機械模型奠定了基礎。
關鍵詞：動態人體模型,人機工程學,百分位,關節,自由度
參考文獻
[1]丁玉蘭.人機工程學[M].北京:北京理工大學出版社,1991.
[2]GB10000-88,中國成年人人體尺寸[S].
[3]朱西產,袁健.中國成年從人體模型及其碰撞模擬計算的研究[C]//中國汽車工程學會第十一屆年會論文集SAE-C,1998:61-66.
[4]GB/T17245-200X,成年人人體慣性參數[S].
[5]余翔,袁中凡,林大全.汽車正面碰撞工藝實驗假人的研制[J].四川大學學報(工程科學版),2002(3):118-121.
[6]戢敏,袁中凡.仿真假人人體參數的計算和分析[J].中國測試技術,2003(4):37-39.
[7]GB3975-83,人體測量術語[S].
[8]秦永剛,李艷松.新一代智能化假人[J].安全技術,1998(5):17-18.
數控仿真系統范文第4篇
數控裁剪機作為服裝、皮革等柔性材料自動化加工的核心設備, 其加工性能直接決定最終產品的質量以及企業的生產效率。目前, 我國柔性材料加工企業生產自動化程度還很低, 主要采用傳統裁剪方法, 這使得加工效率低, 人力成本高, 產品質量和品質也受到很大限制。國內外數控裁剪機制造企業已推出多個系列的大型數控裁床, 但由于其價格及運行成本太高, 給國內中小企業購買和使用上帶來不便, 因此, 研制適用于中小企業的數控裁剪機顯得尤為重要。
伺服進給系統是數控裁剪機的重要組成部分, 其性能是判斷數控裁剪機整機性能的重要依據。本文以數控裁剪機X向伺服進給系統為研究對象, 通過對伺服進給系統分析, 利用ADAMS和Matlab/Simulink軟件分別建立伺服進給系統的機械動系統和控制系統仿真模型, 并運用聯合仿真技術對該系統進行動態聯合仿真。
1 數控裁剪機伺服進給系統設計及剛柔耦合建模
直刀式數控裁剪機主要進行多層柔性材料的裁剪, 一般配備真空吸附裝置, 啟動此裝置后裁剪工作面上的柔性材料吸附在工作面上起到固定作用, 并使柔性材料具備一定剛性便于裁剪加工, 裁刀進行與工作面垂直的高頻振動切割運動, X向與Y向伺服進給系統根據接收到的二維軌跡的坐標位置在XY平面內做實時插補運動, 同時轉向伺服帶動裁刀以C軸為中心實時調整裁刀角度, 使得裁刀始終沿著XY平面內給定軌跡的切線方向運動, 進而完成整個裁剪過程[1]。數控裁剪機伺服進給系統構成如圖1所示。
ADAMS是目前最具權威、使用最廣泛的機械系統動力學分析軟。由于ADAMS自身所具備的幾何建模功能不適宜于復雜模型的建立, 一般需要通過專業的幾何建模軟件建模, 并在該軟件中裝配好后, 將模型導入ADAMS中進行分析。通過計算和設計過程確定數控裁剪機的幾何尺寸與裝配方式, 利用Creo Parametric參數化建模軟件建立數控裁剪機進給系統的幾何模型, 將模型簡化后, 通過專業應用軟件Mechanic將模型單位換算一致并將模型保存為Parasolid格式。然后將模型導入ADAMS軟件中, 添加各部件的密度、彈性模量和泊松比屬性, 在各部件之間添加約束、載荷和驅動。裁剪機進給系統關鍵部件橫梁和滾珠絲杠的受力變形對整個進給系統有重要影響, 運用有限元分析軟件ANSYS生成關鍵部件的模態中性文件, 使用ADAMS最新開發的柔性體替換剛性體工具將關鍵部件的模態中性文件替換ADAMS模型中剛性體部件, 完成對數控裁剪機進給系統剛柔耦合模型的建立[2]。裁剪機進給系統ADAMS模型及拓撲結構如圖2、圖3所示。
1.伺服電機;2.聯軸器;3.軸承及軸承座;4.滾珠絲杠;5.導軌;6.橫梁及Y向進給系統;7.刀架;8.床身
2 X向控制系統設計
數控裁剪機X向伺服進給系統為雙電機同步進給, 與機械同步方式相比簡化了系統的拓撲結構, 便于安裝維修并提高了系統的精度。目前, 矢量控制的交流永磁同步電機已經廣泛應用于交流伺服系統。矢量控制技術是依次利用坐標變換與轉子磁場同步旋轉變換, 實現定子電流轉矩分量和勵磁分量的近似線性化解耦, 使交流電機獲得與直流電機相同的控制性能[3]。交流永磁同步電機的優點在于它的低振動、高精度和高可靠性。因此本文所設計的數控裁剪機的伺服驅動元件為交流永磁同步電機, 并采用id=0的矢量控制方式。偏差耦合控制是多電機同步控制的常規方法, 該控制方法是將某電機與其它電機的速度反饋分別作差, 然后將偏差之和作為該電機的速度補償型號, 從而實現各電機之間良好的同步性[4]。PID控制策略以其結構簡單、調整方便、魯棒性好而在工業控制領域廣泛應用。所以數控裁剪機X向伺服進給系統整體采用三閉環PID控制策略, 雙電機同步控制采用偏差耦合控制。數控裁剪機X向雙電機同步控制原理如圖4所示。
