基于matlab的混凝土泵車臂架運動仿真系統的研究

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的設計和實現方法，并以轉臺旋轉速度和各臂架油缸長度變化速度為參變量，實現了臂架系統運動姿態的三維仿真。該方法簡潔高效，為混凝土泵車臂架系統的研發，提供了一種有效的新思路，對混凝土泵車虛擬樣機研發也具有重要參考價值。

關鍵詞：混凝土泵車 臂架 運動仿真 Matlab/Simulink

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

混凝土泵車臂架系統是混凝土泵車輸送混凝土的關鍵部件，也是混凝土泵車研究的熱點。現在，混凝土泵車臂架系統正朝著更長、更輕、更靈活、更智能的方向發展。然而由于目前技術的限制，臂架系統研發，尤其是超長臂架系統的研發，周期長，費用高，效果差。對臂架系統三維數字設計模型進行仿真和分析，可以大大減少在實際工況下進行試驗的代價，實現高效的系統設計，縮短研發周期。

1 系統設計

1.1 系統結構

仿真系統結構如圖1所示。

（1）系統通過泵車遙控器發送臂架動作指令，遙控接收器收到指令，發送到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，將其轉化為臂架動作指令（轉臺旋轉和各臂架油缸長度變化速度值），發送到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，經過CAN數據接口，傳遞給Matlab仿真系統。

（4）Matlab系統采用Simulink仿真工具包，對臂架系統三維模型進行仿真和分析，模擬真實環境中臂架系統的工作狀況，顯示臂架運動三維仿真動畫，和轉臺旋轉角度、各臂架夾角、臂架末端點位置變化曲線，并將這些數值輸出到CAN數據接口程序。

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

1.2 臂架系統建模

泵車臂架系統是由臂架、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，其結構見圖2。

該系統采用Pro/Engineer建立臂架系統的三維模型，然后轉化到Matlab系統中進行仿真，其過程見圖3。

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

1.3 CAN數據接口

CAN數據接口功能就是通過Can數據接收卡和CAN總線，實現運動控制器和Matlab仿真系統之間的數據交換，其結構圖見圖4。

該CAN數據接口程序采用VC++編寫，與Matlab之間的數據交換采用DDE方式。接口程序將轉臺轉速和各臂架油缸長度變化速度值發送給Matlab仿真系統，又將仿真結果：轉臺轉角、各臂架夾角、臂架末端點坐標，返回給運動控制器。

2 Matlab仿真

該系統采用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，用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統。

其中，“SimMechanics Model”模塊是從Pro/E中建立的臂架系統機械模型，可以通過Simulink直接調用。“jiaodu1”模塊為S函數，實現Matlab與CAN數據接口之間數據交換：即獲取轉臺旋轉速度和各臂架油缸長度變化速度，并通過DDE客戶端返回仿真結果。另外，該S函數也可以添加臂架動作約束條件，比如轉臺旋轉角度-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）調用ddeinit函數與服務器建立對話，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行。

（2）調用ddadv函數請求建立熱鏈。

（3）調用ddereq函數向服務器請求發送數據，返回值存為數據矩陣；或者調用ddepoke函數向服務器發送數據。

（4）傳輸結束后，調用ddeterm函數請求撤銷與服務器建立的熱鏈接。

3 仿真效果

在計算機上運行CAN數據接口程序和Matlab仿真程序后，就可以看到臂架的三維模型，臂架旋轉角度、曲線窗口。當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 結語

（1）利用Matlab/Simulink動態仿真技術，根據混凝土泵車臂架系統的物理參數、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提供了一個高效的研發途徑，可以大大縮短研發周期，降低研發成本，具有推廣應用價值。

（2）該仿真技術較傳統設計方法更快捷、更高效，為臂架系統結構優化、應力分析、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也有重要參考價值。

（3）該仿真系統把臂架系統作為一個剛體，沒有考慮到臂架和油缸的質量、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，還有待于進一步研究和完善。

參考文獻

[1] 易秀明，王尤毅.混凝土泵車[Z].三一學校培訓教材，2011.

[2] 郭立新，張國忠，郭詠梅.泵車布料機構運動學分析及軌跡規劃控制建模與仿真[J].工程機械，2001，28（1）：12-14.

[3] 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.