國家計算機集成制造雜志卷 21，8 號，2008 十二月，885–894一個實時仿真虛擬加工中心自動換刀裝置Y.H. Jeong H. Tae , B.-K. Min and D.-W. Cho *abcdSchool of Mechanical Engineering, Yonsei University, Seoul, 120-749, Korea; Central R School of Mechanical cEngineering, Yonsei University, Seoul, 120-749, Korea; Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology, Pohang, Kyungbuk, 790-784, Korea(Received 27 June 2007; ?nal version received 13 November 2007)在加工中心的離散系統(tǒng)，如自動換刀裝置和托盤自動交換裝置在提高加工自動化生產(chǎn)中扮演著重要的角色。然而，系統(tǒng)配置和時序邏輯編程仍需要相當(dāng)大的技能和基礎(chǔ)上,根據(jù)實際情況處理?；诜抡娴尿炞C環(huán)境可以改善系統(tǒng)性能,減少過渡時間和成本,避免錯誤的設(shè)置和系統(tǒng)。在這項研究中,我們開發(fā)了一個仿真模型以及盤式自動換工具的可視化與空中交通管制(ATC)協(xié)助機械設(shè)計和 PLC邏輯驗證。我們的仿真模型是基于面向?qū)ο蟮慕７椒?并由模型塊對應(yīng)的基本組件(如電機、齒輪組、等）,功能和接近傳感器。我們測試了在實時仿真模型,使用一個實際的機床控制器的軟件組件的仿真循環(huán)評估實時計算性能和可行性在真實的應(yīng)用程序中,如邏輯和配置驗證。相關(guān)結(jié)果提要驅(qū)動運動在 ATC 炮塔操作限制傳感器行動表明,我們的方法是實用和滿足實時要求。關(guān)鍵詞:自動工具改變;面向?qū)ο竽Ｐ?邏輯驗證;實時仿真1.介紹計算機數(shù)控(CNC)機床是由各種復(fù)雜的元素,比如提要驅(qū)動主軸,工具自動更換裝置(ATC),自動托盤商(APC),計算機數(shù)字控制器和可編程序邏輯控制器(PLC)。因此,設(shè)計、構(gòu)建和安裝是一個復(fù)雜和耗時的過程。一個典型的加工中心有幾個重要的離散系統(tǒng),如空中交通管制,APC,守衛(wèi)大門。這些子系統(tǒng)扮演了一個重要的角色在機床操作和加工自動化。因此,任何性能改進的離散系統(tǒng)可以大大提高生產(chǎn)率。然而,系統(tǒng)配置、時序邏輯生成和驗證所有仍然需要大量的技巧和治療基礎(chǔ)上,根據(jù)實際情況,因為這個過程沒有有效的驗證方法或環(huán)境。仿真技術(shù)已經(jīng)成功地使用在許多行業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少開發(fā)周期時間。在機床行業(yè),許多類型的模擬等機床有限元方法(FEM)框架,例如,用于機床的開發(fā)和管理。在這種背景下,基于仿真驗證環(huán)境可以提高系統(tǒng)性能,減少走彎路和成本,避免錯誤的設(shè)置和系統(tǒng)惡化。各種方法用于控制或模擬離散系統(tǒng),如生產(chǎn)線。典型的和最普遍的方法使用佩特里網(wǎng)(大衛(wèi)和真主安拉 1994)。在一個模范的研究中,李和許(2005)提出了一個簡化的佩特里網(wǎng)控制器,其中包括傳感器狀態(tài)信息來簡化控制器設(shè)計層面的過程建模。在 ATC 的設(shè)計機制,研究 Gokler 和 Koc(1997)設(shè)計了一個自動盤式工具改變臥式數(shù)控加工中心,和 Dereli Filiz(2000)提出了一種遺傳算法優(yōu)化方法指數(shù)一個空中交通管制的刀具的位置。