运动控制仿真（精选十篇）
运动控制仿真 篇1
让计算机或机器人具有像人一样的视觉, 是科学家们一直追求与探索的目标。随着计算机技术、视觉传感器技术、摄像技术以及立体视觉理论的发展, 利用视觉传感器来获取环境图像, 并用计算机实现对视觉信息的处理, 从而形成立体视觉, 逐渐使这一目标变成现实[1,2,3,4]。本文采用了目前国内外进行机电一体化系统设计时最常用的虚拟样机技术, 基于3D数字化设计平台UG, 采用赫尔姆霍茨模型作为参考, 设计了一种新型的具有三自由度的双目立体视觉运动平台, 如图1所示。
1 平台控制系统方案
在本设计中, 平台要求的“眼睛”左右偏航运动空间范围是±60°、“头部”俯仰运动空间范围是±45°。“眼睛”左右偏航和“头部”俯仰运动驱动电机拟采用步进电机。该平台的主要目标是对偏航运动和俯仰运动位置进行精确控制, 所以就要对步进电机的速度和位置进行精确控制, 实现对步进电机速度和位置信息的实时闭环反馈。总体的系统控制方案框图如图2所示。
该控制方案采用的是一种“步进电机+控制卡+驱动器”的全伺服闭环控制方式, 它由安装在步进电机轴后端的增量式编码器来对电机进行失步检测, 在步进电机丢步时使其重新恢复到正确的位置点上。所以在本运动平台中, 每一个自由度都可以看作是一个带位置反馈的伺服系统, 即控制系统可按二阶系统的方式进行设计, 其控制传递函数为:
按照设计指标设定系统的性能指标, 暂设定系统最大超调量为σp=2%, 峰值时间tp=1 s, 根据公式 (2) 、 (3) :
计算得:ζ=0.78, ωn=5.02 rad/s。
2 平台控制系统仿真结果及其分析
为了验证运动平台跟踪目标物体时各个部件的运动协调性和运动精度, 在允许的运动范围内, 对左右偏航、头部俯仰运动分别给定一个周期变化的正弦运动跟踪要求。本文采用ADAMS与MATLAB软件对该平台的控制系统进行仿真分析[5]。
在分析中, 对左右偏航和头部俯仰运动的控制器设定整定参数。其中, 左右偏航设置相同的参数:Kp=140, Ti=0.4, Td=1.5;头部俯仰参数:Kp=22, Ti=0.3, Td=1.2。
在MATLAB/Simulink中设置解算器的仿真算法为“0de15s (基于数值微分公式的变阶算法) ”, 设定仿真时间为10 s, 仿真运行的结果如下:
(1) 立体视觉运动平台左右偏航的运动跟踪曲线 (图3) 。
(2) 立体视觉运动平台头部俯仰的运动跟踪曲线 (图4) 。
(3) 图5和图6是立体视觉运动平台左右偏航与头部俯仰电机控制力矩随时间变化曲线。其中, 左右偏航电机施加的控制规律是相同的, 所以控制力矩曲线相同。
从图3、图4中可以看出, 在闭环控制系统下, 对偏航运动和俯仰运动位置的控制是精确的, 步进电机没有失步或超步。
从图5中可以看出, 在开始系统加速时, 因为电机要克服传动链的静摩擦力, 所以需要一个较大的力矩输出, 这时控制力矩达到最大的峰值。随着静摩擦变成动摩擦, 阻力下降, 所以控制力矩输出迅速下降, 进入稳态过程, 这时系统也进入稳态。
从图6中可以看出, 在系统处于初始状态时, 运动平台的头部是在水平平衡位置上的。当系统开始加速后, 头部因为俯仰运动而失去平衡, 所以瞬间电机的控制力矩输出变大, 当头部俯仰运动一直在垂直面反复时, 重力惯性一直作用在平台的头部, 故控制电机需要不断调整控制力矩的输出, 以克服头部的运动惯性, 使其一直处在动平衡的状态。
3 结语
仿真分析结果表明本立体视觉运动平台在对步进电机实行闭环控制后, 可以得到平顺的运动, 避免由于运动的突变冲击引起步进电机的失步现象, 有效保证了运动位置的控制精度, 消除了位置振荡现象, 位置跟踪迅速, 效果明显, 从而保证了整个视觉运动平台能够平稳达到预先期望的位置。仿真分析的结果进一步验证了立体视觉运动平台的机械结构设计和控制系统设计的合理性, 证明了本立体视觉运动平台的设计达到了运动范围的要求, 并为机器人视觉运动平台的设计或类似的设计应用提供了一个机电一体化设计的思路, 有效地缩短了设计周期, 并提高了设计的精确度。
参考文献
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UG运动仿真-运动仿真基础知识 篇2
运动分析模块(Scenario for motion)是UG/CAE模块中的主要部分，用于建立运动机构模型，分析其运动规律，通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计(加长或缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线，调整齿轮比等)或调整零件的材料(减轻或加重或增加硬度等)。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品分析方案中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可反映在装配主模型中。一、运动方案创建步骤1.创建连杆(Links);2.创建两个连杆间的运动副(Joints)3.定义运动驱动(Motion Driver)无运动驱动(none)：构件只受重力作用运动函数：用数学函数定义运动方式恒定驱动：恒定的速度和加速度简谐运动驱动：振幅、频率和相位角关节运动驱动：步长和步数二、创建连杆创建连杆对话框将显示连杆默认的名字，格式为L001、L002…….L00n质量属性选项：质量特性可以用来计算结构中的反作用力。当结构中的连杆没有质量特性时，不能进行动力学分析和反作用力的静力学分析。根据连杆中的实体，可以按默认设置自动计算质量特性，在大多数情况下，这些默认计算值可以生成精确的运动分析结果。但在某些特殊情况下，用户必须人工输入这些质量特性。固定连杆：人工输入质量属性，需要指定质量、惯性矩、初始移动速度和初始转动速度。注：必须选择好质心并且输入质量的数值，才能定义质量属性。
运动分析模块(Scenario for motion)是UG/CAE模块中的主要部分，用于建立运动机构模型，分析其运动规律。通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计(加长或缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线，调整齿轮比等)或调整零件的材料(减轻或加重或增加硬度等)。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品分析方案中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可反映在装配主模型中。一、运动方案创建步骤1.创建连杆(Links);2.创建两个连杆间的运动副(Joints)3.定义运动驱动(Motion Driver)无运动驱动(none)：构件只受重力作用运动函数：用数学函数定义运动方式恒定驱动：恒定的速度和加速度简谐运动驱动：振幅、频率和相位角关节运动驱动：步长和步数二、创建连杆创建连杆对话框将显示连杆默认的名字，格式为L001、L002…….L00n质量属性选项：质量特性可以用来计算结构中的反作用力。当结构中的连杆没有质量特性时，不能进行动力学分析和反作用力的静力学分析。根据连杆中的实体，可以按默认设置自动计算质量特性，在大多数情况下，这些默认计算值可以生成精确的运动分析结果。但在某些特殊情况下，用户必须人工输入这些质量特性。固定连杆：人工输入质量属性，需要指定质量、惯性矩、初始移动速度和初始转动速度。注：必须选择好质心并且输入质量的数值，才能定义质量属性。三、创建运动副运动副就是将机构中的连杆连接在一起，从而使连杆一起运动。在运动副创建前，机构中的连杆是在空间浮动的，没有任何约束，具有6个自由度。运动副创建后，会约束一个或几个自由度，运动副具有双重作用：允许所需的运动和限制不要的运动。运动副的创建步骤：1)创建运动副要约束的第一个连杆2) 创建运动副第一个连杆的原点和方向3) 创建运动副要约束的第二个连杆4) 创建运动副第二个连杆的原点和方向连杆选择技术：UG运动分析模块用首选选中的对象判断要创建运动副的原点和方向。如果选中的对象是圆弧或圆，则运动副的原点设在圆弧或圆的圆心，运动副的Z轴垂直于圆的平面。