機器人機電液控制一體化聯合仿真

一、機器人CAE仿真分析需求分析

機器人是機構、結構、電氣、液壓、控制多學科耦合的機電一體化復雜產品，機構運動、氣液流動、控制具有較強的交互作用。因此，工程機械產品的開發具有明顯的多學科交叉的特征，在產品開發過程中必須充分考慮產品的這一特點，進行全面的評價和分析。為高保真的仿真機器人的工作性能，解決其動力定位控制等問題，集成仿真機器人在工作中面臨的機電液一體化控制分析是保證分析精度的重要環節。目前雖然在單個學科點上，或者單個子系統的個別性能上采用了VPD（虛擬產品開發）技術進行仿真分析，但是由于產品自身高度集成和耦合的特點，若僅對單一子系統或某一學科進行計算分析，就無法全面考慮各個子系統之間的交互作用，分析結果自然就不能完全反映真實情況。例如，在對機電液產品的伺服元件進行仿真時，控制系統以及機構運動的影響應當綜合考慮進來，若采用原有的單學科仿真工具，就無法綜合引入各個系統的影響。因此必須建立完整和統一的模型，進行一體化分析。 從多學科集成的特點和當前的開發方法出發，機器人的CAE仿真需要一個能夠建立多學科統一模型的仿真平臺，基于該仿真平臺進行完整的分析。借助虛擬產品開發技術，通過Adams與Easy5建立機電液一體化計算機仿真平臺和高精度的機—電—液一體化模型，就可以充分利用VPD技術的特點，通過先期評估，有效地縮短試驗周期；同時可以在仿真中全面的考慮和引入各種因素的影響，對各種因素對產品性能的影響進行統一的分析和評價。

二、解決方案

聯合仿真：多體動力學Adams+ 液壓控制Easy5

三、多體動力學建模

將工業機器人三維模型導入Adams中，設置機構屬性，并定義相關運動約束，在Adams中建立多體動力學模型。如下圖1所示：

圖1.機器人多體動力學模型

四、液壓控制建模

MSC Easy5擁有簡單易用的圖形化用戶界面，基于可執行代碼程序進行仿真運算并提供了強大的專業應用庫支持。提供了獨一無二的多學科動態系統仿真和控制系統分析的能力：預定義多學科系統的部件庫、與CAE軟件的集成、強大的線性和非線性分析工具、控制系統仿真及設計選項、實時代碼生成等。
MSC Easy5任何一個專業庫都包含了該專業領域常用物理元件的數學模型。每一庫元件對應一段高級語言代碼子程序（可以理解為一個函數子程序），僅需在元件的參數菜單中填入實際元件的參數，即可迅速建立該元件的計算機模型。這些庫元件代碼全部由從事該領域工作的專家編寫并經歷了波音及其他軟件包用戶的實踐檢驗，有很強的工程實用性和易用性。
（1）根據液壓控制原理圖在Easy5中建立液壓控制系統，如圖2所示：

圖2 液壓控制系統

并對系統中關鍵零部件進行參數設置，如液壓油屬性、伺服閥系、液壓作動缸、液壓回轉油缸等

圖3 液壓油屬性設置

圖4 伺服閥系設置
圖5 液壓作動缸設置
圖6 液壓回轉缸設置

（2）控制器建模
利用Easy5 控制庫中的PID控制模塊建立控制系統，控制系統采用位置控制的控制策略，各關節指令生成器生成對應關節的運動指令，指令信號與反饋信號求差后經PID控制環節輸出伺服閥開度控制信號u，通過控制伺服閥的開度實現執行部件的位置控制，執行部件將位置信息輸入到機械系統完成運動學/動力學仿真，機械系統反饋的負載力/力矩作用在液壓執行部件上，反饋的關節位置信號與指令生成器的信號在示波器中對比，根據波形調節PID參數，實現精確、穩定、靈敏的運動控制。如圖6所示。

圖7 PID控制器設置

五、聯合仿真

Adams Controls Adams建立的機械系統模型集成到控制系統仿真環境中，組成完整的機-電-氣、液耦合系統模型進行聯合仿真。
（1）在Adams模型中建立狀態變量，以便將相關位移、轉角及速度、角速度傳入Easy5，并將Easy5 的液壓控制力及力矩導入Adams。

圖8 Adams零部件轉動角度

圖9 Easy5輸入驅動力
修改模型，以便修改模型,以便使SFORCE元素使用Easy5傳入的變量。
圖10 Adams SFORCE元素修改

（2）利用Control Plant Export，選選擇輸入輸出信號，將機械系統導出

圖11 Adams 模型導出
（3）在Easy5中導入Adams模型，并設置參數。
圖12 Easy5導入Adams模型
（4）運行仿真，一旦開始執行，將出現一個新的DOS窗口(Windows)或者新的信息顯示在原有的命令窗口中(Unix) ，這是由于Adams/Solver已經在后臺啟動，并且Easy5開始和Adams進行通信。在聯合仿真時，不要中斷Adams的進程窗口。整個仿真過程可觀察數據曲線，完成仿真后，可查看后處理結果。

圖13 仿真分析

圖14仿真過程曲線查看
圖15 Easy5 后處理結果曲線

圖16 聯合仿真動畫

總結

以上是生活随笔為你收集整理的机器人机电液控制一体化联合仿真的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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