ADAMS与Matlab联合仿真

1、7.1 机械夹紧机构建模使用实例机械系统建模实例将创建一种机械夹紧机构模型，是阿波罗登月计划中用于夹紧登月舱和宇宙飞船的十二个夹紧机构之一。夹紧机构包括：摇臂（ Pivot）、手柄（Handle）、锁钩（Hook）、 连杆（Slider）和固定块（ground Block ）等物体。夹紧机构的工作原理是：如图 7-1所示，在夹紧机构手柄（Handle）处施加一个作用力，驱 动机构运动，使其锁钩（Hook）处产生十倍于作用力的夹紧力，用于夹紧登月舱和宇宙飞船。夹紧机构的设计要求是：至少产生800N的夹紧力；施加在手柄上的力应不大于80N;释放手柄的力应最小；在振动环境中夹紧机构应安全可靠。图7-

2、1夹紧机构三维模型图以下将从创建几何构件、添加约束、添加载荷及结果后处理等几个方面详细介绍机械夹紧机构模型的建立。通过本实例的学习，能够详细了解 ADAMS软件设计流程及使用方法。7.1.1 创建几何构件1、创建新模型本实例将使用ADAMS/View的零件库、约束库和力库创建夹紧机构模型。首先中T 开 ADAMS/View ,选择"Create a new model”,模型名称（Model Name ） ： Latch,点 击OK,创建新模型完毕。其它设置如图7-2所示：How would you like to proceed?MSC.ADAMSb Create a new mo

3、delOpen an existing databaseImport 彳 fiec Exit图7-2创建新模型2、设置工作环境选择菜单栏【Settings! 一【Units命令，设置模型物理量单位，如图 7-3所示:图7-3设置模型物理量单位选择菜单栏【Settings! 一【Working Grid 命令，设置工作网格，如图 7-4所示:图7-4设置工作网格3、创建设计点设计点是几何构件形状设计和位置定位的参考点。本实例将通过设计点列表编辑器创建几何 构件模型所需要的全部设计点。选择并点击几何模型库(Geometric Modeling )中的点(Point),下拉菜单选择(Add to G

4、round )、(Don' t Attach),并单击Point Table列表编辑器，创建并生成Point、Point_2等六个设计点,如图7-5、图7-6所示：X Table Editor for Points in . latch上剧闻.Apply OKLoc_XL&c_YLoc_Z一POINT_10.00.Do.aPOINT_23.03.000POINT 32.03.0o.aPOINTJia.o22.0o.aPOI NT_5-i.nion00POINT_5S.IO5.0D.OParts CMarkers ,P* Points r' JointsC Forces

5、Motions C VariablesCreate Fibers.Sudl图7-5设计点列表编辑器£ile 15dil guild Simulate Review Sehings Jools Uelp lalchM-r- 4&LLliilllJJIIIJI I IIIJJ' r ' iir图7-6创建设计点4、创建寸§臂（Pivot）选择并点击几何模型库 （Geometric Modeling ）中的平板（Plate）,设置平板厚度值（Thickness） 为1,圆角半径（Radius）为1,用鼠标左键选择设计点： Point、Point_2、Poi

6、nt_3 ,按鼠标右键 完成摇臂（Pivot）的创建，将其重新命名（Rename）为Pivot,如图7-7所示：图7-7创建摇臂5、创建手柄（Handle）选择并点击几彳模型库（Geometric Modeling）中的连杆（Link）,用鼠标左键选择设计点：Point_3和Point_4,完成手柄（Handle）的创建，将其重新命名（Rename）为Handle,如图7-8所示：图7-8创建手柄6、创建锁钩（Hook）选择并点击几彳S模型库（Geometric Modeling ）中的拉伸体（Extrusion）,选择"New Part”和“Clsoed”，拉伸体长度（Lengh）

7、设为1,用鼠标左键选择表 7-1所示的11个位置，按鼠标右键完成锁钩的创建，将其重新命名（Rename）为Hook,如图7-9示：表7-1锁钩节点坐标X坐标丫坐标Z坐标153023503-6604-14605-15506-15307-14108-12109-123010-53011420图7-9创建锁钩7、创建连杆（Slider）选择并点击几彳模型库（Geometric Modeling）中的连杆（Link）,用鼠标左键选择设计点：Point_5和Point_6,完成连杆（Slider）的创建，将其重新命名（ Rename）为Slider,如图7-10所 示：图7-10创建连杆8、创建固定块（

