基于ProeAdamsMatlab挖掘机虚拟样机研究

基于Proe/Adams/Matlab挖掘机虚拟样机研究本文采用Proe/Adams完成了某挖掘机的机械液压虚拟样机模型，并将Adams与Matlab/Simulink控制分析软件有机地连接起来，实现机电液一体化联合仿真，分析了联合仿真的实现方法及仿真试验的结果，为挖掘机的优化设计提供了可靠的分析数据。0概论近年来，虚拟样机技术发展迅速，通过建立虚拟样机，能够模拟产品在真实环境下的各种运动学和动力学特性，并根据仿真结果优化产品的设计方案，以缩短开发周期，降低成本，提高产品质量。进行虚拟样机的仿真分析，首先要建立产品的几何模型，几何模型与产品结构设计相对应，是后续一系列过程进行的基础；然后要建立产品的分析模型，分析模型要求支持以保证和提高产品性能为主旨的各种工程分析，如运动学与动力学分析、有限元分析以及与具体产品类型相关联的特性分析等。挖掘机是机电液一体化复合系统，笔者采用Proe/Adams建立了挖掘机的虚拟样机模型，借助于Adams/Controls模块，将Adams/View模块与Matlab/Simulink控制分析软件有机地连接起来，实现挖掘机的机电液一体化联合仿真。1虚拟样机设计1.1三维实体建模挖掘机的三维实体建模包括所有零件的建模以及总成的装配，根据挖掘机的结构特点和功能要求，采用自顶向下和自底向上相结合的设计方法。基于Proe软件的变量化设计和实体造型技术，完成各零件的建模和总成的装配，得到了挖掘机的三维实体模型如图1所示。点击图片查看大图图1挖掘机的三维实体模型在Proe中进行初步运动分析，如可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析零件的位移、速度和加速度等。然后利用通过Proe和Adams的接口软件Mechanism/Pro进行以下模型修正工作：(1)对需要研究的零、部件定义运动；(2)映射到运动模型中的约束关系有些可能无法满足运动要求，也需要重新定义，如建模时定义的同心约束映射后为圆柱副，需要改为旋转副或移动副才能满足要求。完成模型修正后，利用Mechanism/Pro生成刚体和一些简单约束后，将模型和分析结果输出为Adams可用的文件。1.2虚拟样机建模Adams/View是Adams软件的一个重要模块，提供基本的软件操作环境和虚拟样机分析的前处理功能，能够输入各种标准图形格式文件并进行编辑，与求解器和后处理等程序自动连接。Adams/Hydraulics模块能够实现可视化液压系统建模，并可与Adams机械系统模块很好地耦合，进行虚拟样机的机械一液压系统动、静态特性联合仿真分析。Proe三维实体模型及装配通过Mechanism/Pro导入到Adams/View环境下，只需要重新定义各零、部件的颜色、材料属性等，软件会自动计算质心、转动惯量等质量信息，并进一步完善模型的质量属性以及部件相互约束关系，然后，在Adams/Hydraulics环境下建立液压回路，设置环境参数，创建流体、压力源、控制阀、液压缸，连接液压回路。然后在Hydraulics下使用Connect命令，依次选择液压元件的端口，将选定的液压元件连接到一起，并通过液压执行元件（液压缸）将液压回路虚拟连接到建立的机械模型上。完成挖掘机的机械一液压系统虚拟样机建模。如图2所示。点击图片查看大图图2挖掘机的虚拟样机模型1.3机电液一体化建模挖掘机的机电液一体化仿真的原理是通过Matlab/Simulink向Adams输入换向阀开口度的控制方程，控制Adams中液压系统油缸的运动；而Adams又向控制系统Matlab/Simulink输出油缸的位移作为负反馈，经位置偏差敏感元件、电放大器，从而影响换向阀位移，实现机械系统和控制系统闭环控制。挖掘机的电液伺服控制系统的动态结构图如图3所示。点击图片查看大图图3挖掘机的电液伺服控制系统结构图电液伺服控制系统由伺服阀、液压缸、位置负反馈、比例调节器组成，忽略干扰负载。图中U表示预先给定的活塞位置输入信号；Z=U-X，Z表示位置偏差；KR=E/Z，KR表示位置偏差敏感元件（比例元件）的增益，KS=μ/E，KS表示电放大器的增益；k表示伺服阀的放大系数；TS、aS分别表示伺服阀的时间常数和阻尼比；Y表示滑阀的位移。2仿真分析2.1动力学分析在Adams/View模块中对挖掘机的仿真结果进行测量，将测量得到的各物理量的特性曲线传送到PostProcessor模块，得到驱动油缸的速度及受力的变化情况如图4、5所示。点击图片查看大图图4挖掘机驱动油缸的速度点击图片查看大图图5挖掘机驱动油缸的受力驱动油缸在举升过程中速度及所受力的最大值计算结果对于极限工况下相关构件的强度校核和改进设计提供了有用的参考。除液压缸的受力外，还可以根据动力学仿真结果，在Adams/View中测量得到挖掘机的各关键点的受力特性，为各零、部件的优化设计提供依据。例如，可以将仿真得到的摇臂油缸与铰接点的载荷输出，在Nsatran等有限元软件中调用该结果，作为进行相关构件有限元分析的依据。2.2控制系统性能分析在驱动油缸位置控制系统中，位置偏差敏感元件的增益KS，电放大器的增益KR，伺服阀的放大系数k的连乘积即系统的总增益KT设定为40，伺服阀的阻尼比和时间常数为a=0.8；T=0.02；设定油缸移动的目标位移Constant=0.27m。从图6得到控制系统的性能指标：延迟时间为0.26s；从稳态值0上升到100%的上升时间为0.42s；峰值时间为0.50s；最大超调量为11.1%；误差为2%的调整时间为0.85s。点击图片查看大图图6挖掘机驱动油缸控制性能3结论笔者以挖掘机为例，探讨了采用Proe/Adams/Matlab建立机电液一体化虚拟样机模型的方法和流程，并对虚拟样机进行了联合仿真分析，这种设计方法和分析结果对于同类产品的设计具有一定的参考价值。