基于ADAMS的雙邊驅(qū)動玻璃切割平臺動態(tài)誤差仿真分析

張海濤，陳 豐，許 芹

(安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

基于ADAMS的雙邊驅(qū)動玻璃切割平臺動態(tài)誤差仿真分析

張海濤，陳 豐，許 芹

(安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

雙邊驅(qū)動玻璃切割平臺驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動不同步時，平臺運(yùn)動部件會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)振動，從而帶來刀具運(yùn)動及定位的動態(tài)誤差，影響玻璃制件的加工質(zhì)量和加工精度。通過剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯崿F(xiàn)了雙邊驅(qū)動玻璃切割平臺的仿真建模，利用動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS對非同步條件驅(qū)動下運(yùn)動部件的動態(tài)誤差進(jìn)行了仿真分析，為雙邊驅(qū)動玻璃切割平臺的設(shè)計和控制提供了理論依據(jù)。

玻璃切割平臺；雙邊驅(qū)動；剛?cè)狁詈夏Ｐ?；動態(tài)誤差；ADAMS

近年來，由于玻璃材質(zhì)產(chǎn)品需求的多樣化，產(chǎn)品形狀日趨復(fù)雜，對玻璃切割加工機(jī)械的加工精度和加工質(zhì)量都提出了更高的要求，采用傳統(tǒng)單邊驅(qū)動方式的玻璃切割機(jī)械由于存在運(yùn)動滯后和機(jī)械振蕩現(xiàn)象，正逐步由采用雙邊伺服驅(qū)動的新一代玻璃切割設(shè)備所取代。雙邊驅(qū)動是指用兩個電機(jī)同步驅(qū)動的方式完成運(yùn)動部件某一方向的運(yùn)動，通常也稱為H-drive結(jié)構(gòu)，雙邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)相比單邊驅(qū)動方式具有相對行程大、驅(qū)動力大、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但此類平臺面臨高精度的運(yùn)動同步控制問題。目前，針對雙邊驅(qū)動電機(jī)同步控制問題已有多種控制方法及控制策略。何王勇等[3-5]針對由滾珠絲杠機(jī)構(gòu)組成的對稱運(yùn)動平臺的同步控制問題進(jìn)行了研究。唐光譜[6-7]等采用自適應(yīng)控制實現(xiàn)了對雙邊驅(qū)動運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制，達(dá)到了提高同步精度的目的。

本文在分析了對稱結(jié)構(gòu)玻璃切割平臺模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了利用基于ADAMS的剛?cè)狁詈辖討B(tài)誤差進(jìn)行分析的方法，通過將玻璃切割機(jī)械導(dǎo)軌部分做柔性化處理以增加系統(tǒng)運(yùn)動部件的運(yùn)動自由度的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的虛擬仿真設(shè)計，有效解決了在全剛體構(gòu)件系統(tǒng)中作為冗余約束的多余驅(qū)動問題，為雙邊驅(qū)動玻璃切割機(jī)械的運(yùn)動同步問題及其對加工精度影響，即平臺的動態(tài)加工誤差的仿真研究提供了新的思路。

1 雙邊驅(qū)動玻璃切割機(jī)械動態(tài)建模

1.1 傳統(tǒng)單邊驅(qū)動玻璃切割機(jī)械缺點(diǎn)

玻璃切割是玻璃深加工過程的第一道工序，為提高原始坯料的利用率，減少加工工序，必須保證玻璃切割機(jī)械具有足夠的加工精度。傳統(tǒng)玻璃切割機(jī)械大多采用單邊驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)，非驅(qū)動端采用直線導(dǎo)軌定位，通過滑動或滾動摩擦的方式實現(xiàn)刀具移載平臺在加工平面上的移動，或者采用細(xì)長軸驅(qū)動第二端。單邊驅(qū)動的玻璃切割機(jī)械在速度、加速度等方面均受到一定的限制，更為重要的是定位精度受影響，無法滿足異形玻璃件的加工要求。