8、Ground Block ）选择并点击几彳S模型库（Geometric Modeling ）中的长方体（Box）,选择"On Ground”,使其 与大地（Ground）固结在一起，按下图创建固定体用鼠标左键选择设计点：Point_5和Point_6 ,完成连杆（Slider）的创建，将其重新命名（ Rename）为Slider,如图7-11所示：7.1.2添加约束图7-11创建固定块1、添加旋转约束副选择并点击约束库（Joints）中的旋转副（Revolute Joints）;选择"1 Location "（一个位置）/'Normal To Grid ”

9、（垂直于工作网络），用鼠标左键选择 Point_1, 创建摇臂和大地的约束副；选择"2 Bodies - 1 Location"（两个物体一个位置） 'Normal To Grid ”（垂直于工作网络），选 择摇臂和锁钩两个物体，左键选择Point_2 ,创建摇臂和锁钩的约束副；同理选择摇臂和手柄，位置为 Point_3,手柄和连杆，位置为 Point_5,创建摇臂和手柄、手柄和连杆的旋转约束副。如图 7-12所示：图7-12添加旋转约束副和圆柱约束副2、添加圆柱约束副选择并点击约束库（Joints）中的圆柱副（Cylindrical Joints ）;选择&quo

10、t;2 Bodies - 1 Location"（两个物体一个位置）'Normal To Grid ”（垂直于工作网络），在连杆和锁钩之间创建圆柱副，位置为 Point_6,如图7-11所示。3、添加点-面约束副选择并点击约束库（Joints）中的点-面副（In-Plane Primitive Joints ）;选择"2 Bodies - 1 Location ”（两个物体一个位置），“Pick Geometry Feature ”（通过几何体特 征确定约束副方向），用鼠标左键首先选择锁钩，然后选择固定块，设置约束副的位置（-12, 1,0）,确定约束副的方向垂直向

11、上，如图 7-13所示，创建点 一面约束副，使锁钩上的一点可以在固 定块的一个平面内移动。图7-13添加点一面约束副7.1.3添加载荷1、添加弹簧选择并点击载荷库(Create Forces)中的弓t簧(Spring-Damper),设置弹簧刚度(K)为800, 阻尼(C)为0.5,用鼠标左键选择位置(-14, 1, 0)、(-23, 1, 0),创建锁钩和大地之间的弹簧， 如图7-14所示。/20(15-匕 n匚|口|.£ile £drt View guild Simulate Review Settings JdoIs Help latch¥图7-14添加弹簧

12、2、添加单向力选择并点击几彳S模型库(Geometric Modeling )中的连体坐标系(Marker),在位置(-18, 14, 0)处创建 “ Mar_5”；选择并点击载荷库(Create Forces)中的单向力(Force),设置力的方向为"Body Moving ” 与物体固连，初始方向选择" Pick Geometry Feature",力设为"Constant",数值为80;用鼠标左键选择手柄为参考物体，然后选择Point_4为力的作用点，选择“ Mar_5”确定为力的方向，如图7-15所示：图7-15添加单向力至此，夹紧机构

13、模型已经成功创建。选择主工具栏（Main Tools）中仿真运行（Run Simulation）,设置仿真终止时间（End Time） 为0.2,仿真工作步长（Steps）为100,然后开始仿真，观测模型的运行情况。7.1.4结果后处理本小节将通过测量弹簧力的大小测试夹紧机构的夹紧力，通过测量三个点的角度值测试手柄 的运动轨迹，并通过创建一个传感器确定夹紧机构的锁止位置。1、测量弹簧力将鼠标放置在夹紧机构模型中的弹簧上，按右键选择“Spring”中的测量（Measure）命令,并将测量对话框中特性（Characteristic）选项设为力（Force）;系统生成弹簧力变化曲线，如图 7-16所

14、示：图7-16弹簧力测试曲线2、测量角度选择菜单栏【Build】一【Measure 一【Angle】一【New】，在测量角度对话框中，鼠标右键 单击(First Point)栏，选择"Marker"中的"Pick",选择Point_5处白M Marker作为测量角度的第 一点；相同的方法选择( Middle Point)和(Last Point)为 Point_3 和 Point_6 处的 Marker。如图 7-17所示：图7-17测量角度对话框设置示意图系统生成三个点形成的角度变化曲线，如图7-18所示:图7-18角度测量曲线3、创建传感器选择菜单栏

