國(guó)家計(jì)算機(jī)集成制造雜志卷 21，8 號(hào)，2008 十二月，885–894一個(gè)實(shí)時(shí)仿真虛擬加工中心自動(dòng)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(dòng)換刀裝置和托盤(pán)自動(dòng)交換裝置在提高加工自動(dòng)化生產(chǎn)中扮演著重要的角色。然而，系統(tǒng)配置和時(shí)序邏輯編程仍需要相當(dāng)大的技能和基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際情況處理?；诜抡娴尿?yàn)證環(huán)境可以改善系統(tǒng)性能,減少過(guò)渡時(shí)間和成本,避免錯(cuò)誤的設(shè)置和系統(tǒng)。在這項(xiàng)研究中,我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)仿真模型以及盤(pán)式自動(dòng)換工具的可視化與空中交通管制(ATC)協(xié)助機(jī)械設(shè)計(jì)和 PLC邏輯驗(yàn)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(duì)應(yīng)的基本組件(如電機(jī)、齒輪組、等）,功能和接近傳感器。我們測(cè)試了在實(shí)時(shí)仿真模型,使用一個(gè)實(shí)際的機(jī)床控制器的軟件組件的仿真循環(huán)評(píng)估實(shí)時(shí)計(jì)算性能和可行性在真實(shí)的應(yīng)用程序中,如邏輯和配置驗(yàn)證。相關(guān)結(jié)果提要驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)在 ATC 炮塔操作限制傳感器行動(dòng)表明,我們的方法是實(shí)用和滿足實(shí)時(shí)要求。關(guān)鍵詞:自動(dòng)工具改變;面向?qū)ο竽Ｐ?邏輯驗(yàn)證;實(shí)時(shí)仿真1.介紹計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī)床是由各種復(fù)雜的元素,比如提要驅(qū)動(dòng)主軸,工具自動(dòng)更換裝置(ATC),自動(dòng)托盤(pán)商(APC),計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器和可編程序邏輯控制器(PLC)。因此,設(shè)計(jì)、構(gòu)建和安裝是一個(gè)復(fù)雜和耗時(shí)的過(guò)程。一個(gè)典型的加工中心有幾個(gè)重要的離散系統(tǒng),如空中交通管制,APC,守衛(wèi)大門(mén)。這些子系統(tǒng)扮演了一個(gè)重要的角色在機(jī)床操作和加工自動(dòng)化。因此,任何性能改進(jìn)的離散系統(tǒng)可以大大提高生產(chǎn)率。然而,系統(tǒng)配置、時(shí)序邏輯生成和驗(yàn)證所有仍然需要大量的技巧和治療基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際情況,因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程沒(méi)有有效的驗(yàn)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(kāi)發(fā)周期時(shí)間。在機(jī)床行業(yè),許多類型的模擬等機(jī)床有限元方法(FEM)框架,例如,用于機(jī)床的開(kāi)發(fā)和管理。在這種背景下,基于仿真驗(yàn)證環(huán)境可以提高系統(tǒng)性能,減少走彎路和成本,避免錯(cuò)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(gè)模范的研究中,李和許(2005)提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的佩特里網(wǎng)控制器,其中包括傳感器狀態(tài)信息來(lái)簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)層面的過(guò)程建模。在 ATC 的設(shè)計(jì)機(jī)制,研究 Gokler 和 Koc(1997)設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)盤(pán)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(gè)空中交通管制的刀具的位置。此外,Baykasoglu 和 Dereli(2004)提出了一個(gè) meta-heuristic 優(yōu)化系統(tǒng)來(lái)確定刀具的最佳索引位置最小化theindexing 時(shí)間數(shù)控機(jī)床工具的雜志。一個(gè)驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的飼料與摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(shū)釘 et al。(2003)介紹了一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬機(jī)工具使用機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)鏈數(shù)控和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD / CAM)用于教育目的。張文雄和傅(2006) 還開(kāi)發(fā)出一種虛擬機(jī)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(gè)切削力預(yù)測(cè)模塊基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)。侯賽因(1998)提出了一個(gè)統(tǒng)一的方法對(duì)機(jī)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(gè)集成的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制環(huán)境,可以應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì),控制和維護(hù)。哈里森 et al。