ADAMS與Matlab聯(lián)合仿真要點

1、7.1 機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)建模使用實例機(jī)械系統(tǒng)建模實例將創(chuàng)建一種機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)模型，是阿波羅登月計劃中用于夾緊登月艙和宇宙飛船的十二個夾緊機(jī)構(gòu)之一。夾緊機(jī)構(gòu)包括：搖臂（Pivot） 、手柄（Handle） 、鎖鉤（Hook） 、連桿（ Slider）和固定塊（ground Block ）等物體。夾緊機(jī)構(gòu)的工作原理是：如圖7-1 所示，在夾緊機(jī)構(gòu)手柄（Handle）處施加一個作用力，驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使其鎖鉤（Hook ）處產(chǎn)生十倍于作用力的夾緊力，用于夾緊登月艙和宇宙飛船。夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求是：至少產(chǎn)生800N 的夾緊力；施加在手柄上的力應(yīng)不大于80N；釋放手柄的力應(yīng)最?。辉谡駝迎h(huán)境中夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)安全可靠。

2、圖 7-1 夾緊機(jī)構(gòu)三維模型圖以下將從創(chuàng)建幾何構(gòu)件、添加約束、添加載荷及結(jié)果后處理等幾個方面詳細(xì)介紹機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)模型的建立。通過本實例的學(xué)習(xí)，能夠詳細(xì)了解ADAMS 軟件設(shè)計流程及使用方法。7.1.1 創(chuàng)建幾何構(gòu)件1、創(chuàng)建新模型本實例將使用ADAMS/View 的零件庫、約束庫和力庫創(chuàng)建夾緊機(jī)構(gòu)模型。首先打開ADAMS/View ，選擇“ Create a new model ”，模型名稱（Model Name ） ： Latch，點擊 OK，創(chuàng)建新模型完畢。其它設(shè)置如圖7-2 所示：圖 7-4 設(shè)置工作網(wǎng)格2、設(shè)置工作環(huán)境選擇菜單欄【Settings】【Units】命令，設(shè)置模型物理量單位，

3、如圖7-3 所示：圖 7-3 設(shè)置模型物理量單位選擇菜單欄【Settings】【W(wǎng)orking Grid 】命令，設(shè)置工作網(wǎng)格，如圖7-4 所示：3、創(chuàng)建設(shè)計點設(shè)計點是幾何構(gòu)件形狀設(shè)計和位置定位的參考點。本實例將通過設(shè)計點列表編輯器創(chuàng)建幾何構(gòu)件模型所需要的全部設(shè)計點。選擇并點擊幾何模型庫( Geometric Modeling ) 中的點 ( Point) ， 下拉菜單選擇( Add to Ground ) 、( Don t Attach) ，并單擊Point Table 列表編輯器，創(chuàng)建并生成Point_1 、 Point_2 等六個設(shè)計點，如圖 7-5、圖 7-6 所示：圖 7-5 設(shè)計點

4、列表編輯器圖 7-6 創(chuàng)建設(shè)計點4、創(chuàng)建搖臂（Pivot）選擇并點擊幾何模型庫（ Geometric Modeling ） 中的平板 （ Plate） ， 設(shè)置平板厚度值（ Thickness）為 1，圓角半徑（Radius）為1，用鼠標(biāo)左鍵選擇設(shè)計點：Point_1 、 Point_2、 Point_3，按鼠標(biāo)右鍵完成搖臂（Pivot）的創(chuàng)建，將其重新命名（Rename）為Pivot，如圖 7-7 所示：圖 7-8 創(chuàng)建手柄5、創(chuàng)建手柄（Handle）選擇并點擊幾何模型庫（Geometric Modeling ）中的連桿（Link ） ，用鼠標(biāo)左鍵選擇設(shè)計點：Point_3 和 Point_

