电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，通过联合Adams、AMESim和MATLAB/Simulink三个软件建立电液-压电共同驱动的宏微并联机构，进行并联机构的联合仿真分析，分析不同参数和工况下的仿真结果，为并联机构的控制算法研究和优化设计提供重要的理论依据，避免传统分析方法需要在实际样机完成后才能进行研究的缺点；通过多个软件的联合仿真，可大大节约成本、缩短产品开发周期、降低产品开发的风险；该方法具有通用性，可以推广到其它类型的并联机构的仿真分析，可提高产品设计的速度和质量，具有良好的经济效益；建立了宏微并联机构的虚拟样机，可进行并联机构的优化设计，降低了开发成本，节省了开发周期。
【专利说明】电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电液和压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，属于动力学联合仿真方法领域。
【背景技术】
[0002]并联机构由最初的stewart平台不断发展,到今天已形成一个庞大的体系，并联机构的理论分析和工程应用已经形成了一个热门课题。国内外已经研制出许多机构各异、用途不一的并联机构，有些已经在实际应用中发挥了重要作用。与电气和气动驱动方式相t匕，液压伺服驱动机构具有刚度大、结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好等特点。因此，目前并联机构大多采用液压伺服驱动方式。但这种驱动方式的并联机构存在着重复定位精度差的缺点，一般为微米级。
[0003]为了满足高精度纳米级的定位需求，出现了并联微动机构，它具有结构紧凑、运动链短、刚度高和承载能力大等优点，是纳米科技的重要组成部分，已经成为超精密加工、半导体工业、自适应光学、生物医学工程、复合材料、航天等许多尖端领域的关键技术。由于压电陶瓷具有体积小，分辨率高且容易控制等优点，出现了以压电陶瓷微位移驱动器的并联微动机构来满足高精度微位移和微运动的要求。其中，德国PI公司生产的压电六轴并联微动机构已经系列化和商业化。
[0004]并联微动机构虽然具有很高的定位精度，但是其运动范围较小，这极大限制了其实际工程应用。因此，国内外学者将宏/微混合驱动的技术应用到并联机构，研究混合驱动的大范围高精度并联机构。液压伺服系统响应速度快，控制精度高、易于实现直线运动的速度位移及力控制等特点适用于大行程的控制系统。因此，结合液压伺服技术与压电技术独特的优点并应用到并联机构中，可以开发出一种大行程高精度定位的宏/微并联机构。
[0005]随着计算机技术的发展而发展起来的虚拟样机技术是一种基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。因此虚拟样机技术的应用正日益广泛，包括航空、航天、船舶、汽车、轨道车辆等机械领域。
[0006]根据文献检索，基于虚拟样机技术将Adams、AMESim与MATLAB软件用于电液-压电共同驱动的3-RPR宏微并联机构的仿真分析仍未见报道。因此，进行电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法的研究具有重要的意义。
【发明内容】
[0007]目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明立足于解决上述矛盾，提供一种可以实现大范围精密定位的宏微混合驱动的并联机构。
[0008]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为: 一种电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，包括以下步骤:
(1)在SolidWorks环境下搭建宏微并联机构的三维模型，并将三维模型转为可以导入Adams的中性文件格式；
(2)将该中性文件导入Adams中，进行前处理设置，设置Adams机械模型的零部件的材料属性，各零部件之间的约束、载荷与驱动参数，生成宏微并联机构的Adams机械模型；
(3)通过Adams/Control模块将步骤(2)生成的Adamds机械模型导出；
(4)在AMESim环境下,搭建宏微并联机构的液压与压电驱动模型；
(5)将步骤(3)导出的Adams模型导入步骤(4)搭建的AMESim模型，完成Adams模型与AMESim模型的关联，形成宏微并联机构的AMESim驱动模型；
(6)搭建宏微并联机构的MATLAB/Simulink控制模型；
(7)将步骤(5)生成的AMESim驱动模型导入步骤(6)搭建的MATLAB/Simulink控制模型，完成两者的关联，最终形成宏微并联机构基于Adams、AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真的虚拟样机模型；
(8)对宏微并联机构的虚拟样机模型设置合理的参数，并进行仿真分析；
