CN108376206B - 一种通过运用运动学联合仿真平台对机械设备进行在线实时监测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于设备智能监测技术领域，提供了一种通过运用运动学联合仿真平台对机械设备进行在线实时监测的方法。本发明通过在ADAMS和Simulink建立联合仿真平台的基础上开发数据实时读取模块并将其加入仿真平台中，实现了通过仿真的手段来实时监测设备运行的目标，并在监测过程中，实时仿真监测平台可以将监测目标在运动过程中的运动和动力学信息记录下来，方便当设备出现异常时调用这些数据进行相关零部件的受损分析及寿命预测，为设备连续生产做充分准备。

Description

一种通过运用运动学联合仿真平台对机械设备进行在线实时 监测的方法
技术领域
本发明属于设备智能监测技术领域，具体涉及一种通过运用运动学联合仿真平台对机械设备进行在线实时监测的方法。
背景技术
随着“中国制造2025”的提出，“智能”“自动”字眼逐渐进入人们的视野。由于自动生产在提高生产效率降低人力成本方面有绝对优势，并且大大避免了人为因素造成的产品质量下降的情况，因此国内各制造业厂家积极加快提升自动化制造水平，为迈向“智能”生产打下坚实的基础。
自动生产线被广泛应用在电子、汽车、家电等行业，由于产品的自动生产方案受限制于产品的形状，大小，功能，特定产品的自动生产线一般需要专业的设计团队专门为其量身定做。在设计生产线时会涉及到大量的零部件，其中包括一些非标零部件，因此在生产线运行过程中保证这些零部件的正常运作是保证生产线正常工作的必要条件。近年来，对于大部分生产线的监测手段主要有两种，其一工作人员远程通过摄像器材进行监测设备运行情况，其二对于特定标准化设备生产厂商通过安装传感器观测传感器感知到的数据来评判设备的运行状态，例如机械人的手臂监测。以上两种监测方法是通过人观测或者数据对比来监测，在设备发生故障时只是识别出设备故障，难以在发生故障时获知设备各关节的运动和动力学信息，而这些信息对于计算评估异常造成的损伤程度是不可或缺的，
现如今随着计算机技术的发展，工程仿真技术得到了巨大的提升，大量有针对性的仿真软件平台被应用在各领域，例如虚拟实境编辑软件virtools在实时三维互动方面有比较强的优势，并且具有二次开发的接口。虚拟样机技术软件ADAMS被用在工程实施前期，在虚拟制造环境中完成模型的研制,在样本生产之前,发现虚拟样机各种设计缺陷,这大大缩短了新产品的研制周期。从监测的角度来看，Virtools类的实时互动的三维虚拟软件虽然通过建立接口可以实现对运动目标的多角度监测，但这种检测与使用摄像器材监测获得的效果相似，都获取不到设备运行过程中的运动和动力学信息。而ADAMS类的机械动力学软件虽然带有强大运动学和运动学分析的功能，但现在基本上都是单独运用这类平台来进行前期样机的分析优化，分析优化完成后基本就没有使用的价值了。基于监测的需求，将数据采集技术、控制技术、虚拟仿真技术相结合，把ADAMS等一类多体动力学软件的运动和动力学分析以及数据运算功能应用到实际监测中，这样既可以起到多角度监测的效果，又可以在监测过程中获得与异常信息有关的各类数据，依据这些数据工程师可以对故障做出深层次的判断，比如故障对于设备寿命的影响、对在加工产品的损伤程度，这为企业带来极大的便利。
发明内容
本发明提供了一种基于运动学联合仿真平台的设备在线实时监测的方法，该方法是通过利用仿真软件提供的扩展接口，建立之间的接口机制来达到运用仿真的方法进行在线实时监测的目的。该方法除了可以对设备进行多角度的视觉观测外，可以通过仿真的手段记录设备运行过程中的运动和动力学信息。当设备异常发生时可以凭借这些数据对设备零部件的损伤程度、疲劳程度进行分析、预测，这对于生产线上备件不足的零部件是至关重要的。
本发明的技术方案如下：
一种通过运用运动学联合仿真平台对机械设备进行在线实时监测的方法，其通过设备模型在线实时的仿真监测目标的运行情况，该方法不仅可以实现多角度的监测设备的运行过程，同时还可以记录下设备运行过程中的运动和动力学信息，在异常发生时可以根据记录的信息进行深度分析，例如：当发生异常时，记录的设备相关零部件受力情况、速度情况被用来进行相关零部件变形、受损程度、寿命分析。通过在控制平台中建立功能模块(机械运动模块、数据实时读取模块等)，搭建模块间数据通路来实现对目标在线实时监测。具体搭建过程如下：
搭建MATLAB/Simulink与ADAMS的联合仿真系统，其中MATLAB/Simulink作为控制平台，ADAMS作为执行平台。
(1)建立实时数据读取模块
在Simulink平台中添加Simulink自定义模块和时钟模块，自定义模块设有输入和输出，输入为时钟模块产生的时间信号数据，输出是采集的数据，自定义模块实现的功能是每当时钟信号有变化时，自定义模块就执行一次对外界指定空间(采集设备采集的数据)的数据实时读取任务；由于平台运行时时钟信号实时变化，随着时钟信号的不断变化，自定义模块不断的将采集设备采集到的数据读取到Simulink平台，传输到下一个模块；
(2)机械运动模块实时获取数据仿真运动
在ADAMS中定义输入输出变量，并将这些变量添加到机械模型监测目标的驱动上，通过ADAMS/Controls模块将ADAMS中建立的模型及定义的输入输出变量，生成Simulink识别的机械运动模块；将机械运动模块添加至Simulink平台，建立起Simulink与ADAMS的数据通信；将(1)中的自定义模块与机械运动模块建立数据传输通路；这样Simulink实时读取的数据可以传输到机械运动模块，机械运动模块根据这些数据进行相应运动的还原；
(3)数据的后处理
通过数据采集、数据读取、数据仿真来达到实时监测设备运行状态的目的；ADAMS仿真设备实时运动的同时将设备各零部件的动力与运动学数据以.res文件保存下来，当有异常时，在ADAMS环境中查看这些数据对设备进行进一步分析、预测，例如疲劳分析，寿命分析。
本发明的效果和益处是：
(1)扩展平台的功能
将实时读取这种功能通过运用M、C等语言编写成M文件或者S函数以自定义模块的形式嵌入到开发环境中，使得只能进行仿真功能的平台可以在线实时读取外界数据实时监测；
(2)监测过程中获取过程数据
仿真的方法可以很好的观察仿真过程、记录仿真数据，通过建立联合仿真系统(控制系统与机械系统)与自定义模块(在线实时读取功能)之间的数据通道实现在线实时仿真，达到实时监测目的的同时在仿真监测过程中生成的过程数据弥补了如今现有监测手段不能获取监测过程数据的缺点。
附图说明
图1为基于运动学联合仿真平台的设备在线实时监测流程。
图2为ADAMS模型及变量通过ADAMS/Controls模块生成的Simulink识别的机械运动功能模块。
图3为设备在线实时监测的控制模型图。
图4为设备在线监测过程中监测目标某一关节异常数据调用举例。该曲线图横坐标为设备监测运行时间，纵坐标为受力大小。从图中可以得知设备运行到6.5s时受力有突变。
图中：1输入接口(输入接口的数量是根据定义的输入变量数量来确定)；2ADAMS模型的Simulink模块；3输出接口(输出接口的数量是根据定义的输出变量数量来确定)；4数据显示器；
5时钟模块；6自定义模块(在线实时读取功能)；7机械运动(分析)模块；8数据传输通路。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围包括但不限于下述的实施例。
实施例
工作单元设备运行实时监测
(1)利用前期基于ADAMS建立监测目标的虚拟样机模型，在ADAMS环境中设定四个输入变量和一个输出变量，通过ADAMS/Controls模块构建ADAMS模型的Simulink模块，如图2；
(2)在控制平台Simulink环境中通过编写M文件或者S函数编写自定义模块实现Simulink可以在线实时读取外界数据的功能，同时添加时钟模块，建立各模块之间的数据传输通路，如图3，运行仿真监测平台；
(3)在ADAMS环境中调用(2)仿真监测过程保存的过程数据(.res文件)，通过曲线图可以得知在6.5s时监测零部件收到冲击力的大小，如图4；经过后期分析处理可以获知该力对于监测目标及关联零部件造成的机械损伤程度。

