基于matlab的混凝土泵車臂架運動仿真系統(tǒng)的研究

鐘輝平++朱天

摘 要：介紹了基于Matlab/Simulink的混凝土泵車臂架運動仿真系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法，并以轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度和各臂架油缸長度變化速度為參變量，實現(xiàn)了臂架系統(tǒng)運動姿態(tài)的三維仿真。該方法簡潔高效，為混凝土泵車臂架系統(tǒng)的研發(fā)，提供了一種有效的新思路，對混凝土泵車虛擬樣機研發(fā)也具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：混凝土泵車 臂架 運動仿真 Matlab/Simulink

中圖分類號：TU646 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0038-02

混凝土泵車臂架系統(tǒng)是混凝土泵車輸送混凝土的關(guān)鍵部件，也是混凝土泵車研究的熱點。現(xiàn)在，混凝土泵車臂架系統(tǒng)正朝著更長、更輕、更靈活、更智能的方向發(fā)展。然而由于目前技術(shù)的限制，臂架系統(tǒng)研發(fā)，尤其是超長臂架系統(tǒng)的研發(fā)，周期長，費用高，效果差。對臂架系統(tǒng)三維數(shù)字設(shè)計模型進(jìn)行仿真和分析，可以大大減少在實際工況下進(jìn)行試驗的代價，實現(xiàn)高效的系統(tǒng)設(shè)計，縮短研發(fā)周期。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）系統(tǒng)通過泵車遙控器發(fā)送臂架動作指令，遙控接收器收到指令，發(fā)送到CAN總線。

（2）運動控制器通過CAN總線，收到各臂架動作手柄信號，將其轉(zhuǎn)化為臂架動作指令（轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)和各臂架油缸長度變化速度值），發(fā)送到CAN總線。

（3）工控機CAN接收卡通過CAN總線，收到臂架選擇和各臂架油缸長度變化速度值，經(jīng)過CAN數(shù)據(jù)接口，傳遞給Matlab仿真系統(tǒng)。

（4）Matlab系統(tǒng)采用Simulink仿真工具包，對臂架系統(tǒng)三維模型進(jìn)行仿真和分析，模擬真實環(huán)境中臂架系統(tǒng)的工作狀況，顯示臂架運動三維仿真動畫，和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度、各臂架夾角、臂架末端點位置變化曲線，并將這些數(shù)值輸出到CAN數(shù)據(jù)接口程序。

（5）運動控制器通過CAN總線，接收仿真值，并利用其進(jìn)行其它程序的運算處理。

1.2 臂架系統(tǒng)建模

泵車臂架系統(tǒng)是由臂架、連桿、臂架油缸和連桿件等鉸接而成的可折疊和展開的平面連桿機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖2。

該系統(tǒng)采用Pro/Engineer建立臂架系統(tǒng)的三維模型，然后轉(zhuǎn)化到Matlab系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，其過程見圖3。

為了提高仿真速度和方便添加約束條件，仿真系統(tǒng)忽略了臂架和油缸的質(zhì)量、形變和慣性，將其簡化成剛體模型。

1.3 CAN數(shù)據(jù)接口

CAN數(shù)據(jù)接口功能就是通過Can數(shù)據(jù)接收卡和CAN總線，實現(xiàn)運動控制器和Matlab仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，其結(jié)構(gòu)圖見圖4。

該CAN數(shù)據(jù)接口程序采用VC++編寫，與Matlab之間的數(shù)據(jù)交換采用DDE方式。接口程序?qū)⑥D(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速和各臂架油缸長度變化速度值發(fā)送給Matlab仿真系統(tǒng)，又將仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角、各臂架夾角、臂架末端點坐標(biāo)，返回給運動控制器。

2 Matlab仿真

該系統(tǒng)采用Matlab軟件仿真，因為Matlab仿真軟件具有強大的矩陣運算功能、可靠的容錯能力和廣泛的符號運算能力。Simulink是Matlab軟件的擴展，用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。

其中，“SimMechanics Model”模塊是從Pro/E中建立的臂架系統(tǒng)機械模型，可以通過Simulink直接調(diào)用。“jiaodu1”模塊為S函數(shù)，實現(xiàn)Matlab與CAN數(shù)據(jù)接口之間數(shù)據(jù)交換：即獲取轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度和各臂架油缸長度變化速度，并通過DDE客戶端返回仿真結(jié)果。另外，該S函數(shù)也可以添加臂架動作約束條件，比如轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度-359°～359°，1臂最大角度90°，一臂和二臂最大夾角180°。

Matlab作為DDE客戶機的工作過程如下：

（1）調(diào)用ddeinit函數(shù)與服務(wù)器建立對話，建立成功后返回一個通道號。以后的操作就是基于這個通道進(jìn)行。

（2）調(diào)用ddadv函數(shù)請求建立熱鏈。

（3）調(diào)用ddereq函數(shù)向服務(wù)器請求發(fā)送數(shù)據(jù)，返回值存為數(shù)據(jù)矩陣；或者調(diào)用ddepoke函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）傳輸結(jié)束后，調(diào)用ddeterm函數(shù)請求撤銷與服務(wù)器建立的熱鏈接。

3 仿真效果

在計算機上運行CAN數(shù)據(jù)接口程序和Matlab仿真程序后，就可以看到臂架的三維模型，臂架旋轉(zhuǎn)角度、曲線窗口。當(dāng)撥動泵車遙控器手柄時，臂架的三維模型開始按照指令開始動作，各曲線窗口開始顯示數(shù)值變化曲線。

臂架三維動畫窗口如圖5所示，通過窗口工具欄按鈕，可以選擇不同視角。

4 結(jié)語

（1）利用Matlab/Simulink動態(tài)仿真技術(shù)，根據(jù)混凝土泵車臂架系統(tǒng)的物理參數(shù)、形狀特征、運動特點等真實地模擬了其三維運動過程，避免了大量的編程和計算工作，無須制造物理樣機，用實體實驗的方法來觀察。它為混凝土泵車臂架系統(tǒng)提供了一個高效的研發(fā)途徑，可以大大縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，具有推廣應(yīng)用價值。

（2）該仿真技術(shù)較傳統(tǒng)設(shè)計方法更快捷、更高效，為臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、應(yīng)力分析、油缸受力分析、智能臂架、臂架防干涉、防傾翻等研究提供了一種有效的新思路，對混凝土泵車虛擬化樣機研發(fā)也有重要參考價值。

（3）該仿真系統(tǒng)把臂架系統(tǒng)作為一個剛體，沒有考慮到臂架和油缸的質(zhì)量、形變、慣性和振動等因素的影響，因而和實際臂架運動還有一定差距，還有待于進(jìn)一步研究和完善。

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