CN107991899A - 一种压铸模取件机械手联合仿真方法 - Google Patents
一种压铸模取件机械手联合仿真方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种压铸模取件机械手联合仿真方法,首先针对压铸模生产的取件机械手的主体结构,确定了主要零部件的结构尺寸和机械手整体的工作空间;其次,通过结构动力学与控制动力学的联合,建立了各个关节的PD控制器,得到了控制系统的主要控制参数;最后,对建立的控制器参数进行了仿真优化,并将仿真优化后的控制器参数,运用到机械手的运动控制器中,证明了仿真优化后的控制器参数使得机械手系统有较好的轨迹跟踪特性和快速响应特性,为后期机械手轨迹的精确控制提供了基础。
Description
技术领域
本发明属于压铸模取件机械手制造优化技术领域,尤其涉及一种压铸模取件机械手联合仿真方法。
背景技术
在压铸生产过程中,为了节约成本,提高生产效率,实现自动化生产,企业对各种机械手的需求越来越大。机械手是一个机电液混合的复杂系统,传统的机械设计手段在结构设计和控制系统设计等方面还无法满足要求。
文献“七自由度机械臂的ADAMS/MATLAB联合仿真研究”(陈罡,周奇才,吴菁,严楠。系统仿真学报,2017,29(1):99-106)对7自由度机械臂进行了基于ADAMS与MATLAB的联合仿真研究,通过虚拟样机的系统分析,得到了机械臂的动态响应特性。文献“机械臂自适应神经网络控制虚拟实现”(陈水金,吴玉香。组合机床与自动化加工技术,2012(3):50-53)采用ADAMS和MATLAB的虚拟样机联合仿真的方法建立了三自由度机械臂的模型,并进行仿真,上述都无法实现机械手的轨迹跟踪不够精确,机械手整体的振动对取件精度的影响比较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种压铸模取件机械手联合仿真方法,以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为:一种压铸模取件机械手联合仿真方法,该方法包括以下步骤:
(1)建立机械手结构简化模型;
(2)机械动力学仿真:定义机械手各个部件的材料属性、转动惯量属性,设置机械手相应的运动副和运动驱动函数,采用Adams进行机械动力学仿真;
(3)仿真结果与预期一致,进行控制动力学协同仿真;
(4)将Adams中机械手的动力学模型导入到Matlab的SIMULINK模块中,并作为控制系统的机械子模型,并建立联合仿真模型;
(5)ADAMS建立联合仿真系统的机械模型并添加外部载荷及约束,MATLAB/Simulink建立联合仿真系统的控制部分。ADAMS/Controls将两者连接起来,利用MATLAB/Simulink的控制输出来驱动机械模型,并将ADAMS中机械模型的位移、速度输出反馈给控制模型,实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真。
优选的,上述步骤(4)中机械子模型的建立:通过Adams中的control模块,建立20个状态变量,其中包括4个转矩变量,1个驱动力变量,10个角位移变量,5个角速度变量;设置状态变量时要根据注意区别变量的属性,20个状态变量中,输入变量与输出变量各10个。在状态变量设置完成以后,就会生成adams_sys文件,控制系统中就会显示出设置好的输入变量和输出变量,最终生成的联合仿真系统的机械子模型。
优选的,上述步骤(5)中,在联合仿真的过程中应将其传化成线性多变量系统,采用PD控制器进行控制,通过控制各个关节的运动,实现对机械手整体的的精确控制。具体是对机械手采用PD控制,控制在ADAMS中实现,实际运动的规划在SIMULINK中进行,控制律如下:
其中xd,θd,为Simulink中规划的各个关节部件的位置与速度矩阵,作为系统的驱动输入;xm,θd,为ADAMS中实际要测量的各个关节部件的位置与速度矩阵,跟踪系统的输入信号,并将两个末端机械爪的质量降为其真实质量的10%。
本发明的有益效果:与现有技术相比,本发明将运动动力学仿真和控制系统仿真联合实现机械手的联合仿真,建立的控制器参数进行了仿真优化,并将仿真优化后的控制器参数,运用到机械手的运动控制器中,证明了仿真优化后的控制器参数使得机械手系统有较好的轨迹跟踪特性和快速响应特性,为后期机械手轨迹的精确控制提供了基础。
附图说明
图1为机械手结构图;
图2为末端执行装置的运动特性曲线图;
图3为机械子模型图;
图4为adams_sub子模型图;
图5为控制系统图;
图6为滑块的位移图;
图7为上爪角位移图;
图8为大臂角位移图;
图9为旋转帽角位移图;
图10为滑块受力图;
图11为上爪的扭矩图;
图12为大臂的扭矩图;
图13为旋转帽的扭矩图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例:一种压铸模取件机械手联合仿真方法,该方法包括以下步骤:
(1)建立机械手结构简化模型;
(2)机械动力学仿真:定义机械手各个部件的材料属性、转动惯量属性,设置机械手相应的运动副和运动驱动函数,采用Adams进行机械动力学仿真;