5、4，完成手柄（Handle）的創(chuàng)建，將其重新命名（Rename）為Handle，如圖 7-8所示：6、創(chuàng)建鎖鉤（Hook）選擇并點擊幾何模型庫（Geometric Modeling ）中的拉伸體（Extrusion） ，選擇“ New Part”和“ Clsoed”，拉伸體長度（Lengh）設(shè)為1，用鼠標(biāo)左鍵選擇表7-1 所示的 11 個位置，按鼠標(biāo)右鍵完成鎖鉤的創(chuàng)建，將其重新命名（Rename）為Hook，如圖7-9 示：表 7-1 鎖鉤節(jié)點坐標(biāo)X 坐標(biāo)Y 坐標(biāo)Z 坐標(biāo)153023503-6604-14605-15506-15307-14108-12109-123010-53011420圖

6、7-10 創(chuàng)建連桿7、創(chuàng)建連桿（Slider）選擇并點擊幾何模型庫（Geometric Modeling ）中的連桿（Link ） ，用鼠標(biāo)左鍵選擇設(shè)計點：Point_5 和Point_6，完成連桿（Slider）的創(chuàng)建，將其重新命名（Rename）為Slider，如圖 7-10 所示：8、創(chuàng)建固定塊（Ground Block ）選擇并點擊幾何模型庫（Geometric Modeling ）中的長方體（Box） ，選擇“ On Ground”，使其與大地（Ground）固結(jié)在一起，按下圖創(chuàng)建固定體用鼠標(biāo)左鍵選擇設(shè)計點：Point_5 和 Point_6，完成連桿（Slider）的創(chuàng)建，將其重新

7、命名（Rename）為Slider，如圖 7-11 所示：圖 7-12 添加旋轉(zhuǎn)約束副和圓柱約束副7.1.2 添加約束1、添加旋轉(zhuǎn)約束副選擇并點擊約束庫（Joints）中的旋轉(zhuǎn)副（Revolute Joints） ；選擇 “ 1 Location ”（一個位置） ，“ Normal To Grid ”（垂直于工作網(wǎng)絡(luò)） ， 用鼠標(biāo)左鍵選擇Point_1 ，創(chuàng)建搖臂和大地的約束副；選擇“ 2 Bodies - 1 Location ”（兩個物體一個位置）， “ Normal To Grid ”（垂直于工作網(wǎng)絡(luò)），選擇搖臂和鎖鉤兩個物體，左鍵選擇Point_2， 創(chuàng)建搖臂和鎖鉤的約束副；同理選擇搖

8、臂和手柄，位置為Point_3，手柄和連桿，位置為Point_5，創(chuàng)建搖臂和手柄、手柄和連桿的旋轉(zhuǎn)約束副。如圖7-12 所示：2、添加圓柱約束副選擇并點擊約束庫（Joints）中的圓柱副（Cylindrical Joints ） ；選擇“ 2 Bodies - 1 Location ”（兩個物體一個位置）， “ Normal To Grid ”（垂直于工作網(wǎng)絡(luò)），在連桿和鎖鉤之間創(chuàng)建圓柱副，位置為Point_6，如圖 7-11 所示。3、添加點-面約束副選擇并點擊約束庫（Joints）中的點-面副（In-Plane Primitive Joints ） ；選擇“ 2 Bodies - 1 Lo

9、cation ”（兩個物體一個位置）， “ Pick Geometry Feature ”（通過幾何體特征確定約束副方向），用鼠標(biāo)左鍵首先選擇鎖鉤，然后選擇固定塊，設(shè)置約束副的位置（-12， 1 ，0） ，確定約束副的方向垂直向上，如圖7-13 所示，創(chuàng)建點 面約束副，使鎖鉤上的一點可以在固定塊的一個平面內(nèi)移動。圖 7-14 添加彈簧7.1.3 添加載荷1、添加彈簧選擇并點擊載荷庫（Create Forces）中的彈簧（Spring-Damper） ，設(shè)置彈簧剛度（K）為800，阻尼（C）為0.5，用鼠標(biāo)左鍵選擇位置（-14，1，0）、 （-23，1，0），創(chuàng)建鎖鉤和大地之間的彈簧，如圖 7-

