基于UG 和LabVIEW 的布水器聯合仿真

郝一舒 施佳勇

(同濟大學機械與能源工程學院,上海 201804)

0 引言

如今,環境保護問題越來越得到人們的關注,水資源的回收利用以及污水處理一直是環境保護的重點。旋轉布水器就是這樣一種在生物濾池中進行污水凈化的關鍵設備,其主要結構如圖1所示[1]。

傳統的布水器一般采用多孔的布水結構,由于水管末端水壓的降低,這種布水器末端的布水孔容易堵塞,由此會導致布水不均勻等問題,使得污水處理的效果達不到預期值。針對這些問題,本文設計了一種單孔的旋轉布水器,并且利用UG/NX和LabVIEW軟件搭建了布水器的聯合仿真平臺,在該平臺上對布水器進行了機電一體化的控制仿真,為實際物理樣機的開發提供了依據。

1 聯合仿真模型的建立

過去,在電氣機械類產品開發過程中,兩者是獨立進行的,開發周期漫長,開發成本高。利用聯合仿真,可以有效提高開發效率,防止實際樣機調試過程中才發現原先的設計問題,減少開發成本[2]。

機電一體化產品的聯合仿真包括以下幾個部分:三維建模、動力學仿真、控制系統建模以及接口技術[3]。聯合仿真的流程圖如圖2所示,首先,根據零件尺寸在UG中對零件進行三維建模,所有零件建模完成后在UG中進行模型裝配,裝配完成后對模型進行動力學設置,包括材料屬性、系統受力、運動屬性、機電控制信號設置等。然后在LabVIEW對控制信號進行相應的設置,生成圖形界面有助于后序控制;最后通過KEPServer將LabVIEW中的控制信號與UG中的信號連接起來,實現聯合仿真。

圖1 生物濾池簡易模型示意圖

圖2 機電一體化聯合仿真系統流程圖

1.1 NX模型建立

UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案,為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段。UG中包含很多模塊,本文主要用到了UG運動仿真和MCD機電一體化仿真兩大模塊。其中,UG的運動仿真主要遵循以下步驟:(1)新建運動仿真;(2)選擇方案類型;(3)新建連桿;(4)創建運動副;(5)創建驅動體;(6)生成動畫。MCD模塊是西門子公司近年推出的機電一體化模塊[4],可以對包含多物理場以及通常存在于機電一體化產品中的自動化相關行為進行3D建模和仿真。

布水器主要結構包括主步進電機、副步進電機、中央旋轉水管、可控布水橫管、支架等組成,其結構如圖3所示[5]。

布水器運動的時候,主要分為兩個部分,第一部分由主步進電機帶動包括副步進電機在內的所有結構一起轉動,第二部分由副步進電機帶動可控布水橫管轉動。在MCD模塊中進行機電一體化仿真需要以下四個步驟:(1)建立剛體;(2)創建運動副;(3)創建仿真序列;(4)建立控制信號,主要設置信息如表1所示。

表1 布水器主要設置信息

圖3 布水器結構示意圖

圖4 LabVIEW 變量設置

1.2 LabVIEW系統設置

LabVIEW是美國國家儀器公司開發的一款軟件,它以模塊化的圖形為基礎,主要用于控制系統的開發,在數據采集和分析方面具有很強大的功能。

在LabVIEW中首先對主步進電機進行設置,將步進電機的控制速度和反饋速度設置為雙精度,將使能信號設置為布爾類型,這樣與UG中的控制信號相互對應了起來。對于副步進電機,進行同樣的設置,所以一共需要6個控制變量,如圖4所示。

選擇相應類型的空間,拖動到控制面板上面,然后將LabVIEW中的電機轉速單位與UG中的轉速相互統一,建立的LabVIEW仿真圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW 程序框圖

1.3 OPC通訊連接的建立

OPC協議作為一種通訊技術,主要應用于工業領域,是各種控制系統和其相應的應用程序進行通信的一個接口標準。KEPServer是一種第三方OPC服務器,它使用起來靈活方便,并且可更改和可擴展性較強,適用于各種自動化控制、手動控制,以及軟件與軟件之間的交互連接。

在KEPServer軟件中,需要新建通道,將通道類型設置為OPC Client,選擇本地服務器,搜索NI的本地服務器可以找出我們需要控制的六個變量,如圖6所示。

最后回到N X 中,將剛剛設置的控制信號映射到N X中,就可以實現LabVIEW和UG的聯合仿真。最后布水器噴頭的運行軌跡如圖7所示。

圖6 完成OPC 設置

圖7 布水器噴頭仿真軌跡圖

2 總結與展望

本文首先針對傳統布水器的不足,設計了一款新型的單孔布水器,然后主要闡述了如何利用O P C 協議進行LabVIEW和UG的聯合仿真,提高了機電一體化產品設計的效率,為實際的物理樣機開發提供了模型分析。但是本文布水器的軌跡控制算法還有待改善,進一步提高布水器布水的均勻性。