一种数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，属于数控机床数控系统领域，包括：通过数控机床多体刚柔耦合建模系统和有限元技术获得机床系统在该实时位置的动力学多体耦合模型；通过动力学仿真求解器获得数控机床进给装置在每一个实时位置时机床的振动特性；通过数控机床共享内存输入/输出接口，实现数控机床实时位置动态特性的仿真信号和数控机床数控软件系统之间的信号交互；在可编程控制模块中应用面向对象编程技术，实现动力学仿真求解器和机床数控软件系统的集成。本发明的优点在于：通过数控机床多体刚柔耦合建模和实时求解系统取代昂贵、复杂的机床动态特性传感器监测系统，实现数控机床精确、全面的自适应控制系统。
1.一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，将动力学仿真信号作为数控系统输入信号实现数控机床仿真环境与数控系统信息集成，其特征在于：
(1)通过数控机床多体刚柔耦合实时建模系统和有限元技术实现数控机床相关零部件有限元网格划分，得到零部件的柔性体模型；将柔性体模型定义为超单元子结构；根据数控机床进给装置的实时位置的不同，定义每一个实时位置上超单元子结构之间的连接单元，获得数控机床系统在该实时位置的动力学多体耦合模型；
(2)通过动力学仿真求解器对数控机床系统每一个实时位置动力学多体耦合模型进行降阶处理，为数控机床实时位置动力学仿真计算提供可行的动力学超单元模型；分析数控机床多体刚柔耦合模型动力学方程的复杂程度和固有模态分析的边界条件，建立一个目标优化函数，通过求该目标优化函数的最优解，从而确定适合数控机床实时控制的固有模态最优化算法并进行求解，得到数控机床实时位置的动态特性信息；
(3)通过数控机床共享内存输入/输出接口，实现数控机床实时位置动态特性的仿真信号和数控机床数控软件系统之间的信号交互；
(4)在可编程控制模块中应用面向对象编程技术，实现动力学仿真求解器和数控机床数控软件系统的集成。
2.根据权利要求1所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于将待生成连接单元的进给装置柔性体上的边长或者面进行平均划分，将等距的域按顺序生成域向量，每个向量元素包含该域中的所有单元节点；可根据进给装置的运动方向的一维、二维或者三维描述，定义相应的一维、二维或者三维域向量；数控机床进给装置的实时位置可以通过域向量中的某一元素进行描述；建立进给装置实时位置的连接单元子结构时，选取该时间点对应的域向量中对应该实时位置的向量元素，将其包含的单元节点作为SLAVE单元；在对应的需要建立连接单元的耦合体上离SLAVE单元中心最近的节点作为MASTER节点，生成SLAVE与MASTER之间的连接单元子结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于通过超单元模态综合法，将连接子结构定义为一个常量，并且可以提出矩阵；数控机床实时位置的动力学多体耦合模型主矩阵中，不包含连接子结构变量。
4.根据权利要求1所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于当生成某一实时时间节点多体之间的连接单元子结构时，通过编程自动实现删除模型中上一时间节点的连接单元子结构；根据需要可建立弹簧或者弹簧-阻尼单元的连接子结构。
5.根据权利要求3所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于，通过研究数控机床动力学矩阵方程的复杂程度和固有模态分析的边界条件，比较Jacobi算法、Arnoldi算法、Lanczos算法、Jacobi-Davidson算法、QR算法、Krylov下空间算法、Gersgorin估算法在计算时间、精确度及实现难易程度方面的差异，分析各种方法使用的最大矩阵秩数、初始矩阵定义难易度，求解数控机床动力学多体耦合模型，确定数控系统固有模态和振动特性。
