朱宏偉，樊留群，趙建華，彭 超

樣機(jī)(Mock－up)一詞是指實(shí)際產(chǎn)品的物理模型，用來進(jìn)行試驗(yàn)和演示。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，特別是三維設(shè)計(jì)技術(shù)的普遍應(yīng)用，數(shù)字樣機(jī)(Digital Mock－up，DMU)技術(shù)迅速發(fā)展起來。數(shù)字樣機(jī)也稱為虛擬樣機(jī)(Virtual Prototyping，VP)，是建立在計(jì)算機(jī)上的數(shù)字模型，其在外形、結(jié)構(gòu)、功能和性能等諸方面與物理樣機(jī)相似，一般的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)由具有視覺、聽覺、觸覺以及多種交互反饋的計(jì)算機(jī)模型組成［1］。

虛擬機(jī)床是虛擬樣機(jī)在機(jī)床制造業(yè)的應(yīng)用，它將機(jī)床的快速原型虛擬設(shè)計(jì)與整機(jī)性能全面預(yù)測(cè)相結(jié)合，通過構(gòu)建虛擬機(jī)床并在其上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)，獲取機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。虛擬機(jī)床通過建立機(jī)床逼真的幾何模型，將機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型、機(jī)電耦合模型和加工過程模型等關(guān)聯(lián)在一起。它是真實(shí)機(jī)床在計(jì)算機(jī)虛擬空間中的再現(xiàn)，能在虛擬空間里體現(xiàn)機(jī)床在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和切削加工過程等方面的特性，使人們能夠利用這個(gè)虛擬的機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)、優(yōu)化仿真、測(cè)試分析等任務(wù)，甚至虛擬地“加工”零件。此外，它還能夠代替物理樣機(jī)進(jìn)行多種危險(xiǎn)性或破壞性試驗(yàn)，從而減少甚至取消物理原型的制造以及在其上進(jìn)行的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。

近些年虛擬機(jī)床研究及應(yīng)用深入到機(jī)床整機(jī)性能方面，特別是它將伺服驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)也加入動(dòng)態(tài)性能的分析中，使虛擬機(jī)床成為現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)中不可缺少的環(huán)節(jié)。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)的性能對(duì)機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能影響越來越大，而機(jī)電耦合機(jī)理還存在許多待解決的問題，所以建立精確的虛擬機(jī)床還是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

1 機(jī)床硬件在環(huán)仿真

在對(duì)機(jī)床進(jìn)行仿真分析時(shí)，將機(jī)床看成由控制器和機(jī)床機(jī)械部分組成，前面的仿真工作都是采用機(jī)床和控制器的數(shù)字(虛擬)模型進(jìn)行，在實(shí)際仿真中有以下3種仿真形式:(1)虛擬控制器+虛擬對(duì)象=動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，這是常用的仿真方式，通?？刂破髂M軟件與虛擬對(duì)象在同一仿真計(jì)算機(jī)中，成為軟件在環(huán)(Software in the Loop，SIL);(2)虛擬控制器+實(shí)際對(duì)象=快速控制原型仿真系統(tǒng)，是系統(tǒng)的一種半實(shí)物仿真;(3)實(shí)際控制器+虛擬對(duì)象=硬件在環(huán) (Hardware in the Loop，HIL)仿真系統(tǒng)［2］，是另一種半實(shí)物仿真，它將控制器與虛擬機(jī)床有機(jī)結(jié)合，共同構(gòu)成一種閉環(huán)的測(cè)試系統(tǒng)，滿足實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性等測(cè)試要求。

在虛擬機(jī)床仿真中，通常采用真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)控制虛擬機(jī)床模型進(jìn)行仿真，這種形式的仿真與SIL仿真主要的區(qū)別在于:SIL仿真中虛擬控制器的數(shù)控控制算法和運(yùn)行環(huán)境與真實(shí)數(shù)控不同，可能造成仿真結(jié)果的不準(zhǔn)確。另外HIL仿真中對(duì)控制器的操控是在真實(shí)控制器上進(jìn)行，可使用戶獲得真實(shí)的操控體驗(yàn)。由于不同廠家的數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)及輸入輸出接口的形式不同，要進(jìn)行HIL仿真需要在仿真計(jì)算機(jī)中建立機(jī)床的多體系統(tǒng)模型(MBS)，還要建立和數(shù)控系統(tǒng)的接口，接收來自數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制信號(hào)，并將MBS得到的各軸位置信息和其他I/O信息輸出到數(shù)控系統(tǒng)中。如圖1所示，真實(shí)數(shù)控通過數(shù)字總線與計(jì)算機(jī)上的機(jī)床模型仿真環(huán)境相連接后，組成硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都是采用總線形式與伺服及I/O的信息進(jìn)行交互，因此在仿真計(jì)算機(jī)中只需配置一塊總線卡來實(shí)現(xiàn)這些功能。由于控制器的實(shí)時(shí)性要求，需要虛擬機(jī)床在每個(gè)采樣周期將模型的位置信息反饋給數(shù)控系統(tǒng)，所以對(duì)虛擬機(jī)床的計(jì)算效率和實(shí)時(shí)性要求很高。

