ADAMS_Simulink柔性机械与控制系统仿真

ADA M S

Simulink 柔性机械与控制系统仿真

田风雷,孙容磊

(华中科技大学,湖北武汉430074)

T he Flex ible Robot Arm Simulation Syst em Based on A DAM S and Simulink

TIAN Feng lei,SUN Rong lei

(H uazhong U niv ersit y of Science and T echno log y,Wuhan 430074,China)

摘要:介绍了一种ADAM S Simulink 柔性机

械与控制系统的仿真方法,该方法结合ANSYS 有限元分析与M atlab/Simulink 控制系统仿真,实现了对柔性机械及其控制的联合仿真,弥补了AD AM S 在有限元分析和控制系统设计上的不足.并通过实例,实现了柔性机械臂系统的滑动关节在PID 控制下的启停仿真.

关键词:ADA MS Simulink;ANSYS;仿真;有

限元;柔性机械臂

中图分类号:P391.9文献标识码:A 文章编号:1001

2257(2006)10

0062

02

收稿日期:20060417

基金项目:国家自然科学基金项目(50335020,50575079,503900);

九七三"资助项目(2003CB716207)

Abstract:A method o f flexible mechanical sim ulatio n sy stem w ith reat time control is intro duced in this paper.T his method uses the m echanical sy s tem based o n FE method,com bine w ith the AD AM S and Matlab/Sim ulink simulatio n to get the kinetic character s of flex ible mechanical sy stem un der real tim e contro l,patch up the lim itation o f ADAM S in FE and control.A flex ible robot arm simulatio n sy stem is built under the PID control in this paper as an ex ample.

Key words:ADAMS

sim ulink;ANSYS;simu

lation;finite model;flex ible r obo t arm

0 引言

随着制造业的发展,航天领域对高速度、高精度

和低能耗机器人的需求,使机器轻量化成为必然,而轻量化也带来了柔性化问题,柔性机械臂的振动会严重影响末端定位精度、效率和可靠性.由于柔性臂的非线性、强耦合和参数实变等特性[1-2],柔性臂的研究要比刚性臂的研究复杂得多.目前,对柔性系统的研究主要集中在3个方面:柔性系统的理论建模;柔性系统的仿真和实验;柔性系统的控制方法[1,3-4].柔性系统的建模法主要有假设模态法和有限元法,ADAMS 中研究柔性体的方法是通过考虑每1个节点的线性变形得到整个柔性体的非线性变形.而每1个节点的变形由多个模态线性叠加得

到[5]

,孙立宁等使用Lagrange 法建立了水平面内两自由度串联柔性臂的动力学方程[6].我们将结合ANSYS 有限元分析与M atlab/Simulink 控制系统仿真,得到柔性机械系统与控制的联合仿真系统.

1 A DA M S

Simulink 模型及其建立

方法

ADAM S 虽然在机械系统的动力学,运动学分析上的功能非常强大,但是在几何建模、有限元分析、控制系统设计上明显不足,Simulink 在控制仿真上功能强大,但在机械系统仿真上很困难,AN SYS 有强大的有限元建模、划分、求解能力,却不适于机械动力学分析,ADAM S/Contro l 提供与M at lab/Sim ulink 的双向控制接口、ADAms/Flex 可通过m nf 文件与A NSYS 进行数据交换,通过这些接口将三者结合,则能构建起一个完整的柔性系统机械与控制的仿真系统,如图1所示.整个建模及仿真过程如下.

a.机械零件建模.通常使用三维CAD 软件,如Solidwo rks,UG,Pro/e 等进行机械零件建模.

62 机械与电子 2006(10)

将建好的模型导出为IGS格式文件.

b.将零件导入ADA MS.对于刚体零件,直接将IGS格式的数据文件导入ADAM S即可.对于柔性零件,将IGS格式数据文件导入ANSYS,用AN SYS对零件进行有限元划分.设定零件的连接面为固定约束,进行模态分析,然后通过AN SYS M ain Menu>Solutio n>ADAM S Connection>Ex port to ADA MS,将划分好的有限元模型导出为模态中性文件(mnf文件).在ADAMS中,用Build >Flex ible Bo dies>ADAM S/Flex,将生成的柔性零件的mnf文件导入.

c.装配导入的零件.在ADAMS中设置刚性零件的材料属性,设置各零件的装配关系.柔性零件须通过与之固定的中间刚体与其它零件装配.

d.生成ADAM S Simulink控制接口.在AD AM S中,用Build>Controls T oo lkit>Plant Input和Build>Contr ols T oo lkit>Plant Out put中分别设定机械系统的控制输入与输出,然后通过Controls>Plant Export导出一个对于M at lab的.m文件.

e.Simulink控制系统建模.在M atlab中选择.m所在文件夹为工作目录,运行adams_sy s则生成一个adam s_sys_.mdl文件,通过其中的adams_sub 作为ADAM S Simulink接口,建立控制系统,即可完成对ADAM S中机械系统的控制.

f.仿真时,需先运行.m文件生成软件接口,然后在Simulink中运行控制程序,即可驱动ADAMS 实现整个ADAMS Simulink系统的仿真,仿真结果会存入一个.res文件,可以在ADAM S中,通过File>Impo rt调入进行分析.