(9)搭建宏微并联机构的实验测试平台，进行实验测试；
(10)将步骤(8)仿真结果与步骤(9)实验结果进行比较，如果两者之间的误差小于10%，则所建立的模型是准确的，可以进行后续步骤(11);若两者之间的误差不小于10%，则说明模型有较大误差，分别返回步骤(2)、步骤(4)与步骤(6)进行Adams参数与约束副、AMESim驱动模型和MATLAB/Simulink控制模型的修改，直到误差小于10%。
[0009](11)进行不同参数和工况下的宏微并联机构动力学仿真，优化参数设计。
[0010]所述步骤(2)中Adams机械模型的零部件包括:动平台、压电陶瓷支架、带座轴承、液压缸、转向架、活塞杆与压电陶瓷之间的连接件、活塞杆、压电驱动器。
[0011]所述步骤(2)中Adams机械模型的零部件的材料属性分别为:动平台、压电陶瓷支架、带座轴承、液压缸、活塞杆均为钢铁；转向架、活塞杆与压电陶瓷之间的连接件均为硬铝合金；压电驱动器为压电陶瓷。
[0012]所述步骤(2)中约束包括:液压缸与活塞杆设移动副；压电陶瓷与压电陶瓷支架设移动副；活塞杆与连接件设置固连；压电陶瓷支架与连接件设置固连；压电陶瓷与转向架设置固连；转向架与动平台设转动副；液压缸与带座轴承设转动副；带座轴承与Adams中ground设置固连。
[0013]所述步骤(2)中载荷与驱动参数包括:动平台I设置外力载荷；活塞杆7设置来自AMESim驱动模型中的力或者位移驱动；压电陶瓷8设置来自AMESim驱动模型中的力或者位移驱动。
[0014]所述步骤(5)中AMESim驱动模型包括:油压源、伺服阀、液压缸、位移传感器、质量块、压电陶瓷、电源、电阻、Adams模块、MATLAB/SimuI ink模块。
[0015]所述步骤(6)中MATLAB/Simulink控制模型包括:输入环节、反馈环节、switch环节、PID环节、放大环节、saturat1n环节。
[0016]所述步骤(7)中虚拟样机模型包括=Adams机械模型、AMESim驱动模型、MATLAB/Simulink控制模型,并且以MATLAB/Simulink作为主平台的虚拟样机模型。
[0017]有益效果:本发明提供的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，针对以实际样机进行实验以掌握样机的动态特性，并进行优化设计存在着开发周期长、成本高等缺点，本发明基于虚拟样机技术提供一种电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，用来模拟宏微并联机构的运动情况，真实反映其工作原理，为宏微并联机构的研制提供结构尺寸设计、控制算法研究及样机优化设计等提供理论基础。
[0018]与现有传统技术相比，本发明提出的联合仿真方法具有如下优点:本发明通过联合Adams、AMESim和MATLAB/Simulink三个软件建立电液-压电共同驱动的宏微并联机构，进行并联机构的联合仿真分析，分析不同参数和工况下的仿真结果，为并联机构的控制算法研究和优化设计提供重要的理论依据，避免传统分析方法需要在实际样机完成后才能进行研究的缺点。通过多个软件的联合仿真，可大大节约成本、缩短产品开发周期、降低产品开发的风险。该方法具有通用性，可以推广到其它类型的并联机构的仿真分析，可提高产品设计的速度和质量，具有良好的经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法的流程图；
图2为本发明中Adams机械模型图；
图3为本发明中AMESim驱动模型图；
图4为本发明中MATLAB/Simulink控制模型一总体封装图；
图5为本发明中MATLAB/Simulink控制模型一单轴子系统图；
图6为驱动轴位移运动曲线一总体运动过程；
图7为驱动轴位移运动曲线一宏/微切换过程；
图8为动平台X方向位移运动曲线一总体运动过程；
图9为动平台X方向位移运动曲线一宏/微切换过程；
图10为动平台Y方向位移运动曲线一总体运动过程；
图11为动平台Y方向位移运动曲线一宏/微切换过程；
图12为动平台偏转角度运动曲线一总体运动过程；
图13为动平台偏转角度运动曲线一宏/微切换过程；
图中:1、动平台；2、压电陶瓷支架；3、带座轴承；4、液压缸；5、转向架；6、连接件；7、活塞杆；8、压电驱动器。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的【具体实施方式】不限于此。凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。
[0021](I)并联机构的三维建模
在三维绘图SolidWorks软件环境下，通过草图绘制、特征拉伸/切除等工具按照实际尺寸对宏微驱动的并联机构进行三维建模，并在“配合”命令下完成各零部件的装配；通过“另存为”命令将并联机构模型另存为可导入Adams的中性格式.x_t。
[0022](2 )建立Adams机械模型