控制系統由電流環、速度環、位置環、速度補償器、空間矢量脈寬調制及坐標變換組成。電流控制器 (ACR) 使得定子電流矢量的直軸id和交軸iq分量跟蹤給定值, 從而達到對電機轉矩的控制;速度控制器 (ASR) 使得電機轉速跟蹤速度給定值, 從而達到對電機轉速的控制;速度補償器對兩電機轉速做出補償反饋, 使雙電機同步轉動:位置控制器 (APR) 使得機械部件位移跟蹤位移給定值, 從而達到對機械部件的位置控制。
根據圖4的控制原理圖, 利用Matlab中的動態仿真工具Simulink可以構建數控裁剪機X向控制系統, 如圖5所示。由內而外依次搭建電流環、速度環和位置環, 由于機械傳動尚沒有接入控制系統, 所以搭建完成后留有兩輸入反饋位置接口和兩輸出速度接口。
控制系統中ACR Subsystem子模塊內部結構如圖6所示, 其中永磁同步電機和空間矢量脈寬調制對應Sim Power Systems模塊庫中的Permanent Magnet Synchronous Machine和Discrete SV PWM Generator模塊, 坐標變換Park, IPark和Clarke分別對應Target Support Package模塊庫中的Park Transformation, Inverse Park Transformation和Clarke Transformation模塊。
3 進給系統聯合仿真分析
伺服進給系統的機械和控制系統都建立后, 為實現ADAMS與Simulink之間的數據交換, 要在ADAMS中創建以下四個狀態變量:velocity_1、velocity_2、position_1、position_2。其中velocity_1、velocity_2為輸入變量, 它們分別為兩臺電機的驅動轉速;position_1、position_2為輸出變量, 它們分別對應橫梁兩端X向位移。然后利用ADAMS/Control模塊生成控制連接文件, 在Matlab中輸入該文件名和接口命令ADAMS_sys便可生成adams_sub模塊, 將該模塊拖拽至控制系統模型, 并完成數據交換接口的連接就可以進行動態聯合仿真[5]。
仿真電機參數:定子電阻R=6.84Ω;d, q軸電感Ld=Lq=0.02H;轉矩常數Tm=2.47Nm;轉動慣量J=0.003kg·m2;極對數量Pn=4。伺服進給系統三環階躍響應曲線如圖7所示:電流環階躍響應在0.02s處, 電流給定值由0變為1, 有小超調, 在0.05s左右穩定;速度環階躍響應在0.1s處, 速度的給定值由300rpm變為600rpm, 控制無超調, 響應時間約為50ms;位置環階躍響應在0.2s處, 位置由0變為50mm, 有少量機械延時, 在0.4s處于穩定狀態且控制無超調。伺服系統的動態響應性能基本符合設計要求。
雙電機同步控制仿真轉速曲線如圖8所示, 在0.1s處電機1和電機2分別受到大小為0.3Nm和0.6Nm的干擾轉矩, 兩電機轉速有所下降, 并且很快恢復原來轉速, 此期間兩電機轉速差很小, 同步性良好。
4 結論
通過對數控裁剪機伺服進給系統的設計與分析, 將機械傳動多體動力學模型與伺服電機控制系統通過ADAMS和Matlab/Simulink軟件聯合進行機電一體化仿真, 該仿真包含伺服進給系統中的剛體、柔體、電機和控制多方面因素, 使仿真結果進一步與真實情況相一致。通過仿真得出數控裁剪機伺服進給系統的動態響應特性和雙電機轉速同步特性, 為伺服進給系統整體性能的改進提供可靠依據, 也為相似復雜系統的動態仿真研究提供了一種新方法。
參考文獻
[1]李國富, 華爾天, 葉飛帆, 應小剛.數控服裝裁剪機控制系統設計[J].科技通報, 2005, 21 (6) :729-731, 734.