如果首先选中的对象是直线，则运动副的原点设定在直线最近的控制点上，且运动副的Z轴方向平行于直线。如果选中的对象不能够确定运动副的原点和方向，则需手工定义运动副的原点和方向。运动副方向决定其自由运动的方向。转动副(旋转副和柱面副)按右手螺旋法则绕运动副的坐标系的Z轴运动。线性运动副(滑动副)沿Z轴移动。咬合连杆：设计位置和装配位置不一致。运动驱动：用来定义运动副上的运动驱动。常见运动副类型如下：1.旋转副它有两种形式：一种是两个连杆绕同一轴作相对的转动，另一种是一个连杆绕固定在机架上的一根轴进行旋转旋转副有一个绕Z轴转动的自由度，旋转副不允许两个连杆之间有任何移动。旋转副可以定义一个运动输入，旋转的正向由右手法则确定。一个旋转副去掉5个自由度。相连的两杆不在装配位置(装配位置和设计位置不一致)，选择复选框Snap Links(咬合连杆)可以规定旋转副的运动极限：2.滑动副可以实现一个部件相对与另一部件的直线运动，它有两种形式：一种是滑块为一个自由滑块，在另一部件上产生相对滑动;一种为滑块连接在机架上，在静止表面上滑动滑动副连接两个连杆，有一个自由度，连杆之间不允许有转动。滑动副可以定义一个运动驱动，移动的正方向是正Z轴方向。一个滑动副去掉5个自由度。一般来说，滑动副的原点可以位于Z轴的任何位置，滑动副都会产生相同的运动。较好的方法是将运动副的原点放在滑动副模型的中间。可以规定滑动副的运动极限3.柱面副实现了一个部件绕另一个部件(或机架)的相对转动。柱铰连接也有两种形式：一种是两个部件相连，另一种是一个部件连接在机架上。柱面副连接两个连杆，有2个自由度，1个移动自由度和1个转动自由度。不可以定义运动驱动一个柱面副可以由一个旋转副和一个滑动副替代。一个柱面去掉4个自由度。4. 万向节万向接头实现了两个部件之间可以绕互相垂直的两根轴作相对的转动，它只有一种形式必需是两个连杆相连。万向节可以连接2个成一定角度转动连杆，万向节有2个转动自由度，万向节不能加驱动，不可规定万向节的运动极限。万向节的原点必须位于ZY的交点，要避免产生折叠(小于90度的)万向节，或在期望的运动范围内会折叠的万向节。如果连杆的装配位置与设计位置不一致，则不能采用此运动副。确定X1轴的方向是确定万向节方向最简单的方法。用这种方法为系统设定万向节的旋转纵轴，可不必关心Y轴和Z轴的初始方向，因为Y轴和Z轴在旋转方向上可自由移动，故明确确定Y轴和Z轴的初始方向是不可能的。„第一个连杆的Z轴方向控制第二个连杆的Z轴方向，它们会相互成90度。5.球面副实现了一个部件绕另一个部件(或机架)作相对的各个自由度的运动，它只有一种形式必需是两个连杆相连。球面副连接两个连杆，有三个旋转自由度球面副不能加驱动，不能规定其运动极限。球面副的原点位于球和铰套的公共中心点。球面副没有方向，当创建球面副时，只需指定连杆和球面副的原点。6.平面副平面连接可以实现两个部件之间以平面相接触，互相约束平面副连接两个连杆，有3个自由度---2个移动自由度和1个转动自由度。两个连杆在相互接触的平面上自由滑动，并可绕平面内的法线自由转动。平面副不能定义运动驱动一个平面副去掉3个自由度7.螺旋副螺旋副本身不能对两个连杆进行约束。柱面副代表螺纹的一对螺栓和螺母，当柱面副和螺旋副结合后，柱面副提供约束，将连杆定位于圆柱/螺旋副的轴线上。螺旋副提供螺纹，因此螺旋副和柱面副结合起来即可模拟螺母在螺杆上的运动。不能给螺旋副添加驱动或极限。8.线缆副线缆副定义滑动副之间的相互关系。当一个滑动副移动时，相应的另一个滑动副也跟着移动，其运动关系可以是1：1的等速，同方向的运动关系，也可以定义其他的运动关系------一个快、一个慢及两个滑动副运动方向相反。该运动副可以用来模拟电缆、滑轮等。线缆副不能定义驱动，但可以对其中的一个滑动副加驱动。不能定义线缆副的运动范围。比率：第一个滑动副和第二个滑动副的运动速度之比。比率为正，第二个滑动副的运动方向和第一个滑动副的运动方向相同，反之相反。比率小于1，则第二个滑动副的运动速度大于第一个滑动副的运动速度。线缆副去掉2个自由度。9.齿轮齿条副齿轮齿条副模拟齿轮和齿条之间的啮合运动，选择现有的旋转副和现有的滑动副，即可创建齿轮齿条副并定义传动比。不能定义齿轮齿条副的驱动和极限，但可以给滑动副和螺旋副定义驱动。Z轴平行于齿条的滑动方向，原点是齿轮齿条牙齿的接触点。滑动副和移动副须预先创建比率参数等效于齿轮的节圆半径，单位为部件文件的单位，它定义了第二个连杆相对于第一个连杆沿运动副Z轴方向的移动比率。10.齿轮副齿轮副模拟一对齿轮，选择连个现有的螺旋副即可创建齿轮副，并定义齿轮的传动比。不能定义齿轮副的驱动和极限，但可以给螺旋副定义驱动齿轮的啮合点即为齿轮副的原点。比率参数即为齿轮传动比，无量纲。旋转轴可以不平行，既可以创建锥齿轮。四、创建力作用力使物体产生运动，作用力具有大小和方向，根据其方向的不同性质，在仿真模块中分为标量力和矢量力。标量力是具有一定大小，方向随运动连杆不断变化的力。矢量力是具有一定的大小，其方向保持不变的力。五、创建弹簧和阻尼弹簧是一个弹性元件，可给物体施加力，施加力的大小由胡克定律确定：F为弹簧力，k为弹簧刚度，x为弹簧产生的位移。弹簧创建步骤为：选择弹簧的第一个连杆选择弹簧的初始点选择弹簧的第二个连杆或单击“确定”按钮，弹簧固定到地选择弹簧的终点输入弹簧的刚度，默认值是1输入弹簧的自由长度，默认值是0阻尼对物体的运动起反作用，消耗能量，逐渐降低运动响应，常和弹簧一起使用，控制弹簧的反作用力，使弹簧的运动比较缓和。阻尼力是物体运动速度的函数，其作用方向与物体的运动方向相反，表示为：其中F为阻尼力，c为阻尼系数，V为物体运动速度阻尼创建过程为：选择阻尼的第一个连杆选择第一个连杆的阻尼附着点选择阻尼的第二个连杆，或单击“确定”按钮，阻尼附着到地。选择第二个连杆的阻尼附着点输入阻尼系数，默认值是1六、3D接触与碰撞3D接触可以用来建立实体之间的碰撞模型，当两个实体建立接触关系后，系统在每一步分析中检查两者之间的距离关系，一旦判断出有接触发生，求解器就计算出接触力和接触运动响应。接触力计算公式为：其中，F为接触力，k为刚度，x为穿透深度，e为力指数。七、图表与电子表格运动仿真模块提供图表与Excel电子表格功能，运动仿真结果可以在UG环境下绘制曲线图形或进行表格形式的显示。图表功能生成电子表格数据库并绘出下列仿真结果：位移、速度、加速度和力。图标功能是从运动分析中提取这些信息的唯一方法。请求：位移、速度、加速度、力、电动机驱动组件：幅值(总值)：只考虑线性运动。该选项给出一个合值或总值而不考虑沿各个特定方向的分量。以位移为例，该选项会给出从A点到B点的最小距离，而不考虑沿X、Y、Z轴方向的分量。X、Y、Z：分别绘出沿X、Y、Z轴的线型运动值。这些选项允许将每个轴隔离开来单独研究。角度幅值：只考虑旋转运动，给出一个总值或合值，而不考虑绕各个轴的角度分量。欧拉角：用来描述刚体的定点转动，用动坐标系相对于固定坐标系的三个角度来表达，动坐标系固连于刚体，并且随刚体一起绕定点转动，开始时两坐标系重合。欧拉角度1：动坐标系绕固定坐标系Z轴转动的角度。欧拉角度2：动坐标系转到新位置后，绕其X1轴转动的角度。欧拉角度3：动坐标系转到新位置后，绕其Z1轴转动的角度。相对和绝对绝对：图标显示的数值是按绝对坐标系测量获得的。相对：图标显示的数值是按所选的运动副或标记的坐标系测量获得的，当所选的运动副或标记的方向与绝对坐标系不一致时，就应选用相对参考坐标系。运动函数：显示结构中运动副所定义的运动驱动函数。Y轴定义：选择了“运动对象”设置了“请求”和“组件”后，就可以将该曲线绘制出来。Y轴将显示这些曲线各自的值。X轴定义：以时间作为X轴，默认值。也可以由用户自定义。
多自由度本船操纵运动仿真 篇3
摘要：为在航海模拟器中充分体现船舶操纵运动的响应特性，提高模拟逼真度，保证教学效果，对船舶多自由度操纵运动进行建模与仿真研究，其中较为完整地考虑了耦合的纵向、横向、艏向、横摇及纵摇运动.根据MMG建模思想分析船舶耦合的横摇和纵摇运动规律，在常规的三自由度船舶运动方程的基础上，建立多自由度耦合船舶运动方程，并设计相应的数值求解方法.针对一个双桨双舵小型目标本船，根据经验公式并结合实船操纵经验，建立具体的本船操纵运动模型；通过数值仿真定性研究其在各种情况下的操纵运动.仿真得到的运动规律与实船运动规律一致，说明运动方程及本船模型可以较为真实地反映实船运动规律.