6.根据权利要求1所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于，在考察数控机床系统低阶主模态的前提下，研究高阶主模态对系统振动特性的影响。
7.根据权利要求5所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于，将数控机床系统前一个时间点的固有模态当作下一个时间点固有模态方程求解的起始值，从而能够对数控机床每一个发生微小变化的工作位置进行计算，并保证计算时间得到显著的缩短。
8.根据权利要求5所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于根据实际数控机床进给速度和加工精度的需求确定模型固有频率计算的误差允许范围及计算时间。
9.根据权利要求1所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于通过在可编程控制模块定义外挂设备接收信号过滤算法和开关动作的算法，实现数控机床的自我保护，来规避动力学仿真求解器和机床数控软件系统的集成时，由于模型的本身特点及计算参数设置的原因，可能导致仿真环境和机床数控软件系统集成环节出错的风险，当数控机床或者仿真系统向可编程控制模块发出出错的变换信号时，变换信号将通过现场总线技术传送给外挂设备，由外挂设备发出数控机床关闭指令，及时将数控机床转换到一个安全的工作状态；将外挂设备的总线集成到共享内存输入/输出接口，在可编程控制模块定义了外挂设备接收信号过滤算法和开关动作的算法，实现数控机床的自我保护。
10.根据权利要求1所述的一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，其特征在于，以实时仿真信号结果为判断依据，基于加加速度控制的加减速控制方法，采用限制加加速度，并利用滤波器对加加速度进行光滑处理，来减少加工中由于加加速度突变而产生的机床振动，达到机床良好的加减速性能，进而实现高表面质量加工，通过分析数控机床多体仿真模型中结合部刚度、阻尼对数控机床固有模态计算精度的影响，及研究系统实时固有频率、进给速度、合成最大加速度、最大JERK数值、进给距离和滤波长度对加加速度振荡控制时插补周期的影响，定义了一个目标优化函数并通过其求得最佳的插补周期，进而进行数控机床系统的实时加加速度控制，达到数控机床自适应控制。
一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法
技术领域
[0001] 本发明属于数控机床数控系统领域，具体涉及一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法。
背景技术
[0002] 目前，数控机床自身的几何精度已经达到相当高的水平。数控机床振动特性对其误差的影响更加明显，是影响数控机床加工精度的主要因素之一。在工作过程中数控机床的振动基本分两大类：受迫振动和自激振动。受迫振动是传动机构中的不平衡力、断续切削的冲击力等多种形式的干扰力对数控机床结构持续作用的结果。自激振动是数控机床系统主要的振动形式，如在切削过程中刀具和工件之间发生的颤振，其对工件表面质量和精度的影响很大。由于数控机床系统过去某一时间的状态或若干时刻的状态对其当前振动状态的影响存在一个时间上的滞后(时滞)，由此产生的再生颤振数控机床系统是典型的时滞非线性动力系统。