在Adams/view环境下,导入并联机构的.x_t格式文件,生成并联机构的动力学仿真分析模型。该仿真模型包括的零部件有:动平台1、压电陶瓷支架2、带座轴承3、液压缸4、转向架5、活塞杆与压电陶瓷之间的连接件6、活塞杆7、压电驱动器8。右键单击各零部件，点击“modify”设置各零部件材料属性，具体为:动平台1、压电陶瓷支架2、带座轴承3、液压缸4、活塞杆7均为钢铁；转向架5、活塞杆与压电陶瓷之间的连接件6均为硬铝合金；压电驱动器8为压电陶瓷。
[0023]在Adams环境下，点击“joint”工具，设置各零件之间的约束副，具体为:液压缸4与活塞杆7设移动副；压电陶瓷8与压电陶瓷支架2设移动副；活塞杆7与连接件6设置固连；压电陶瓷支架2与连接件6设置固连；压电陶瓷8与转向架5设置固连；转向架5与动平台I设转动副；液压缸4与带座轴承3设转动副；带座轴承3与Adams中ground设置固连。点击“forces”命令或“joint mot1n”命令设置载荷和驱动参数,具体包括:动平台I设置外力载荷；活塞杆7设置来自AMESim驱动模型中的力或者位移驱动；压电陶瓷8设置来自AMESim驱动模型中的力或者位移驱动。
[0024](3 )导出Adams机械模型
在Adams中建立变量，值为每根支链的液压缸活塞杆7伸缩量和压电陶瓷8伸缩量，并将驱动的值与外部变量相连，单击Controls-Plant Export输出Adams机械模型。
[0025](4)搭建AMESim液压与压电驱动模型
在AMESim环境下的“Sketch mode”界面里,根据并联机构的原理方案，从“LibraryTree”选择所需的液压元件、压电元件及信号元件，并进行各元件之间的连接，并点击“Modeling”里的“Import Adams model”选择步骤(3)导出的Adams机械模型，同时点击“Create interfaceicon”创建 Simulink 模块，并设置输入、输出参数。在“Submodel mode”界面里，选择各元件的数学模型。在“Parameter mode”界面里，设置各元件所需的参数。最后点击“Simulat1n mode”进行文档的编译，生成可导入到MATLAB/Simulink的模型。
[0026](5)搭建 MATLAB/Simulink 控制模型
在 MATLAB/Simulink 中新建一个空文档，在 “Simulink Library Browser” 选择所需的输入环节、反馈环节、switch环节、PID环节、放大环节、saturat1n环节，并通过s-funct1n导入步骤(4)的AMESim驱动模型。在对各环节进行参数设置的基础上，点击“Simulat1n Parameters”进行仿真时间、步长的设置和仿真方法的选择，最后点击“Start”进行联合仿真，输出并联机构每个支链中的液压缸活塞杆7和压电陶瓷8的运动位移以及动平台I的移动和转动曲线。
[0027](6)搭建实验测试平台，进行实验测试
按照电液-压电共同驱动的宏微并联机构的原理方案，研制其实物样机，并搭建其实验测试平台，进行实验测试得出每个每个支链中的液压缸活塞杆7和压电陶瓷8的运动位移以及动平台I的移动和转动实验结果。
[0028](7)比较仿真与实验结果，不断返回修正模型
将仿真结果与实验结果进行比较，如果两者之间的误差小于10%，则所建立的模型是准确的，可以进行后续的仿真优化设计；若两者之间的误差大于10%，则说明模型有较大误差，需要返回进行Adams模型的参数、约束副、或者是AMESim驱动模型和MATLAB/Simulink控制模型的修改，直到误差小于10%。
[0029](8)进行不同参数和工况下的并联机构动力学仿真。
[0030]对并联机构进行不同参数和工况下的运动仿真，得到动平台I的运动曲线；并为动平台I的响应的快速性、平稳性、准确性为优化目标，进行并联机构的参数及控制方法的优化仿真，为后续的实际工程应用提供理论基础。
[0031]下面以并联机构动力学仿真具体实例来说明本发明的效果。
[0032]本实例的仿真步骤流程图如图1所示，仿真模型如图2、图3、图4、图5所示。
[0033]首先,打开AMESim驱动模型，并在“Parameter mode”界面里,设置各元件所需的参数，具体为:油源压力20MPa，伺服阀各通道流量30L/min、伺服阀额定电流30mA、伺服阀工作频率50Hz、伺服阀阻尼比0.8，油缸活塞直径40mm、活塞杆直径22mm、行程0.5m、直径3kg,压电驱动器层片数为500、层片厚度为0.2mm、层片面积为78.5mm2、相对介电系数为2900、机电耦合系数为0.772、负载质量1kg。并点击“Simulat1n mode”使得模型处于仿真模式。
[0034]第二,打开MATLAB/Simulink控制模型,设置输入为10mm幅值的阶跃信号,宏微切换阈值为0.lmm, PID三个参数为:900,0.1,0.05。
[0035]第三，在MATLAB/Simulink环境下，点击“Start”进行仿真。仿真结果如图6?图13所示。