[2]張永德, 汪洋濤, 王沫楠, 姜金剛.基于ANSYS與ADAMS的柔性體聯合仿真[J].系統仿真學報, 2008, 20 (17) :4501-4504.
[3]丁文, 高琳, 梁得亮, 孫萍, 劉元江, 李中軍.永磁同步電機矢量控制系統的建模與仿真[J].微電機, 2010, 43 (12) :66-71.
[4]楊晨娜, 張怡.雙電機同步控制系統的設計與仿真[J].工業控制計算機, 2009, 22 (1) :36-37.
數控仿真系統范文第5篇
1 EAMA數控機床機械裝配仿真系統介紹
EAMA數控機床機械裝配仿真系統是由南京翼馬數控機床科技有限責任公司為按照教育部于2009年新開設的“數控設備應用與維護”專業及人力資源與社會保障部于2007年頒布的新工種“數控機床裝調維修工”所提出技能要求和標準的教學培訓而研發的, 以培養優秀的數控設備維護維修人才為目標的仿真教學軟件[1]。軟件采用3D可視化技術開發, 分為銑床EM120-ET與車床EM100-ET兩個功能單元, 每個功能單元下包括機械拆裝、調試、測量、裝配圖紙與裝配視頻等六個功能模塊。本文著重介紹車床EM100-ET功能單元, 主界面如圖1所示, 圖2為功能單元下的功能模塊界面。
2 在教學中的具體應用
2.1 機械拆裝
數控機床結構與原理中關于數控機床的X軸、Z軸、主軸與尾座的組成、結構、工作過程及安裝等內容, 由于機械結構的復雜性, 往往難以被學生理解, 若采用模擬軟件在計算機上模擬機床裝拆過程, 則有助于學生掌握機床的結構與組成。圖3為EM100-ET機床拆裝模式界面。利用EAMA數控機床機械裝配仿真系統, 教學過程中可直觀形象地完成以下授課內容: (1) 通過這些三維機床模型, 使學生從各個角度看到機床內部結構, 加深學生對機床機械結構的認識; (2) 對數控機床的每一個部件及組裝過程都作動態展示, 讓學生能熟悉機床的構造并能熟練地進行設備的拆裝[1,2], 如X軸自動拆除/裝配、Z軸自動拆除/裝配、主軸自動拆除/裝配、尾座自動拆除/裝配及手動拆除/裝配等。同時配合相應的講解, 介紹產品的功能、狀況等, 訓練學生掌握數控機床的機械結構、組成與設計, 熟練數控機床的拆裝, 使學生掌握實際機床機械拆裝的基本步驟, 指導學生全面掌握機床的各個機械結構。
2.2 機械調試
機床調試對于學生來說是一個重難點。EA-MA數控機床機械裝配仿真系統中的EM100-ET是一個擁有四方刀架, 鋼制斜床身整體, X、Z軸, 主軸、主軸箱及尾座等的三維數控車床模型。圖4為調試模式界面, 主要包括:X、Z軸導軌平行度調試、絲桿與導軌平面度調試、主軸與導軌的垂直度調試、主軸與尾座平行度調試等。通過機械裝配仿真系統的示范教學可使學生掌握數控機床安裝、調試的基本步驟、基本調試方法及相關注意事項, 同時, 使學生學會使用常用的工量具, 如杠桿百分表、塞尺、水平儀、游標卡尺、拔銷器、磁力表座等。
2.3 測量
機床裝配精度與測量方法密不可分, 正確熟練的使用測量工具進行數控機床精度測量對于學生來說是一個重要技能和難點[3]。EM100-ET數控機床調試時的精度要求主要集中在對導軌、主軸與尾座的平行度與垂直度測量, 平行度與垂直度的測量都將使用百分表。因此, 正確、靈活地使用百分表成為學生必須重點掌握的技巧之一。圖5為EAMA數控機床機械裝配仿真系統的測量模式, 該模式下學生能了解到機床測量時涉及到的各種測量工具, 可加強學生對工量具的感性認知, 同時配合相應的講解、介紹, 可較好地提高學生正確使用各種工量具。
2.4 裝配視頻
從功能上分可將數控機床分為機床機械部分和機床電氣兩個部分, 電氣系統要能正常驅動機床機械結構完成所需的各個動作, 依賴于機床機械結構部分的正確裝調。圖6為EAMA數控機床機械裝配仿真系統的車床EM100-ET裝配圖紙模式界面, 該界面下收錄了數控車床機械部分的所有工程圖紙。圖7為裝配視頻模式界面, 此模式下共有14個視頻內容, 完整地介紹了機床導軌、主軸、尾座、刀架等的安裝與精度測量。結合圖紙、視頻與前述的機械拆裝, 可實現理論與實踐教學的完整結合, 從實際教學效果來看, 利用視頻的可視作用, 對學生掌握數控機床的維修與裝調效果非常明顯。
