机电一体化综合设计实训教程 课件 第11章 机电液联合仿真

第11章基于Automation

Studio的虚拟仿真控制实验机电一体化综合设计实训教材机电液联合仿真本章导览11.1AutomationStudio软件软件功能、模块组成与多学科联合仿真11.2基于AS的指示灯控制设计PLC接线、梯形图、变量链接与仿真分析11.3湿喷车机电液联合仿真实验液压建模、3D建模、约束、关联与联合仿真11.4甘蔗收割机机电液仿真实验液压/3D模型、顺序功能、PID控制与结果分析11.1AutomationStudio软件AutomationStudio（AS）是面向工业智能制造的自动化设计平台。集成学科：气动、液压、电工、HMI、3D编辑、数学方框图、机械传动、传感器、数字电路、PLC梯形图和SFC。核心特点：可分别设计各学科原理图，并让不同学科的变量交叉应用，形成从机械3D、电气、气动液压到PLC程序的协同设计。11.1软件模块与联合仿真原理软件把不同学科的模型组织在同一项目中。•原理图层：液压、电气、气动和PLC/SFC。•机械层：3D编辑器与机械传动机构。•控制层：HMI、传感器、数学方框图。多学科联合仿真通过变量链接实现：液压元件状态驱动3D运动，控制变量改变阀与执行元件，仿真结果再反馈到控制系统。图11.1AS软件的基本功能展示图11.1AS软件的基本功能11.2基于AS的指示灯控制设计实验目的开关控制指示灯并实现自锁。控制逻辑常开开关→IN0；常闭开关→IN7；输出线圈→OUT0；输出触点与IN0并联。图11.2PLC控制逻辑图11.2实验步骤：创建项目第一步：在AS的新建项目卡下选择项目模板。图11.3新建项目11.2外部电气接线图绘制第二步：从库资源管理器拖入电气元件并完成连接。图11.4接线图绘制11.2选择电气控制元件在库资源管理器的电气控制下选择PLC卡及相关组件。图11.5电气控制元件库11.2添加PLC卡可通过目录管理器添加制造商PLC硬件库。图11.6添加PLC卡11.2PLC硬件连接按照实验功能要求，将PLC卡与各组件按接线图连接。图11.7硬件连接11.2PLC程序设计：建立梯形图在电气控制库中选择梯形图，建立梯级与接点关系。图11.8建立梯形图11.2PLC程序设计：组件链接通过“变量分配”把开关、线圈与PLC输入/输出变量建立链接。图11.9组件链接11.2仿真分析与结果通过仿真实验结果（图11.10），可以观察到：闭合S1，指示灯亮起；闭合S2，指示灯熄灭。由于具有自锁功能，只要不断开S2，即使S1打开，指示灯仍保持常亮。指示灯熄灭后，只有重新闭合S1并断开S2，才会再次亮起。本次实验达到实验目的。图11.10仿真结果图11.3湿喷车机电液联合仿真实验对象：隧道施工用混凝土湿喷台车。建模范围：机械臂臂架液压回路与3D结构的机电液联合仿真。教学主线：自定义并简化液压模型→导入拆分3D模型→设置三类约束→建立液压—3D关联→参数设定与联合仿真。11.3液压建模：阀块自定义选择液压库中的阀块拖入标准图，双击进行阀的自定义设置。图11.11阀块自定义功能界面11.3液压建模：九联多路阀按实际参数修改换向阀类型、端口数、位置数、初始位置和中位机能。图11.12自定义完成后的九联多路阀11.3液压模型简化教育版元件数受限时，保留七个主要动作：五个液压缸和两个回转马达。图11.13简化后的液压仿真模型11.3机械臂3D建模方法AS中建立3D模型有两种方式：使用软件自带编辑器建立，或导入其他应用程序创建的零件。教材采用Pro/E预先创建模型，再导入AS3D编辑器。Pro/E模型共209个零件，全部导入会增加不必要的工作量。因此按运动约束拆分为九个子模型：支座、大臂俯仰油缸、大臂伸缩机构、中臂俯仰油缸、中臂折叠油缸、折叠四杆机构、小臂伸缩机构、喷头回转机构和喷嘴摆动机构。先设置各子模型内部约束，再设置子模型之间约束。11.3Pro/E中建立的3D模型机械臂各零件在Pro/E中预先创建。图11.14Pro/E中建立的3D模型11.3零件格式转换AS的3D编辑器只识别（*.stl）、（*.stp）、（*.igs）三种格式。Pro/E中创建的零件默认格式为（*.asm）和（*.prt），需在Pro/E中点击“文件”→“保存副本”，选择IGES类型，并在后续IGES导出设置中勾选“曲面”和“所有零件”。图11.15零件的格式转换11.33D模型拆分按运动约束将模型拆分为九个子模型；先分别建立子模型并设置内部约束，再设置子模型之间的约束。各子模型名称及拆分依据见第19页。图11.16分拆后的各子模型11.33D约束：旋转铰接由轴线和两个零件定义；创建时依次选择来源零件、目标零件和旋转轴。图11.17旋转铰接以及操作对话框11.33D约束：滑动铰接由移动轴线和两个零件定义；最后选择移动轴和方向。图11.18滑动铰接以及操作对话框11.33D约束：固定铰接选择两个零件产生固定点，旋转或滑动位移会相互影响。