[0003] 数控机床是机械系统特性与控制系统特性相互耦合的复杂系统，其特性不仅受几何误差、热变形测量误差的影响，更受控制系统参数匹配、装配质量及刚度等引起的动态特性的影响。数控系统必须与数控机床动态特性紧密配合，以确保任何加工任务都具有高动态性能。数控机床动态特性的获得，目前主要是采用传感器技术，对加工过程中出现的各种物理信息，如声、光、电、力、力矩、振动和功率进行测试并反馈给控制系统，从分析处理结果来对数控机床切削振动进行监测和自适应控制。
[0004] 这些安装在数控机床上的大量传感器监测设备，不仅价格昂贵，而且测试精度和抗干扰能力也受当前技术的制约。此外，控制系统软件的伺服性能及高速控制能力、智能化及自适应控制能力等因素，也是影响加工工件精度的主要原因，是制约高速高精度数控机床加工效率和精度的主要原因。
发明内容
[0005] 本发明建立了数控机床系统多体刚柔耦合非线性动力学建模方法；适应数控系统对数控机床在线检测信号高效、高精度要求，研究模型超单元子结构降阶方法和数控机床动力学模型最优化算法，得到数控机床系统实时位置固有模态和振动特性的仿真计算结果；研究用仿真计算结果取代昂贵、复杂的数控机床动态特性传感器监测系统的方法，为数控机床控制提供输入信号。实现仿真环境和数控系统的集成，以仿真计算结果取代传感器在线监测并输入到数控系统，实现数控机床自适应控制。
[0006] 为了达到数控机床工作状态实时计算并将计算结果快速、有效输入数控系统的要求，本发明是采用如下技术方案实现的：
[0007] 一种用于数控机床动态特性仿真及其与数控系统集成的方法，将动力学仿真信号作为数控系统输入信号实现数控机床仿真环境与数控系统信息集成；
[0008] 通过数控机床多体刚柔耦合实时建模系统和有限元技术实现数控机床相关零部件有限元网格划分，得到零部件的柔性体模型，将柔性体模型定义为超单元子结构；根据数控机床进给装置的实时位置的不同，定义每一个实时位置上超单元子结构之间的连接单元，获得数控机床系统在该实时位置的动力学多体耦合模型。将待生成连接单元的进给装置柔性体上的边长或者面进行平均划分，将等距的域按顺序生成域向量，每个向量元素包含该域中的所有单元节点。可根据进给装置的运动方向的一维、二维或者三维描述，定义相应的一维、二维或者三维域向量。通过超单元模态综合法，将连接子结构定义为一个常量，并且可以提出矩阵。数控机床实时位置的动力学多体耦合模型主矩阵中，不包含连接子结构变量。
[0009] 通过动力学仿真求解器对数控机床系统每一个实时位置动力学多体耦合模型进行降阶处理，为数控机床实时位置动力学仿真计算提供精确、高效、可行的动力学超单元模型。在考察数控机床系统低阶主模态的前提下，研究高阶主模态对系统振动特性的影响。分析数控机床多体刚柔耦合模型动力学方程的复杂程度和固有模态分析的边界条件，建立一个目标优化函数，通过求该目标优化函数的最优解，从而确定适合数控机床实时控制的固有模态最优化算法并进行求解，得到数控机床实时位置的动态特性信息。由此建立数控机床每一个实时工作状态(如不同的进给位置、不同的进给速度等)的在线整体模型。
[0010] 通过数控机床共享内存输入/输出接口，实现数控机床实时位置动态特性的仿真信号和数控机床数控软件系统之间的信号交互。数控机床进给装置的实时位置可以通过域向量中的某一元素进行描述。根据需要可建立弹簧或者弹簧-阻尼单元的连接子结构。建立进给装置实时位置的连接单元子结构时，选取该时间点对应的域向量中对应该实时位置的向量元素，将其包含的单元节点作为SLAVE单元。在对应的需要建立连接单元的耦合体上离SLAVE单元中心最近的节点作为MASTER节点，生成SLAVE与MASTER之间的连接单元子结构。当生成某一实时时间节点多体之间的连接单元子结构时，通过编程自动实现删除模型中上一时间节点的连接单元子结构。
