基于MatlabSimulink环境下的动态铣削力仿真.doc

1、目 录1 绪论11.1 设计目的及意义11.2 MATLAB概述11.2.1 MATLAB的应用11.2.2 MATLAB的发展历程21.2.3 MATLAB的特点32 控制系统计算机仿真概述72.1 控制系统目前发展状况72.2 Simulink仿真简介72.3 计算机仿真的实现82.4计算机仿真在制造业的应用92.4.1系统仿真类型介绍92.4.2计算机仿真在制造业的应用和发展现状102.4.3 计算机仿真的研究热点及对制造业的影响103 圆周铣削加工的动态切削力模型123.1 瞬时动态铣削力基本模型123.2 铣削加工动力学模型153.3 计算机仿真的求解算法和过程174 铣削加工动力学

2、实验验证194.1 实验原理194.2 铣削加工实验条件195 动态铣削力系统仿真模型的建立195.1 在Matlab的工作空间中生成传递函数215.2 在Simulink模块中建立动态仿真模型225.3 实验验证25结 论27参考文献29致 谢301绪论1.1 设计目的及意义 铣削力的研究对于研究金属切削机理具有非常重要的意义，能给刀具设计、机床设计、刀具磨损等提供重要的参考价值。近几十年来，科技人员在理论分析和经验探索的基础上进行了广泛的研究。铣削具有多刃断续切削、半封闭式加工和变加工厚度等特点，且动态铣削过程是机床结构与切削过程相互耦合的过程。因此，铣削加工过程机理复杂，比较容易产生振动

3、现象7。本文以圆周铣削过程为研究对象，并考虑铣削振动的再生效应。在前人动力学研究的基础上，分析了瞬态切屑厚度及刀具有效前角对动态铣削力的影响。建立起更加完善且应用更加广泛的2自由度的周铣动态铣削过程的动力学模型，并运用数字仿真技术，对动态铣削力进行了仿真研究。进而为消除和避免颤振，保证加工质量和加工效率，延长刀具使用效率，提供了比较可靠的依据。1.2 MATLAB概述6 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simu

4、link两大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 图1.1 Matlab操作界面MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,故能使的MATLAB成为一个强

5、大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持（如图1.1）。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。1.2.1 MATLAB的应用MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿 数字图像处理技术 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

6、附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。1.2.2 MATLAB的发展历程 在70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。 到70年代后期，身为美国New Mexico大学计算机系系主任的Cleve Moler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现

7、学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，为了让学生方便的调用EISPACK和LINPACK，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB，取名MATLAB (MATrix LABoratory)，即Matrix和Laboratory的组合。在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。 1983年春，Cleve Moler到Standford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师John Little。John Little敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景

8、。于是，他和Cleve Moler、Steve Bangert一起，由Steve Bangert主持开发编译解释程序，Steve Kleiman完成图形功能的设计，John Little和Cleve Moler主持开发了各类数学分分析的子模块，撰写用户指南和大部分的M文件。这样用C语言开发了第二代MATLAB专业版，也是Matlab第一个商用版，同时赋予了它数值计算和数据图示化的功能。自从第一版发行以来，已有众多的科技工作者加入到Matlab的开发队伍中，并为形成今天约Matlab系统做出了巨大的贡献。 1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，

9、发行了Matlab第1版(DoS版本1.0)。正式把MATLAB推向市场。MATLAB的第一个商业化的版本是同年推出的是3.0的DOS版本。并继续进行MATLAB的研究和开发，逐步将其发展成为一个集数值处理、图形处理、图像处理、符号计算、文字处理、数学建模、实时控制、动态仿真、信号处理为一体的数学应用软件。Matlab以商品形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC）纷纷淘汰，而改以Matlab为平台加以重建。 九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，Matlab在数值

10、计算方面独占鳌头，而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。MathCAD因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。Matlab已经成为国际控制界公认的标准计算软件。1.2.3 MATLAB的特点此高级语言可用于技术计算； 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理 ；交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 ；数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、优化以及数值积分等 ；二维和三维图形函数可用于可视化数据 ；各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 ；不支持大写输入，内核仅仅支持小写。1.2.4 MATLAB的优势(1) 友好的工作平台和编程环境MATL

11、AB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言MATLAB是一个

12、高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以

13、方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 （4） 出色的图形处理功能MA

14、TLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLA

15、B还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 （5）应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MAT