為提高玻璃加工機(jī)械的加工精度和加工質(zhì)量，降低單電機(jī)驅(qū)動由于負(fù)載偏離對稱中心，構(gòu)件間隙，阻力摩擦等干擾所產(chǎn)生的運(yùn)動滯后和機(jī)械振蕩現(xiàn)象對于系統(tǒng)加工精度和加工質(zhì)量的影響，提高加工平臺的抗干擾能力，新一代玻璃切割機(jī)械采用雙邊驅(qū)動的方式，玻璃切割機(jī)械中放置刀具的橫向?qū)к売蓛膳_縱向布置的伺服電機(jī)采用同步驅(qū)動的方式驅(qū)動，從而實現(xiàn)其沿工作平臺的縱向移動，可以有效降低單邊驅(qū)動所產(chǎn)生的運(yùn)動滯后和機(jī)械振蕩現(xiàn)象對加工精度和加工質(zhì)量的干擾。

1.2 雙邊驅(qū)動玻璃切割機(jī)械建模

如圖1所示，雙邊驅(qū)動玻璃切割平臺通過兩個伺服電機(jī)同步驅(qū)動滾珠絲杠帶動X向運(yùn)動部件沿直線導(dǎo)軌直線運(yùn)動，同時帶動運(yùn)動部件做平移運(yùn)動，玻璃切割刀具固定在運(yùn)動部件上，沿運(yùn)動部件在Y向做直線運(yùn)動。由于多數(shù)運(yùn)動部件之間存在機(jī)械接觸，由于部件間間隙的存在以及裝配精度問題引起的機(jī)械振動和加工誤差，以及刀具運(yùn)動部件的俯仰誤差只能通過提高部件加工精度和定位精度的方式來減小加工誤差。而由于雙邊驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動不同步，造成的運(yùn)動部件偏離水平位置以及由于運(yùn)動部件在負(fù)載作用條件下的應(yīng)變引起的加工誤差可以通過合理的控制策略加以消除。

在多電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動的機(jī)械系統(tǒng)中，由于采用多電機(jī)同步驅(qū)動的方式，對該類系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真時，由于系統(tǒng)剛體部件的單個自由度只能由一個驅(qū)動進(jìn)行約束，多驅(qū)動會造成系統(tǒng)的冗余約束錯誤，導(dǎo)致分析人員無法在動力學(xué)仿真模型中電機(jī)不同步對系統(tǒng)精度的影響進(jìn)行直觀的分析，同時也無法分析驅(qū)動不同步問題對于目標(biāo)變形受力情況的影響。對于雙電機(jī)同步控制問題往往只能在邏輯表達(dá)式及純數(shù)學(xué)模型中對其進(jìn)行描述，不易將其與構(gòu)件變形及系統(tǒng)動態(tài)精度進(jìn)行直觀的聯(lián)系。本文作者通過對玻璃加工機(jī)械的動力學(xué)模型約束及部件的柔性化處理，使原本作為系統(tǒng)冗余約束的多余驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的分析變量，實現(xiàn)了一定誤差范圍內(nèi)的多驅(qū)動加載仿真模型的建立，通過對雙電機(jī)驅(qū)動速度加載情況的調(diào)整可以有效模擬電機(jī)不同步情況下，刀具的實際運(yùn)動情況，實現(xiàn)了對刀具等相關(guān)部件動態(tài)特性的仿真建模分析。

圖2 ADAMS中玻璃切割機(jī)械剛?cè)狁詈夏Ｐ?圖3 刀具理論的質(zhì)心運(yùn)動軌跡

Fig.2 Rigid coupling model of glass cutter Fig.3 The theoretic centric trajectory of cutting tool

如圖2，對驅(qū)動約束1和驅(qū)動約束2區(qū)域的部件進(jìn)行柔性化，從而增加構(gòu)件的自由度，通過對驅(qū)動縱向?qū)к壍膬蓚€電機(jī)加載不同的速度以模擬實際系統(tǒng)中多電機(jī)驅(qū)動條件下存在的不同步問題，通過對刀具運(yùn)動部件的負(fù)載進(jìn)行調(diào)整模擬實際加工過程中的外部干擾，從而研究非同步問題及負(fù)載變化情況對于加工精度的影響程度。

2 雙邊驅(qū)動的玻璃切割機(jī)械動態(tài)誤差分析

給定移動梁最大速度為10mm/s，經(jīng)ADAMS仿真得到樣機(jī)模型的刀具理論運(yùn)動軌跡如圖3所示。仿真過程中人為設(shè)定兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)施加不同的速度，如圖4所示用以模擬在非同步狀態(tài)下，雙邊驅(qū)動的玻璃切割機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。由于固定刀具的橫梁被柔性化，兩側(cè)不同步的情況在此得以實現(xiàn)。圖5為仿真過程中得到的玻璃切割平臺在不同步情況下刀具速度的實時運(yùn)動誤差，采用同樣方法同時可以得到橫梁的力學(xué)分析結(jié)果和刀具的加工誤差。