圖1 硬件在環(huán)仿真

2 機(jī)床硬件在環(huán)仿真的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

HIL技術(shù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)提高硬件設(shè)備的可靠性。通過采用硬件在環(huán)技術(shù)，系統(tǒng)功能測(cè)試可在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行，有效降低開發(fā)設(shè)計(jì)過程中可能存在的錯(cuò)誤與缺陷。(2)降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。采用仿真系統(tǒng)環(huán)境模擬實(shí)際的測(cè)試過程，驗(yàn)證系統(tǒng)的安全動(dòng)作、報(bào)警、應(yīng)急處理等高?？刂乒δ埽行Ы档土藴y(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。(3)降低測(cè)試成本。通過采用仿真系統(tǒng)環(huán)境模擬實(shí)際的測(cè)試過程，避免了系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期各種輔助設(shè)備的采購與配置，降低系統(tǒng)測(cè)試的時(shí)間與資金開銷。(4)滿足不同應(yīng)用環(huán)境的測(cè)試要求。通過軟件的靈活配置，模擬不同的系統(tǒng)環(huán)境，滿足指定的測(cè)試要求。

HIL在機(jī)床領(lǐng)域主要應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品生命周期中的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的整機(jī)調(diào)試仿真、參數(shù)優(yōu)化、加工過程優(yōu)化和驗(yàn)證以及培訓(xùn)和維修［3］。特別是在對(duì)加工精度和節(jié)拍要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析和SIL仿真分析后，機(jī)床設(shè)計(jì)流程已經(jīng)過幾輪閉環(huán)反饋，機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)過驗(yàn)證和優(yōu)化，但制造出來的機(jī)床是否能滿足加工的動(dòng)態(tài)特性、過程控制的邏輯加工時(shí)序是否存在錯(cuò)誤，仍然需要驗(yàn)證。由于真實(shí)數(shù)控在插補(bǔ)算法、速度前瞻控制和位置控制算法中的不同，機(jī)床實(shí)際運(yùn)行的軌跡和節(jié)拍可能和SIL仿真的結(jié)果有偏差，而HIL在這些場(chǎng)合發(fā)揮重要的作用。

3 Virtuos軟件及硬件在環(huán)仿真的應(yīng)用方法

通過上述方法建立的虛擬機(jī)床需要在多個(gè)軟件中進(jìn)行處理，需要花費(fèi)大量時(shí)間建立模型和處理轉(zhuǎn)換工作，虛擬機(jī)床也不能直接和真實(shí)數(shù)控結(jié)合建立HIL仿真環(huán)境，而Virtuos軟件可以解決這些問題。該軟件具有實(shí)時(shí)仿真性能，它的實(shí)時(shí)周期小于1ms，并能方便地和真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行連接。如圖2所示，Virtuos仿真系統(tǒng)硬件由仿真計(jì)算機(jī)和安裝在其上的總線從站組成，從站模擬伺服及其接口，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)中的虛擬機(jī)床與真實(shí)數(shù)控的交互。仿真系統(tǒng)由虛擬機(jī)床的可視化模塊、控制模型和實(shí)時(shí)仿真核心組成［4］。

圖2 Virtuos軟件系統(tǒng)組成

軟件可導(dǎo)入由MATLAB/Simulink文件建立的虛擬機(jī)床模型，軟件本身也提供了豐富的控制模型庫和機(jī)床三維模型庫，可直接用于構(gòu)建虛擬機(jī)床，當(dāng)然機(jī)床的三維模型也可通過其他CAD軟件建立然后導(dǎo)入。如圖3所示，Virtuos仿真系統(tǒng)可以支持多數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，經(jīng)過HIL仿真，數(shù)控和實(shí)際機(jī)床連接時(shí)，就能基本保證一次成功。

4 數(shù)控機(jī)床仿真模塊的建立

4.1 建立機(jī)床結(jié)構(gòu)模型

圖3 Virtuos硬件在環(huán)仿真的應(yīng)用

Virtuos軟件由VirtuosV和VirtuosM組成，VirtuosV部分是三維建模模塊，VirtuosM部分是運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊，可以建立仿真對(duì)象的運(yùn)動(dòng)鏈，定義動(dòng)態(tài)特性并且設(shè)置各運(yùn)動(dòng)部件與CNC之間的接口。本文針對(duì)沈陽機(jī)床的VMC0656e五軸立式加工中心進(jìn)行建模。打開VirtuosV，在工具欄選擇新建文件，依次對(duì)機(jī)床的各個(gè)組成部分建模。以機(jī)床的X進(jìn)給軸為例，單擊Scene－Create New Machine Element－Cuboid組件，輸入模型的長(zhǎng)、寬、高，定義坐標(biāo)位置。以同樣的方法添加機(jī)床另外的組件，或者利用UG、Pro/E等三維建模軟件進(jìn)行建模。建模完成后，導(dǎo)出VRML格式文件，導(dǎo)入VirtuosV，在將模型導(dǎo)入后，依次設(shè)置其各旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)中心，可以應(yīng)用其Measure模塊建立一個(gè)檢測(cè)單元，幫助確定各部件位置。生成的機(jī)床模型如圖4上半部分所示。