3 應用時的注意事項
3.1 積極利用EAMA機械裝配仿真系統提升教學效果
《數控機床結構、原理與應用》、《數控機床機械系統裝調與維修》及《數控機床電氣系統裝調與維修》等課程是數控技術專業和數控設備專業的核心專業課程[4]。采用傳統教學理論講解可讓學生全面完整地把握機床的各個結構、組成與工作特點, 然而由于機床結構的復雜性, 對于剛接觸機床, 一個對機床結構、組成沒有完整認知的學生來說, 單純地理論講解往往難以吸引學生的興趣, 變得比較枯燥乏味;實訓教學可讓學生直觀地了解到機床各個組成部分和加工動作過程, 而對于機床內部結構和特點往往受設備、場地等因素的制約而無法取得預期教學效果。引入EAMA機械裝配仿真系統后, 可在理論講授過程中適時穿插EAMA軟件, 借助其手/自拆裝、裝配視頻演示及裝配圖模式等功能模塊可讓學生直觀地看見機床內部結構、裝配及工作過程, 從而有利于學生又好又快地掌握數控機床的結構與原理。同樣的, 在數控實訓之前集中學習EAMA軟件仿真機械拆裝、調試與測量, 不僅可以幫助學生進一步溫習和更好的掌握機床拆裝過程、工量具的使用, 更重要的是可通過裝拆、調試、測量激發學生思維, 提升學生的動手能力, 以及安全意識與合作意識等, 從而進一步提高學生的職業素養[5]。
3.2客觀對待EAMA機械裝配仿真系統的不足并合理使用
在數控原理講解及機床裝調、測量過程中, 利用EAMA機械裝配仿真系統進行示范教學可以解決許多問題, 但該模擬仿真軟件也存在一些不足, 例如仿真系統的機床模型、結構、種類有限, 只有車床跟銑床兩種機床模型;且不同數控機床廠家所設計的機床機械結構也風格各異, 如南京翼馬數控機床科技有限責任公司與浙江天煌科技實業有限責任公司所設計的數控車床的機床結構就有所差異。因此, 在仿真軟件產品模型與實際機床結構不完全對等時, 授課時要及時說明軟件與實際機床的不同之處, 以免使學生產生誤解, 防止以偏概全[6]。此外, 利用仿真軟件進行數控維修機械拆裝課程學習時, 要嚴格要求學生按照生產工藝要求進行機床實訓拆裝, 要避免以仿真軟件操作取代實際維修操作, 也要避免以實際維修操作完全忽視軟件模擬仿真, 軟件的模擬學習與機床拆裝實操要協調進行。
4 結語
EAMA數控機床機械裝配仿真系統是一款先進的、功能豐富的數控機床仿真軟件, 將其引入到數控教學中, 對傳統教學方式起到了很好的補充作用, 豐富了教學方式和手段, 從實際教學效果來看, 對學生掌握數控原理, 數控機床結構及調試與測量等方面效果十分明顯。在教學過程中, 只要不斷探索研究, 科學、合理地使用機械裝配調試維修仿真系統, 隨著軟件的不斷更新改進, 仿真系統一定能在數控技術教學中發揮出更大積極的作用[1]。
摘要：介紹了EAMA數控機床機械裝配仿真系統的基本特點, 重點闡述了EAMA數控機床機械裝配仿真系統的機械拆裝、調試、測量、裝配視頻等模塊在數控教學中的具體應用方法, 并提出了應用時的注意事項。
關鍵詞：數控教學,機械拆裝,仿真
參考文獻
[1]李歡歡, 盧卓.VNUM數控機床調試維修軟件在數控教學中的應用[J].計算機光盤軟件與應用, 2012 (16) :282-283.
[2]朱立達.數控維修仿真在教學中的應用[J].技術與教育, 2010, 24 (2) :34-37.
[3]莊磊.關于仿真技術在數控加工中應用的思考[J].科學大眾 (科學教育) , 2014 (11) :155+180.
[4]陳益.數控仿真軟件在數控教學中的應用淺析[J].科技與創新, 2015 (24) :122.
[5]李彩霞.虛擬遠程數控技術實訓教學研究與實踐[J].裝備制造技術, 2016 (05) :253-254.