由圖5可以看出，雙邊驅(qū)動玻璃切割機(jī)械處于一定的非同步狀態(tài)時，會導(dǎo)致刀具質(zhì)心的運(yùn)動速度與理想運(yùn)動速度有一定的差距，但偏差結(jié)果很小基本達(dá)到了理想設(shè)定條件，在一定程度上可以認(rèn)為達(dá)到了“同步”的效果。同時從整體的運(yùn)動趨勢來看雙邊驅(qū)動的玻璃切割機(jī)械，在動態(tài)仿真過程中具有很強(qiáng)的糾錯能力，當(dāng)出現(xiàn)一定的非同步偏差時，經(jīng)過非常短時間的延遲后，可以較快地速度調(diào)整以達(dá)到同步，同時設(shè)備的加工精度隨著速度的改變影響較小，加工精度較高，具有較好的穩(wěn)定性。由此可見，該方法可以很好的分析雙邊驅(qū)動的玻璃切割機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)誤差，對類似同步控制精度分析具有一定的參考作用。

3 結(jié)論

建立了實驗用玻璃切割機(jī)械平臺的剛?cè)狁詈夏Ｐ停炞C了剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯τ诓Ａ懈顧C(jī)械在雙邊驅(qū)動電機(jī)在非同步問題仿真分析方面應(yīng)用的可行性，同時利用玻璃切割平臺的剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯ο嚓P(guān)受力部件邊界條件的定義提供了新的方法，實現(xiàn)了非同步條件下，受力部件的邊界條件的動態(tài)定義，從而實現(xiàn)部件在不同步誤差條件下受力分析。對于多驅(qū)動條件下機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)仿真具有一定的指導(dǎo)作用。

[1]趙冶, 朱煜, 楊開明. 雙邊驅(qū)動精密XY運(yùn)動平臺解耦控制研究[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010(9):30-33.

[2]衛(wèi)作龍. 雙邊同步帶傳動XY伺服機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]何王勇, 唐小琦, 李勇波. 基于有限元的雙滾珠絲杠同步驅(qū)動軸動力學(xué)建模與分析[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2010(12):83-37.

[4]何王勇. 數(shù)控機(jī)床雙軸同步控制技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)， 2011.

[5]曹毅, 周會成, 唐小琦. 雙軸同步控制技術(shù)的研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床， 2008(12):65-68.

[6]唐光譜, 郭慶鼎. 自適應(yīng)雙電機(jī)同步傳動控制技術(shù)研究[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002(12):470-472.

[7]賈松濤. 精密氣浮XY工作臺雙邊驅(qū)動控制技術(shù)研究[D]. 北京：清華大學(xué), 2008.

(責(zé)任編輯：李孟良)

Dynamic Error Simulation Analysis of Bilateral Driving Glass Cutter Based on ADAMS

ZHANG Hai-tao ,CHEN Feng ,XU Qin

(College of Mechanical Engineering,Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100,China)

When Bilateral driving glass cutter drive motor motion is not synchronized, the platform will produce deflecting vibration of moving parts, leading to a dynamic motion and positioning errors, which impacts the glass workpiece machining quality and precision. A rigid coupling simulation is modeled to achieve a bilateral driving glass cutter platform, using dynamic simulation software ADAMS to analyze the dynamic error for the driving conditions of the moving parts of asynchronous simulation, which provides a theoretical basis for bilateral driving glass cutter platform.

Glass cutter platform； Bilateral driving； Rigid coupling model； Dynamic error； ADAMS

2014-11-07

安徽科技學(xué)院基金資助項目(ZRC2013338，ZRC2013376)；安徽省教育廳省級重點(diǎn)項目(KJ2013A080)；安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金資助項目(2012SQRL140)；安徽省高校自然科學(xué)基金資助項目(KJ2013B075)。

張海濤(1981-)，男，山東省萊蕪市人，在讀博士研究生，講師，主要從事機(jī)電智能控制、智能制造系統(tǒng)研究。

TM359.9

A

1673-8772(2015)01-0062-04