【案例分享】机器人机电液控制一体化联合仿真
来源: | 作者:荟奇安科技 | 发布时间: 2020-08-27 | 2272 次浏览 | 分享到:

1、机器人CAE仿真分析需求分析

      机器人是机构、结构、电气、液压、控制多学科耦合的机电一体化复杂产品,机构运动、气液流动、控制具有较强的交互作用。因此,工程机械产品的开发具有明显的多学科交叉的特征,在产品开发过程中必须充分考虑产品的这一特点,进行全面的评价和分析。为高保真的仿真机器人的工作性能,解决其动力定位控制等问题,集成仿真机器人在工作中面临的机电液一体化控制分析是保证分析精度的重要环节。

      目前虽然在单个学科点上,或者单个子系统的个别性能上采用了VPD(虚拟产品开发)技术进行仿真分析,但是由于产品自身高度集成和耦合的特点,若仅对单一子系统或某一学科进行计算分析,就无法全面考虑各个子系统之间的交互作用,分析结果自然就不能完全反映真实情况。例如,在对机电液产品的伺服元件进行仿真时,控制系统以及机构运动的影响应当综合考虑进来,若采用原有的单学科仿真工具,就无法综合引入各个系统的影响。因此必须建立完整和统一的模型,进行一体化分析。

      多学科集成的特点和当前的开发方法出发,机器人的CAE仿真需要一个能够建立多学科统一模型的仿真平台,基于该仿真平台进行完整的分析。借助虚拟产品开发技术,通过Adams与Easy5建立机电液一体化计算机仿真平台和高精度的机—电—液一体化模型,就可以充分利用VPD技术的特点,通过先期评估,有效地缩短试验周期;同时可以在仿真中全面的考虑和引入各种因素的影响,对各种因素对产品性能的影响进行统一的分析和评价。


2、解决方案----联合仿真:多体动力学Adams+ 液压控制Easy5

      2-1  多体动力学建模

      将工业机器人三维模型导入Adams中,设置机构属性,并定义相关运动约束,在Adams中建立多体动力学模型。如下图1所示:



      2-2  液压控制建模

      MSC Easy5拥有简单易用的图形化用户界面,基于可执行代码程序进行仿真运算并提供了强大的专业应用库支持。提供了独一无二的多学科动态系统仿真和控制系统分析的能力:预定义多学科系统的部件库、与CAE软件的集成、强大的线性和非线性分析工具、控制系统仿真及设计选项、实时代码生成等。

      MSC Easy5任何一个专业库都包含了该专业领域常用物理元件的数学模型。每一库元件对应一段高级语言代码子程序(可以理解为一个函数子程序),仅需在元件的参数菜单中填入实际元件的参数,即可迅速建立该元件的计算机模型。这些库元件代码全部由从事该领域工作的专家编写并经历了波音及其他软件包用户的实践检验,有很强的工程实用性和易用性。

      (1)根据液压控制原理图在Easy5中建立液压控制系统,如图2所示:

      
      并对系统中关键零部件进行参数设置,如液压油属性、伺服阀系、液压作动缸、液压回转油缸等。





      (2)控制器建模

      利用Easy5 控制库中的PID控制模块建立控制系统,控制系统采用位置控制的控制策略,各关节指令生成器生成对应关节的运动指令,指令信号与反馈信号求差后经PID控制环节输出伺服阀开度控制信号u,通过控制伺服阀的开度实现执行部件的位置控制,执行部件将位置信息输入到机械系统完成运动学/动力学仿真,机械系统反馈的负载力/力矩作用在液压执行部件上,反馈的关节位置信号与指令生成器的信号在示波器中对比,根据波形调节PID参数,实现精确、稳定、灵敏的运动控制。如图6所示。



      2-3  联合仿真

      Adams Controls Adams建立的机械系统模型集成到控制系统仿真环境中,组成完整的机-电-气、液耦合系统模型进行联合仿真。

      (1)在Adams模型中建立状态变量,以便将相关位移、转角及速度、角速度传入Easy5,并将Easy5 的液压控制力及力矩导入Adams。




      (2)利用Control Plant Export,选选择输入输出信号,将机械系统导出。


      (3)在Easy5中导入Adams模型,并设置参数。


     (4)运行仿真,一旦开始执行,将出现一个新的DOS窗口(Windows)或者新的信息显示在原有的命令窗口中(Unix) ,这是由于Adams/Solver已经在后台启动,并且Easy5开始和Adams进行通信。在联合仿真时,不要中断Adams的进程窗口。整个仿真过程可观察数据曲线,完成仿真后,可查看后处理结果。






      关于荟奇安科技

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文章来源:MSC软件--MSC大中华区Adams高级工程师张强