基于ADAMS的立式活套系統(tǒng)建模方法研究

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

帶鋼作為一種鋼鐵產(chǎn)品，是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、石油化工、家用電器等領(lǐng)域?，F(xiàn)實(shí)生活中，人們對帶鋼的品種、規(guī)格和質(zhì)量的要求日益增加，這也對帶鋼生產(chǎn)線相關(guān)的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。活套控制是帶鋼生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)之一，其控制效果的好壞，直接影響著帶鋼產(chǎn)品的性能。

較早應(yīng)用到活套系統(tǒng)的方法有傳統(tǒng)的PID控制、互不相關(guān)控制（解耦多變量控制）、最優(yōu)多變量控制等。近年來，多種智能控制策略逐漸應(yīng)用到活套系統(tǒng)的研究中，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、預(yù)測控制、內(nèi)?？刂频取?/p>

上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但或多或少都離不開對活套系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的依賴。本文提出了基于ADAMS的建模方法，從虛擬樣機(jī)的角度出發(fā)，對立式活套系統(tǒng)建模方法進(jìn)行研究。

1 活套系統(tǒng)介紹

1.1 活套系統(tǒng)分類

活套按結(jié)構(gòu)分類一般可以分為臥式活套和立式活套兩種[1]。臥式活套和立式活套各有特點(diǎn)，兩者之間的對比，如表1所示。

活套按驅(qū)動(dòng)方式分類一般可以分為電動(dòng)活套、液壓活套和氣動(dòng)活套三種[2]。電動(dòng)活套、液壓活套和氣動(dòng)活套各有特點(diǎn)，三者之間的對比，如表2所示。

表1 臥式活套和立式活套的對比

表2 電動(dòng)活套、液壓活套和氣動(dòng)活套的對比

1.2 立式活套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的研究對象是典型的立式電動(dòng)活套系統(tǒng)。立式活套系統(tǒng)的設(shè)備組成主要有活套車及動(dòng)輥組、活套定輥組、帶鋼、平衡重、滑輪、鏈條、電機(jī)等[3]。立式活套結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。帶鋼在立式活套系統(tǒng)中穿梭，通過改變活套車及動(dòng)輥組的豎直高度，改變立式活套系統(tǒng)的套量，從而調(diào)節(jié)帶鋼的張力，控制帶鋼張力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖1 立式活套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 ADAMS軟件介紹

2.1 ADAMS軟件概述

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），該軟件是美國機(jī)械動(dòng)力公司（Mechanical Dynamics Inc.）（現(xiàn)已并入美國MSC 公司）開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS是一款在全世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件，其功能十分強(qiáng)大，可以將建模和求解集于一體。

2.2 ADAMS/Exchange模塊

ADAMS/Exchange模塊為ADAMS軟件與其他CAD/CAM/CAE軟件之間的幾何數(shù)據(jù)交換提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口。通過ADAMS/Exchange模塊，用戶可以將所有來源于產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換庫的標(biāo)準(zhǔn)格式的幾何外形進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，標(biāo)準(zhǔn)格式包括IGES、STEP、DWG、Parasolid等[4]。

以SolidWorks軟件為例，將SolidWorks文件保存為Parasolid（*.x_t）格式，當(dāng)用戶將SolidWorks三維模型傳輸?shù)紸DAMS中時(shí)，只要在ADAMS軟件界面下從“File”下拉菜單中選擇“Import”命令，打開“File Import”對話框，如圖2所示。ADAMS/Exchange模塊能自動(dòng)地將幾何圖形轉(zhuǎn)換到ADAMS軟件中，此方法的優(yōu)點(diǎn)是無需再重新建模，幾何定義準(zhǔn)確，信息丟失少。

圖2 通過ADAMS/Exchange模塊導(dǎo)入SolidWorks三維模型

3 活套系統(tǒng)建模

3.1 活套系統(tǒng)建模步驟

活套系統(tǒng)建模步驟分為以下三步，如圖3所示。

1）根據(jù)某立式活套系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，用SolidWorks進(jìn)行三維建模仿真。

2）將SolidWorks三維模型導(dǎo)入到ADAMS中處理，在ADAMS中建立立式活套系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，對該模型進(jìn)行環(huán)境和其他參數(shù)的設(shè)定。

3）研究ADAMS/Controls模塊與Matlab/Simulink的通信，ADAMS和Matlab的聯(lián)合仿真，控制帶鋼張力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，優(yōu)化控制算法，改進(jìn)實(shí)際模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

圖3 活套系統(tǒng)建模步驟

3.2 SolidWorks三維建模

ADAMS具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真能力，但很難精確建立復(fù)雜的三維實(shí)體模型[5]。因此，首先利用SolidWorks強(qiáng)大的三維建模功能，建立立式活套系統(tǒng)三維模型（不含鋼絲繩-滑輪-配重部分，該部分將在ADAMS中通過ADAMS/Cable實(shí)現(xiàn)建模[6]）。SolidWorks三維模型如圖4所示。

圖4 SolidWorks三維模型

3.3 建立ADAMS虛擬樣機(jī)模型

在ADAMS中導(dǎo)入Parasolid（*.x_t）格式文件，通過ADAMS/Exchange模塊將SolidWorks文件導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中。在ADAMS中需對每個(gè)活套的零部件進(jìn)行編輯，定義其材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)屬性，并添加約束和運(yùn)動(dòng)副。ADAMS虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文通過SolidWorks三維建模并導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中，較為快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建了ADAMS虛擬樣機(jī)模型，驗(yàn)證了基于ADAMS的立式活套系統(tǒng)建模方法的可行性和正確性，為立式活套系統(tǒng)的研究提供了參考和依據(jù)，也為后續(xù)ADAMS和Matlab的多學(xué)科聯(lián)合仿真奠定了基礎(chǔ)，還有待進(jìn)一步研究。

圖5 ADAMS虛擬樣機(jī)模型