[0011] 通过研究数控机床动力学矩阵方程的复杂程度和固有模态分析的边界条件，比较Jacobi算法、Protenz法(包含Arnoldi,Lanczos,Jacobi-Davidson等算法)、QR算法、Krylov下空间算法、Gersgorin估算法在计算时间、精确度及实现难易程度方面的差异，分析各种方法使用的最大矩阵秩数、初始矩阵定义难易度等，求解数控机床动力学多体耦合模型，确定数控系统固有模态和振动特性。通过分析确定了高效、精确矩阵方程固有模态算法后，即可对模型进行求解，得到数控机床系统实时的动态特性，并输入到数控系统作为实现相关控制算法的依据，如数控机床发生颤振时可借助固有模态和机床实时的动态特征来定义控制策略和减振措施。这是一个在数控机床工作过程中重复的计算和数据交互的过程，从而获得数控机床每一个工作状态下的动态特性，达到通过仿真获得机床减振控制信号的目标。将数控机床系统前一个时间点的固有模态当作下一个时间点固有模态方程求解的起始值，从而能够对数控机床每一个发生微小变化的工作位置进行计算，并保证计算时间得到显著的缩短。同时根据实际数控机床进给速度和加工精度的需求确定模型固有频率计算的误差允许范围及计算时间，如根据数控机床实际进给速率，确定模型计算时间应＜6ms。
[0012] 通过可编程控制模块，应用面向对象编程技术，将实现动力学仿真求解器和数控机床数控软件系统的集成。将外挂设备的总线集成到共享内存输入/输出接口。在可编程控制模块定义了外挂设备接收信号过滤算法和开关动作的算法，实现数控机床的自我保护。
[0013] 系统也可对数控机床下一个工作位置的动态特性进行一定条件下的预测。动力学仿真求解器和机床数控软件系统的集成时，由于模型的本身特点及计算参数设置的原因，可能导致仿真环境和机床数控软件系统集成环节出错，比如动力学模型计算在规定的时间里不收敛、计算精度达不到预期要求等。在可编程控制模块定义了外挂设备接收信号过滤算法和开关动作的算法，实现数控机床的自我保护，来规避上述出错的风险。当数控机床或者仿真系统向可编程控制模块发出出错的变换信号时，变换信号将通过现场总线技术传送给外挂设备，由外挂设备发出数控机床关闭指令，及时将数控机床转换到一个安全的工作状态，从而达到数控机床自适应智能控制的效果。通过对一个工作部-滑块的简单动力学模型进行建模和计算，来验证本项目中相关建模方法和算法的可靠性。最后建立一个简单的二轴机床模型，将其多体模型和其控制系统进行集成，验证本项目中提出的通过多体耦合动力学计算结果为机床实时工作状态进行控制和减振技术的可行性。
[0014] 本系统以实时仿真信号结果为判断依据，基于加加速度控制的加减速控制方法，采用限制加加速度，并利用滤波器对加加速度进行光滑处理，来减少加工中由于加加速度突变而产生的数控机床振动，进而实现高表面质量加工，达到数控机床良好的加减速性能。分析机床多体仿真模型中结合部刚度、阻尼等因素对机床固有模态计算精度的影响，研究系统实时固有频率、进给速度、合成最大加速度、最大JERK数值、进给距离和滤波长度等因素对加加速度振荡控制时插补周期的影响，通过定义一个目标优化函数并通过其求得最佳的插补周期，进而进行机床系统的实时加加速度控制，达到数控机床自适应控制。
[0015] 本发明的优点在于：通过数控机床多体刚柔耦合建模和实时求解系统取代昂贵、复杂的机床动态特性传感器监测系统，实现数控机床精确、全面的自适应控制。
[0016] 用数控机床系统实时仿真信号替代数控机床传感器在线监测信号，并将仿真环境和数控系统集成，进而根据仿真信号实现数控机床自适应减振控制，提出了一种全新的控制理念。提出的方法对超音速飞行器，如飞机、导弹等的控制技术有着很好的借鉴作用。
[0017] 从计算速度、精度、可执行难易度等方面，系统比较分析比较了各种固有模态的计算方法；提出了仿真和控制系统集成的可行、有效的方法，并通过试验台来验证项目的研究成果。
[0018] 提出了应用数控机床动力学仿真系统和控制系统集成技术来实现数控机床的自适应控制方法，并开展理论分析、有限元实验和试验台验证的全面研究，攻克了编程、数据交换、自适应控制策略、安全开关等关键技术点，形成一套完善的系统动态特性仿真并将仿真信号应用于自适应控制的方法和技术。