图11.19固定点连接以及操作对话框11.3子模型内部约束（表11.1）子模型约束类型支架固定大臂俯仰油缸滑动铰接大臂伸缩机构滑动铰接中臂俯仰油缸滑动铰接中臂折叠油缸滑动铰接小臂伸缩机构滑动铰接喷头回转机构旋转铰接喷嘴摆动机构旋转铰接11.3子模型之间约束（表11.2）子模型子模型约束类型支座大臂俯仰油缸旋转铰接支座大臂伸缩机构旋转铰接大臂伸缩机构大臂俯仰油缸旋转铰接大臂伸缩机构折叠四连杆机构旋转铰接大臂伸缩机构中臂俯仰油缸旋转铰接折叠四连杆机构中臂折叠油缸旋转铰接折叠四连杆机构小臂伸缩机构滑动铰接小臂伸缩机构喷头回转机构固定铰接喷头回转机构喷嘴摆动机构固定铰接11.3重要的子模型内部约束图11.20重要子模型内部约束11.3重要的子模型间约束图11.21重要子模型间约束11.3完成约束设置的3D模型图11.22约束设置完成的3D模型11.33D与液压模型关联：窗口布局同时打开标准图和3D编辑器，并将两窗口垂直平铺。图11.23标准图与3D编辑器11.33D与液压模型关联：查看内部ID在液压缸组件属性的数据页记录内部ID，例如H58-1。图11.24大臂俯仰液压缸内部ID查看11.33D与液压元件的关联在3D管理器中选择对应约束，进入变量分配并选中液压缸的线性位置变量。图11.25大臂俯仰液压缸3D组件与液压元件的关联11.3臂架参数（表11.3）臂架动作运动范围液压执行元件大臂俯仰仰起60°，俯下30°油缸大臂伸缩行程2000mm油缸中臂俯仰仰起30°，俯下60°油缸中臂折叠行程1000mm油缸小臂伸缩行程2000mm油缸喷头回转360°液压马达喷嘴摆动单向360°连续液压马达11.3仿真参数设定在液压模型中双击元件，进入“组件属性”数据页修改相应参数。图11.26大臂俯仰仿真参数设定11.3电控系统设计控制系统需要对七个三位四通换向阀进行控制；教材以大臂俯仰部分为例。图11.27部分电气原理图11.3湿喷车机液联合仿真结果设置七个操纵杆分别控制七个电液比例换向阀，观察阀、液压执行元件与3D模型的联动。图11.28臂架机液联合仿真实验结果11.3湿喷车机电液联合仿真动作过程依次执行机械臂收回、扬起并伸出、小臂摆动、小臂伸出及喷头回转等动作。图11.29机电液联合仿真模型动作过程图11.4甘蔗收割机机电液仿真实验对象：甘蔗收割机的切割机构。控制目标：托板随地形改变角度，引起油缸伸缩，提起或放下切割机构，保证不同地形下的切割深度。建模主线：液压回路→SolidWorks3D模型→约束→与油缸关联→参数设定→顺序功能→PID控制→联合仿真。11.4液压系统建模图中元件编号：1油箱；2过滤器；3单向泵；4溢流阀；5三位四通换向阀；6平衡阀；7压力计；8双作用缸；9PID控制器；10托板正转按钮；11托板反转按钮；12托板复位按钮。图11.30甘蔗收割机液压原理图11.4收割机3D模型拆分在SolidWorks中创建模型后导入AS3D编辑器，按运动关系拆分子模型。图11.31分拆后的各子模型11.4子模型约束（表11.4/11.5）子模型子模型约束类型支架—固定（内部）支架切割机构旋转铰接支架活塞旋转铰接切割机构油缸旋转铰接托板切割机构旋转机构（教材原文）油缸活塞滑动铰接11.4重要约束与结构关联本实验需要将支架固定，并设置切割机构、油缸、活塞和托板之间的运动约束。图11.32重要子模型内部约束11.4托板液压参数（表11.6）动作运动范围液压执行元件托板转动当前位置前后40°的范围托板11.4液压元件仿真参数设定在液压模型中进入组件属性的数据页，设定油缸参数。图11.33伸缩油缸仿真参数设定11.4顺序功能图的建立在项目文档中建立顺序功能图文档。图11.34顺序功能图的建立11.4添加托板控制按钮在HMI和控制面板下添加按钮10、11、12。图11.35按钮的添加11.4结构化文本控制程序s1、s2、s3分别与按钮10、11、12链接；x1与托板—割刀机构旋转铰接链接。图11.36托板转动代码的编写11.4引入PID控制器在库资源管理器的接口与控制中加入控制器。图11.37PID控制器的添加11.4PID控制器输出变量输出变量为2.5×托板旋转角度信号−活塞在油缸中的位置信号。图11.38PID控制器输出变量11.4PID输出与比例换向阀链接将PID输出变量链接到三位四通比例换向阀磁铁的比例模型变量。图11.39PID控制器输出变量与换向阀的链接11.4收割机构机液联合仿真PID输出控制换向阀，换向阀改变液压回路，油缸和关联的3D组件随之运动。图11.40收割机构机液联合仿真实验11.4收割机构动作过程托板逆时针转动40°使油缸伸出，再顺时针返回原位使油缸收回。图11.41机电液联合仿真模型动作过程图11.4PID参数调节调节比例增益、积分增益和微分增益，使响应迅速、运行平稳。图11.42PID控制器各参数的设置11.4仿真结果与压力流量分析输出变量插值稳定在一定范围，油缸有杆腔和无杆腔压力、流量波动不大。图11.43油缸各参数仿真图本章小结•AS集成气动、液压、电气、PLC、SFC、3D等学科，支持跨学科变量链接与联合仿真。•指示灯案例展示了项目创建、接