10、14 所示。2、添加單向力選擇并點擊幾何模型庫（Geometric Modeling ）中的連體坐標(biāo)系（Marker） ，在位置（-18， 14，0）處創(chuàng)建“Mar_5”；選擇并點擊載荷庫（Create Forces）中的單向力（Force） ，設(shè)置力的方向為“Body Moving ”與物體固連，初始方向選擇“Pick Geometry Feature”，力設(shè)為“Constant”，數(shù)值為80；用鼠標(biāo)左鍵選擇手柄為參考物體，然后選擇Point_4 為力的作用點，選擇“Mar_5”確定為力的方向，如圖7-15 所示：圖 7-15 添加單向力至此，夾緊機(jī)構(gòu)模型已經(jīng)成功創(chuàng)建。選擇主工具欄(Main

11、 Tools)中仿真運(yùn)行(Run Simulation ) ，設(shè)置仿真終止時間(End Time)為0.2，仿真工作步長(Steps)為100，然后開始仿真，觀測模型的運(yùn)行情況。7.1.4 結(jié)果后處理本小節(jié)將通過測量彈簧力的大小測試夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力，通過測量三個點的角度值測試手柄的運(yùn)動軌跡，并通過創(chuàng)建一個傳感器確定夾緊機(jī)構(gòu)的鎖止位置。1、測量彈簧力將鼠標(biāo)放置在夾緊機(jī)構(gòu)模型中的彈簧上，按右鍵選擇“Spring_1 ”中的測量(Measure)命令，并將測量對話框中特性(Characteristic)選項設(shè)為力(Force) ；系統(tǒng)生成彈簧力變化曲線，如圖7-16 所示：圖 7-16 彈簧力測試曲

12、線2、測量角度選擇菜單欄【Build 】【 Measure】【Angle】【New】 ，在測量角度對話框中，鼠標(biāo)右鍵單擊( First Point)欄，選擇“Marker”中的“Pick”，選擇Point_5 處的 Marker 作為測量角度的第一點；相同的方法選擇(Middle Point)和(Last Point)為 Point_3 和 Point_6 處的 Marker。如圖7-17 所示：圖 7-17 測量角度對話框設(shè)置示意圖7-18 所示：圖 7-18 角度測量曲線7-19 所示，表示系統(tǒng)生成三個點形成的角度變化曲線，如圖3、創(chuàng)建傳感器選擇菜單欄【Simulate】【Sensor】【

13、New】 ，設(shè)置傳感器對話框，如圖“ Angle_Mea_4 ”等于或小于( Less than and equal) 0，系統(tǒng)將終止(Stop)仿真。圖 7-19 傳感器對話框設(shè)置示意圖0 時，運(yùn)行仿真模型，測量的彈簧力和測量角度變化情況如圖7-20、 圖 7-21 所示， 當(dāng)角度等于系統(tǒng)終止了仿真。1圖 7-21 測量角度變化曲線7.2 ADAMS/Controls 使用實例本實例以MATLAB 作為外部控制程序，以偏心連桿模型為例，講解ADAMS 與 MATLAB 的聯(lián)合仿真過程。主要包括創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)模型、模型參數(shù)設(shè)置、建立MATLAB 控制模型以及結(jié)果后處理四個步驟。 機(jī)械模型建立、模

14、型參數(shù)設(shè)置這兩步為了導(dǎo)出一個可在MATLAB 軟件 SimulinkADAMS 模型的信息參數(shù)，并有輸入輸出接口。利用這個模塊在 MALTAB 中建立控制系統(tǒng)，就可以控制ADAMS 模型， 在仿真結(jié)束后，可以直接在MATLAB中得到所需的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行后處理。偏心連桿的形心與大地以鉸鏈相連，連桿可以繞著鉸鏈轉(zhuǎn)動。連桿右端連接有一個小球，由于小球的存在，使整個機(jī)構(gòu)的質(zhì)心與形心不重合，若在連桿左端沒有力矩作用，連桿將做順時針運(yùn)動。本例通過測量連桿運(yùn)動的角速度、角度，對左端力矩的大小進(jìn)行不斷控制，最終使連桿相對平衡，即其角速度為零。圖7-22偏心連桿模型下將詳細(xì)介紹聯(lián)合仿真的詳細(xì)步驟。通過本實例的學(xué)習(xí)