关键词： 船舶操纵性； 数值仿真； 航海模拟器
中图分类号： U661； U666.158 文献标志码： A
3结束语
为真实体现船舶在不同操纵情况下的运动响应规律，采用基本的MMG模型，给出多自由度耦合的操纵运动模型，完整计入纵向、横向、艏向、横摇和纵摇5个自由度之间的耦合作用.根据航海模拟器运算特点，给出了简化的数值计算方法.针对一小型高速船，展开仿真研究，仿真结果表明：船舶在加减速、回转等过程中表现出的运动规律，与实船经验运动规律符合得很好，能够真实反映船舶运动响应规律.
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运动控制仿真 篇4
鱼类在水中具有游动效率高、机动性能好以及对环境扰动小等优点[1], 仿生鱼技术的研究已经成为仿生机器人方面的热点之一[2]。鱼类推进机理的研究引起越来越多研究者的兴趣, 越来越多的理论研究为仿生鱼技术的发展起到了非常重要的作用。如今, 仿生机器鱼的研究正朝着多学科结合、多目标任务控制的方向发展[4]。
本文针对以上现象以“波动推进理论”[3]为理论基础, 通过MATLAB仿真仿生机器鱼在摆动过程中的姿态曲线, 提取了鱼体脊椎的抽象物理模型, 同时, 以波动推进理论为控制理论结合时序控制算法, 实现了仿生鱼的运动控制。
1 仿生鱼物理结构分析
鱼类身体的构造是由于数根脊椎骨连接而成的, 所以鱼类摆动的身体可以看成一系列的铰链连接组成的摆链系统。根据波动推进理论[2]的分析, 可以提取鱼类摆动部位的结构形态的物理模型, 模型中相关参数有:摆动部位占鱼身总长的比例 (K) , 摆动关结数 (N) , 以及各关节之间的长度比例 (L1:L2:…:Ln) 。K越大游动效率越高, N的大小决定了摆动关节部分的平滑程度, 其中各个摆动关节长度之比为如下图1。
在该结构中, 关节n的摆动角度θn的范围为0～2π, 在笛卡尔坐标系中, 假设摆动关节点坐标为Pn (xn, yn) , 则将该坐标系下的关节点坐标转化在极坐标系中, 可表示为:
故可以推出得出各个摆动节点的轨迹为:
根据以上的关节点坐标, 可以通过调节舵机角度θ的值, 使得仿生鱼在游动时使流体产分离, 并且在尾部产生漩涡。
2 仿生鱼姿态控制分析与仿真
按照波动推进理论, 鱼体波动的形式决定了鱼的游动性能和游动效率。研究人员对各种采用身体波和尾鳍推进方式的鱼类进行了研究, 发现这些鱼类的身体波曲线可以用一个波动方程来表示, Light Hill等人在多年的研究基础上提出的鱼类游动时身体波的方程[3,4,5]表示如下:
ybody是鱼体的横向位移, x是鱼体的轴向位移;K是体波数K=2π/λ, λ是鱼体波的波长, C1是鱼体波波幅包络线的一次项系数, C2是鱼体波波幅包络线的二次项系数, ω是鱼体波频率 (ω=2πf=2π/T) 。根据仿生机器鱼的各项物理参数, 经过多次的尝试得出了较为理想的摆动曲线方程:
利用MATLAB对该曲线方程进行仿真, 如图2:
根据仿真的姿态曲线, 通过对每条姿态曲线进行取样, 可以得出图3中的效果图。该图真实的描述了本文设计的仿生机器鱼的摆动轨迹, 整体上达到平滑的摆动效果。
3、总结
本文对仿生机器鱼的各项参数进行了多次试验, 并且所设计控制算法上经过多次的调试, 解决了仿生机器鱼在水中的动态平衡问题, 基本实现了在模拟仿生机器鱼在水中的游动状态。
本文从仿生机器鱼的机械结构设计上, 给出了简化模型的方式, 并且根据波动推进理论得出的波动推进曲线, 采用取样控制的方案, 既结合了摆动过程中的摆动节点的非线性特征, 同时也根据柔性鳍波物理模型, 提出了控制方案的设计思路。
参考文献
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solidworks运动仿真总结 篇5
为了帮助广大SW爱好者和学习者更加方便，高效地学习和应用SW运动仿真（动画）来表达自己的作品，下面是作者在学习过程中遇到和总结一些问题，希望能对学者有帮助。
运动仿真
【动画】在核心SolidWorks 内使用。可使用【动画】来表达和显示装配体的运动：通过添加马达来驱动装配体中一个或多个零件的运动。通过设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。动画使用插值来定义键码点之间零部件的运动。
【基本运动】在核心 SolidWorks内使用。可使用【基本运动】在装配体上模仿马达、弹簧、碰撞和引力。【基本运动】在计算运动时考虑到质量。【基本运动】计算相当快，所以可将其用来生成使用基于物理模拟的演示性动画。
【Motion分析】在 SolidWorks Premium 的 SolidWorks Motion 插件中使用。可利用【Motion分析】功能对装配体进行精确模拟和运动单元的分析（包括力、弹簧、阻尼和摩擦）。【Motion分析】使用计算能力强大的动力学求解器，在计算中考虑到了材料属性和质量及惯性。还可使用【Motion分析】来标绘模拟结果供进一步分析。
用户可根据自己的需要决定使用三种算例类型中的哪一种： 【动画】：可生成不考虑质量或引力的演示性动画。【基本运动】：可以生成考虑质量、碰撞或引力且近似实际的演示性模拟动画。【Motion分析】：考虑到装配体物理特性，该算例是以上三种类型中计算能力最强的。用户对所需运动的物理特性理解的越深，则计算结果越佳。
视频保存压缩质量——越高越清晰 可选择时间段保存
马达的运动优先于弹簧、引力运动
零部件移动的速度与其质量特性有关。弹簧
隧道扫描
旋转楼梯的动画
.做关联动画时，注意“会变形的零件”要在“装配体中”（插入新零件）建模得到，好让新零件与其他零件相应部位关联，从而使改变这些原有零件的位置重新建模后可以实现新零件的变形。
路径（圆弧类）运动出错： 1.配合不严密
2.速度太大，难以解出 3.视频帧数太低
以上3点不准确（正确）!其实质上是在路径运动中，物体是在路径上平移，而不是滑移。当运动到对面时，该移动物体会跑到里面去； 解决方案：
1.里外都配合物体，使用装配体拉伸切除在路径里面（切除不需要的部分）。2.使用分段运动，【齿轮画法及其仿真】
GearTrax2012——同于画齿轮的软件
使用CAX或者其他软件，画好后，调入SW拉伸。
拉伸齿轮草图时，尽量对称。便于后期配合。1.先定位，后齿轮配合 2.齿轮啮合：分别在两个齿轮上画过齿轮心的齿根和齿顶的两根直线，并配合为“重合”，为演示效果，需将其配合压缩（目的是给齿轮啮合定位）。如果解压缩会导致该配合完全定义而无法转动。
3.配合无误后再仿真
【总结】
1.对于一个装配体，首先得有一个思路，用什么方法，用什么视图，用什么表达方案？
2.仿真之前，确定了那些不需要表达和运动的零件可以将其转换为零件（曲面）/使用装配体特征合并——连接
3.尽量将可变量的参数配合放在最后一个装配体中，（层级削减作用？）...4.使用自定义爆炸视图，5.每一种运动仿真，其使用的零件都应单独保存，不要重复使用，以便后面修改完善。
6.路径运动，初始键最好不要放在0s处，并且百分比最好从0开始，有效长度发生变化，或者
7.一般被转化过的曲面零件，不能正常动画，需要转化为实体，例如在（拉伸切除）
遇到的问题：
1.动画下拉框被隐藏，有时候很难找到，其实它还在框线上，被过渡下拉了