附图说明
[0019] 图1.添加仿真集成模块后的数控系统机构示意图；
[0020] 图2.采用弹簧-阻尼链接单元连接的柔性体系统；
[0021] 图3.编程控制模块中类与对象定义关系图；
[0022] 图4.实现数控机床仿真系统与数控系统实时集成技术路线图。
具体实施方式
[0023] 为了达到数控机床工作状态实时计算并将计算结果快速、有效输入数控系统的要求，首先通过数控机床多体刚柔耦合实时建模系统，利用有限元技术实现数控机床相关零部件有限元网格划分，得到零部件的柔性体模型，将柔性体模型定义为超单元子结构。并且通过超单元技术产生一个高效、低阶的计算模型。在建模软件中对各个柔性体子结构进行耦合连接，建立数控机床动力学多体刚柔耦合模型的矩阵方程。由此建立数控数控机床每一个实时工作状态(如不同的进给位置、不同的进给速度等)的在线整体模型。如图2所示，为了对数控机床实时进给位置进行建模，需要在进给部件柔性体1和2之间实时定义连接单元，并删除前一时间点已建立的连接单元，以获得该位置的多体耦合模型。柔性体之间连接单元的生成和删除通过编程实现，最重要的是快速搜寻所需的连接单元节点。常用连接单元是弹簧——阻尼单元。采用这种单元连接两个自由子结构时，要求1、2自由子结构上节点的位置、序号一一对应，这给限元网格划分提出了很高的要求；如果接合面上节点单元比较多，并且是非等距分布，则无法通过节点生成连接单元。同时，如果接合面上节点数目很大，则寻找连接单元节点的所需时间会很长，导致系统耦合建模时间过长，不能满足高效建模的要求。
[0024] 采用定距依序算法搜寻单元节点，以确保快速找到1、2子结构上的对应节点，生成连接单元。将进给路线长度进行一维等距离划分，长度为最近两个节点之间的距离。将等距的域按顺序生成一个向量，每个向量元素包含该域中的所有单元节点。实时域中序号为m的元素表达方式为：
[0025]
[0026] xact表示进给装置(自由子结构2)在y方向上的实时位置，l为导轨(自由子结构1)长度。建立实时位置xact的弹簧——阻尼连接单元时，直接选取该时间点离MASTER节点最近的对应域中的所有节点作为单元节点。通过定义节点搜寻域的方法，避免了花很长时间找连接单元节点的问题，从而确保快速建模的要求。根据实际模型中数控机床结合部的特点，也可将节点搜寻域定义为二维、或者三维的向量，在公式(1)中添加yact和zact即可。搜寻节点的算法等同于一维算法。
[0027] 在使用弹性结构的有限元模型时，超单元法首先将各子结构的内域自由度(副自由度)缩聚到边界自由度(主自由度)上，然后把这些消去了内域自由度的子结构(即超单元)用连接单元组合起来进行求解。本项目将综合比较超单元法中静力变换超单元法(Guyan缩减法)、定频动力变换超单元法(Kuhar缩减法)和模态综合超单元法等算法在计算时间和精度上的差异，为数控机床实时动态仿真模型降阶提供依据。
[0028] 数控机床多体耦合系统动力学方程为：
[0029]
[0030] 此处M、D、K分别为系统质量、阻尼和刚度矩阵，q(t)及其一、二阶导数表示运动矢量、速度和加速度。u(t)是初始载荷向量， 为初始输入矩阵。将上述动力学方程应用于一阶模态，定义 则有
[0031] x(t)＝A·x(t)+B·u(t) (3)
[0032] 式中，
[0033] 方程(3)也同样适用于含有自由体及连接子结构的动力学系统。对连接子结构矩阵i,jZ(r)的定义，通过推导可得多体耦合系统动力模型主矩阵gesamtA：
[0034]
