一种回转类非圆轮廓零件磨削加工半实物仿真平台的制作方法

本发明属于非圆磨削仿真实验领域，特别涉及到一种回转类非圆轮廓零件磨削加工半实物仿真平台。

背景技术：

回转类非圆轮廓零件如凸轮轴、转子发动机内腔、曲轴、椭圆活塞等作为发动机的核心部件，广泛应用于汽车、航空航天等领域，其轮廓的加工精度对于设备的驱动部分起着至关重要的作用，其主要精度指标-廓形误差也被提出了更高的要求。该类零件普遍采用X-C两轴联动磨削加工以保证其精度，在磨削加工过程中，X轴随着C轴的旋转运动进行位置跟踪运动，各轴相互协调运动完成磨削加工。由于轮廓廓形的非圆特性，导致磨削过程中磨削点速度、加速度会不断的发生突变，致使伺服系统输入指令比较复杂，再加上磨削过程中机床振动、磨削力波动、砂轮磨损和砂轮架不平衡等各种干扰因素影响使得伺服系统跟踪输入指令出现较大的超调量甚至不稳定。即使伺服系统在跟踪特定指令时出现小的相位误差，都能够导致非圆轮廓产生较大的廓形误差，因此伺服系统的跟踪性能必须满足磨削加工要求才能提高回转类非圆轮廓零件的廓形精度。然而在回转类非圆轮廓零件磨削X-C联动加工控制和伺服系统控制算法的研究过程中，数控磨床高昂的测试费用、控制器的封装特性以及实际加工条件的不方便都极大的制约了X-C联动加工协调控制和跟踪控制算法的开发调试，因此在实验室条件下对回转类非圆轮廓零件磨削进行半实物仿真研究成为一种重要手段。

由于半实物仿真技术能够在仿真系统中接入实物以取代相应部分的数学模型，运动机构接近于实际情况，为数控磨床伺服控制系统实现复杂曲线高精度跟踪控制提供有利的实验条件。因此在实验室条件下设计并搭建回转类非圆磨削磨床半实物仿真仿真平台，并在此平台上进行数控磨床伺服系统的跟踪性能及快速高精度的控制算法进行理论研究与仿真，为提高非圆零件廓形精度的控制方法提供了一定的依据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种回转类非圆轮廓零件磨削半实物仿真仿真平台，以解决回转类非圆轮廓零件X-C联动磨削加工协调控制及控制算法开发调试在磨床数控控制系统上不能实现的问题。

该仿真平台包括控制模块和运动模块，所述的控制模块包括Dspace设备、数据总线、控 制器面板和仿真计算机；所述的运动模块包括电机固定座、伺服电机、联轴器、支撑轴承、滚珠丝杠、固定支座、直线电机、圆光栅角度测量仪、滑块、直线导轨、光栅尺位移传感器等。

进一步，其特征在于所述的控制模块中，Dspace设备用于将数字信号转化为模拟信号，输出伺服电机的角位移信号和直线电机的位移信号；仿真计算机建立的X-C联动加工模型，在线实时控制指令信号输入和输出以及数据采集等，控制模型可以改变，用来模拟不同控制算法下的非圆轮廓零件X-C联动磨削加工。

进一步，其特征在于所述的回转类非圆轮廓零件磨削加工半实物仿真平台，所述的运动模块运动形成的轨迹为被加工工件如凸轮轴、转子发动机内腔、曲轴、椭圆活塞等回转类非圆零件的轮廓。

进一步，其特征在于所述控制模块和运动模块通过数据总线连接，所述的控制模块中，Dspace设备、控制器面板和仿真计算机通过数据总线连接。所述运动模块中，伺服电机固定在电机固定座上，通过联轴器与滚珠丝杠一端相连接。滚珠丝杠两端通过滚珠丝杠支撑座支撑，并与直线导轨平行。直线电机放置在直线导轨上，滑块将直线电机和滚珠丝杠连接在一起。伺服电机固定座和直线导轨固定在钳工平台上。

进一步，其特征在于直线电机带动滑块做往复直线运动，伺服电机带动滚珠丝杠将回转运动转化为直线运动，直线电机带动滑块的运动位移与滚珠丝杠的直线运动位移相匹配形成非圆轮廓，实现X-C联动加工。

进一步，其特征在于所述的运动模块用于模拟回转类非圆轮廓零件在实际磨削加工中X轴系统驱动砂轮架的往复直线运动和C轴系统被加工工件的旋转运动。直线电机沿着直线导轨做往复直线运动，直线导轨上装有光栅尺位移传感器，用于检测直线电机方向上的跟踪位移偏差；伺服电机贴有圆光栅角度测量仪，用于检测伺服电机方向上的跟踪回转角度偏差。

本发明的优点在于：该仿真平台能够模拟回转类非圆轮廓零件X-C联动磨削加工过程，通过改变控制器模型，用来模拟不同控制算法下的非圆轮廓零件X-C联动磨削加工，能够对磨削运动中伺服系统的响应速度、跟踪误差、轮廓轨迹等磨削动态信息进行实时观察，同时该仿真平台还能够用于研究伺服系统跟踪误差对轮廓误差的影响，为减小非圆轮廓误差、提高非圆零件廓形精度的研究提供有力实验依据。