圖4 Virtuos機(jī)床幾何與動(dòng)力學(xué)模型

4.2 生成刀具文件

點(diǎn)擊“Tools”，進(jìn)入刀具定義界面，定義相應(yīng)數(shù)值，生成一把8mm的球頭銑刀。完成設(shè)置后保存。

4.3 建立機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型與CNC控制信號(hào)接口

如圖4下半部分所示，對(duì)應(yīng)于五軸機(jī)床VMC0656e，分別在 VirtuosM中拖入直線進(jìn)給軸Y－Axis，X－Axis，Z－Axis和旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸A－Axis，C－Axis，依次按照運(yùn)動(dòng)副關(guān)系連接。在信號(hào)輸入口上給出對(duì)應(yīng)CNC系統(tǒng)所用總線接口。在完成動(dòng)力學(xué)模塊定義后，依次將VirtuosV上各個(gè)對(duì)應(yīng)模塊的參數(shù)一一對(duì)應(yīng)定義到VirtuosM上建立連接。

完成VirtuosM與VirtuosV之間的連接后，本文應(yīng)用沈陽機(jī)床i5數(shù)控系統(tǒng)通過EtherCAT總線連接虛擬機(jī)床，進(jìn)行CNC控制。

4.4 機(jī)床動(dòng)態(tài)特性仿真

為描述軸的動(dòng)態(tài)特性，需用到式(1)所描述的一個(gè)二階動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng):

式中:ωn為系統(tǒng)固有頻率;ξ為阻尼比。

根據(jù)式(1)，從VirtuosM中調(diào)用相關(guān)的模塊組成描述式子的仿真程序，或者在MATLAB中完成動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)程序，然后調(diào)入VirtuosM中。本文采用直接在VirtuosM中編程的方法，來檢驗(yàn)仿真軟件的相關(guān)功能，得到如圖5上半部分所示的動(dòng)態(tài)特性描述程序，并將其定義于Z軸上進(jìn)行測(cè)試。再給出一個(gè)單位階躍信號(hào)，可以由Scope部分得到如圖5下半部分所示的運(yùn)行對(duì)比曲線。通過測(cè)試可以驗(yàn)證，Virtuos軟件也可以用于支持機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性建模。

圖5 機(jī)床軸動(dòng)態(tài)特性描述程序與跟隨曲線

5 機(jī)床加工過程仿真

在完成了機(jī)床機(jī)構(gòu)部分建模、動(dòng)力學(xué)建模以及與數(shù)控系統(tǒng)的連接之后，可以運(yùn)行整個(gè)硬件在環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行仿真測(cè)試。其過程如下:(1)在機(jī)床模型中載入毛坯件，設(shè)置其大小形狀及材料特性;(2)添加刀具文件;(3)在數(shù)控系統(tǒng)中編寫CNC程序;(4)運(yùn)行仿真程序，進(jìn)行仿真。

6 結(jié)束語

本文應(yīng)用Virtuos軟件進(jìn)行機(jī)床系統(tǒng)的建模和仿真，能夠有效提高產(chǎn)品開發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)合實(shí)時(shí)處理器控制仿真模型，通過硬件在環(huán)技術(shù)在純粹的計(jì)算機(jī)仿真基礎(chǔ)上，對(duì)被測(cè)模型進(jìn)行全面系統(tǒng)的測(cè)試。硬件在環(huán)技術(shù)現(xiàn)在還沒有被廣泛應(yīng)用在機(jī)床開發(fā)與數(shù)控系統(tǒng)測(cè)試過程中，但是憑借其優(yōu)點(diǎn)，可在減少實(shí)體機(jī)床上的測(cè)試次數(shù)、降低開發(fā)周期和成本的同時(shí)，提高數(shù)控設(shè)備的控制質(zhì)量，并有效提高機(jī)床產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

［1］ 張偉.多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)軌跡誤差仿真及優(yōu)化研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008.

［2］ Washington C，Delgado S.Improve design efficiency and test capabilities with HIL Simulation［C］//AUTOTESTCON，2008 IEEE.IEEE，2008:593－594.

［3］ Sahin H，F(xiàn)ukushima N，Mochizuki T，et al.HIL simulation evaluation of a novel hybrid－type self－powered active suspension system［C］//Industrial Technology(ICIT)，2010 IEEE International Conference on.IEEE，2010:1123－1130.

［4］ 朱春霞.基于虛擬樣機(jī)的并聯(lián)機(jī)床若干關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.沈陽:東北大學(xué)，2008.