[發明專利]一種單軸進給系統銑削過程的動力學集成建模方法

有效

• 申請號: 202010956712.6
• 申請日: 2020-09-12
• 公開（公告）號: CN112207331B
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 張星;張偉;趙釗;趙萬華;尹佳
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23C1/00
• 分類號: B23C1/00;B23Q5/34
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種單軸進給系統銑削過程的動力學集成建模方法，先進行控制系統模塊的等效建模，再進行PWM與逆變器模塊的等效建模，然后進行伺服電機模塊的等效建模，再進行機械系統模塊的動力學等效建模，然后進行銑削模塊的等效建模，再進行模型的集成，最后對集成模型進行離散化；本發明實現滾珠絲杠進給系統從指令輸入到工作臺位移輸出的全過程物理仿真；同時實現銑削力、刀具振動狀態、零件加工表面的仿真計算；建立單軸滾珠絲杠進給系統與銑削過程的集成模型，實現二者間交互作用的耦合分析。

技術領域

本發明屬于數控機床的運動控制技術領域，特別涉及一種單軸進給系統銑削過程的動力學集成建模方法。

背景技術

數控機床作為工業母機，其性能和精度的優劣對整個工業界的發展有著至關重要的影響。在零件的銑削加工成形過程中，機床的各個進給軸為刀具和零件提供了進給運動，各進給軸的協調配合產生了刀具與零件之間的空間相對運動；與此同時，刀具通過切削過程將零件毛坯上的多余材料去除，從而將毛坯加工成設計的形狀尺寸，也即所設計的最終零件。在這一過程中，機床自身的性能和精度以及切削過程成為影響最終零件質量的兩大方面因素。

理想的進給運動和切削過程是加工出合格零件的必要條件，但在實際加工過程中存在諸多影響因素，使加工過程受到影響，從而降低最終零件的輪廓精度、表面質量等。從機床角度來看，由于系統內電氣環節的非理想特性、機械環節的柔性等因素，其實際的位移輸出通常與指令存在偏差，從而造成刀具與零件的相對位置產生偏差；而從切削過程來看，刀具的振動、變形等因素也使加工過程受到了影響。為了提高零件的加工精度和質量，眾多學者分別圍繞機床和切削過程開展了大量理論建模與分析工作，并取得了顯著的成效。

但事實上，機床的進給運動與切削過程是一個不可分割的整體，二者之間存在著復雜的力-位移耦合作用過程：由于非理想因素的影響，進給運動的速度與位移波動將使刀具-零件的瞬時嚙合狀態發生改變，從而對切削過程產生影響；另一方面，切削過程產生的高頻波動的切削力與振動，也將成為進給系統的干擾源，對進給系統的性能造成顯著影響。隨著生產技術的發展，對零件的加工質量要求越來越高，由于上述機床與切削過程之間的耦合作用造成的影響將不可忽略。

目前，大多數理論建模方法都是對機床和切削過程單獨進行建模，或者將其中一方面進行較大程度的簡化，這種建模方法難以從系統的角度對這種耦合作用進行深入分析研究，因此缺少一種對機床進給系統和銑削過程的集成建模與分析方法。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提出一種單軸進給系統銑削過程的動力學集成建模方法，對滾珠絲杠進給系統中各環節進行詳細建模與求解，實現滾珠絲杠進給系統從指令輸入到工作臺位移輸出的全過程物理仿真；對銑削過程中刀具與零件的嚙合過程進行建模，實現銑削力、刀具振動狀態、零件加工表面的仿真計算；將進給系統模型與切削過程模型進行集成，建立單軸滾珠絲杠進給系統與銑削過程的集成模型，實現二者間交互作用的耦合分析。

為了實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種單軸進給系統銑削過程的動力學集成建模方法，包括以下步驟：

步驟1)控制系統模塊的等效建模：

控制系統模塊采用包含位置環、速度環和電流環的閉環控制方式，位置環控制器采用比例控制器，速度環、Q軸和D軸電流環控制器均采用比例-積分控制器；以數控系統輸出的位移指令為輸入，分別計算得到位置環、速度環、電流環的輸入與輸出值；

步驟2)PWM與逆變器模塊的等效建模：

基于SVPWM工作原理，根據控制系統模塊輸出的電壓矢量幅值建模和相位，確定6個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的通斷狀態、通斷時間以及施加在電機定子繞組上的三相電壓值；

步驟3)伺服電機模塊的等效建模：