基于ADAMS的双边驱动玻璃切割平台动态误差仿真分析

张海涛，陈 丰，许 芹

(安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100)

基于ADAMS的双边驱动玻璃切割平台动态误差仿真分析

张海涛，陈 丰，许 芹

(安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100)

双边驱动玻璃切割平台驱动电机运动不同步时，平台运动部件会产生偏转振动，从而带来刀具运动及定位的动态误差，影响玻璃制件的加工质量和加工精度。通过刚柔耦合模型实现了双边驱动玻璃切割平台的仿真建模，利用动力学仿真分析软件ADAMS对非同步条件驱动下运动部件的动态误差进行了仿真分析，为双边驱动玻璃切割平台的设计和控制提供了理论依据。

玻璃切割平台；双边驱动；刚柔耦合模型；动态误差；ADAMS

近年来，由于玻璃材质产品需求的多样化，产品形状日趋复杂，对玻璃切割加工机械的加工精度和加工质量都提出了更高的要求，采用传统单边驱动方式的玻璃切割机械由于存在运动滞后和机械振荡现象，正逐步由采用双边伺服驱动的新一代玻璃切割设备所取代。双边驱动是指用两个电机同步驱动的方式完成运动部件某一方向的运动，通常也称为H-drive结构，双边驱动结构相比单边驱动方式具有相对行程大、驱动力大、承载能力强等优点[1-2]，但此类平台面临高精度的运动同步控制问题。目前，针对双边驱动电机同步控制问题已有多种控制方法及控制策略。何王勇等[3-5]针对由滚珠丝杠机构组成的对称运动平台的同步控制问题进行了研究。唐光谱[6-7]等采用自适应控制实现了对双边驱动运动的协调控制，达到了提高同步精度的目的。

本文在分析了对称结构玻璃切割平台模型结构的基础上，提出了利用基于ADAMS的刚柔耦合建模对动态误差进行分析的方法，通过将玻璃切割机械导轨部分做柔性化处理以增加系统运动部件的运动自由度的方式实现系统的虚拟仿真设计，有效解决了在全刚体构件系统中作为冗余约束的多余驱动问题，为双边驱动玻璃切割机械的运动同步问题及其对加工精度影响，即平台的动态加工误差的仿真研究提供了新的思路。

1 双边驱动玻璃切割机械动态建模

1.1 传统单边驱动玻璃切割机械缺点

玻璃切割是玻璃深加工过程的第一道工序，为提高原始坯料的利用率，减少加工工序，必须保证玻璃切割机械具有足够的加工精度。传统玻璃切割机械大多采用单边驱动传动机构，非驱动端采用直线导轨定位，通过滑动或滚动摩擦的方式实现刀具移载平台在加工平面上的移动，或者采用细长轴驱动第二端。单边驱动的玻璃切割机械在速度、加速度等方面均受到一定的限制，更为重要的是定位精度受影响，无法满足异形玻璃件的加工要求。

为提高玻璃加工机械的加工精度和加工质量，降低单电机驱动由于负载偏离对称中心，构件间隙，阻力摩擦等干扰所产生的运动滞后和机械振荡现象对于系统加工精度和加工质量的影响，提高加工平台的抗干扰能力，新一代玻璃切割机械采用双边驱动的方式，玻璃切割机械中放置刀具的横向导轨由两台纵向布置的伺服电机采用同步驱动的方式驱动，从而实现其沿工作平台的纵向移动，可以有效降低单边驱动所产生的运动滞后和机械振荡现象对加工精度和加工质量的干扰。

1.2 双边驱动玻璃切割机械建模

如图1所示，双边驱动玻璃切割平台通过两个伺服电机同步驱动滚珠丝杠带动X向运动部件沿直线导轨直线运动，同时带动运动部件做平移运动，玻璃切割刀具固定在运动部件上，沿运动部件在Y向做直线运动。由于多数运动部件之间存在机械接触，由于部件间间隙的存在以及装配精度问题引起的机械振动和加工误差，以及刀具运动部件的俯仰误差只能通过提高部件加工精度和定位精度的方式来减小加工误差。而由于双边驱动电机运动不同步，造成的运动部件偏离水平位置以及由于运动部件在负载作用条件下的应变引起的加工误差可以通过合理的控制策略加以消除。

