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综合机械和电动液压系统建模和虚拟现实仿真技术的虚拟机器人挖掘机
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综合机械和电动液压系统建模和虚拟现实 仿真技术的虚拟机器人挖掘机 刘静 上海科技大学机械工程学院 文摘 挖掘机器人是机电液一体化的智能化挖掘机，对这种挖掘机的开发涉及到机械，电子和液压等多学科方面的技术。传统的物理样机开发模式存在开发周期长、成本高、修改困难等多方面的问题。应用数字化虚拟样机技能有效地克服传统物理样机开发模式的缺陷，加快产品开发速度，节约开发本，为全系统、全性能的设计评价产品提供了一种有效的手段。本文对挖掘机器人的虚拟样机技术进行了研究，提出了针对这种复杂机电一体化工程机械的一种新型 建模方法，将挖掘机的机械、液压、控制系统分开来建模，利用不同的商品软件如 ， 建立相应子系统的参数化模块模型，建立了基于多种平台的虚拟样机模型，并在此基础上进行了机电系统联合仿真研究。对接口技术和液压系统模型进行研究和开发实现综合机械和电动液压系统虚拟的现实模拟。 关键词 :机器人挖掘机虚拟样机、综合机械和电动液压系统、虚拟现实模拟、亚当斯、 介绍 机器人挖掘机是一种整合机械和电液智能化的挖掘机，机械挖掘机的发展涉及机械、电气和液压的等不同学科。 1传统的物理发展模式原型存在许多问题，如开发周期长、成本高、修改困难，等等。虚拟样机技术的应用可以克服的物理样机开发模式的缺陷 :加快产品开发速度，节省开发成本，并提供一个有效的全球产品系统绩效的方法设计和评价。 2虚拟机器人挖掘机原型研究，利用对集成机械和电动液压系统的复杂工业机器建模，其中机器人的机械、液压和控制系统挖掘机利用不同的软件建模 :， 子系统模型通过软件接口和系统相互作用的原则确定操作参数。 控制虚拟机器人挖掘机的工具常用的是鼠标和原型模拟键盘，它们并 不是模仿，并且不能得到操盘实际操作的感受。虚拟现实 (术，可以通过各种设备和方法提供浸泡感，似乎是一个很好的视觉模拟控制方法，但是模型的虚拟现实是几何的，它不能模拟活动状态的产品。虚拟现实仿真技术集成虚拟原型和力反馈功能操作控制的虚拟现实技术，可以通过通过力反馈手柄操纵模型机器人的性能曲线和输出子系统。 2 计划 同建模框架 机器人挖掘机是一个多变量、多系统耦合的控制问题，设计到相关控制算法、系统运动学和动力学，机械和控制部分可共享相同的动态虚拟样机和联合仿真 m 方案模型的框架是图 1:基 于建模 3d 的机制、动态、液压、控制的多学科建模，及加载子系统 控制系统实现了定义不同子系统之间的接口、设置 制和 数转换之间的相关性。 图 1 协作建模框架 拟现实仿真框架 机器人挖掘机只使用软件 用虚拟模拟的运动控制复杂的机械和电动液压系统等 ， 优势是动态分析，但不容易建立孤立的液压和控制系统模型，也是当使用各种的机械挖掘机性能控制很难模拟 34。 接口提供许多其他控制件 (如 阵， 56，并通过这些接口可以实现联合仿真与 间的机械，电气和液压系统，见图 2。挖掘机操作的模拟控制的离开了和正确的手段实现了力反馈杆通过发展操纵虚拟样机力反馈杆之间的接口，控制系统模型和虚拟机器人挖掘机原型，通过模拟多单元阀门光圈大小来调节力臂达到控制液压的工作速度汽缸。 图 2 虚拟现实仿真框架 3 子系统建模 械动态建模 机械动力学模型包括两个部分 :在三维特征造型 软件 中建立挖掘机器人的带有质量、转动惯量等物理特征的各个部件 ;采用动力学仿真软件 用其运动约束库，力库等模块以及数值建模与求解函数，建立起机构动力学模型，在此基础上将机械系统模型和机构模型集成就形成了挖掘机器人在 境下具有真实外观特征的机械模型。在 境下模型的外观图 3 所示。 图 3 在 拟 型模型 压和控制系统的建模 在 环境下，液压和控制系统利用 供的线性和非线性模块及 型的液压回路模型是图 4 所示。 图 4 典型液压回路模型 许多控制方法应用于机器人挖掘机，其中节能控制技术是最重要的研究领域之一。这些控制方法与液压系统集成在一起，在对其液压系统建模时要考虑到这些控制方法的实现和模拟。模块化采用建模方法中，负流量控制，正流量控制，负荷传感控制、交叉功率传感控制等，也采用模块化的建模方法，对每一种控制方法都建一个相应的模块，最后形成一个控制模块库，不同控制方法的采用可以通过调用控制模块库中相应的模块来实现，这样就实现了不同控制方法之间的快速切换。机械挖 掘机的液压系统建模是由几个电路模块和控制系统模型是相互嵌入相关模块。只有负流量控制时如图 5 所示，其中，线轴位移 ;P:旁路回油压力。 （ a）打包模型接口 （ b）模型接口包装之前 图 5 负流量控制模式 4 协作之间的参数子系统 挖掘机虚拟样机的仿真运行需要将在不同的软件平台上协同工作生成的不同格式的数据、模型集成构系统模型为有机关联的整体，系统模型的集成通过数据传送和相关参数的关联来实现。虚拟样机中执行作业动作的机械系统模型与工作动力的提供者 液压系统模型有密切的关系。机械系统承受液压系统的输出力和外界负载的共同作用，遵循机械动力学运动定理和机构模型的约束条件产生机构运动，输出为各种运动特性参数，如 (角 )速度、 (角 )加速度、 (角 )位移等，如图 6 所示。 图 6 机械系统和液压系统参数之间的关系 液压缸液压力输出的图 6: 液压缸输出液压力是液压缸作用面积和压力函数12211 式中 N； 压缸无杆腔活塞面积， 积； 马达输出扭矩是排量和压力差的函数： mP/(2) 式中 m3/r； a。 产生的运动有：机构系统直线运动。 速度： 01 m 位移： 式中 F 一液压力 负载力之和， N;m 一质量， 机构系统旋转运动 角速度： 1角位移： 式中 Nm； 反过来机械系统参数也直接影响着负载和液压系统的作用情况。机械系统模型对负载的影响主要是斗尖在土壤中的位置变化引起负载大小的变化，或因工作姿态的变化，引起负载作用力臂减短。输出的 , 运动参数对液压系统模型的直接影响主要集中在马达流量和液压缸压力区体积上。 马达流盘方程 :Q 马达转速 m 受负载影响，与机械系统中马达所驱动的上部转台转速 成线性关系，机械系统输出的转速 乘以传速比就是油马达的转速 m。 马达链接的压力区压力方程： 2110 式中 的压力； 的压力； 因此液压系数模型中马达的流 量和压力最终都可以描述为机械系统模型中回转平台转速 的函数。 活塞杆运动抽走或挤入得流量方程： 油腔 1： 11 油腔 2： 22 压力方程： 油腔 1： 1111110 , Pi 油腔 2： 2222220 , Pi 液压缸连接的两个压力区体积是活塞杆位移y的函数，流量是活塞杆速度 y 的函数，因此挖掘机机械系统模型中的 y、y状态值直接影响液压系统模型中压力区的压力波动状态。 图 7 液压缸 虚拟样机环境中将机械系统和液压系统集成就是将上述所有相关的状态参数相互传递、引用，产生类似实际挖掘机中两个系统间的有机关联 :挖掘机机构系统模型中的主动力和力矩的大小引用液压系统模型中的液压力、力矩的输出。同时在液压系统模型各元件的压力和流量方程中直接引用机构模型中各个关键点的速度、位移函数、 。 例如， 境中液压系统模型中表示的斗杆油缸流量 1，其中， (式中， 中 机构模型中铰点 D、 E 对应的关键点参考坐标，如图 8所示 。 t， 两点间的速度状态函数，返回 标记相当于 这里将返回上一时刻斗杆液压缸活塞杆速度 y 的状态值，其方向的正负表示流量是挤入或抽出。 图 8 键点的设置 5 虚拟现实仿真 真参数设置 件内含的 块提供了 间的标准接口，在接口设置对话框中可以方便地设置输人输出变量，其中的每一个物入输出变量都在定义为相应的状态变量，使机构系统的动力学运动方程与液压系统的驱动作用有机关联 起来。 的接口设置对话框为图 9 所示。 图 9 接口设置在 间 在 境下打开 件，在其中设计并添加液压控制系统模型。件中含有了定义好的输人输出变量设置，如图 10 所示： U 代表输入变量，Y 代表输出变量，和 T 代表时钟变量。 图 10 参数界面 在 件中添加已经建立好的液压控制系统模块后如图 11 所示。 图 11 联合仿真模型 同仿真结果 (a) 联合滑阀位 移 （ b） 铲斗阻力 (c) 铲斗提示跟踪，速度和液压回路的压力 （ d） 泵位移和旁路电压 （ e） 泵位移和旁路电路 压 图 12 仿真结果 从仿真结果可以看到，此模型可以模拟一个典型的挖掘机机器人的工作周期、输出运动、动态变化、液压而且可同时控制系统性能曲线。该子系统可以通过分析控制系统模型和协作关系来验证模型下的泵位移负流量。控制模式 :负流量控制理论泵位移由旁路电路调整压力和 制，也就是说，泵位移随着旁路电压上升而下降反之亦然。图 (d)和图 (e)说明 路电压的变化趋势 :随着电压上升位移迅速减少， 力的突然上升意味着的阀口旁路电路迅速增加，造成更多的损耗，所以负流量控制理论是用来减少油路损耗。阀芯位移很小，当扶轮电机工作时，阀口面积和旁路电路旁通流量大，使用负流控制将降低范围，使流增加并不显著，见图 12(d)。 6 结论 本文以挖掘机器人虚拟样机实现技 术为例，对复杂机电液一体化系统的
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