摘 要

数控车床正广泛的应用于机械制造中的各种领域，为了满足所加工物件的精度，数控车床的主轴系统是主要的影响系统之一，针对数控车床主轴系统建立其多领域物理模型有其市场需求。因此，本文引入了计算机仿真技术对主轴系统进行研究，利用基于MWorks仿真平台的Modelica语言建立数控车床主轴系统的多领域模型，并进行仿真分析和实验验证，得到有效的模型。

首先，本文对数控车床主轴系统的组成结构和工作原理进行理解。

然后，利用模块化建模思想，分别对主轴系统的机械传动子系统、电机子系统以及伺服控制子系统进行建模；并且整合封装得到整体模型。

最后，对整体模型施加不同的输入，验证模型的正确性，同时研究其电气参数和主轴的动力学参数的动态特性。

本文的研究为数控车床主轴系统多领域模型库的建立有借鉴意义。

关键字:车床主轴系统；Modelica语言；多领域建模；模块化建模；MWorks

Abstract

CNC lathe is widely used in various fields of mechanical manufacturing. In order to meet the precision of processing object, CNC lathe spindle system is one of the most important system, so establishing the multi-domain physical model of CNC lathe spindle system has its market demand. Therefore, this article introduces the computer simulation technology to study the spindle system, using MWorks simulation platform based on Modelica language the CNC to build the multi-domain physical model of spindle system, and by simulation analysis and experimental verification, the effective model is got.

Firstly, the structure and working principle of CNC lathe spindle system are understood in this paper.

Then, the mechanical drive subsystem, the motor subsystem and servo control subsystem of the spindle system can be modeled based on the thought of modular modeling, integrating and packing to get the whole model.

Finally, the whole model is applied to different input to verify the correctness of the model, as well as to study the dynamic characteristics of the electrical parameters and kinetic parameters of the spindle.
The research has reference significance for the establishment of the multi-domain model library of the spindle system of CNC lathe

Keywords: spindle system of CNC lathe, Modelica language, Multi-domain modeling, Modular modeling, MWorks

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.1.1课题研究的目的 1

1.1.2研究的意义 1

1.2多领域物理系统建模仿真技术 1

1.3国内外的研究现状 3

1.4课题研究的基本内容 3

1.5全文结构设计 4

第2章 主轴系统的多领域建模方法及流程 5

2.1主轴系统常用的建模方法 5

2.2基于Modelica语言的模块化建模 5

2.2.1模块化建模思想 5

2.2.2基于Modelica语言的模块化建模 6

2.3主轴系统的模块化建模与划分 7

2.3.1主轴系统的组成 7

2.3.2主轴系统的领域划分 8

2.4主轴系统多领域仿真过程 9

2.5本章小结 9

第3章 基于Modelica主轴系统的多领域建模 10

3.1机械传动部分建模 10

3.1.1主轴简化模型 10

3.1.2轴承简化模型 10

3.1.3同步带模型 10

3.1.4机械传动部分整体模型 11

3.2异步电机部分建模 12

3.2.1异步电机矢量控制的思想 12

3.2.2坐标变换 12

3.2.3异步电机的多变量非线性数学模型 13

3.2.4异步电机在两相静止坐标系上的模型（αβ） 14

3.2.5异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型（MT） 15

3.2.6三相交流异步电机模型 16

3.3伺服控制部分建模 18

3.3.1矢量控制系统的建立原理 18

3.3.2 SVPWM原理及逆变技术 19

3.3.3 PI控制器 20

3.3.4转子磁链观测 21

3.3.5矢量控制系统的仿真模型 22

3.4本章小结 24

第4章 主轴系统整体模型仿真与验证 25

4.1主轴系统仿真模型的建立及要求 25

4.1.1主轴系统的主要参数设计 25

4.1.2主轴系统电机输出的检测调试 26

4.1.3主轴系统PI控制环节的参数调试 28

4.2主轴系统实验结果分析 29

4.3本章小结 30

第5章 总结与展望 32

5.1全文总结 32

5.2经济性分析 32

5.3展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1课题研究目的及意义

1.1.1课题研究的目的

数控机床是国家在机械加工工业方面大力发展的基础型产业，其加工精度、加工效率关系到后期产品的成型和装配问题，它是衡量国家制造业发展水平的重要装备，也是体现先进制造技术的基础^[1]。其中，主轴驱动系统是在机床中完成主运动的动力装置部分，它包括驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴；是集机械、电气、控制于一体的复杂机械系统。该主轴系统中的参数复杂耦合，使设计过程繁琐。传统的CAD、CAE技术虽已成熟，但不足之处在于：它们是强信息集成，模型集成能力差，缺乏开放性的平台，限制了模型的可重用性和系统的综合能力。在仿真分析的过程中，为了避免建模过程的复杂和各领域模型的不兼容性，传统的单领域建模已无法满足研究要求，所以深入学习基于Modelica语言的机械、电子、控制、液压、气压、热力学等多领域耦合建模与仿真分析，以建立卧式数控车床主轴系统机械、电气、控制的多领域统一的产品模型。在建模的基础上，进行仿真分析，研究卧式数控车床主轴系统电气、机械等参数与性能的关系。

1.1.2研究的意义

本文根据数控车床主轴系统的物理原型和工作原理，建立主轴系统的模型，并且通过仿真分析多种工作条件下的主轴系统的输出特性验证模型的正确性。利用这一模型实现数控车床主轴系统的高效建模以减少产品实际生产过程中安全性和正确性的实验次数，从而有效缩减研发成本和时间。另一方面，利用Modelica语言建立数控车床主轴系统的多领域物理模型，这一模型涉及了机械、电气和控制等领域，这能有效的推广多领域仿真建模技术，使其应用于多方面。

1.2多领域物理系统建模仿真技术

对主轴驱动系统的研究从建模和仿真开始，建模是仿真的前提。目前主要采用的多领域建模方法有：（1）基于接口的多领域建模仿真；（2）基于高层体系结构的多领域建模仿真；（3）基于统一建模语言的多领域建模仿真^[2]。

基于接口的多领域建模仿真方法是应用最为广泛的多领域建模方法^[3]，该方法先利用商用软件建立与自身领域相对应的仿真模型，再利用所提供的接口与其他软件实现集成，以实现多领域的仿真建模。该方法能利用已有的较为完善的模型库和软件环境，使多领域仿真软件的集成更容易实现。例如：我们常用ADAMS与matlab/simulink进行控制系统和动力机构的联合仿真，利用的就是ADAMS的control模块提供的接口。然而这种方法最显著的弊端是这些接口是软件私有的，不具备开放性；再者，仿真时，集成软件不能过多，否则，由于耦合关系复杂，系统将很难实现。