基于模型转换工具生成虚拟样机.doc

基于模型转换工具生成虚拟样机摘 要：为了将虚拟样机应用于产品发布和培训客户使用复杂机电产品，提出了一种使用SimMechanics CAD转换器将SolidWorks三维机械装配图生成Simulink机构动力学模型，在添加了控制器完善仿真模型后，使用LabVIEW的NI-Simulation Interface Toolkits（SIT）工具将仿真模型编译成为LabVIEW程序并驱动由SolidWorks子装配图生成的VRML模型，最后将LabVIEW程序打包成虚拟样机安装文件的方法。生成的虚拟样机可具有和真实机电产品一致的控制界面，相似的动力学特性，细腻的图形交互。并可以完全脱离仿真软件、建模软件和程序开发软件的支持而单独运行。充分利用了产品开发过程中的现有资源，从而降低了虚拟样机的开发难度。满足了快速、高质量的开发要求。关键词：虚拟样机；SimMechanics CAD转换器；VRML模型；产品信息发布Generating Virtual Prototype Based on Model Translator ToolsAbstract: A new method is developed to generate virtual prototype for releasing complicated mechanical product and training clients how to use it. This method uses SimMechanics CAD Translator to transform SolidWorks geometric assembly into Simulink block diagram model. After adding controllers, the model can perform dynamics simulation. Then LabVIEW NI-Simulation Interface Toolkits (SIT) is used to compile Simulink model to LabVIEW program which drives VRML model generated by SolidWorks sub geometric assemblies. Finally the LabVIEW programs are built to stand-alone installer. The virtual prototype has the same control interface and similar dynamic character as the real product. Its animation is exquisite too. Its major advantage is independence from its development environments. For utilizing the existence resource in the process of product design, it decreases the difficulties of generating virtual prototype and makes it fast and high quality.Key words: virtual prototype; SimMechanics CAD Translator; VRML model; product information releasing0 引言随着大型机电产品结构和外观越来越复杂，向市场推广机电产品和培训客户使用复杂机电产品的工作越来越困难。而使用虚拟样机技术则可以很好的解决这个问题1。在机电产品设计、制造和调试过程中会产生设备的全参数实体模型、关联功能仿真模型。如果能够利用已有的模型生成虚拟样机，则不失为一种方便快捷的方法。将各种模型统一用于虚拟样机，就需要使用模型转换工具交流各模型的信息。考虑到使用LabVIEW制作机电产品控制界面的普遍性，SolidWorks构建机械实体的方便性，MATLAB对工程系统仿真的强大能力以及VRML浏览器的流行性，在此介绍一种使用模型转换工具生成虚拟样机的方法。这里将SolidWorks实体模型转换成SimMechanics动力学模型和VRML模型。1 概述如图1，该方法使用SimMechanics CAD转换器2直接将SolidWorks构建的三维机械装配图生成MATLAB下SimMechanics机械动力学模型，在添加控制器完善仿真模型后使用LabVIEW的NI-SIT工具编译模型，通过VRML的ActiveX控件与SolidWorks机械装配图转换成的VRML模型进行交互，最后将整个LabVIEW程序利用Build工具打包生成安装文件。此安装文件既可作为虚拟样机进行发布。执行此安装文件就可将产品的虚拟样机安装于客户电脑上，并可脱离MATLAB、LabVIEW单独执行。六自由度Stewart平台是典型的复杂机电产品3，现以此为例说明新方法生成虚拟样机的过程。该过程分为三个主要步骤：创建VRML模型，创建Simulink仿真模型，生成LabVIEW程序，以下对每个步骤进行详细的叙述。图1 生成虚拟样机的步骤2 实现步骤2.1 创建VRML模型如果直接将总装配图保存成VRML模型，那么每一个实体零件都会成为VRML模型中的一个Group节点，这就意味着如果直接使用总装配图生成的VRML模型，那么每一个实体零件，如螺钉、螺母、销轴都需要单独输入位置和姿态对其进行控制。这种工作量是巨大的。所以在此将上下平台，上下支撑腿的装配图分别生成VRML模型，并将每一个VRML模型作为一个Transform节点的子节点，如图2。每一个Transform节点的中心都是此节点所表示实体在SolidWorks装配图中的原点，如图3中原点。所以在控制实体的位置和姿态时都要输入此中心点的绝对位置和实体姿态。在使用总装配图生成SimMechanics动力学模型时，下平台、上下支撑腿、上平台所对应的Body模块中的CS1点即代表了此中心点的信息，要驱动VRML模型，就要使仿真模型输出各节点此中心点的绝对位置和姿态() 4。图2 VRML模型的节点在VRML中使用欧拉转动参数()来表示由坐标系变换到变换方程确定的方向余弦矩阵。其中通过原点的单位矢量为欧拉轴，为绕欧拉轴的欧拉转角。如图3。图3 上平台位置和姿态的描述为了实现通过Blaxxun Contact Plug-In API函数控制各Transform节点的位置和姿态，需要在VRML模型中添加Script节点，其中包括了控制位置和姿态的Script节点。