(3)仿真结果与预期一致,进行控制动力学协同仿真;
(4)将Adams中机械手的动力学模型导入到Matlab的SIMULINK模块中,并作为控制系统的机械子模型,并建立联合仿真模型;
(5)ADAMS建立联合仿真系统的机械模型并添加外部载荷及约束,MATLAB/Simulink建立联合仿真系统的控制部分。ADAMS/Controls将两者连接起来,利用MATLAB/Simulink的控制输出来驱动机械模型,并将ADAMS中机械模型的位移、速度输出反馈给控制模型,实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真。
优选的,上述步骤(4)中机械子模型的建立:通过Adams中的control模块,建立20个状态变量,其中包括4个转矩变量,1个驱动力变量,10个角位移变量,5个角速度变量;设置状态变量时要根据注意区别变量的属性,20个状态变量中,输入变量与输出变量各10个。在状态变量设置完成以后,就会生成adams_sys文件,控制系统中就会显示出设置好的输入变量和输出变量,最终生成的联合仿真系统的机械子模型。
优选的,上述步骤(5)中,在联合仿真的过程中应将其传化成线性多变量系统,采用PD控制器进行控制,通过控制各个关节的运动,实现对机械手整体的的精确控制。具体是对机械手采用PD控制,控制在ADAMS中实现,实际运动的规划在SIMULINK中进行,控制律如下:
其中xd,θd,为Simulink中规划的各个关节部件的位置与速度矩阵,作为系统的驱动输入;xm,θd,为ADAMS中实际要测量的各个关节部件的位置与速度矩阵,跟踪系统的输入信号,并将两个末端机械爪的质量降为其真实质量的10%。
具体实施例:根据企业在生产过程中的实际环境和工况需求,首先设计了机械手的整体模型。为了后期便于仿真分析,提高仿真效率,设计的机械手模型必须经过一定的简化处理,比如一些不影响机械手整体运动或对机械手运动影响较小的部件,可以进行弱化处理和忽略不计。简化后的机械手模型一共包括五个运动副,其中四个为转动副和一个为滚珠丝杠副(在仿真中将其简化为导轨与滑块之间的移动副),其简化后的模型在UG中生成,如图1所示。
简化模型保留了机械手的主要结构尺寸和主要部件的设计参数。其中机械手的主要设计参数如表1所示。
表1机械手主要参数
机械手的主要工作原理:支撑架2可根据实际生产上下移动或旋转,一旦确定位置以后可以不予考虑。
机械手的工作原理可以简化为:尾部电机3驱动丝杆9旋转,通过滚珠丝杆副使滑块系统4在导轨10上来回移动,在末端执行机构7取件后喷嘴8随着滑块系统4来回移动并喷水,进而清洗模具型腔,随后旋转帽5连带机械臂6和末端执行机构7旋转后将工件放下,整个系统回复初始位置,实现周期性取件运动。
机械手动力学仿真:通过定义各个部件的材料、转动惯量等相关属性,设置相应的运动副,与相关的驱动,为了确保模型导入过程不失真,保证机械手运动的有效性和可靠性,要根据机械手的设计工作轨迹,设置机械手各个运动关节的驱动函数,在这里为了简化操作,仅以末端执行机构的运动函数为例,输入的驱动函数为:STEP(time,0,0,1,-0.23)+STEP(time,2.5,0,3,0.23)+STEP(time,8.5,0,9,-0.23),time表示时间,如图2所示:
经过初步的仿真,其运动仿真的角速度、速度和位移曲线,末端执行机构运动轨迹的结果与设计预期基本一致,说明各个运动副和驱动函数的设置都比较合理,整体机械手系统能够根据给定的驱动函数进行运动仿真。仿真结果表明Adams的机械模型可以作为下一步联合仿真的子系统。
控制动力学协同优化:要实现控制系统与动力学的协同,需要将Adams中机械手的动力学模型导入到Matlab的SIMULINK模块中,并作为控制系统的机械子模型,以便动力学模型与控制系统之间的数据交换。具体是通过Adams中的control模块,建立20个状态变量,其中包括4个转矩变量,1个驱动力变量,10个角位移和位移变量,5个角速度和速度变量,具体设置如表2所示。
表2状态变量表
设置状态变量时要根据注意区别变量的属性,20个状态变量中,输入变量与输出变量各10个。在状态变量设置完成以后,就会生成adams_sys文件,控制系统中就会显示出设置好的输入变量和输出变量,最终生成的联合仿真系统的机械子系统如图3-图4所示。
控制系统的设计:ADAMS建立联合仿真系统的机械模型并添加外部载荷及约束,MATLAB/Simulink建立联合仿真系统的控制部分。ADAMS/Controls将两者连接起来,利用MATLAB/Simulink的控制输出来驱动机械模型,并将ADAMS中机械模型的位移、速度等输出反馈给控制模型,实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真。机械手系统具有强耦合的特性,在联合仿真的过程中应将其传化成线性多变量系统,采用PD控制器进行控制,通过控制各个关节的运动,实现对机械手整体的的精确控制。具体是对机械手采用PD控制,控制在ADAMS中实现,实际运动的规划在SIMULINK中进行,控制律如下:
其中xd,θd,为Simulink中规划的各个关节部件的位置与速度矩阵,作为系统的驱动输入;xm,θd,为ADAMS中实际要测量的各个关节部件的位置与速度矩阵,跟踪系统的输入信号。由于对末端机械爪的控制存在重力影响,需要重力补偿,该部分对机械手整体的控制器影响较小,且比较复杂,为了降低重力对分析结果的干扰,设计中将两个末端机械爪的质量降为其真实质量的10%,联合仿真系统,如图5所示,控制器中驱动函数的设计是结合机械手的实际运动规律通过SIMULINK中的fcn模块编辑实现的。
联合仿真的实现与结果分析:为了验证机械手联合仿真控制系统设计的准确性与合理性,运行simulink,步长设为0.005,仿真时间设置为15s,图6-图9显示了机械手主要运动部件的输入角位移和位移曲线以及其仿真后的跟踪角位移和位移曲线,下爪的运动规律与上爪的基本相同,在这里只研究上爪的运动情况。
对主要部件设计预期的运动轨迹与其仿真结果的轨迹进行对比分析,说明控制器的设计可以较好的满足机械手对控制器快速响应性和精确轨迹跟踪的特性要求。
控制器的输入变量是各个关节的(角)位移和(角)速度,通过联合仿真,得到各个关节在运动过程中的受力情况,图10-图13分别是各个关节部件的受力和承受扭矩的曲线规律。
将主要部件的(角)位移曲线与受力(扭矩)情况结合起来分析,以滑块为例,滑块的位移函数为
0-2s:
Dist=(0.3/2)*(time-2)/(2*pi)*sin(2*pi*time/2)) (3)
2-4s:
Dist=0.3 (4)
4-5s:
Dist=0.3-(0.3/2)*(time-4)-1/(2*pi)*sin(2*pi*(time-4)))) (5)
5-6s:
Dist=(0.3/2+(0.3/2*(time-5)-1/(2*pi)*sin(2*pi*(time-5))) (6)
6-7s:
Dist=0.3-(0.3/2*(time-6)-1/(2*pi)*sin(2*pi*(time-6))) (7)
上式中,time表示时间,pi表示π。
对照分析滑块输入的位移驱动函数与滑块的受力曲线,基本上符合滑块受力的理论情况。因此,建立基于Adams与matlab的联合仿真体系,可以较好的模拟实现机械手的运动过程。
本发明的仿真方法首先针对压铸模生产的取件机械手的主体结构,确定了主要零部件的结构尺寸和机械手整体的工作空间;其次,通过结构动力学与控制动力学的联合,建立了各个关节的PD控制器,得到了控制系统的主要控制参数;最后,对建立的控制器参数进行了仿真优化,并将仿真优化后的控制器参数,运用到机械手的运动控制器中,证明了仿真优化后的控制器参数使得机械手系统有较好的轨迹跟踪特性和快速响应特性,为后期机械手轨迹的精确控制提供了基础。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内,因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种压铸模取件机械手联合仿真方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
(1)建立机械手结构简化模型;
(2)机械动力学仿真:定义机械手各个部件的材料属性、转动惯量属性,设置机械手相应的运动副和运动驱动函数,采用Adams进行机械动力学仿真;
(3)仿真结果与预期一致,进行控制动力学协同仿真;
(4)将Adams中机械手的动力学模型导入到Matlab的SIMULINK模块中,并作为控制系统的机械子模型,并建立联合仿真模型;
(5)ADAMS建立联合仿真系统的机械模型并添加外部载荷及约束,MATLAB/Simulink建立联合仿真系统的控制部分,ADAMS/Controls将两者连接起来,利用MATLAB/Simulink的控制输出来驱动机械模型,并将ADAMS中机械模型的位移、速度输出反馈给控制模型,实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真。
2.根据权利要求1所述的一种压铸模取件机械手联合仿真方法,其特征在于:步骤(4)中机械子模型的建立:通过Adams中的control模块,建立20个状态变量,其中包括4个转矩变量,1个驱动力变量,10个角位移变量,5个角速度变量;设置状态变量时要根据注意区别变量的属性,20个状态变量中,输入变量与输出变量各10个,在状态变量设置完成以后,就会生成adams_sys文件,控制系统中就会显示出设置好的输入变量和输出变量,最终生成的联合仿真系统的机械子模型。
3.根据权利要求1所述的一种压铸模取件机械手联合仿真方法,其特征在于:步骤(5)中,在联合仿真的过程中应将其传化成线性多变量系统,采用PD控制器进行控制,通过控制各个关节的运动,实现对机械手整体的的精确控制。具体是对机械手采用PD控制,控制在ADAMS中实现,实际运动的规划在SIMULINK中进行,控制律如下:
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