2 A DA M S Simulink柔性机械臂仿

真实例

2.1 机械模型建立

在Solidw orks中建好的机械模型,生成IGS格式文件,将刚体零件直接导入ADAMS中,将柔性零件导入ANSYS进行有限元分析,生成mnf文件再导入ADAM S,然后在ADAM S中添加零件之间的装配和连接关系,即得到如图2所示的ADAM S 柔性机械臂模型关系.

图2 机械臂模型关系

2.2 Simulink控制系统模型建立

这里我们通过ADAM S/Contr ol生成的AD AM S Simulink接口模块adam s_sub,建立了一个简单的PID控制,设定一个启停过程的位移时间参数为参考信号,以机械臂位移为反馈信号,通过输出力矩控制机械臂在X向的运动如图3所示.

图3 Simulink控制系统

2.3 仿真及结果

通过模拟一个简单的启停过程,得到连接件3为刚性和柔性时机械臂末端响应,如图4所示.

系统的仿真结果显示出末端的误差最大时为0.15mm.停止后经过0.1s稳定到小于0.01mm 的水平.可见,该系统成功地仿真了PID控制的启停过程,并得到了机械臂的柔性特征.

63

机械与电子 2006(10)

图4 柔性臂启停过程仿真结果

3 结束语

应用ADAM S

Simulink 柔性机械系统与控制

的联合仿真方法,在ADAM S 中使用基于有限元的柔性体思想,结合ANSYS 有限元分析,得到了包含系统柔性特征的机械模型,并结合M atlab/Simu

link 的控制仿真,获得了控制下的柔性机械臂的动力学仿真模型.此模型简单易于实现,对柔性机械系统的控制和结构设计有指导意义.参考文献:

[1] 王树新,员今天,石菊荣,刘又午.柔性机械臂建模理论

与控制方法研究综述[J].机器人,2002,24(1):86-91.

[2] T alebi H A,K hor asani K ,Patel R V.N eur al netw o rk

based contro l schemes fo r flex ible link manipulat ors:simulat ions and ex per iments [J ].Neural Netw or ks,Special Issue,1998,11(7-8):1357-1377.

[3] 杨 辉,洪嘉振,余征跃.柔性多体系统动力学实验研

究综述[J].力学进展,2004,(2):171-181.

[4] 戴学丰,孙立宁,刘品宽,蔡鹤皋.柔性臂机器人控制算

法综述[J].电机与控制学报,2002,6(2):158-161.

[5] T heo retica l Backg ro und.A DAM S/Flex online help [Z].M SC.Soft war e Co rpor ation,2004.

[6] 孙立宁,王洪福,曲东升.柔性臂动力学建模及比较研

究[J].压电与声光,2003,25(6):525-529.

作者简介:田风雷 (1982-),男,土家族,湖北长阳人,华中

科技大学机械学院硕士研究生,研究方向为数字制造技术.

H ilbert 谱分析方法及计算机仿真实现

高广华,危韧勇,李志勇,黎群辉(中南大学,湖南长沙410075)

Hilbert Spectrum Analy sis M ethod and Computer Simulation Realization

GAO Guang hua,WEI Ren yong,LI Zhi yong,LI Qun hui

(Cent ral So uth U niv ersity ,Chang sha 410075,China)

摘要:针对机械故障诊断技术的研究,介绍一种时频分析方法(H ilbert 谱分析).将其应用于轴承故障检测中,经计算机仿真,该方法能够有效地检测出故障特征,具有实用价值.

收稿日期:2006

0406

关键词:机械轴承;故障诊断;H ilbert 谱分析中图分类号:T B112文献标识码:A 文章编号:1001

2257(2006)100003

Abstract:Mechanical breakdow n diagnosis

techno logy are r esearched,This article in detail in troduced one kind of new time frequency analysis m ethod(H ilbert spectr um analysis)and applying it to br eakdow n diag no sis of ax is After the co mputer sim ulation,this m ethod can effectively ex am ine out the malfunction characteristic,has the pr actical use

value.

Key words:locom otiv e bearing ;malfunction di agnosis;hilbert spectr um

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