控制Transform节点姿态的代码段如下：DEF roll Script url javascript:function rotateIt(value)basering_r.rotation=new SFRotation(value0,value1,value2,value3);driven1_r.rotation=new SFRotation(value4,value5,value6,value7);carrier6_r.rotation=new SFRotation(value48,value49,value50,value51);topplate_r.rotation=new SFRotation(value52,value53,value54,value55);directOutputTRUEeventIn MFFloat rotateItfieldSFNode basering_rUSE basering fieldSFNode driven1_rUSE driven1 .fieldSFNode carrier6_rUSE carrier6fieldSFNode topplate_rUSE topplate在LabVIEW程序中使用的Blaxxun Contact Plug-In API函数就是通过eventIn将外部数据传入MFFloat型变量rotateIt的。在无外部输入的情况下，各实体的摆放位置和姿态都为其在各自装配图中的位置和姿态，如图4。图中的六个上支撑腿和六个下支撑腿因分别重合在一起所以只显示了一个。图4 无外部输入下的VRML模型如果实体模型较复杂，生成的VRML模型文件会很大，这时就需要使用压缩和模型裁剪工具修剪模型。VrmlPad2.1就是一款方便的工具。2.2 创建Simulink仿真模型Simulink仿真模型包含两个部分，机械系统模型和控制器。通常机械系统模型都由数学方程描述，手工推导方程需要投入较多的时间和精力，而SimMechanics工具箱可将复杂的数学方程直观的描述出来5。将机械系统实体装配图生成SimMechanics动力学模型需要两个步骤，首先利用“SimMechanics Translator for SolidWorks”转换器将SolidWorks下绘制的装配图保存成标记了机械模型的几何结构、约束条件和质量特性等信息的XML文件。第二步，MATLAB读取XML文件信息生成机械系统的SimMechanics动力学模型。将Stewart六自由度并联机器人的装配图生成SimMechanics动力学模型后，在下平台、下支腿、上支腿和上平台14个刚体上添加传感器输出刚体上CS1点的位置坐标和姿态旋转矩阵。另外由于在一个Body模块中只有重心点的姿态矩阵描述了刚体在总装配图中的初始姿态，而其它点的姿态矩阵在世界坐标系中对应的欧拉角都为零。所以要修改CS1点的姿态矩阵为重心点的姿态矩阵。另一种方法是不修改姿态矩阵而将CS1点姿态矩阵相对的坐标系由世界坐标系改为重心点的坐标系既可。最后将位置和姿态输出值连接在模型最外层的Out口上，以此作为NI-SIT的接口，图5仅显示了下平台位置和姿态的输出口。在SimMechanics动力学模型的基础上添加运动学反解模块计算在输入平台姿态下支撑腿的伸长量。根据输入伸长量和反馈伸长量以及反馈的支撑腿伸长速度设计PID控制器控制支撑腿出力，将此力信号连接至SimMechanics动力学模型，作为支撑腿滑动副的驱动力。最后设置仿真步长为0.01秒。完整的Simulink模型如图5。图5 完整的Stewart平台仿真模型2.3 生成LabVIEW程序在安装了LabVIEW的NI-SIT工具后就可以在Real-Time Workshop中选择nidll.tlc作为编译的目标文件。编译后即生成了LabVIEW程序。图6中“SIT Step Model”即为根据输入计算输出的子VI。当While循环的时间间隔与Simulink模型仿真步长设定相一致时，运行此程序即是依靠Windows操作系统时钟定时的弱实时仿真。此特点很适用于人机交互的虚拟样机开发。图6 计算每步仿真输出结果的模块图7 修改仿真模型参数的模块自动生成的LabVIEW程序不仅可以计算仿真模型的输出用以驱动VRML模型，而且可以在线修改仿真模型参数，例如需要调整PID控制器的比例放大倍数就可在输入此参数路径后点击“修改参数”按钮即可完成修改，如图9。此功能有利于培训客户如何调试系统，因为如果让客户直接调试实际机电系统的控制器参数有时是很危险的，而利用虚拟样机则是方便而又安全的调试途径。新建一个空LabVIEW程序，在它的Front Panel上添加ActiveX Container，并在此控件里插入BlaxxunCC3D对象。在后面板上建立此控件的LoadURL方法，通过它在控件中显示出路径所指引的VRML模型。然后建立此控件的setNodeEventIn方法，通过它既可将LabVIEW程序中的数据输入到VRML模型中以实现与虚拟现实的交互，如图8。图8 驱动VRML模型的LabVIEW程序控制界面和动画界面设计为两个独立的VI，在运行虚拟样机时运行控制界面，利用控制界面调用动画界面。使用Global全局变量实现两个界面之间的数据传送，如图6，图8。图9 完成的虚拟样机最后使用Build Application工具将程序打包成安装文件，在Build时要加入由SIT生成的动态链接库文件和VRML模型文件，并注意在LabVIEW程序中两文件的打开路径需要与打包后两文件的相对位置一致。完成的虚拟样机如图9。现今流行的PC硬件配置环境完全能够实现流畅平滑和细腻的动画效果。3 结论通过以上步骤可以看出，综合使用SimMechanics的CAD转换器将SolidWorks装配图生成仿真模型以及使用NI-SIT工具将仿真模型转换成LabVIEW程序来驱动SolidWorks子装配图转化的VRML模型是该方法生成虚拟样机的突出特点。使用该方法生成虚拟样机具有以下功能：1、 可以脱离建模软件、仿真软件、编程软件的支持而单独运行。2、 具有和真实机电产品一致的特性，可以再现机电产品动力学品质。3、 可以在线修改仿真模型参数，方便对系统的调试。由于使用了复杂机电产品一体化的设计策略，在产品的整个设计过程中采用接口一致的商用软件工具，使设计流线化，提高产品的开发效率。可以方便的将虚拟样机向用户发布，作为产品宣传和培训资料，所以该方法很具有实际意义。同时该方法集成了系统建模、控制器设计、交互式仿真，是一种全新的虚拟样机设计方式。参 考 文 献：1 熊光楞, 李伯虎, 柴旭东. 虚拟样机技术J. 系统仿真学报, 2001, 1, 114-1172 The Mathsworks