基于SimulationX的高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的開發(fā)

李暉，柏艷紅

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

基于SimulationX的高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的開發(fā)

李暉，柏艷紅

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

以自行走直臂式高空作業(yè)平臺(tái)為例，根據(jù)其機(jī)械結(jié)構(gòu)將其分為俯仰機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)以及調(diào)平機(jī)構(gòu)。應(yīng)用SimulationX解決俯仰機(jī)構(gòu)與調(diào)平機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及伸縮臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題，搭建高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型，為工作人員在各種虛擬環(huán)境中模擬其液壓系統(tǒng)的運(yùn)行以及更好地進(jìn)行液壓系統(tǒng)仿真提供一個(gè)便捷、直觀的分析環(huán)境。

高空作業(yè)平臺(tái);SimulationX;虛擬樣機(jī);液壓系統(tǒng)

高空作業(yè)平臺(tái)是運(yùn)送人員、材料和工具到指定位置進(jìn)行工作的設(shè)備，它融合了液壓傳動(dòng)、電氣控制等技術(shù)［1-2］。自行走式高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)小巧，移動(dòng)方便，直臂式作業(yè)高度與幅度大，安全性高，隨著該行業(yè)的發(fā)展，自行走直臂式高空作業(yè)平臺(tái)將倍受青睞。但是，像高空作業(yè)平臺(tái)這種大型設(shè)備，不僅制作成本高，而且短期內(nèi)完成一次系統(tǒng)的全面性能測(cè)試也難以實(shí)現(xiàn)，可見建立一個(gè)可靠高效的仿真平臺(tái)是必要的。

研究該類大型機(jī)械性能，往往通過構(gòu)建其虛擬樣機(jī)仿真模型來實(shí)現(xiàn)。隨著研究對(duì)象中各機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子元件、液壓系統(tǒng)不斷融合并且復(fù)雜化，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)電液系統(tǒng)中的應(yīng)用在不斷普遍。目前大部分研究采用ANSYS、MATLAB、ADAMS、RecurDyn、AMESim等軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真［3］。然而進(jìn)行聯(lián)合仿真的同時(shí)，必然會(huì)存在數(shù)據(jù)的傳輸、連接接口的調(diào)試或者多個(gè)系統(tǒng)的調(diào)用等問題，降低了仿真效率與準(zhǔn)確性。而對(duì)于SimulationX其建模理念是提供一個(gè)機(jī)電液一體的建模仿真平臺(tái)［4-6］。

本文選用SimulationX來構(gòu)建高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)，設(shè)計(jì)其俯仰機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)以及調(diào)平機(jī)構(gòu)，能夠模擬系統(tǒng)工作過程中遇到的復(fù)雜環(huán)境，為觀察高空作業(yè)平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行過程提供一個(gè)便捷、直觀的分析環(huán)境，解決了該類大型設(shè)備難以短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面性能測(cè)試的問題［7-8］。

1 高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

以10V02002自行走直臂式高空作業(yè)平臺(tái)為研究對(duì)象，該高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。自行走直臂式高空作業(yè)平臺(tái)俯仰機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)以及調(diào)平機(jī)構(gòu)由各自對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行連接驅(qū)動(dòng)，作業(yè)過程中通過三個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合保證將工作人員安全運(yùn)送到指定地點(diǎn)，工作斗為工作人員提供安全的工作環(huán)境。

圖110 V2002自行走直臂式高空作業(yè)平臺(tái)Fig.1 The self-propelled aerial work platform

10 V02002 自行走直臂式高空作業(yè)平臺(tái)實(shí)際參數(shù)見表1.

表110 V02002自行走直臂式高空作業(yè)平臺(tái)參數(shù)Tab.1 The parameters of 10V02002 self-propelled aerial work platforms

2 高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

在高空作業(yè)平臺(tái)模型中，俯仰機(jī)構(gòu)、調(diào)平機(jī)構(gòu)以及伸縮機(jī)構(gòu)主要元件為液壓缸，其模型可直接調(diào)用SimulationX軟件中的液壓缸模型來搭建。對(duì)于高空作業(yè)平臺(tái)車座以及工作斗模型，則需借助Solidworks來進(jìn)行三維建模。