15、，能夠詳細(xì)了解ADAMS 軟件與 MA TLAB 聯(lián)合控制的使用方法。7.2.1 創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)模型1、設(shè)置單位啟動 ADAMS/View ， 選擇新模型，在模型名輸入MODEL_1 。 選擇菜單欄【 Settings】 【 Units】命令， 設(shè)置模型物理量單位，將單位設(shè)置成MMKS ， 長度和力的單位設(shè)置成毫米和牛頓，如圖 7-23所示：圖 7-23 設(shè)置模型物理量單位2、創(chuàng)建連桿單擊幾何工具包中的連桿按鈕，將連桿參數(shù)設(shè)置為Length=400 ， Width=20 ， Depth=20，然后在圖形區(qū)水平拖動鼠標(biāo)，創(chuàng)建一個連桿，如圖7-24。圖 7-24 創(chuàng)建連桿3、創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副單擊運(yùn)動副工具

16、包中的旋轉(zhuǎn)副按鈕，將旋轉(zhuǎn)副的參數(shù)設(shè)置為1 Location 和 Normal to gird ，單擊連桿質(zhì)心處的Marker 點，將連桿和大地關(guān)聯(lián)起來，如圖7-25 所示。圖 7-25 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副4、創(chuàng)建球體單擊幾何工具包中的球體按鈕，將球體的選項設(shè)置為Add to Part，半徑設(shè)置為20，然后在圖形區(qū)單擊連桿，再單擊連桿右側(cè)處的Marker 點，將球體加入到連桿上，如圖7-26 所示。此時連桿的質(zhì)心產(chǎn)生了移動。圖 7-26 創(chuàng)建球體5、創(chuàng)建單分量力矩單擊載荷工具包中的單分量力矩按鈕，將單分量力矩的選項設(shè)置為Space Fixed 和 Normal toGrid，將 Characterist

17、ic 設(shè)置為Constant，勾選Torque 并輸入0，然后在圖形區(qū)單擊連桿，再單擊Marker 點，在連桿上創(chuàng)建一個單分量力矩，如圖7-27 所示。圖 7-27 創(chuàng)建單分量力矩至此，偏心連桿模型已經(jīng)建好。7.2.2 模型參數(shù)設(shè)置1 、創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量單擊菜單【Build 】【 System Elements】【 State Variable】【 New】 ，彈出創(chuàng)建狀態(tài)變量對話框。如圖7-28，將 Name 輸入框改成. MODEL_1.Torque （ MODEL_1 為文件名，Torque為變量名） 。單擊 OK 按鈕后創(chuàng)建狀態(tài)變量Torque 作為輸入變量。圖 7-28 創(chuàng)建輸入變量

18、Torque3、將狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián)在圖形區(qū)雙擊單分量力矩的圖標(biāo)，打開編輯對話框，如圖7-28 所示，在Function 輸入框中輸入 VARVAL（.MODEL_1.Torque） ， 這 里 VARVAL （ ） 是 一 個 ADAMS 函 數(shù) ， 它 返 回 變量 .MODEL_1.Torque 的值。 通過函數(shù)把狀態(tài)變量Torque 與力矩關(guān)聯(lián)起來，力矩取值將來自于狀態(tài)變量Torque。圖 7-28 編輯單分量力矩對話框4、指定狀態(tài)變量Torque 為輸入變量單擊菜單【Build 】【 Controls Toolkit 】【 Plant Input】后，彈出定義控制輸入對話框，如圖 7

19、-29 所示。將Plant Input Name 輸入框改成. MODEL_1 .PINPUT_Torque, 在 Variable Name輸入框中，用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入狀態(tài)變量.MODEL_1.Torque , 單擊OK按鈕。圖 7-29 定義控制輸入對話框5、創(chuàng)建輸出狀態(tài)變量單擊菜單【Build 】【 System Elements】【State Variable】【New】 ，彈出創(chuàng)建狀態(tài)變量對話框。如圖7-30 所示， 將 Name輸入框修改成. MODEL_1 . Angle， 在 F(time, )=輸入框中輸入表達(dá)式 AZ(MARKER_3,MARKER_4)*180/PI