15、【Simulate! 一【Sensor】一【New】，设置传感器对话框，如图7-19所示，表示当"Angle_Mea_4 ”等于或小于(Less than and equal) 0,系统将终止(Stop)仿真。图7-19传感器对话框设置示意图。时,运行仿真模型，测量的弹簧力和测量角度变化情况如图 7-20、图7-21所示，当角度等于 系统终止了仿真。1> >EA_AliGLE_4区,图7-21测量角度变化曲线7.2 ADAMS心ontrols使用实例本实例以MATLAB作为外部控制程序，以偏心连杆模型为例，讲解 ADAMS与MATLAB的联合仿真过程。主要包括创建机械系统

16、模型、模型参数设置、建立MATLAB控制模型以及结果后处理四个步骤。机械模型建立、模型参数设置这两步为了导出一个可在MATLAB软彳Simulink中使用的模块，这个模块包含了所建立ADAMS模型的信息参数，并有输入输出接口。利用这个模块在MALTAB中建立控制系统，就可以控制ADAMS模型，在仿真结束后，可以直接在MATLAB 中得到所需的数据结果进行后处理。偏心连杆的形心与大地以钱链相连，连杆可以绕着较链转动。连杆右端连接有一个小球，由 于小球的存在，使整个机构的质心与形心不重合，若在连杆左端没有力矩作用，连杆将做顺时针 运动。本例通过测量连杆运动的角速度、角度，对左端力矩的大小进行不断控

17、制，最终使连杆相 对平衡，即其角速度为零。图7-22偏心 连杆 模型ADAMS软件与MA TLAB联详细介绍联合仿真的详细步骤。通过本实例的学习，能够详细了解 合控制的使用方法。7.2.1 创建机械系统模型1、设置单位启动ADAMS/View，选择新模型，在模型名输入 MODEL_1。选择菜单栏【Settings】一 Units 命令，设置模型物理量单位， 将单位设置成 MMKS ,长度和力的单位设置成毫米和牛顿， 如图7-23 所示：2、创建连杆单击几何工具包中的连杆按钮，将连杆参数设置为Length=400, Width=20 , Depth=20 ,然后在图形区水平拖动鼠标，创建一个连杆

18、，如图 7-24。图7-24创建连杆3、创建旋转副单击运动副工具包中的旋转副按钮，将旋转副的参数设置为1 Location和Normal to gird ,单击连杆质心处的 Marker点，将连杆和大地关联起来，如图 7-25所示。图7-25创建旋转副4、创建球体单击几何工具包中的球体按钮，将球体的选项设置为Add to Part,半径设置为20,然后在图形区单击连杆，再单击连杆右侧处的 Marker点，将球体加入到连杆上，如图 7-26所示。此时连 杆的质心产生了移动。图7-26创建球体5、创建单分量力矩单击载荷工具包中的单分量力矩按钮，将单分量力矩的选项设置为Space Fixed和Nor

19、mal toGrid,将Characteristic设置为Constant,勾选Torque并输入0,然后在图形区单击连杆，再单击 连杆左侧的Marker点，在连杆上创建一个单分量力矩，如图 7-27所示。> O£IS/Vicv 2DD5. 2- 0|'B(X |File £d< 里guild £imul&le Eeww Setlings look He华 3ntmlgRun-lime DireMio:| Space Fi»Bd二|on Ground!Cansl ruction.Norm 10 Grid 二ChmcIgrifl

20、iQI Cnnsiart ，|r Torque I图7-27创建单分量力矩至此，偏心连杆模型已经建好。7.2.2 模型参数设置1、创建输入状态变量单击菜单【Build】一【System Elements 一【State Variable 一【New】，弹出创建状态变量 对话框。如图 7-28,将Name输入框改成.MODEL_1.Torque ( MODEL_1为文件名，Torque为变 量名)。单击OK按钮后创建状态变量 Torque作为输入变量。图7-28创建输入变量Torque3、将状态变量与模型关联在图形区双击单分量力矩的图标，打开编辑对话框，如图 7-28所示，在Function输入

21、框中输入 VARVAL(.MODEL_1.Torque) , 这里 VARVAL ()是一个 ADAMS 函数，它返回变 量.MODEL_1.Torque的值。通过函数把态变量 Torque与力矩关联起来，力矩取值将来自于状态 变量 Torque。图7-28编辑单分量力矩对话框4、指定状态变量 Torque为输入变量单击菜单【Build】一【Controls Toolkit】一【Plant Input】后，弹出定义控制输入对话框，如 图 7-29 所示。将 Plant Input Name输入框改成.MODEL_1 .PINPUT_Torque,在 Variable Name输入框中，用鼠标右