此外,Baykasoglu 和 Dereli(2004)提出了一個 meta-heuristic 優(yōu)化系統(tǒng)來確定刀具的最佳索引位置最小化theindexing 時間數(shù)控機床工具的雜志。一個驗證開發(fā)的飼料與摩擦傳動系統(tǒng)的動態(tài)模型表示為 Stribeck 曲線,并確定了系統(tǒng)參數(shù)使用最小二乘法和卡爾曼濾波。書釘 et al。(2003)介紹了一個基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬機工具使用機械部件的運動鏈數(shù)控和計算機輔助設(shè)計和制造(CAD / CAM)用于教育目的。張文雄和傅(2006) 還開發(fā)出一種虛擬機工具培訓(xùn)以及網(wǎng)絡(luò)制造控制。重要的是,他們的系統(tǒng)包括一個切削力預(yù)測模塊基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)。侯賽因(1998)提出了一個統(tǒng)一的方法對機電一體化系統(tǒng)模型使用多維數(shù)組和映射函數(shù)作為造型方案,雖然 Harrison et al.。(2000)介紹了一個集成的機械設(shè)計和控制環(huán)境,可以應(yīng)用于機械設(shè)計,控制和維護。哈里森 et al。(2000)應(yīng)用的邏輯設(shè)計和快速成型部分的環(huán)境他們設(shè)計開發(fā)飲料 can-body制造機器。然而,盡管大量的研究機床的模擬和離散系統(tǒng),很難找到一個 ATC 系統(tǒng)仿真方法,減少機床開發(fā)成本和減輕 PLC 邏輯生成和驗證的難度和復(fù)雜性。此外,現(xiàn)有的離散系統(tǒng)的仿真研究考慮系統(tǒng)作為一個簡單的序列或數(shù)據(jù)流,而忽略機械運動學(xué)或動力學(xué)等特點。因此,它已經(jīng)很難包含系統(tǒng)的運動學(xué)或動力學(xué)行為或部分在系統(tǒng)級模擬。本研究的目的是開發(fā)一個仿真模型,可以應(yīng)用到 ATC 的空中交通管制機制設(shè)計和 PLC 邏輯驗證。目標(biāo)特性的仿真模型,該模型必須是通用的，是可重用的擴展成各種 ATC 類型,并且模型必須準(zhǔn)確地描述傳感器信號和部分運動運動,這樣他們就可以被應(yīng)用到各種應(yīng)用程序。在這種背景下,我們開發(fā)了以下模型的策略。我們使用了一個基于組件的方法提高通用性。這意味著組件模型塊被定義為可更換單元所購買機床建設(shè)者。每個模型塊有自己的參數(shù),有關(guān)其運動方程,并定義輸入和輸出信號描述模型之間的連接塊。商業(yè)化或標(biāo)準(zhǔn)化的造型語言和工具被用來確保兼容性等各種機床的開發(fā)流程設(shè)計、優(yōu)化和驗證邏輯,和維護過程。我們描述一個典型的盤式 ATC 機制,在第二節(jié)的基本組件。第三節(jié)討論了ATC 仿真模型的細(xì)節(jié)我們發(fā)達(dá)的模型塊對應(yīng)的基本部分。第四節(jié)描述了兩個仿真結(jié)果,介紹了實時仿真方法和仿真結(jié)果可視化模塊。第一個模擬與提要驅(qū)動器與極限運動傳感器模擬工具改變位置的方法。第二個是 ATC 炮塔工具變化的模擬操作。我們使用我們的實時仿真方法結(jié)合仿真模型與實際機床控制器的軟件組件在一個模擬循環(huán)使用內(nèi)部數(shù)據(jù)通信表明,我們的模型實時計算性能和 PLC 邏輯驗證是可行的。結(jié)論在第五節(jié)。