只要移动鼠标，鼠标会以移动窗格方式显示，将其往上拖动即可显示完全，如图。
2.修改一些大型装配体时，零件自动被透明或隐藏。（零件太多，太卡，点击重建命令）
或按
Ctrl +B 2.装配体对称问题，总是同向向；
高级线性阵列特征（参考“随形阵列”，读者自行百度）
运动控制仿真 篇6
智能水下机器人在海洋石油开发、矿物资源开采、打捞和军事等方面都有广泛的应用前景[1,2,3]。水下机器人已经开始取代过去由载人潜器和潜水员所承担的工作,尤其是在大深度和危险区域发挥了更大的优势。水下机器人运动控制的核心是嵌入式计算机系统,它需具有运动控制算法的实现、数据采集、与外设的通讯等功能[4,5,6]。本文以潜艇式有缆遥控水下机器人(ROV,Remotely Operated Vehicle)为对象设计了基于ARM9处理器的嵌入式控制系统,并进行了深度控制的仿真实验。
2 ROV结构
本文设计的可用于水下探测的ROV采用了开架式结构,搭载有声纳、姿态传感器。可以在岸上控制台通过电缆控制ROV完成前进、后退、上浮、下沉、左右转弯等动作。ROV结构如图1所示,耐压舱在中间,左右两边是浮力调节舱。电子舱用来安装高、低频信标机、姿态传感器和控制电路等,还可提供锂电池的空间。浮力舱用来提供浮力,框架把整体固定在一起,保证最大的稳定性。推进器由两个螺旋桨推进器组成,以保证ROV在水中可以自由地做前进、倒退和转艏运动。这种水下机器人结构有利于航向控制和前向运动。在水下运动时,横倾和纵倾运动对于该ROV是不重要的。水下探测ROV的航行速度较慢,其慢速与稳定性是水底探测任务所要求的。
基于浮力调节进行R O V的升沉运动和定深控制可以降低能耗。下潜、上浮运动通过调节两边的浮力调节舱的浮力来实现。ROV采用双螺旋桨推进器,布置在两侧,平行于中轴线。通过这两个推进器,既可以产生前进和后退的推力,也可以产生回转力矩,各自由度之间没有耦合。平行布置的两个推进器连线的中点要与浮心、重心在一条直线上,达到平衡推进。在浮力调节系统上采用了变质量调节系统,通过调节左右两个浮力舱的注排水量,改变整体浮力减少或增加,从而产生下降或上升的作用力。两个浮力调节舱不但能够调节ROV的浮力,还可调节ROV的姿态。螺旋桨推进器正向时最大推力为93千克力,反向时的最大推力为52.2千克力。最大工作水深300 m。
3 ROV控制系统设计
3.1 传感器系统
水下探测机器人的控制系统分为水下和水上两部分组成。水上节点采用工控机,工控机安放在母船上,通过光纤通信与底层的嵌入式计算机实现数据通信。其上运行Windows操作系统,其功能是监控水下机器人的运行情况,发送控制命令。水下节点采用基于A R M微处理器的嵌入式计算机,负责传感器数据采集,运动控制算法的实现和通信功能,其上运行Q N X操作系统。
水下机器人上安装的传感器有:
(1)姿态航向传感器
航向动态精度为0.5度,俯仰和横滚的动态精度为0.2度,尺寸:106 x29x26 mm,重量:0.15kg。
(2)运动传感器
俯仰和横滚动态精度为0.03度,升沉精度为5cm或5%,尺寸:φ134x120mm,重量:2kg。
(3)测扫声纳,长基线和超短基线水声定位系统。基于短基线和深度计获取位置信息,基于姿态传感器获取航向和姿态信息。
(4)压力传感器用于深度测量。
(5)可以搭载成像声纳、水下摄像机、荧光计、照明灯等。
3.2 嵌入式控制系统
嵌入式控制系统通过检测装置检测潜器的运动状态,将数据通过网络传输到水面计算机,水面计算机根据预定任务和预设算法计算出控制量,然后将控制量传给潜器,再由嵌入式系统控制潜器的运动装置。嵌入式控制系统框图如图2所示。
嵌入式控制系统的设计基于AT91RM9200处理器,内部集成ARM920T芯核,180MHz运行时有200MIPS处理能力;16KB的数据缓冲,16KB的指令缓冲;全功能MMU(存储器管理单元);16KB的内部SRAM和128KB的内部ROM[7]。
水下机器人的嵌入式系统框图如图2所示。通过I 2 C总线扩展出1 2位A D C,用于采集深度传感器数据,获取R O V深度。深度传感器的输出信号是4～20mA的电流信号,本系统采用RCV420精密变换器,可以将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出。模数转换器选用AD7992,转换时间2μs,与处理器通过标准的I2C接口进行数据交换。带光耦隔离器的I/O口用于控制浮力筒的开关。RS422和10M/100M以太网接口,用于和水面计算机通信。系统中的姿态传感器和信标机都是串口输出,并且通讯部分也需要一个串口,9200处理器内部串行异步收发器的数目不够,所以需要扩展串口,本系统采用SPI接口,外接两片GM8142进行串口扩展。扩展出的4路RS232串口,2路RS232用于采集航向和姿态传感器数据,获取水下ROV的运行状态。另外2路RS232接口采集高低频信标机数据。12位DAC来控制推进器电机。本系统采用两片4通道、12位精度、串行输入双极性输出的AD5726做为DAC转换器。
调试接口包括:LCD显示器、键盘和触摸屏等人机交互设备。
3.3 软件设计
水下机器人的运动控制软件在实时操作系统QNX下编写,包括网络通信模块、串口通信模块、传感器数据采集模块、数据管理模块、控制器模块。QNX操作系统具有实时性好的特点,采用多进程技术将控制算法、对传感器的信息处理和推力分配算法等统一在实时操作系统的框架下进行管理,从而提高动力定位控制系统的实时性和可靠性。采用多线程技术,接收网络数据和来自串行通讯的数据,保证程序运行的高效性和实时性。
4 横倾角和深度协调控制
调整和保持下潜深度是水下机器人的基本航行能力之一,水下机器人采用了浮力舱调节深度。它的垂直面协调控制系统方框图如图3所示。通过调整左右两个浮力调节舱的注水量来调节R O V整体的浮力从而控制下潜或者上浮运动。所以要考虑ROV浮力变化的过程,即左右两个浮力调节舱的充水量。ROV处于水面时是正浮力状态,浮力舱充水后,浮力减小到零,进入水下平衡状态。继续向浮力舱充水,浮力变为负值,R O V下潜,并且下潜速度增加。由于两个浮力舱的容积是一定的,所以有最大负浮力的限制。调节两个浮力桶的总浮力控制R O V的下潜深度,同时分别调节左右浮力桶,产生不同的浮力可以使R O V横倾。但一般情况下横倾角不需要控制,保持ROV水平就可以了。
横倾角控制的目的是在R O V初始下潜和上浮阶段,控制ROV的姿态。在水下大部分时间,保持ROV水平状态就可以了。R O V横倾角ϕ的控制是通过调节ROV左右两个浮力调节舱的不同的注、排水量来产生左右两个浮力调节舱的浮力差,即产生旋转运动的偏倾力矩。在深度控制时,将深度传感器的测量值作为反馈,横倾角控制采用姿态传感器的测量值作为反馈,都采用积分分离PID控制器。
横倾角、深度协调控制器根据输入期望深度与实际深度的偏差和期望横倾角与实际横倾角的偏差,输出控制ROV下降或者上升所需稳定的作用力,输出控制ROV偏转所需稳定偏转力矩,通过浮力解算输出左右两个浮力调节桶的注、排水量,实现ROV的横倾角控制和深度控制。
积分分离PID控制器具体实现如下:
⑴根据实际情况,人为设定一阀值ε>0。