(2000)應(yīng)用的邏輯設(shè)計(jì)和快速成型部分的環(huán)境他們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)飲料 can-body制造機(jī)器。然而,盡管大量的研究機(jī)床的模擬和離散系統(tǒng),很難找到一個(gè) ATC 系統(tǒng)仿真方法,減少機(jī)床開(kāi)發(fā)成本和減輕 PLC 邏輯生成和驗(yàn)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(gè)簡(jiǎn)單的序列或數(shù)據(jù)流,而忽略機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)等特點(diǎn)。因此,它已經(jīng)很難包含系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)行為或部分在系統(tǒng)級(jí)模擬。本研究的目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)仿真模型,可以應(yīng)用到 ATC 的空中交通管制機(jī)制設(shè)計(jì)和 PLC 邏輯驗(yàn)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(kuò)展成各種 ATC 類型,并且模型必須準(zhǔn)確地描述傳感器信號(hào)和部分運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),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(kāi)發(fā)了以下模型的策略。我們使用了一個(gè)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(gòu)買機(jī)床建設(shè)者。每個(gè)模型塊有自己的參數(shù),有關(guān)其運(yùn)動(dòng)方程,并定義輸入和輸出信號(hào)描述模型之間的連接塊。商業(yè)化或標(biāo)準(zhǔn)化的造型語(yǔ)言和工具被用來(lái)確保兼容性等各種機(jī)床的開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證邏輯,和維護(hù)過(guò)程。我們描述一個(gè)典型的盤(pán)式 ATC 機(jī)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(duì)應(yīng)的基本部分。第四節(jié)描述了兩個(gè)仿真結(jié)果,介紹了實(shí)時(shí)仿真方法和仿真結(jié)果可視化模塊。第一個(gè)模擬與提要驅(qū)動(dòng)器與極限運(yùn)動(dòng)傳感器模擬工具改變位置的方法。第二個(gè)是 ATC 炮塔工具變化的模擬操作。我們使用我們的實(shí)時(shí)仿真方法結(jié)合仿真模型與實(shí)際機(jī)床控制器的軟件組件在一個(gè)模擬循環(huán)使用內(nèi)部數(shù)據(jù)通信表明,我們的模型實(shí)時(shí)計(jì)算性能和 PLC 邏輯驗(yàn)證是可行的。結(jié)論在第五節(jié)。圖 1 原理圖的一個(gè)典型的盤(pán)式 ATC 沒(méi)有改變圖 2 等效的模型等。圖 3 簡(jiǎn)化的快動(dòng)作開(kāi)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(pán)和螺栓。2。調(diào)查的 ATC 模型雜志典型的盤(pán)式 ATC 裝置包含以下基本組件:一個(gè)炮塔磁盤(pán),一組齒輪、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、等功能,和幾個(gè)傳感器?；剞D(zhuǎn)馬達(dá),它提供了驅(qū)動(dòng)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(dòng)作,從垂直旋轉(zhuǎn)軸方向橫向。它使用的組合凸輪和磁盤(pán)索引,轉(zhuǎn)移其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)其軸等功能的裝置。最后,齒輪裝置和磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度剖面,可以簡(jiǎn)化低速度值為零的矩形波。注意,本研究中使用的盤(pán)式 ATC 裝置有兩個(gè)類型的接近傳感器,使用磁盤(pán)和螺栓檢測(cè)工具改變位置和計(jì)算炮塔旋轉(zhuǎn)間隔。圖 1 顯示了一個(gè)示意圖的互連基本組件在一個(gè)典型的盤(pán)式 ATC 裝置。在本研究中,我們模擬限制傳感器模擬自動(dòng)工具的復(fù)雜連續(xù)的運(yùn)動(dòng)變化,包括炮塔裝置的驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。圖 5 仿真模型的一個(gè)提要積極限制傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖 6 一個(gè)提要驅(qū)動(dòng)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(dòng)工具改變本研究構(gòu)建的仿真模型使用基于 Modelica Dymola 語(yǔ)言(勃拉克 et al . 2002 年)。模型的仿真模型由組件(如電機(jī)、齒輪的集合(齒輪箱)）等對(duì)應(yīng)的功能。每個(gè)模型塊標(biāo)準(zhǔn)形式,其中包括輸入和輸出信號(hào),模型參數(shù),和自己的方程式。該模型結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn) Modelica 語(yǔ)言,因?yàn)檎Z(yǔ)言是面向?qū)ο蟮?。模型的每個(gè)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(gè)文本文件中。