圖 1 原理圖的一個典型的盤式 ATC 沒有改變圖 2 等效的模型等。圖 3 簡化的快動作開關(guān)用作限制傳感器。圖 4 接近傳感器的等效模型和遙感磁盤和螺栓。2。調(diào)查的 ATC 模型雜志典型的盤式 ATC 裝置包含以下基本組件:一個炮塔磁盤,一組齒輪、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、等功能,和幾個傳感器?；剞D(zhuǎn)馬達(dá),它提供了驅(qū)動功率的 ATC 炮塔裝置等軸旋轉(zhuǎn)，間歇旋轉(zhuǎn)等變化連續(xù)動作,從垂直旋轉(zhuǎn)軸方向橫向。它使用的組合凸輪和磁盤索引,轉(zhuǎn)移其旋轉(zhuǎn)運動通過其軸等功能的裝置。最后,齒輪裝置和磁盤旋轉(zhuǎn)速度剖面,可以簡化低速度值為零的矩形波。注意,本研究中使用的盤式 ATC 裝置有兩個類型的接近傳感器,使用磁盤和螺栓檢測工具改變位置和計算炮塔旋轉(zhuǎn)間隔。圖 1 顯示了一個示意圖的互連基本組件在一個典型的盤式 ATC 裝置。在本研究中,我們模擬限制傳感器模擬自動工具的復(fù)雜連續(xù)的運動變化,包括炮塔裝置的驅(qū)動和運動。圖 5 仿真模型的一個提要積極限制傳感器驅(qū)動系統(tǒng)。圖 6 一個提要驅(qū)動系統(tǒng)的仿真結(jié)果積極限制傳感器。圖 7 ATC 炮塔的仿真模型。4。模擬的自動工具改變本研究構(gòu)建的仿真模型使用基于 Modelica Dymola 語言(勃拉克 et al . 2002 年)。模型的仿真模型由組件(如電機、齒輪的集合(齒輪箱)）等對應(yīng)的功能。每個模型塊標(biāo)準(zhǔn)形式,其中包括輸入和輸出信號,模型參數(shù),和自己的方程式。該模型結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn) Modelica 語言,因為語言是面向?qū)ο蟮?。模型的每個部分的屬性等參數(shù)和方程可以指定和修改使用圖形框圖界面或在一個文本文件中。模擬的操作限制傳感器在旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的線性階段,我們聯(lián)合動態(tài)仿真模型的線性階段從先前的工作(Jeong et al . 2006 年)限制傳感器模型,如圖 3 所示。圖 5 顯示了總體仿真模塊,該模塊可用于遙感超程階段歸航,到達(dá)的位置工具改變操作。在這項研究中所使用的線性階段模型由模型塊對應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)矩控制,一個簡單的直流電機,軸向聯(lián)合、導(dǎo)螺桿和導(dǎo)軌。積極的限制傳感器響應(yīng)瞬時表位置。的圖中顯示積極限制傳感器監(jiān)控表的位置。因此,飼料的表位置獲得或預(yù)測轉(zhuǎn)移到限制傳感器塊驅(qū)動仿真模型,方程(5)所示。限制傳感器模型塊比較轉(zhuǎn)移位置指定的限制傳感器位置。圖 6 顯示了模擬線性階段,傳感器操作控制電機速度時 60 rad / s。圖 6(a)顯示了電機速度和驅(qū)動電流、和圖 6(b)顯示了表和傳感器位置。注意,傳感器輸出從 0 變?yōu)?1 當(dāng)表到達(dá) 0.1 米。傳感器的傳感器位置公差模型中被設(shè)置為 0。圖 8 ATC 炮塔操作的仿真結(jié)果。我們使用我們的 ATC 炮塔模型模擬 ATC 炮塔的性能。圖 7 顯示了 ATC 炮塔的實際仿真模型和恒定的命令。這表明兩個接近傳感器分別檢測螺栓和連接到炮塔磁盤。仿真模型顯示當(dāng)前工具數(shù)量隨著炮塔角度變化。此外,兩個距離傳感器的輸出信號監(jiān)測的 PLC 內(nèi)核提供 CNC 控制器,控制 ATC 炮塔操作。