⑵当|e(k)|>ε时,也即偏差值|e(k)|比较大时,采用PD,可避免过大的超调,又使系统有较快的响应。
⑶当|e(k)|≤ε时,也即偏差值|e(k)|比较小时,采用PID控制,可保证系统的控制精度。
写成计算公式,可在积分项前乘一个系数β:
式中β按下列取值:
ROV在水底的前进和转向运动通过控制两个螺旋桨推进器来实现。给定参数为航速和航向角,输出为两个推进器的推力。这里航向角控制器选择PID调节器。只有两个推进器,推力分配算法简单。
5 仿真研究
为了验证水下探测ROV设计的合理性,进行了仿真研究。
5.1 水下机器人模型建立
水下机器人6自由度运动模型的各个自由度彼此之间存在耦合,由于水下探测R O V常在低速下运动,可以将其运动分解为为水平面运动(包括状态变量x,y,ψ,u,v,r)和垂直面运动(包括状态变量z,θ,w,q)两部分,并且认为这两个自由度之间不存在耦合关系。
结合本文研究对象的情况,设计方案中ROV的外形为左右、前后对称,且重力、浮力分布可使其保持水平状态,无横倾或纵倾。其在水平面运动过程中,ROV满足条件:
此外,由于其只沿纵向平行安装两个水平推进器,推进器的作用只限于产生水下机器人的进退和转艏运动。当左右推进器产生相同推力矢量时可引起进退运动,而当两者产生大小或方向不同的推力时则可引起转艏运动。
根据上述假设和条件可以得到ROV在水平面内的简化模型:
式中:
mu,mv,Jz——包含附加质量的质量和转动惯量;
Xu,Xu|u|u|u|,Yv v,Yv|v|v|v|—沿X,Y方向的流体阻力中线性项和非线性项;
Nr r,Nr|r|r|r|——绕Z轴转动方向的流体阻力的线性项和非线性项;
Fx,Nz——为推进器产生的X轴向力和绕Z轴的转艏力矩。
ROV采用压载水舱进行垂直面的位置控制,其在垂直面的模型可以简化为:
式中:
mw=m-Zw&——包含附加质量的质量;
Zw w,Zw|w|w|w|——沿Z方向流体阻力的线性项和非线性项;
Fz——压载水舱产生的垂向作用力。
5.2 仿真验证
仿真情况设定为:ROV由初始静止状态开始运动。为实现直航,需保持左右推进器输出相同大小和方向的推力。不同推力情况下ROV的速度响应曲线如图4所示。由速度响应曲线可以发现,其速度经过一段时间的增加后最终保持在一定的数值,此时推力与阻力达到动态平衡,ROV作匀速直线航行。令x=[X,Y,Z,ϕ,θ,ψ]T表示ROV在大地坐标系下的位置和姿态。图5为ROV由初态x0=[0,0,0,0,0,0]T,控制ROV垂直下潜到10米处悬停。R O V横倾角ϕ的控制是通过调节特种R O V左右两个浮力调节舱的不同的注、排水量来产生左右两个浮力调节舱的浮力差,即产生旋转运动的偏倾力矩。其仿真结果如下图6所示。从仿真实验结果看出所设计的ROV深度协调控制器达到了预期的控制效果。
6 结束语
本文介绍了开架式水下探测机器人的结构、传感器系统,基于AT91RM9200处理器设计了ROV嵌入式控制器。建立了ROV的数学模型,提出了ROV垂直面协调运动控制的方法,并进行了深度和横倾角协调控制仿真。仿真实验证明控制器设计的有效性。
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运动控制仿真 篇7
我国集装箱海运吞吐量已长期保持全球第一的位置, 中国在世界十大集装箱码头中已占据七席。当前, 我国集装箱码头的发展趋势正处在由数量增长向质量、效益增长转变, 自动化码头技术在逐渐成熟后, 以其自动化、信息化、高效率、低污染等特点, 已成为海运运输行业在提高效率、降低成本方面的一个现实的解决方案。自动化码头最初由英国、荷兰、日本等发达国家在80年代提出, 其目的是提高码头的周转效率、降低人工成本、改善工作环境等。在自动化码头中, 特别是采用自动化水平运输代替集装箱卡车后, 显著地减少人工的用量;同时将集装箱装卸运输过程的各个环节协同优化, 进一步提高了码头的吞吐效率。因此, 尽管早期自动化码头存在成本高昂、可靠性不足等问题, 仍在鹿特丹港ECT码头、德国汉堡港的Alteenwerder码头、日本名古屋码头以及澳大利亚布里斯班码头相继建成了不同规模的集装箱自动化码头。
集装箱在码头内的自动化水平运输是自动化码头运行的关键技术之一[5]。在自动化码头的各种水平运输的方案中, 自动导引车自动装卸系统凭借技术相对成熟, 灵活度高、成本适中的特点, 成为当今的主流技术方案。本文根据港口四轮转向自动导引车在运行过程中所受的滚动约束和刚体约束, 建立运动学方程。基于运动学方程, 在Simulink仿真平台下对港口AGV的运动控制进行了仿真建模。
1 港口AGV的运动学模型
本文采用的港口AGV采用前轮和后轮有独立的转向机构, 可以分别进行转向, 如图1。这样, AGV通过相反的前, 后轮转向方向, 可以实现更小的转弯半径;同时, AGV前后轮向同一方向转向时, 可以实现斜行, 即在行进过程中保持朝向不变。
AGV采用四连杆机构近似实现阿克曼几何关系, 保证每个车轮近似满足其自然运动规律。在阿克曼几何关系下可以假设在前轴和后轴中心上存在虚拟车轮, 构造AGV自行车模型如图2, 根据自行车模型推导AGV运动学方程。
由于港口AGV的运行速度不高, 其基本运动学模型因考虑车轮滚动约束和刚体约束[1,2,3]。滚动约束是轮式机器人在低速运行下的一种速度约束, 即只在车轮正方向上具有瞬时速度, 在车轮侧向的运动速度为0, 直观上表现为车轮不会侧滑。那么以车子前轴中心处坐标q=[x1, y1, θ]描述车辆位置, 由滚动约束可得前、后轴虚拟车轮的侧向速度约束分别表示为 (正方向为行进方向的右手方向) :
侧向速度约束限制了AGV位形的瞬时方向, 可以得到如下运动学方程:
另外, AGV的刚体约束决定了虚拟轮前进速度之间的约束, 即虚拟轮纵向分量相等:
2 基于Simulink的港口AGV运动控制仿真
对于港口AGV的仿真模型, Simulink提供了一个很好的动态系统动态建模和仿真平台, 可以实现AGV各个模块的建模。港口AGV的Simulink仿真模型分为AGV运动学建模、直流电机模块、液压控制系统模块和轨迹规划模块, 如图3:
图中方框1为根据式1的港口AGV运动学仿真模型, 方框2为港口AGV电机模型, 方框3为液压转向控制系统仿真模型, 方框4为轨迹规划模块, 方框5为反馈输入模块。
轨迹规划模块提供了AGV运行所需的参考信息, 轮子转速参考信息, 前、后轮转向角速度信息, 和路径信息, 这些信息作为AGV跟踪的给定输入。图3中的轨迹规划模块提供了直角转弯的参考信息, 如图4和图5:
港口AGV若直接由车轮速度和转向角参考信息 (vr, φ1r, φ2r) 驱动, 即没有图3中的反馈输入模块, 则在运行过程中会与设定的路径产生误差。这些误差来自于电机、转向机构的惯性特性、外界的干扰、AGV侧滑等, 图6 (a) 展示了由于电机和转向机构惯性特性的影响, 在对直角转弯跟踪, AGV出弯道时前轴中心轨迹与规划的轨迹会有偏差, 这会导致AGV跑出规定的车道;图6 (b) 展示了由于外界干扰, 导致的出弯时方位角没有到达90°。
那么就要对AGV的运行进行反馈控制以实现消除误差。AGV的参考位姿为q=[xr, yr, θr], 车轮参考速度信息为 (vr, φ1r, φ2r) 。则AGV本体坐标下的误差如图7:
式3中以1φ, 2φ作为AGV的转向角速度驱动信号, 车速驱动信号仍为vr。K1, K2为斜行和对称转向控制增益。
利用图3的Simulink仿真模型, 模拟直角转弯跟踪时, 取K2=0.12;当e2>0, K1=0.12;当e2<0, K1=-0.12, 前轴中心轨迹起始位置为 (0, 0, 0) , 终点为 (11, 22, 90°) 。在Simulink仿真平台上模拟采用反馈补偿时的轨迹跟踪, 仿真结果如图8。图中可以看出, AGV跟踪误差减小, 并且出弯时基本上与期望轨迹重合, 没有偏离车道。
3 结语
本文根据AGV运行过程中受到的约束, 对港口四轮转向AGV的运动进行仿真。对于运行过程中的误差, 利用四轮转向AGV的特点, 采用斜行和对称转弯的方式进行反馈控制, 能够实现消除跟踪误差, 达到预期效果。
实际上, 真实AGV在运行时位置信息是传感器获取的, 传感器测量出的位置、速度误差也会对AGV的跟踪控制带来影响, 本文中并没有考虑这些误差。这些误差是斜行和对称转弯的方式补偿不了的, 需要结合卡尔曼滤波器、粒子滤波[2]等最优估计算法来减小传感器测量信息的误差, 从而降低跟踪误差。
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运动控制仿真 篇8
操动机构是断路器的重要组成部分, 这一结构的主要作用是要确保断路器在长期使用中的稳定性和可靠性, 同时还必须满足灭弧特性对操动机构的要求。在传统的操动机构中存在很多的零部件, 而且其工作的原理也相对复杂, 在控制的过程中灵活性较差, 不能很好的满足开断和关合的基本要求。值得庆幸的是, 随着电力电子技术和现代控制技术的快速发展, 电动机操动结构的控制性显得越来越灵活, 其优势也显得更为突出。
本文主要是想通过以电动机操动结构的分闸为例说明两种控制策略:一是非线性运动过程的数学模型;二是非线性反推式。用这两种控制策略可以有效的跟踪电动机操动结构的运转速度, 同时本文还详细的论述了目前市场上新型操动机构的分闸运动特性及其相关的影响因子。
首先, 对分闸运动的过程进行详细的描述。永磁同步电动机提供主要的动力来驱动电动机操动机构, 并通过拐臂的传动和机械拉杆与动触头相连。当分闸的命令发送到断路器, 断路器可以正常接受的前提下, 可以使电动机旋转一定的角度, 这样就顺势带动了拉杆与动触头向下运动, 同时可以控制其以最佳的并分闸速度进行断路器分闸的操作。这一过程的实质其实是对电动机的启动和制动进行精确控制的过程, 这一过程包括了两种形式的运动: (1) 传动拉杆的非线性动力学运动; (2) 永磁同步电动机的暂态运动。
其次, 对分闸运动特性的进行必要的仿真分析和探讨。对于电动机的控制是断路器发挥预定操作特性工作的关键步骤。为了在实际的工作能够得到较为理想的分闸动作特性, 要求在工作中使用反馈式的速度跟踪控制。在本文中, 我们先是采用了两种控制方法:传统的PID和非线性反推式。并在使用的过程中对其动态的跟踪特性进行了详细的比较。在最后对控制的算法也进行了相应的改进, 采用的是单神经元控制算法, 这种算法解决了以下两个问题:控制参数的影响和控制精度问题。在拉杆传动机构中, 对传动触头速度影响最大的应该是拐臂的初始位置。我们首先研究了拐臂初始位置的角度对速度特性的影响, 通过这一研究分析我们得到了相对优越的初始位置角, 再通过仿真分析这两种控制方法, 最后得出断路器对分闸速度的跟踪特性。
第三, 传统PID控制策略下的断路器具有什么样的分断特性呢。所有的永磁同步电动机都使用转子磁场定向矢量控制方法, 在这一电动机中将控制系统设计成为了双闭环控制, 内环改造成为电流调节, 外环设计为转速调节。通过实际的探索, 我们得出一个结论:通过仿真分析得到的速度曲线与给定的最优速度曲线是基本吻合的。因此, 这就充分的说明传统的PID控制方法不但可以满足电动机操动机构的动态控制要求, 而且同时又能为操作过程提供复杂的足够的操作力, 还可以保证操作力的曲线维持光滑的状态。
第四, 反推式控制策略下断路器所具有的分断特性。反推式控制是一种基于李亚普诺夫的函数, 它作为一种新的非线性控制方法, 可以将系统化的全局逐渐稳定, 并可作为在设计过程中需要遵守的一项原则。它可以对永磁同步电动机的系统的进行完全的解耦控制, 与此同时它还具有跟踪快速便捷和能够精确定位的特点。从实际的情况来说, 使用总常规的PID和反推式控制算法, 都可以对电动机操动机构进行最优的分闸速度进行快速的跟踪控制, 这就能够使断路器处在一个最佳的工作状态, 明显的缩短了分断时间的分散性, 同时也显著的提高了断路器的实际开断能力和工作的稳定性和可靠性。另外的仿真过程更加表明, 这两种控制算法对于控制器参数的选取具有很强的依赖性, 只有选取准确的参数, 才能够最大限度的降低速度跟踪误差, 提高控制的精度。
第五, 单神经元PID控制策略下的分断特性。单神经元PID控制的最大特点是它可通过神经网络进行自我学习, 本文用目前先进的单神经元控制的PID代替传统的PID, 并设计了一种具自我适应能力很强的PID控制器, 这一控制器主要是应用于电动机操动系统中, 目的是为了实现PID参数的自整定。最后通过在单神经元控制器中输入最佳的控制中二次型性能指标的思想, 并通过一定的手段来降低性能指标, 以实现自适应PID的最优控制。
综上所述, 我们知道了要想实现传统断路器操作机构的全部功能, 可以使用电力电子控制的电动机操动机构, 这种机构具有结构简单, 而且具有很灵活的控制能力, 这对于提高断路器运行的稳定性和可靠性具有重要的意义。通过使用电力电子变换技术的数字化控制方法, 可以完全的对操动机构的动态运动过程进行调控。在文中通过对分闸运动特性的仿真分析结果说明, 在实际应用中无论是传统PID的控制, 还是反推式控制都可以实现对分闸速度进行有效的跟踪控制, 并可以使断路器处在最佳的工作状态。
通过提高电动机操动机构的完全可控性、稳定性和可靠性, 有利于增强相控开关技术的实现。这在电能质量等和机电相关领域中有着十分广泛的应用前景。
参考文献
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运动控制仿真 篇9
一、计算自由度
牛头刨床机构在机构中较为产检, 该机构包含了6个不同的构件, 其中grond.prt指的是机架, 该构件基本保持静止状态, 因而在自由度计算中, 实际的牛头刨床机构包含了5个构件。在运动副方面有3个移动副和4个转动副, 总的运动副有7个。这些运动副都可以对2个自由度进行消除。这些自由度实际需要动力可表示为p=3*5-2*7=1。展开第一个接头, 此时会有一个螺旋形符号的存在, 该符号可实现动力源字曲柄位置的加设, 从而保证机构的运动[1]。
二、Proe (MXD) 运动仿真制作以及对运动干涉的检查
在进行仿真分析前, 需要设定出相应的条件, 并对“牛头刨”进行定义, 然后选择Run键, 此时可以在屏幕上看到在假设条件下, 命名的“牛头刨”会根据加入伺服马达动力的大小开始继续拧仿真运动, 而整个仿真过程的相关记录会议一个mpg文件的形式进行保存, 当运动仿真完成后, 可借助视频播放软件对保存的mpg文件进行播放, 通过观看视频能够对运动仿真有更深入的理解。