附图说明

图1仿真平台结构图

图中：

1-Dspace设备 2-数据总线 3-控制器面板 4-仿真计算机

5-电机固定座 6-伺服电机 7-联轴器 8-支撑座

9-滚珠丝杠 10-固定支座 11-滑块 12-直线电机

13-钳工平台 14-直线导轨 15-光栅尺位移传感器 16-圆光栅角度测量仪

图2仿真平台运动控制流程图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对发明的仿真平台进行详细的阐述。

图1表示回转类非圆磨削磨床半实物仿真仿真平台结构图。该仿真平台包括控制模块和运动模块，控制模块包括Dspace设备1；数据总线2，用于传输数据信息；控制器面板3，用于信号指令输入与输出；仿真计算机4，用于创建加工模型、在线实时控制、数据采集等；电机固定座5；伺服电机6；联轴器7，用于连接伺服电机6和滚珠丝杠9；支撑座8，与轴承支座相连接固定滚珠丝杠9；滚珠丝杠9，将伺服电机输出的回转运动转化为直线运动；固定支座10，用于稳定连接滚珠丝杠和滑块直线电机之间的联动关系；滑块11，根据X轴直线电机的指令做直线运动；直线电机12，安装在直线导轨11上；钳工平台13，用来固定电机固定座5和直线导轨14的平台；直线导轨14，用来支撑和引导滑块按照给定的方向做往复直线运动；光栅尺位移传感器15，用于测量滑块11的直线位移。圆光栅角度测量仪16，用来测量伺服电机6的角位移。

图2仿真平台模拟仿真控制流程图。在仿真计算机中利用MATLAB/Simulink建立非圆磨削过程中X-C联动加工系统运动控制Simulink框图模型，通过RTW将Simulink框图生成可执行的C代码后，Dspace设备和控制器板把C代码信号处理后经D/A转换口输出电压信号，经过电机的功率放大转变为运动模块接收的运动指令，控制并输出伺服电机的角位移信号和直线电机的位移信号，各个部件之间通过数据总线相互传递信息。在运动模块中，滚珠丝杠一端通过联轴器与伺服电机相连接，将伺服电机输出的回转运动转化为直线运动，滚珠丝杠与直线导轨相平行，保证运动的平稳性，另一端通过支撑轴承与直线导轨连接并固定，伺服电机和直线电机在接收信号后，伺服电机带动滚珠丝杠做直线运动，直线电机带动滑块在直线导轨做往复直线运动。滚珠丝杠与滑块之间通过支撑轴承相连接。在运动过程中，直线电机不输入指令，伺服电机输入指令时，所述的运动模块用于模拟实际磨削加工中C轴系统带动被加工工件的旋转运动。伺服电机不输入指令，直线电机输入指令时，所述的运动模块用于模拟实际磨削加工中X轴系统驱动砂轮架的往复直线运动。伺服电机和直线电机同时输入指令时，伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠做旋转运动，滚珠丝杠上的滑块随着直线电机做直线运动，直线电机的直线位移与伺服电机的角度位移相匹配，实现X-C两轴联动模拟回转类非圆零件的实际磨削加工。直线导轨上装有光栅尺位移传感器，用于检测X轴方向上移动 滑块跟踪位移偏差；C轴电机贴有圆光栅角度测量仪，用于检测伺服电机输出跟踪回转角度偏差。光栅传感器和圆光栅角度测量仪测量获得位移信号和角位移信号，并通过Dspace的对应接口传输到工控机中作为实时反馈信号。运动模块中的伺服电机、直线电机、直线导轨固定在钳工平台上，保证运动过程的平稳和测量的准确性。

在运动模块执行命令的同时，打开仿真计算机中的ControlDesk综合实验环境软件，软件导航器窗口能够显示已下载的Dspace平台和Simulink平台，工具窗口能够用于访问Simulink仿真模型中的变量和参数，软件主窗口通过建立的仪表面板能够显示运动模块中C轴伺服电机输出的角位移曲线和X轴直线电机输出的位移曲线，通过对运动模块中滚珠丝杠以及滑块运动数据的的采集。通过圆光栅角度测量仪和光栅尺位移传感器的反馈信息，不断调整非圆轮廓零件X-C联动加工仿真模型控制器的参数，观察仪表面板中C轴和X轴跟踪误差曲线以及非圆轮廓曲线。该仿真平台还能够通过仿真计算机改变联动加工控制器模型，用来模拟不同控制算法下的非圆轮廓零件的X-C联动磨削加工。

本发明的半实物仿真平台实现了回转类非圆轮廓零件联动加工系统跟踪控制算法调试的模拟实验，其结构新颖，不需耗费大量的人力物力，调试方便。可在安全可靠的实验条件下，针对各种回转类非圆轮廓零件磨削加工进行仿真，通过模拟仿真，既能真实的呈现非圆零件磨削过程中的磨削动态信息变化，又可以充分发挥虚拟计算机建模仿真与磨床模拟场景构建的优势，本发明可为回转类非圆轮廓零件磨削过程中伺服系统的跟踪控制实验提供精准的测量结果，可以极大程度上节约控制算法的研发周期，同时节约调试成本，实时性好，具有较精准的控制效果和扩展性。为实现非圆轮廓类零件高速磨削过程的稳定控制、提高非圆零件的廓形精度及生产效率提供重要实验支撑。