機(jī)器人機(jī)電液控制一體化聯(lián)合仿真

一、機(jī)器人CAE仿真分析需求分析

機(jī)器人是機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、電氣、液壓、控制多學(xué)科耦合的機(jī)電一體化復(fù)雜產(chǎn)品，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、氣液流動(dòng)、控制具有較強(qiáng)的交互作用。因此，工程機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)具有明顯的多學(xué)科交叉的特征，在產(chǎn)品開發(fā)過程中必須充分考慮產(chǎn)品的這一特點(diǎn)，進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)和分析。為高保真的仿真機(jī)器人的工作性能，解決其動(dòng)力定位控制等問題，集成仿真機(jī)器人在工作中面臨的機(jī)電液一體化控制分析是保證分析精度的重要環(huán)節(jié)。目前雖然在單個(gè)學(xué)科點(diǎn)上，或者單個(gè)子系統(tǒng)的個(gè)別性能上采用了VPD（虛擬產(chǎn)品開發(fā)）技術(shù)進(jìn)行仿真分析，但是由于產(chǎn)品自身高度集成和耦合的特點(diǎn)，若僅對(duì)單一子系統(tǒng)或某一學(xué)科進(jìn)行計(jì)算分析，就無法全面考慮各個(gè)子系統(tǒng)之間的交互作用，分析結(jié)果自然就不能完全反映真實(shí)情況。例如，在對(duì)機(jī)電液產(chǎn)品的伺服元件進(jìn)行仿真時(shí)，控制系統(tǒng)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響應(yīng)當(dāng)綜合考慮進(jìn)來，若采用原有的單學(xué)科仿真工具，就無法綜合引入各個(gè)系統(tǒng)的影響。因此必須建立完整和統(tǒng)一的模型，進(jìn)行一體化分析。 從多學(xué)科集成的特點(diǎn)和當(dāng)前的開發(fā)方法出發(fā)，機(jī)器人的CAE仿真需要一個(gè)能夠建立多學(xué)科統(tǒng)一模型的仿真平臺(tái)，基于該仿真平臺(tái)進(jìn)行完整的分析。借助虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，通過Adams與Easy5建立機(jī)電液一體化計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)和高精度的機(jī)—電—液一體化模型，就可以充分利用VPD技術(shù)的特點(diǎn)，通過先期評(píng)估，有效地縮短試驗(yàn)周期；同時(shí)可以在仿真中全面的考慮和引入各種因素的影響，對(duì)各種因素對(duì)產(chǎn)品性能的影響進(jìn)行統(tǒng)一的分析和評(píng)價(jià)。

二、解決方案

聯(lián)合仿真：多體動(dòng)力學(xué)Adams+ 液壓控制Easy5

三、多體動(dòng)力學(xué)建模

將工業(yè)機(jī)器人三維模型導(dǎo)入Adams中，設(shè)置機(jī)構(gòu)屬性，并定義相關(guān)運(yùn)動(dòng)約束，在Adams中建立多體動(dòng)力學(xué)模型。如下圖1所示：

圖1.機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)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(zhí)行代碼程序進(jìn)行仿真運(yùn)算并提供了強(qiáng)大的專業(yè)應(yīng)用庫支持。提供了獨(dú)一無二的多學(xué)科動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真和控制系統(tǒng)分析的能力：預(yù)定義多學(xué)科系統(tǒng)的部件庫、與CAE軟件的集成、強(qiáng)大的線性和非線性分析工具、控制系統(tǒng)仿真及設(shè)計(jì)選項(xiàng)、實(shí)時(shí)代碼生成等。
MSC Easy5任何一個(gè)專業(yè)庫都包含了該專業(yè)領(lǐng)域常用物理元件的數(shù)學(xué)模型。每一庫元件對(duì)應(yīng)一段高級(jí)語言代碼子程序（可以理解為一個(gè)函數(shù)子程序），僅需在元件的參數(shù)菜單中填入實(shí)際元件的參數(shù)，即可迅速建立該元件的計(jì)算機(jī)模型。這些庫元件代碼全部由從事該領(lǐng)域工作的專家編寫并經(jīng)歷了波音及其他軟件包用戶的實(shí)踐檢驗(yàn)，有很強(qiáng)的工程實(shí)用性和易用性。
（1）根據(jù)液壓控制原理圖在Easy5中建立液壓控制系統(tǒng)，如圖2所示：

圖2 液壓控制系統(tǒng)

并對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如液壓油屬性、伺服閥系、液壓作動(dòng)缸、液壓回轉(zhuǎn)油缸等

圖3 液壓油屬性設(shè)置

圖4 伺服閥系設(shè)置
圖5 液壓作動(dòng)缸設(shè)置
圖6 液壓回轉(zhuǎn)缸設(shè)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(tǒng)，控制系統(tǒng)采用位置控制的控制策略，各關(guān)節(jié)指令生成器生成對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)指令，指令信號(hào)與反饋信號(hào)求差后經(jīng)PID控制環(huán)節(jié)輸出伺服閥開度控制信號(hào)u，通過控制伺服閥的開度實(shí)現(xiàn)執(zhí)行部件的位置控制，執(zhí)行部件將位置信息輸入到機(jī)械系統(tǒng)完成運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真，機(jī)械系統(tǒng)反饋的負(fù)載力/力矩作用在液壓執(zhí)行部件上，反饋的關(guān)節(jié)位置信號(hào)與指令生成器的信號(hào)在示波器中對(duì)比，根據(jù)波形調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確、穩(wěn)定、靈敏的運(yùn)動(dòng)控制。如圖6所示。

圖7 PID控制器設(shè)置

五、聯(lián)合仿真

Adams Controls Adams建立的機(jī)械系統(tǒng)模型集成到控制系統(tǒng)仿真環(huán)境中，組成完整的機(jī)-電-氣、液耦合系統(tǒng)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。
（1）在Adams模型中建立狀態(tài)變量，以便將相關(guān)位移、轉(zhuǎn)角及速度、角速度傳入Easy5，并將Easy5 的液壓控制力及力矩導(dǎo)入Adams。

圖8 Adams零部件轉(zhuǎn)動(dòng)角度

圖9 Easy5輸入驅(qū)動(dòng)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(hào)，將機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)出

圖11 Adams 模型導(dǎo)出
（3）在Easy5中導(dǎo)入Adams模型，并設(shè)置參數(shù)。
圖12 Easy5導(dǎo)入Adams模型
（4）運(yùn)行仿真，一旦開始執(zhí)行，將出現(xiàn)一個(gè)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(jīng)在后臺(tái)啟動(dòng)，并且Easy5開始和Adams進(jìn)行通信。在聯(lián)合仿真時(shí)，不要中斷Adams的進(jìn)程窗口。整個(gè)仿真過程可觀察數(shù)據(jù)曲線，完成仿真后，可查看后處理結(jié)果。

圖13 仿真分析

圖14仿真過程曲線查看
圖15 Easy5 后處理結(jié)果曲線

圖16 聯(lián)合仿真動(dòng)畫

總結(jié)

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