模擬的操作限制傳感器在旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性階段,我們聯(lián)合動(dòng)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(xiàng)研究中所使用的線性階段模型由模型塊對(duì)應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)矩控制,一個(gè)簡(jiǎn)單的直流電機(jī),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(shí)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(cè)轉(zhuǎn)移到限制傳感器塊驅(qū)動(dòng)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(jī)速度時(shí) 60 rad / s。圖 6(a)顯示了電機(jī)速度和驅(qū)動(dòng)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(shí)際仿真模型和恒定的命令。這表明兩個(gè)接近傳感器分別檢測(cè)螺栓和連接到炮塔磁盤(pán)。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(gè)距離傳感器的輸出信號(hào)監(jiān)測(cè)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(gè)炮塔類型 overhead-disk 雜志和一個(gè)基于 PC 的數(shù)控(HX TurboTek)。十四個(gè)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(hào)到 12 號(hào)。更具體地說(shuō),圖 8(一個(gè))顯示炮塔的旋轉(zhuǎn)角,不斷旋轉(zhuǎn)的動(dòng)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(pán)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(pán)是相反的,接近傳感器等因?yàn)榈葘?duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)炮塔的旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)。我們比較仿真結(jié)果與實(shí)際行動(dòng)炮塔運(yùn)動(dòng)。圖 9 顯示了這種比較的結(jié)果變化時(shí)間從第一個(gè)工具(工具 1)到最后一個(gè)工具。仿真結(jié)果在 2%的實(shí)際時(shí)間。我們推斷這個(gè)錯(cuò)誤來(lái)自實(shí)際電機(jī)的速度變化和識(shí)別錯(cuò)誤的仿真模型參數(shù)如電機(jī)速度和傳動(dòng)比。圖 9 模擬和測(cè)量之間的比較結(jié)果 tool-to-tool 變更時(shí)間從第一個(gè)工具(工具 1)。圖 10。原理圖的實(shí)時(shí)仿真。我們介紹了實(shí)時(shí)仿真方法是否可以應(yīng)用于 PLC 邏輯驗(yàn)證。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)模擬循環(huán)在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)內(nèi)核,分離軟件對(duì)控制器的仿真模型。圖 10 顯示了這個(gè)模擬的結(jié)構(gòu)。仿真回路由一個(gè)實(shí)際的控制器的軟件部分和一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)仿真模型的文件;這些相通通過(guò)共享內(nèi)存?？刂破鲙?kù)是由數(shù)控(NC)內(nèi)核控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)器和 ATC 炮塔模型在第三節(jié)中描述。我們監(jiān)控使用單獨(dú)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果,以避免影響計(jì)算機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)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(shí)際的飼料驅(qū)動(dòng)器的 ATC 炮塔,除了實(shí)際的線路被內(nèi)部數(shù)據(jù)通信所取代。提出的模擬進(jìn)行了工業(yè)個(gè)人電腦(pxi - 8186 RT)的實(shí)時(shí)內(nèi)核,2.2 GHz Pentium 4 CPU 和 512 MB 的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。我們使用四階龍格-庫(kù)塔算法集成 0.5 毫秒的時(shí)間步長(zhǎng)仿真?？刂破鞲聲r(shí)間設(shè)置為 1 ms 提要驅(qū)動(dòng)器和 4 ms ATC 炮塔。結(jié)論在這項(xiàng)研究中,我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)仿真模型的自動(dòng)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(gè)概括模型的基本組件的 ATC 炮塔模型作為單獨(dú)的塊,和連接在一起他們會(huì)在實(shí)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(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果表明,該方法生成的現(xiàn)實(shí)操作組件運(yùn)動(dòng)和傳感器信號(hào)。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維可視化演示仿真結(jié)果。集成的仿真模型與實(shí)際機(jī)床控制器表明,我們的模型可以用于實(shí)時(shí)邏輯驗(yàn)證為了減少走彎路和錯(cuò)誤的設(shè)置問(wèn)題。的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)要求,和計(jì)算時(shí)間的仿真循環(huán)時(shí)間不到 30 分之一。確認(rèn)本研究得到了批準(zhǔn)號(hào) krf - 2004 - 202 - d00068 科技部。參考文獻(xiàn)[1].Baykasoglu,a . 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