在多电机并联驱动的机械系统中，由于采用多电机同步驱动的方式，对该类系统进行动力学仿真时，由于系统刚体部件的单个自由度只能由一个驱动进行约束，多驱动会造成系统的冗余约束错误，导致分析人员无法在动力学仿真模型中电机不同步对系统精度的影响进行直观的分析，同时也无法分析驱动不同步问题对于目标变形受力情况的影响。对于双电机同步控制问题往往只能在逻辑表达式及纯数学模型中对其进行描述，不易将其与构件变形及系统动态精度进行直观的联系。本文作者通过对玻璃加工机械的动力学模型约束及部件的柔性化处理，使原本作为系统冗余约束的多余驱动转变为系统的分析变量，实现了一定误差范围内的多驱动加载仿真模型的建立，通过对双电机驱动速度加载情况的调整可以有效模拟电机不同步情况下，刀具的实际运动情况，实现了对刀具等相关部件动态特性的仿真建模分析。

图2 ADAMS中玻璃切割机械刚柔耦合模型 图3 刀具理论的质心运动轨迹

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

如图2，对驱动约束1和驱动约束2区域的部件进行柔性化，从而增加构件的自由度，通过对驱动纵向导轨的两个电机加载不同的速度以模拟实际系统中多电机驱动条件下存在的不同步问题，通过对刀具运动部件的负载进行调整模拟实际加工过程中的外部干扰，从而研究非同步问题及负载变化情况对于加工精度的影响程度。

2 双边驱动的玻璃切割机械动态误差分析

给定移动梁最大速度为10mm/s，经ADAMS仿真得到样机模型的刀具理论运动轨迹如图3所示。仿真过程中人为设定两侧驱动电机施加不同的速度，如图4所示用以模拟在非同步状态下，双边驱动的玻璃切割机械的运行状态。由于固定刀具的横梁被柔性化，两侧不同步的情况在此得以实现。图5为仿真过程中得到的玻璃切割平台在不同步情况下刀具速度的实时运动误差，采用同样方法同时可以得到横梁的力学分析结果和刀具的加工误差。

由图5可以看出，双边驱动玻璃切割机械处于一定的非同步状态时，会导致刀具质心的运动速度与理想运动速度有一定的差距，但偏差结果很小基本达到了理想设定条件，在一定程度上可以认为达到了“同步”的效果。同时从整体的运动趋势来看双边驱动的玻璃切割机械，在动态仿真过程中具有很强的纠错能力，当出现一定的非同步偏差时，经过非常短时间的延迟后，可以较快地速度调整以达到同步，同时设备的加工精度随着速度的改变影响较小，加工精度较高，具有较好的稳定性。由此可见，该方法可以很好的分析双边驱动的玻璃切割机械系统的动态误差，对类似同步控制精度分析具有一定的参考作用。

3 结论

建立了实验用玻璃切割机械平台的刚柔耦合模型，验证了刚柔耦合模型对于玻璃切割机械在双边驱动电机在非同步问题仿真分析方面应用的可行性，同时利用玻璃切割平台的刚柔耦合模型对相关受力部件边界条件的定义提供了新的方法，实现了非同步条件下，受力部件的边界条件的动态定义，从而实现部件在不同步误差条件下受力分析。对于多驱动条件下机械系统的动态仿真具有一定的指导作用。

[1]赵冶, 朱煜, 杨开明. 双边驱动精密XY运动平台解耦控制研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2010(9):30-33.

[2]卫作龙. 双边同步带传动XY伺服机构控制系统设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[3]何王勇, 唐小琦, 李勇波. 基于有限元的双滚珠丝杠同步驱动轴动力学建模与分析[J]. 制造技术与机床，2010(12):83-37.

[4]何王勇. 数控机床双轴同步控制技术研究[D].武汉：华中科技大学， 2011.

[5]曹毅, 周会成, 唐小琦. 双轴同步控制技术的研究[J]. 制造技术与机床， 2008(12):65-68.

[6]唐光谱, 郭庆鼎. 自适应双电机同步传动控制技术研究[J]. 沈阳工业大学学报，2002(12):470-472.

[7]贾松涛. 精密气浮XY工作台双边驱动控制技术研究[D]. 北京：清华大学, 2008.

(责任编辑：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

安徽科技学院基金资助项目(ZRC2013338，ZRC2013376)；安徽省教育厅省级重点项目(KJ2013A080)；安徽省高校优秀青年人才基金资助项目(2012SQRL140)；安徽省高校自然科学基金资助项目(KJ2013B075)。

张海涛(1981-)，男，山东省莱芜市人，在读博士研究生，讲师，主要从事机电智能控制、智能制造系统研究。

TM359.9

A

1673-8772(2015)01-0062-04