2.1 車座和工作斗建模

根據(jù)表1-1中10V02002直臂式高空作業(yè)平臺(tái)實(shí)際參數(shù)，應(yīng)用Solidworks搭建高空作業(yè)平臺(tái)車座與工作斗三維模型。需要注意的是，在建模過程中為方便模型在SimulationX中的導(dǎo)入，三維模型保存格式為stl格式。高空作業(yè)平臺(tái)車座、工作斗模型如圖2所示。

圖2 高空作業(yè)平臺(tái)車座、工作斗模型Fig.2 The models of aerial work platform bodywork and workbench

2.2 三維模型導(dǎo)入SimulationX

在SimulationX中，導(dǎo)入三維模型用到元件CAD-import，在該元件屬性窗口中點(diǎn)擊“加載”按鈕，選擇車座與工作斗的三維模型導(dǎo)入SimulationX，在New 3D View窗口中即可查看。導(dǎo)入后設(shè)置模型屬性。

2.3 俯仰機(jī)構(gòu)與調(diào)平機(jī)構(gòu)建模

車座與伸縮機(jī)構(gòu)連接以及伸縮機(jī)構(gòu)與工作斗連接通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)RevoluteJoint來實(shí)現(xiàn)。在俯仰機(jī)構(gòu)中，將俯仰液壓缸與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)并聯(lián);在調(diào)平機(jī)構(gòu)中，調(diào)平方式采用電液比例調(diào)平，將調(diào)平液壓缸與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)并聯(lián)，通過調(diào)平液壓缸伸縮使工作斗圍繞該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)調(diào)平。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)置其大小尺寸，調(diào)整其在三維模型中恰當(dāng)?shù)奈恢谩８┭鰴C(jī)構(gòu)模塊與調(diào)平機(jī)構(gòu)模塊中液壓缸模型直接選擇元件庫中的元件，液壓缸屬性設(shè)置如圖3所示。在該元件屬性中，在“界面顯示”選擇這一選項(xiàng)中，選擇液壓缸(hydraulic cylinder)，這樣就可在三維建模窗口中顯示液壓缸模型。

圖3 液壓缸屬性窗口Fig.3 The property window of hydraulic cylinder

2.4 伸縮機(jī)構(gòu)建模

伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)與鏈條驅(qū)動(dòng)，一般工作高度高的伸縮臂使用多節(jié)臂。這里我們建立液壓缸驅(qū)動(dòng)的二節(jié)伸縮臂，通過控制伸縮臂內(nèi)液壓缸，實(shí)現(xiàn)伸縮臂二節(jié)臂延伸與收縮。

伸縮機(jī)構(gòu)模型搭建使用元件移動(dòng)關(guān)節(jié)PrismaticJoint進(jìn)行連接，并在其兩側(cè)添加元件Cuboid作為移動(dòng)對(duì)象，液壓缸與移動(dòng)關(guān)節(jié)通過并聯(lián)方式連接，控制液壓缸活塞的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)關(guān)節(jié)兩端移動(dòng)對(duì)象的移動(dòng)。伸縮機(jī)構(gòu)模型如圖4.

圖4 伸縮機(jī)構(gòu)模型Fig.4 The model of telescopic mechanism

最終，將高空作業(yè)平臺(tái)各個(gè)機(jī)構(gòu)模型依次連接，伸縮機(jī)構(gòu)兩側(cè)分別與俯仰機(jī)構(gòu)和調(diào)平機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連，高空作業(yè)平臺(tái)的整體三維模型如圖5所示。

圖5 高空作業(yè)平臺(tái)三維模型Fig.5 3D model of aerial work platform

3 液壓系統(tǒng)建模

液壓系統(tǒng)包含動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件及液壓油，建立高空作業(yè)平臺(tái)俯仰液壓系統(tǒng)如圖6所示。其中，油泵提供動(dòng)力源，液壓控制閥根據(jù)控制信號(hào)將液壓油以特定的壓力、流量及方向注入液壓缸，通過液壓缸的收縮滑動(dòng)來控制高空作業(yè)平臺(tái)的運(yùn)行。