在分析过程中, 如果状态栏有“对于时间为1时第1帧的组件分析失败”的提示, 则表明仿真运动前设置额分析条件存在问题, 如果不重新设置条件, 系统后续还会出现警告窗口, 告知用户后续操作无法完成[2]。
在运动仿真过程中, 为了检查机构在运动过程中可能产生的干涉, 在设置条件的时候将遥杆和机架确定为一个整体, 但是这样的假设是不满足条件的, 因而在运动仿真过程中, 如果有相关提示警告窗出现, 此时需要停止操作, 对设置的条件进行重新确定。除此之外, 还可以通过“回放”按钮, 将“全局干涉”选项勾选, 对总体干涉进行检查, 然后点击播放键开始重新计算, 在播放过程中存在有干涉的会通过红色的颜色显示出来。
三、对构件重要参数的计算以及调整
构件在运动仿真过程中存在着一定的参数, 比如:位移、加速度、速度、构件尺寸等。而这些参数均是进行运动仿真结果中重要的一部分, 通过运动仿真可对构件尺寸等重要参数进行调整, 最大程度的满足构件的实际要求。
同样的以牛头刨为例, 在运动仿真过程中, 曲柄的运动可以看成是匀角速度运动, 对于已经装配完成的牛头刨, 可以借助Proe (MXD) 测量的相关功能进行研究, 研究中可显示出刨刀运动时间与行程之间的关系图, 而这种关系图类似于抛物线, 通过对牛头刨运动时间与行程关系图的研究, 可以得到牛头刨的最大位移, 同时从图中还能看出在牛头刨工作与回程之间存在着一定的时间差, 尽管两次所走的路径是相同的。对于任何一个时间点都能明确牛头刨对应的运动位置, 为了计算的方便性, 可将牛头刨运动时间与位移关系图中的数据使用Excel进行整理。
假设牛头刨运动的距离是180in, 那么怎样通过调整构件的尺寸大小, 保证在这一距离下保证工作要求呢?通过求解后发现可以通过对曲柄长度尺寸的调节, 可保证在工作中达到这一路程要求, 基于Proe的设计方法能够发挥重要应用, 具体设计中有两种方案。
第一种方案是进行过程修改, 也就是在最初的曲柄零件图商对其尺寸进行修改, 然后对整个装配图进行刷新, 刷新完成后按照早期仿真运动的条件对运动过程以及仿真运动结果进行分析。此时可以求出牛头刨的直线距离以及对应的曲柄长度值。第二种方案则是采用采用Proe中的“运动分析”以及“可行性/优化”进行求解, 并设定ANALYSIS2=±90in, 基于此条件完成可行性分析, 然后使用零件曲柄的中心距离进行变量设计, 为提高计算速率, 可将变化范围缩小至58—60, 通过这一系列的操作, 最终可得到曲柄的准确尺寸。
整个分析过程中可以使用MXD中的Trace Curve得到牛头刨运动时间与运动轨迹变化图, 在得到轨迹图后可以使用Proe中的曲线分析以及测量功能获得仿真运动过程中的重要参数。
在运动仿真过程中, 需要保证所有重要的数据满足实际要求, 比如:伺服电动机的轮廓、接头、凸轮从动机构的要求以及齿轮副连接要求等。整个运动过程中不考虑力学的作用, 比如:弹簧、重力作用、阻尼器等, 因而此类力学在分析中不会对最终结果产生影响。
结束语
Proe拥有强大的功能。MXD仅仅只是众多功能中的一种, 在仿真运动过程中主要用于机构分析, 但是Proe在模型分析中除了考虑运动外, 还同时兼顾有力学分析、结构分析等, 因而其实际的应用价值较大, 随着软件技术的发展, 其功能还会继续加强。
参考文献
[1]郭瑞琴, 刘娟, 胡伟, 林松.空间Bennett机构运动分析的几何投影法[J].机械设计与研究, 2015 (03) .
平面连杆机构运动学仿真 篇10
平面连杆机构是一类工程中广泛使用的典型运动机构, 它的运动分析是机构学中典型的机构运动分析之一。如果设计平面四杆机构时能及时用图显示其运动轨迹, 从而将图示结果与设计要求相比较, 可以使设计者及时修改设计中的偏差, 提高设计效率。
MATLAB是集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体的高性能数学软件, 它在国内外高校和科研部门正扮演着越来越重要的角色, 功能也越来越强大, 将其强大的计算功能与VB在图形用户界面开发方面的优势结合起来, 实现应用系统的无缝集成。
Auto CAD是目前应用十分广泛的工程图形处理软件, Active X技术使得我们可以通过Auto CAD暴露出来的信息, 用其它应用程序Visual Basic (VB) 、VC等, 通过编程访问Auto CAD内部机制, 把Auto CAD的强大功能集成到应用程序中。
本文拟利用Active X技术实现VB与MATLAB、VB与Auto CAD的连接, 通过VB编程实现三者的集成, 完成平面连杆机构的运动仿真。
2 机构的运动仿真
2.1 机构的数学模型[1,2]
图1为平面连杆机构结构简图。
图中, L1'为原动件、L3'为从动件、L2'为连杆、L0'为机架, 设各杆长分别为L1、L3、L2、L0, 原动件L1以角速度ω1匀速运动, 求从动件L3的角位移、角速度及角加速度。
将平面四杆机构视为1个封闭矢量多边形, 用复数表示各个杆矢量, 得到矢量方程为:
由式 (1) 区分出实部和虚部, 可以得到:
式 (2) 中, 各杆长为已知量, L1为原动件, 故θ1已知, 式 (2) 为包含两个未知量θ2、θ3的非线性方程组, 求解的方法很多, 具体有以下3种。
1) 从方程组 (2) 中任意消去一未知量θ2或θ3, 得到仅含有一个未知量θ3或θ2的非线性方程, 用数值分析中非线性方程求根的相关算法求解, 或利用MATLAB的fzero函数求解该方程可使原问题得解, 参考文献[2~3];
2) 直接用牛顿迭代法求解非线性方程组 (2) , 同样可在MATLAB中编程完成牛顿迭代法的求解过程, 参考文献[4];
3) 对方程组 (2) 求其二阶导数可得平面连杆机构的加速度方程, 将其写出矩阵形式为:
将用牛顿法求解非线性方程组 (3) 的MATLAB文件作为可视化仿真工具Simulink的函数模块实现求解, 此方法的优点是通过Simulink的Scope模块输出可实时输出角位移、角速度、角加速度曲线, 也可将结果输出到MATLAB工作空间进一步处理, 参考文献[4~6]。
比较上述三种方法, 方法 (1) 较简单, 但其每次只能求解一个未知量, 不能像方法 (2) 、 (3) 那样同时求解多个未知量, 不如方法 (2) 、 (3) 直观方便;方法 (3) 实质上是方法 (2) 的逆过程, 从加速度积分求解速度、位移, 需要用到积分器, 积分器初值的设定是该方法的重点和难点, 而用方法 (2) 求解只须给定位移的初值, 比方法 (3) 简单, 但方法 (3) 最直观。读者可根据需要选择合适的方法完成求解。
2.2 实现方法
2.2.1 总体设计
本文利用Active X技术实现VB与MATLAB、VB与Auto CAD的连接, 程序的总体设计思路如图2, 由VB制作程序主界面, 由MATLAB引擎完成连杆机构的求解并将结果返回到VB, 由Auto CAD完成连杆机构的运动仿真、或由VB的line、circle等方法在主界面图像框控件内完成仿真动画, 程序的运行须遵循“计算->仿真”的顺序, 如图2中标号所示, VB中可通过设置控件的Enabled属性控制程序的运行顺序。本文使用VB内部控件Data控件实现与Access数据库连接, 使用文本框作为数据绑定控件, 同时文本框用作用户输入, 数据库中包含一些典型连杆机构的设计信息。VB制作的主界面如图3所示, 图4为启动MATLAB引擎完成计算后由VB的绘图方法完成的仿真动画, 图中所示为双曲柄机构仿真动画的一个截图, 右下角为仿真运行时各杆件的坐标输出, 鼠标停在上面会显示相应的提示信息。计算完成后若点击“CAD仿真”按钮将会启动Auto CAD软件完成相应机构的运动仿真, 图5为曲柄滑块机构的仿真截图, 对于四杆机构的Auto CAD运动仿真,