仿真中使用的模型參數(shù)如表 1 所示,從改造小型加工中心(SPT-V30T,現(xiàn)代汽車(Hyundai Motor Co。)和一個炮塔類型 overhead-disk 雜志和一個基于 PC 的數(shù)控(HX TurboTek)。十四個工具裝置。圖 8(a)、(b)和(c)顯示仿真結(jié)果當(dāng)工具改變從1 號到 12 號。更具體地說,圖 8(一個)顯示炮塔的旋轉(zhuǎn)角,不斷旋轉(zhuǎn)的動作等功能。圖 8(b)和(c)顯示的邏輯輸出接近傳感器連接到磁盤和等軸炮塔。從這些數(shù)據(jù)中我們可以看到接近傳感器的輸出的炮塔磁盤是相反的,接近傳感器等因為等對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)炮塔的旋轉(zhuǎn)磁盤。我們比較仿真結(jié)果與實際行動炮塔運動。圖 9 顯示了這種比較的結(jié)果變化時間從第一個工具(工具 1)到最后一個工具。仿真結(jié)果在 2%的實際時間。我們推斷這個錯誤來自實際電機的速度變化和識別錯誤的仿真模型參數(shù)如電機速度和傳動比。圖 9 模擬和測量之間的比較結(jié)果 tool-to-tool 變更時間從第一個工具(工具 1)。圖 10。原理圖的實時仿真。我們介紹了實時仿真方法是否可以應(yīng)用于 PLC 邏輯驗證。我們設(shè)計了一個模擬循環(huán)在計算機實時內(nèi)核,分離軟件對控制器的仿真模型。圖 10 顯示了這個模擬的結(jié)構(gòu)。仿真回路由一個實際的控制器的軟件部分和一個動態(tài)鏈接庫(DLL)仿真模型的文件;這些相通通過共享內(nèi)存。控制器庫是由數(shù)控(NC)內(nèi)核控制驅(qū)動系統(tǒng)和 PLC 的內(nèi)核操作的離散系統(tǒng),如限制傳感器和 ATC 炮塔。仿真模型包括飼料驅(qū)動器和 ATC 炮塔模型在第三節(jié)中描述。我們監(jiān)控使用單獨的計算機仿真結(jié)果,以避免影響計算機運行的實時性能仿真循環(huán)。之間的連接控制器軟件和控制器之間的仿真模型是相同的,和實際的飼料驅(qū)動器的 ATC 炮塔,除了實際的線路被內(nèi)部數(shù)據(jù)通信所取代。提出的模擬進行了工業(yè)個人電腦(pxi - 8186 RT)的實時內(nèi)核,2.2 GHz Pentium 4 CPU 和 512 MB 的隨機存取存儲器。我們使用四階龍格-庫塔算法集成 0.5 毫秒的時間步長仿真?？刂破鞲聲r間設(shè)置為 1 ms 提要驅(qū)動器和 4 ms ATC 炮塔。結(jié)論在這項研究中,我們開發(fā)了一個仿真模型的自動工具變換器使用炮塔雜志。W 使用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建一個概括模型的基本組件的 ATC 炮塔模型作為單獨的塊,和連接在一起他們會在實際的 ATC 每一塊都有自己的參數(shù)和方程描述相應(yīng)的塊的運動。仿真結(jié)果表明,該方法生成的現(xiàn)實操作組件運動和傳感器信號。我們開發(fā)了一個三維可視化演示仿真結(jié)果。集成的仿真模型與實際機床控制器表明,我們的模型可以用于實時邏輯驗證為了減少走彎路和錯誤的設(shè)置問題。的實時仿真PLC 邏輯,模型成功地扮演了真正的 ATC 炮塔和飼料的角色。我們表明,我們的模型可以滿足實時要求,和計算時間的仿真循環(huán)時間不到 30 分之一。確認(rèn)本研究得到了批準(zhǔn)號 krf - 2004 - 202 - d00068 科技部。參考文獻[1].Baykasoglu,a . 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