[0035] 应用数控机床动力学多体耦合模型矩阵方程求解系统固有模态、频率，是分析数控机床实时振动特性，进而进行自适应控制的必要条件。利用系统主矩阵gesamtA变换高效、精确求解系统固有模态时，做了下述界定：(1)数控机床实时位置的动力学多体耦合模型主矩阵中，不包含连接子结构变量。通过超单元模态综合法，将连接子结构定义为一个常量，并且可以提出矩阵；(2)通过变换得到系统主矩阵方阵，将方阵的大小控制在50＜nx＜500之间；(3)在考察数控机床系统低阶主模态的前提下，研究高阶主模态对系统振动特性的影响；(4)将数控机床系统前一个时间点的固有模态当作下一个时间点固有模态求解起始值，从而能够对数控机床每一个发生微小变化的工作位置进行计算，并保证计算时间得到显著的缩短；(5)根据数控机床的现有技术水平，确定模型固有频率计算的误差允许范围及计算时间(如根据数控机床实际进给速率，确定模型计算时间应＜1ms)。
[0036] 以西门子公司840D数控系统为例，如图1所示，通过数控机床多体刚柔耦合实时建模系统，经有限元技术实现数控机床相关零部件有限元网格划分，得到零部件的柔性体模型，将柔性体模型定义为超单元子结构。根据数控机床进给装置的实时位置的不同，定义每一个实时位置上超单元子结构之间的连接单元，获得数控机床系统在该实时位置的动力学多体耦合模型；通过动力学仿真求解器对数控机床系统每一个实时位置动力学多体耦合模型进行降阶处理，为数控机床实时位置动力学仿真计算提供精确、高效、可行的动力学超单元模型；通过数控机床共享内存输入/输出接口，实现数控机床实时位置动态特性的仿真信号和数控机床数控软件系统之间的信号交互。通过共享内存(I/O)进行数控系统、实时任务(如CNC、SPS)、非实时任务(如HMI、仿真系统Virtuos，以及外挂设备)之间的数据和任务指令的交换；将有限元软件中生成的数控机床零部件柔性体连接在一起，生成多体刚柔耦合的动力学模型，在建模系统Virtuos.M中完成柔性体模型读入，并将模型数据和指令传输给求解系统Virtuos.S，执行系统固有模态和振动特性的计算。本发明利用可编程控制模块，通过C/C++面向对象编程技术，实现仿真环境和数控系统集成功能。首先通过编程实现建模环境Virtuos.M和求解环境Virtuos.S之间的无缝集成；然后在Virtos.M环境下定义有限元柔性体模型的读入方法，在Virtos.S环境下定义连接单元子结构，并通过连接子结构将各柔性体连接在一起，建立多体耦合动力学模型并进行固有模态的求解；最后通过编程实现仿真结果和实时任务指令之间的数据交换。
[0037] 通过在可编程控制模块定义外挂设备接收信号过滤算法和开关动作的算法，实现数控机床的自我保护，来规避出错的风险。当CNC或者Virtos.S向SPS发出出错的变换信号时，变换信号将通过现场总线技术传送给外挂设备，由外挂设备发出数控机床关闭指令，及时将数控机床转换到一个安全的工作状态(如图1所示)。
[0038] 同时，也可对数控机床下一个工作位置的动态特性进行一定条件下的预测，从而达到数控机床自适应智能控制的效果。通过对一个工作部-滑块的简单动力学模型进行建模和计算，来验证本项目中相关建模方法和算法的可靠性。最后建立一个简单的二轴数控机床模型，将其多体模型和其控制系统进行集成，验证本项目中提出的通过多体耦合动力学计算结果为数控机床实时工作状态进行控制和减振技术的可行性。
[0039] 本发明确定了一种基于加加速度控制的加减速控制方法，采用限制加加速度，并利用滤波器对加加速度进行光滑处理，来减少加工中由于加加速度突变而产生的数控机床振动，达到数控机床良好的加减速性能，实现高表面质量加工。
[0040] 经过分析数控机床多体仿真模型中结合部刚度、阻尼等因素对数控机床固有模态计算精度的影响，确定了系统实时固有频率、进给速度F、合成最大加速度amax、最大JERK数值Jmax、进给距离l和滤波长度L等因素对加加速度振荡控制时插补周期的影响，通过定义一个目标优化函数并通过其求得最佳的插补周期，进而进行数控机床系统的实时加加速度控制，达到数控机床自适应控制的效果。