Claims (1)

1.一种通过运用运动学联合仿真平台对机械设备进行在线实时监测的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)建立实时数据读取模块
在Simulink平台中添加Simulink自定义模块和时钟模块，自定义模块设有输入和输出，输入为时钟模块产生的时间信号数据，输出是采集的数据，自定义模块实现的功能是每当时钟信号有变化时，自定义模块就执行一次对外界指定空间的数据实时读取任务；由于平台运行时时钟信号实时变化，随着时钟信号的不断变化，自定义模块不断的将采集设备采集到的数据读取到Simulink平台，传输到下一个模块；
(2)机械运动模块实时获取数据仿真运动
在ADAMS中定义输入输出变量，并将这些变量添加到机械模型监测目标的驱动上，通过ADAMS/Controls模块将ADAMS中建立的模型及定义的输入输出变量，生成Simulink识别的机械运动模块；将机械运动模块添加至Simulink平台，建立起Simulink与ADAMS的数据通信；将步骤(1)中的自定义模块与机械运动模块建立数据传输通路；这样Simulink实时读取的数据可以传输到机械运动模块，机械运动模块根据这些数据进行相应运动的还原；
(3)数据的后处理
通过数据采集、数据读取、数据仿真来达到实时监测设备运行状态的目的；ADAMS仿真设备实时运动的同时将设备各零部件的动力与运动学数据以.res文件保存下来，当有异常时，在ADAMS环境中查看这些数据对设备进行进一步分析和预测。
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