20、，單擊 Apply 按鈕創(chuàng)建狀態(tài)變量Angle 作為第一個輸出 變 量 ，然 后將 Name 修 改 成 . MODEL_1 . Velocity ， 在 F(time, )= 輸 入框 中 輸入 表 達(dá)式WZ(MARKER_3,MARKER_4)*180/PI ， 如圖 7-31 所示。 其中AZ()函數(shù)返回繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角，這里代表連桿相對于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，WZ ()函數(shù)返回繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的角速度，這里代表連桿的角速度。圖 7-30 創(chuàng)建輸出變量Angle圖 7-31 創(chuàng)建輸出變量Velocity6、指定狀態(tài)變量angle 、 Velocity 為輸出變量單擊菜單【Build 】【 Contr

21、ols Tookit 】【 Plant Output】后，彈出創(chuàng)建控制輸出對話框，如圖 7-32 所示。 將 Plant Output Name 輸入框修改成. MODEL_1.PINPUT_output 。 在 Variable Name 輸入框中，用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入狀態(tài)變量Angel 和 Velocity，單擊 OK 按鈕。7、導(dǎo)出控制參數(shù)如果還沒有加載ADAMS/Controls 模塊，單擊菜單【Tools】【Plugin Manager】 ，在彈出的插件管理對話框中選擇ADAMS/Controls 模塊， 并單擊 OK 按鈕， 之后出現(xiàn)一個新的菜單Controls。單擊菜單【Con

22、trols】 【 Plant Export】 ， 彈出導(dǎo)出控制參數(shù)對話框，如圖 7-33 所示。 在 File Prefix輸入框中輸入controlspid ， 在 Plant Input 輸入框中用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入PINPUT_Torque， 在 PlantOutput 輸入框中用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入.PINPUT_output ，將 Control package 選擇為 MATLAB ，Type 選擇為 non_linear， Initial Static Analysis 選擇 NO,ADAMS/Solver Choice 選擇為 Fortran。 單擊 OK 按鈕后，在ADAM

23、S 的工作目錄下將生成controlspid.m 、 controlspid.cmd 、 controlspid.adm 這3 個文件。7.2.31、導(dǎo)出 ADAMS 模型在 MATLAB 里的模塊啟動 MATLAB ， 先將 MA TLAB 的工作目錄指向ADAMS 的工作目錄，方法是單擊工作欄中Current Direction 后的按鈕，彈出選擇路徑對話框。在MA TLAB 命令窗口的>>提示符下，輸入 controlspid，也就是controlspid.m 的文件名，然后在>>提示符下輸入命令A(yù)DAMS_sys , 該命令是 ADAMS 與 MATLAB 的接

24、口命令。在輸入 ADAMS_sys 命令后， 彈出一個新的窗口，該窗口是MATLAB/Simulink 的選擇窗口，其中 S-Function 方框表示ADAMS 模型的非線性模型，即進(jìn)行動力學(xué)計算的模型，State-Space表示ADAMS 模型的線性化模型，在ADAMS_sub 包含有非線性方程，也包含許多有用的變量。2、建立控制方案在 MA TLAB/Simulink 選擇窗口中，單擊菜單【File】【New】【Model】后，彈出一個新的窗口，單擊工具欄中的保存按鈕，將新窗口存盤為control_model.mdl （不能與.m 文件同名）將 ADAMS_sub 方框拖拽到control_model.mdl 窗口中，并參考圖7-34 完成控制系統(tǒng)的搭建，也可采用其他的控制方案。圖 7-34 連接后的控制方案3、設(shè)置MATLAB 與 ADAMS 之間的數(shù)據(jù)交換參數(shù)在 control_model.mdl 窗 口 中 雙 擊 ADAMS_sub 方 框 ， 在 彈 出 的 新 的 窗 口 中