引言

隨著人工智能時代的到來,智能化機械手臂得到了越來越廣泛的應用,液壓懸臂作為其組成部分發(fā)揮著重要作用,對液壓懸臂進行研究具有極大的實際應用價值。由于液壓系統(tǒng)具有非線性特點,所以不易通過建立控制模型進行仿真研究,本文在AMEsim平臺上建立模型進行動態(tài)仿真研究。AMEsim是一個多學科領域復雜系統(tǒng)的建模仿真平臺,具有可視化操作、庫類豐富、多軟件接口等優(yōu)點。用戶可以在該平臺上建立復雜的、多學科領域的系統(tǒng)模型,并在此基礎上進行仿真計算和深入分析,從而幫助用戶降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。AMEsim已經(jīng)被成功應用于航空航天、車輛、船舶、工程機械等多學科領域,成為包括流體、機械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺。

1工作原理及功能實現(xiàn)

1.1液壓機械懸臂系統(tǒng)結構原理

本文研究的懸臂系統(tǒng)的液壓缸通過電磁換向閥控制進行伸縮,液壓缸的一端通過較鏈與固定端相連,另一端通過較鏈與懸臂相連:懸臂的一端通過較鏈與固定端相連,另一端懸掛重物。當液壓缸伸縮時,會帶動懸臂繞固定端旋轉,從而帶動重物的上升與下降。

1.2仿真環(huán)境及功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)包含液壓缸、電磁換向閥等元件,所以必須要用液壓庫:本系統(tǒng)包含較鏈、懸臂等元件,所以必須要用平面機構庫:本系統(tǒng)需要懸掛重物,所以需要進行重力模擬。伺服液壓機械臂系統(tǒng)的整體仿真草圖如圖1所示。

元件5功能函數(shù)模塊的作用是對位移傳感器7的信號輸出值和液壓缸6的活塞位移值進行補差,保證元件5的輸出值與液壓缸6的活塞位移值一致。元件4觸發(fā)函數(shù)模塊的作用是通過設置液壓桿的位移邊界值,控制液壓桿的變向運動,每個邊界值對應一個輸出信號送入元件3,電磁換向閥元件3根據(jù)接收來自元件4的不同電信號,觸發(fā)電磁閥進行不同的變位動作,從而控制液壓桿的伸出與收縮,實現(xiàn)重物的上升與下降。元件4和元件5配合位移傳感器、液壓缸、伺服閥等,實現(xiàn)了液壓桿位移的精準反饋控制功能。這種通過功能函數(shù)進行控制的策略,相比傳統(tǒng)的PID控制更加簡便,且易于操作。

元件8和元件10是固定端,通過位置坐標的設置可以模擬實際實體的空間相對位置。元件9是液壓桿連接,元件11、13為旋轉副,元件12為3端口連桿,通過設置參數(shù)可以模擬懸臂桿的形狀、長度以及質量:元件14也為3端口連桿,通過設置參數(shù)可以模擬重物的位置、形狀以及質量。

2仿真步驟及參數(shù)設置

使用AMEsim仿真平臺,用戶可以搭建草圖,修改元件的子模型,設置子模型的參數(shù),運行仿真。

第一步:進入草圖模式,搭建如圖1所示的系統(tǒng)仿真草

圖。第二步:進入子模型模式,為每一個元件選擇子模型,本文直接點擊首要子模型按鍵即可,系統(tǒng)會為元件分配常見的子模型。第三步:進入?yún)?shù)模式,部分元件的參數(shù)設置如表1所示,其他參數(shù)或其余元件參數(shù)保持默認值即可。

現(xiàn)對關鍵元件參數(shù)的設置做具體說明。如圖2所示曲線1為液壓缸活塞的位移,曲線2為位移傳感器的輸出信號,可以發(fā)現(xiàn)二者之間的差值為一個定值,位移傳感器的輸出信號將會送入功能函數(shù),為了進行精準地反饋控制,功能函數(shù)必須對差值進行補償,所以元件5的Va1ue參數(shù)值設置為"x＋0+065"。

如圖3所示為元件4觸發(fā)函數(shù)模塊的作用原理圖,只有輸入信號在Vma.與Vmix之間時觸發(fā)函數(shù)才會起作用,當達到Vma.值時會輸出一個高的信號值,當達到Vmix值時會輸出一個低的信號值,本文設定低閾值為0+3m,高閾值為0+6m。元件4觸發(fā)函數(shù)通過將不同的電信號輸入電磁閥從而控制活塞桿只會在位移0.3～0.6m內進行往復循環(huán)運動。

元件12的坐標參數(shù)設置是為了模擬桿的位置、長度以及形狀,元件14的坐標參數(shù)設置是為了模擬重物的位置、尺度以及形狀,元件8和元件l0的坐標參數(shù)設置是為了模擬懸臂固定端與液壓桿固定端的相對位置,具體參數(shù)設置可以根據(jù)實際情況進行更改。

第四步:進入運行模式,設置運行時間等參數(shù)進行仿真運行。當運行完成后右鍵單擊平面機構庫的標簽,選中Launchplanar選項,將會進入動畫仿真頁面。

圖4、圖5分別為重物上升到最高點和下降到最低點時所對應的仿真圖。由實際動態(tài)仿真結果可知,功能函數(shù)和觸發(fā)函數(shù)配合位移傳感器、液壓缸、伺服閥等,這種控制策略能夠很好地實現(xiàn)液壓桿位移的精準反饋控制功能。

3仿真分析

穩(wěn)定性是液壓機械臂的一個重要性能指標,下面結合仿真情況具體說明各參數(shù)對穩(wěn)定性的影響。

不同活塞直徑對應的重物加速度曲線如圖6所示。圖中曲線l、2、3、4分別對應液壓缸活塞直徑為40mm、45mm、50mm、60mm時重物的位移曲線。由分析可知,當液壓缸活塞直徑為40mm時系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

不同懸臂質量對應的重物加速度曲線如圖7所示。圖中曲線1、2、3、4分別對應懸臂質量為20kg、30kg、40kg、50kg時重物的位移曲線。由分析可知,當懸臂質量為40kg時系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

不同重物質量對應的重物加速度曲線如圖8所示。圖中曲線1、2、3、4分別對應重物質量為40kg、60kg、80kg、100kg時重物的位移曲線。由分析可知,重物質量越大系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。

不同懸臂與液壓桿交點對應的重物加速度曲線如圖9所示。圖中的曲線1、2、3、4分別對應懸臂與液壓桿交點位置離重物懸掛點的距離為0.2m、0.3m、0.4m、0.5m(懸臂長度為1m）時重物的位移曲線。由分析可知,當懸臂與液壓桿交點位置離重物懸掛點的距離在0.2～0.3m內時系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

4結語

本文在實際液壓機械懸臂結構的基礎上,通過建立模型、設置參數(shù)以及運行仿真的驗證,成功地實現(xiàn)了液壓桿位移的精準反饋控制功能。同時仿真分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素,具有一定的實際應用價值,可以為同類型問題的研究提供一些參考思路。