液壓控制系統(tǒng)中，信號(hào)源通過PID控制環(huán)節(jié)將控制信號(hào)傳遞至液壓控制閥，控制液壓閥閥心位置來控制液壓缸的伸縮。在輸出環(huán)節(jié)又將液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)位移反饋到輸入環(huán)節(jié)，形成一個(gè)閉環(huán)的控制回路。

圖6 俯仰液壓系統(tǒng)Fig.6 The hydraulic luffing system

對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)俯仰系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)以及調(diào)平系統(tǒng)分別添加液壓控制系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手冊(cè)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)參數(shù)，最終獲得高空作業(yè)平臺(tái)整體仿真模型如圖7所示。

圖7 高空作業(yè)平臺(tái)仿真模型Fig.7 The simulation model of aerial work platform

4 高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的運(yùn)行

高空作業(yè)平臺(tái)仿真模型搭建完成后，對(duì)俯仰機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)分別添加一定幅值的階躍控制信號(hào)。點(diǎn)擊運(yùn)行，在俯仰液壓缸與伸縮液壓缸位移屬性窗口中，能夠觀察各個(gè)液壓系統(tǒng)液壓缸活塞位移的變化，如圖8所示。同時(shí)在New 3D View窗口中能直觀觀察高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的運(yùn)行，如圖9所示。

根據(jù)各個(gè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果窗口的輸出以及高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的運(yùn)行，我們可以發(fā)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)的缺陷并調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)參數(shù)，使其按照系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求到達(dá)目標(biāo)位置并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 高空作業(yè)平臺(tái)液壓缸位移Fig.8 The hydraulic cylinder displacement of aerial work platform

圖9 高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)運(yùn)行Fig.9 the virtual prototype of aerial work platform operation

5 結(jié)論

本研究在軟件Solidworks的協(xié)助下建立高空作業(yè)平臺(tái)的三維模型，應(yīng)用SimulationX解決高空作業(yè)平臺(tái)各個(gè)機(jī)構(gòu)建模，完成了高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)。調(diào)試模型液壓控制系統(tǒng)并添加液壓控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的運(yùn)行以及液壓系統(tǒng)的仿真。通過對(duì)高空作業(yè)平臺(tái)虛擬樣機(jī)的建模與仿真，證明了軟件SimulationX在對(duì)實(shí)際系統(tǒng)性能分析及應(yīng)用方面的可行性與優(yōu)越性。

［1］張華，霍玉蘭.我國(guó)高空作業(yè)車行業(yè)發(fā)展與展望［J］.建筑機(jī)械，2009(12):38-43.

［2］張偉，李宏杰.4300 mm中厚板全液壓滾切剪電液伺服控制系統(tǒng)［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(2):123-127.

［3］李謹(jǐn)，鄧衛(wèi)華.AMESim與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)及應(yīng)用［J］.情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2004，26(5):61-64.

［4］尹信賢.高空作業(yè)車執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)電液一體化仿真分析［D］.重慶交通大學(xué)，2012.

［5］多學(xué)科領(lǐng)域建模仿真平臺(tái)SimulationX［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2011(1):24-30.

［6］王麗薇，呂曉林.基于ITI-SimulationX的液壓挖掘機(jī)多路閥建模與仿真［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(9):126-128，134.

［7］毛國(guó)新.高空作業(yè)車整車電液自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的研究［D］.浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

［8］R F Abo-Shanab，N Sepehri.Tip-over responses of hydraulic mobile cranes［J］.Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2006(3):391-412.

Development of Aerial Work Platforms Virtual Prototype Based on SimulationX

LI-Hui，BAI Yan-hong
(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Taking the self-propelled aerial work platform as example，it is divided into tilt mechanism，telescopic mechanism and leveling mechanism according to mechanical structure.The problem of revolute joint between tilt mechanism and leveling mechanism，the design of telescopic boom will be solved by applying SimulationX.A convenient intuitive analysis environment will be provided to simulate the operation of hydraulic system and better simulation of hydraulic system by building aerial work platform of virtual prototype model.

aerial work platform，SimulationX，virtual prototype，hydraulic system

TH128

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.007

1673-2057(2015)03-0194-04

2014-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(51075291);山西省回國(guó)留學(xué)人員科研(2012-076)

李暉(1989-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂评碚摷皯?yīng)用。