22、键快捷菜单输入状态变量.MODEL_1.Torque ,单击。侬钮。图7-29定义控制输入对话框5、创建输出状态变量单击菜单【Build】一【System Elements 一【State Variable 一【New】，弹出创建状态变量 对话框。如图7-30所示，将Name输入框修改成.MODEL_1 . Angle,在F(time,尸输入框中输入 表达式 AZ(MARKER_3,MARKER_4)*180/PI ,单击 Apply按钮创建状态变量 Angle作为第一个输 出 变量，然 后将 Name修改成.MODEL_1 . Velocity ,在F(time,尸输入框 中输入 表达式 W

23、Z(MARKER_3,MARKER_4)*180/PI ,如图7-31所示。其中AZ ()函数返回绕 Z轴旋转的转角， 这里代表连杆相对于转轴的转角，WZ ()函数返回绕 Z轴旋转的角速度，这里代表连杆的角速度。X Create State VariableCreate State VariableName .MODEL，AngleName .IIOOEL_1, VelocityDefinition RunTime Expression TDefinition RuivTime Expression TFftime, . . ) = |lARKER_3,MARKER_4)*160/PI .F(

24、tim氏尸 |WZ(MARKER_3,MARKER_4)*1 .V Guess for F(t=O) =MUGuess for F(t=O)=图7-30创建输出变量 Angle图7-31创建输出变量 Velocity6、指定状态变量 angle、Velocity为输出变量单击菜单【Build 一 Controls Tookit 一【Plant Output】后，弹出创建控制输出对话框，如 图 7-32 所示。将 Plant Output Name 输入框修改成.MODEL_1.PINPUT_output。在 Variable Name 输 入框中，用鼠标右键快捷菜单输入状态变量Angel和Ve

25、locity ,单击OK按钮。7、导出控制参数如果还没有加载 ADAMS/Controls模块，单击菜单【Tools 一【Plugin Manager,在弹出的 插件管理对话框中选择ADAMS/Controls模块，并单击OK按钮，之后出现一个新的菜单Controlso单击菜单【Controls 一 Plant Export ,弹出导出控制参数对话框，如图7-33所示。在File Prefix输入框中输入 controlspid，在Plant Input输入框中用鼠标右键快捷菜单输入PINPUTJorque,在PlantOutput输入框中用鼠标右键快捷菜单输入.PINPUT_output ,

26、将Control package选择为 MATLAB ,Type 选择为 non_linear, Initial Static Analysis 选择 NO,ADAMS/Soker Choice 选择为 Fortran。单击 OK 按钮后，在 ADAMS 的工作目录下将生成 controlspid.m、 controlspid.cmd、controlspid.adm 这 3个文件。> AI>AIS/C(mt Pldnt EzportXNew Controls Plant - MODEL_1 ,Controls_Plant_1File PrefixcontrolspidInilial

27、 Static Analysis* No YesF Initialization CommandImport Settings From Existing Controls Plant山put SignalFrom Pinput Output Signal(s) From PoutputAngleTorque图7-33导出控制参数对话框7.2.3 建立MATLAB控制模型1、导出 ADAMS 模型在 MATLAB 里的模块启动MATLAB ，先将MATLAB的工作目录指向 ADAMS的工作目录，方法是单击工作栏中 Current Direction后的L_J按钮，弹出选择路径对话框。在 MAT

28、LAB命令窗口的 >>提示符下，输 入controlspid ,也就是controlspid.m的文件名，然后在 >>提示符下输入命令 ADAMS_sys ,该命令 是ADAMS与MATLAB的接口命令。在输入ADAMS_sys命令后，弹出一个新的窗口， 该窗口是 MATLAB/Simulink 的选择窗口，其中S-Function方框表示ADAMS模型的非线性模型， 即进行动 力学计算的模型，State-Space表示ADAMS模型的线性化模型，在 ADAMS_sub包含有非线性方 程，也包含许多有用的变量。2、建立控制方案在MATLAB/Simulink选择窗口中，单击菜单File 一 New 一【Model 后，弹出一个新 的窗口，单击工具栏中的保存按钮，将新窗口存盘为control_model.mdl （不能与.m文件同名）：将ADAMS_sub方框拖拽到cont