[0036]从图6、图7可以看出，启动后，活塞杆7 —直快速伸长，直到理论设定值与并联机构驱动杆的仿真值小于宏微切换阈值为10um时，压电陶瓷8开始驱动，驱动杆的运动位移从99.9mm快速运动100mm,最后仿真的位移稳态误差为±0.2um。从图8至图13可以看出动平台X、Y两方向平动及偏转运动的动态响应过程，在驱动杆的宏微切换过程中，动平台I也出现同样的切换过程，使得动平台更进一步运动到理论值。
[0037]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在SolidWorks环境下搭建宏微并联机构的三维模型，并将三维模型转为可以导Λ Adams的中性文件格式； (2)将该中性文件导入Adams中，进行前处理设置，设置Adams机械模型的零部件的材料属性，各零部件之间的约束、载荷与驱动参数，生成宏微并联机构的Adams机械模型； (3)通过Adams/Control模块将步骤(2)生成的Adamds机械模型导出； (4)在AMESim环境下,搭建宏微并联机构的液压与压电驱动模型； (5)将步骤(3)导出的Adams模型导入步骤(4)搭建的AMESim模型，完成Adams模型与AMESim模型的关联，形成宏微并联机构的AMESim驱动模型； (6)搭建宏微并联机构的MATLAB/Simulink控制模型； (7)将步骤(5)生成的AMESim驱动模型导入步骤(6)搭建的MATLAB/Simulink控制模型，完成两者的关联，最终形成宏微并联机构基于Adams、AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真的虚拟样机模型； (8)对宏微并联机构的虚拟样机模型设置合理的参数，并进行仿真分析； (9)搭建宏微并联机构的实验测试平台，进行实验测试； (10)将步骤(8)仿真结果与步骤(9)实验结果进行比较，如果两者之间的误差小于10%，则所建立的模型是准确的，可以进行后续步骤(11);若两者之间的误差不小于10%，则说明模型有较大误差，分别返回步骤(2)、步骤(4)与步骤(6)进行Adams参数与约束副、AMESim驱动模型和MATLAB/Simulink控制模型的修改，直到误差小于10% ； (11)进行不同参数和工况下的宏微并联机构动力学仿真，优化参数设计。
2.根据权利要求1所述的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于:所述步骤(2)中Adams机械模型的零部件包括:动平台、压电陶瓷支架、带座轴承、液压缸、转向架、活塞杆与压电陶瓷之间的连接件、活塞杆、压电驱动器。
3.根据权利要求2所述的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于:所述步骤(2)中Adams机械模型的零部件的材料属性分别为:动平台、压电陶瓷支架、带座轴承、液压缸、活塞杆均为钢铁；转向架、活塞杆与压电陶瓷之间的连接件均为硬铝合金；压电驱动器为压电陶瓷。
4.根据权利要求1所述的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于:所述步骤(2)中约束包括:液压缸与活塞杆设移动副；压电陶瓷与压电陶瓷支架设移动副；活塞杆与连接件设置固连；压电陶瓷支架与连接件设置固连；压电陶瓷与转向架设置固连；转向架与动平台设转动副；液压缸与带座轴承设转动副；带座轴承与Adams中ground设置固连。
5.根据权利要求1所述的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于:所述步骤(2)中载荷与驱动参数包括:动平台I设置外力载荷；活塞杆7设置来自AMESim驱动模型中的力或者位移驱动；压电陶瓷8设置来自AMESim驱动模型中的力或者位移驱动。
6.根据权利要求1所述的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于:所述步骤(5)中AMESim驱动模型包括:油压源、伺服阀、液压缸、位移传感器、质量块、压电陶瓷、电源、电阻、Adams模块、MATLAB/SimuI ink模块。
7.根据权利要求1所述的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于:所述步骤(6)中MATLAB/Simulink控制模型包括:输入环节、反馈环节、switch环节、PID环节、放大环节、saturat1n环节。
8.根据权利要求1所述的电液-压电共同驱动的宏微并联机构的联合仿真方法，其特征在于:所述步骤(7)中虚拟样机模型包括=Adams机械模型、AMESim驱动模型、MATLAB/Simulink控制模型,并且以MATLAB/Simulink作为主平台的虚拟样机模型。
【文档编号】G06F17/50GK104268329SQ201410484130
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】许有熊, 朱松青, 顾人杰, 刘娣, 高海涛, 韩亚丽 申请人:南京工程学院