1.计算请求2.计算结果返回3.仿真运行4.仿真结束返回
退出本程序时, VB会同时关闭MATLAB引擎及Auto CAD系统, 用户可根据Auto CAD的提示选择保存当前绘图或不保存直接退出。
2.2.2 Active X技术
Microsoft把所有以COM (构件对象模型) 为基础的技术统称为Active X技术。COM是一种客户/服务器方式的对象模型, 这种模型使得各构件和应用程序之间能以统一的方式进行交互。同样, Active X技术由客户程序和服务器程序组成, 由客户程序控制操纵服务器程序。服务器程序包含一系列的暴露对象, 只要它提供一定的接口, 就可以使任何对象实现自动化。对象包含了一些外部接口, 它们被称为属性和方法。
MATLAB实现了Active X自动化服务支持, 在VB下通过Active X自动化接口可将MATLAB作为Visual Basic语言的一个Active X部件调用。MATLAB Active X自动化服务的功能主要包括在MATLAB工作空间执行MATLAB命令, 以及直接从工作空间存取矩阵等。这种方法不要求链接整个MATLAB, 只需要载入MATLAB引擎库, 节省了大量的系统资源。MATLAB自动化服务支持的几个主要方法如表1。
在Auto CAD中, 提供了对象类型库 (Auto CAD Object Library) , 这样可以在VB等编写的应用程序中访问AutoCAD的Automation对象, Auto CAD对象类型库提供了约70个左右的对象, 这些对象带有约500个方法和属性, 所有对象组成一个层次结构, 最高层是Application对象, 代表Auto CAD自身, 它包含的一些属性和方法可以对AutoCAD进行控制。Application对象的子层是Preferences对象和Documents对象。前者可对Auto CAD进行系统设置, 后者是Auto CAD当前编辑的图形, 可以存取图形和非图形对象。图形对象也称为实体, 分为模型空间实体和图形空间实体, 它们包含所有绘图模式和图纸空间的图形实体如line、arc、circle等。用非图形对象可得到如层、线形、文本试样等。可以把这些对象分成以下几类:
1) 图元类对象, 如直线、圆弧、多义线、文本、尺寸等;
2) 样式设置类对象, 如线型、尺寸样式等;
3) 组织结构类对象, 如图层、组、图块等;
4) 图形显示类对象, 如视图、视窗等;
5) 文档与应用程序类对象, 如一个DWG文件或应用程序本身等。
所有这些对象都具有一种层次的关系, 根据它们在Auto CAD中的功能, 可以组成一种树形结构, 称之为对象模型 (Object Model) 树, 如图7 (局部) 所示[8]。
本文中, VB作为客户端控制MATLAB、Auto CAD服务器程序, 构成客户/服务器方式的对象模型。
2.2.3 关键代码
1) VB与MATLAB连接
要将VB与MATLAB连接起来, 构建客户/服务器方式的对象模型, 需要两个步骤:编写VB代码前, 首先要在VB编程环境中引用MATLAB对象库mlapp.tlb, 该对象库位于Rootbinwin32目录下 (Root表示MATLAB安装目录) ;然后在VB中创建MATLAB对象, 启动运行MATLAB引擎, 关键代码如下:
VB与MATLAB连接后, 就可向MATLAB工作空间传送数据、启动计算、并从MATLAB工作空间返回计算结果到VB数组中, 部分代码如下:
上述代码第一行完成向MATLAB工作空间传送数据, 第二行完成四连杆机构的计算, 第三行向VB返回计算结果, 其中四连杆机构的计算用牛顿迭代法编写MATLAB程序完成求解, 程序文件存为bar4_ppf.m, 类似地, 其它类型平面连杆机构的求解可选择合适的方法编写相应的MATLAB程序, 由VB运行时完成求解。
2) VB与AutoCAD连接
要将VB与AutoCAD连接起来, 也需要两个步骤:编写VB代码前, 首先在VB编程环境中引用AutoCAD对象库acad.tlb, 该对象库位于AutoCAD安装目录下;然后在VB中创建AutoCAD对象, 启动运行AutoCAD, 关键代码如下:
其中第一行代码的作用是避免重复运行AutoCAD, 第五行代码启动AutoCAD, 并将AutoCAD根对象命名为AcadApp, 此后便可使用该对象及其下级对象的属性和方法, 控制AutoCAD的绘图过程, 完成平面连杆机构的运动仿真。
3 应用实例
在上文中已给出了曲柄滑块机构、双曲柄机构、四连杆机构的一些实例, 本节给出曲柄摆杆机构的运动仿真实例, 为便于比较, 本文的实例选自文献[6] (牛头刨床主运动机构) , 图8为机构简图。
图8中, 各杆件的长度分别为:曲柄长rAB=400mm, 机架长rAD=1000mm, 曲柄转速ωAB=10rad/s。上述数据可由主界面文本框输入, 或直接从数据库中选取, 要运行曲柄摆杆机构仿真, 需要在主界面选择“曲柄摆杆机构”选项, 启动MATLAB完成计算后即可在Auto CAD中运行仿真, 图9所示为仿真运行的截图, 图10为运动仿真主界面。
计算完成后可将仿真结果图形化, 在MATLAB环境中用plot函数完成绘图, 图11为杆件5的位移、速度、加速度曲线, 图中的计算结果与文献[6]并无差别。同样, 可根据需要图示其它平面连杆机构的仿真结果。
4 结语
本文借助ActivX技术实现了VB、MATLAB、AutoCAD软件的集成, 分别发挥三者在界面制作、数值计算、精确绘图方面的优势, 完成了平面连杆机构的运动仿真, 为平面连杆机构的设计与分析提供了一条可行的方法。本文的程序在Visual Basic 6.0、MATLAB 6.5、AutoCAD2002版中调试通过。
参考文献
[1]孙恒, 陈作模.机械原理 (第五版) [M].北京:高等教育出版社, 1996.
[2]陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.
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[4]周进雄, 张陵译.机构动态仿真——使用MATLAB和SIMULINK[M].西安:西安交通大学出版社, 2002.
[5]王芳, 张海燕.基于Simulink的连杆机构运动学仿真[J].机械设计与研究, 2004, 20 (2) :35-37.
[6]曲秀全, 陈照俊, 焦映厚.RPR-RPP六杆机构的MATLAB动力学仿真[J].机械传动, 2003, 27 (5) :18-21
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