基于UG 和LabVIEW 的布水器聯(lián)合仿真

郝一舒 施佳勇

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

0 引言

如今,環(huán)境保護(hù)問題越來越得到人們的關(guān)注,水資源的回收利用以及污水處理一直是環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)布水器就是這樣一種在生物濾池中進(jìn)行污水凈化的關(guān)鍵設(shè)備,其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

傳統(tǒng)的布水器一般采用多孔的布水結(jié)構(gòu),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(huì)導(dǎo)致布水不均勻等問題,使得污水處理的效果達(dá)不到預(yù)期值。針對(duì)這些問題,本文設(shè)計(jì)了一種單孔的旋轉(zhuǎn)布水器,并且利用UG/NX和LabVIEW軟件搭建了布水器的聯(lián)合仿真平臺(tái),在該平臺(tái)上對(duì)布水器進(jìn)行了機(jī)電一體化的控制仿真,為實(shí)際物理樣機(jī)的開發(fā)提供了依據(jù)。

1 聯(lián)合仿真模型的建立

過去,在電氣機(jī)械類產(chǎn)品開發(fā)過程中,兩者是獨(dú)立進(jìn)行的,開發(fā)周期漫長,開發(fā)成本高。利用聯(lián)合仿真,可以有效提高開發(fā)效率,防止實(shí)際樣機(jī)調(diào)試過程中才發(fā)現(xiàn)原先的設(shè)計(jì)問題,減少開發(fā)成本[2]。

機(jī)電一體化產(chǎn)品的聯(lián)合仿真包括以下幾個(gè)部分:三維建模、動(dòng)力學(xué)仿真、控制系統(tǒng)建模以及接口技術(shù)[3]。聯(lián)合仿真的流程圖如圖2所示,首先,根據(jù)零件尺寸在UG中對(duì)零件進(jìn)行三維建模,所有零件建模完成后在UG中進(jìn)行模型裝配,裝配完成后對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)設(shè)置,包括材料屬性、系統(tǒng)受力、運(yùn)動(dòng)屬性、機(jī)電控制信號(hào)設(shè)置等。然后在LabVIEW對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)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(hào)與UG中的信號(hào)連接起來,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

圖1 生物濾池簡易模型示意圖

圖2 機(jī)電一體化聯(lián)合仿真系統(tǒng)流程圖

1.1 NX模型建立

UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案,為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。UG中包含很多模塊,本文主要用到了UG運(yùn)動(dòng)仿真和MCD機(jī)電一體化仿真兩大模塊。其中,UG的運(yùn)動(dòng)仿真主要遵循以下步驟:(1)新建運(yùn)動(dòng)仿真;(2)選擇方案類型;(3)新建連桿;(4)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副;(5)創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)體;(6)生成動(dòng)畫。MCD模塊是西門子公司近年推出的機(jī)電一體化模塊[4],可以對(duì)包含多物理場以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)化相關(guān)行為進(jìn)行3D建模和仿真。

布水器主要結(jié)構(gòu)包括主步進(jìn)電機(jī)、副步進(jìn)電機(jī)、中央旋轉(zhuǎn)水管、可控布水橫管、支架等組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

布水器運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,主要分為兩個(gè)部分,第一部分由主步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)包括副步進(jìn)電機(jī)在內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng),第二部分由副步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)可控布水橫管轉(zhuǎn)動(dòng)。在MCD模塊中進(jìn)行機(jī)電一體化仿真需要以下四個(gè)步驟:(1)建立剛體;(2)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副;(3)創(chuàng)建仿真序列;(4)建立控制信號(hào),主要設(shè)置信息如表1所示。

表1 布水器主要設(shè)置信息

圖3 布水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 LabVIEW 變量設(shè)置

1.2 LabVIEW系統(tǒng)設(shè)置

LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的一款軟件,它以模塊化的圖形為基礎(chǔ),主要用于控制系統(tǒng)的開發(fā),在數(shù)據(jù)采集和分析方面具有很強(qiáng)大的功能。

在LabVIEW中首先對(duì)主步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行設(shè)置,將步進(jìn)電機(jī)的控制速度和反饋速度設(shè)置為雙精度,將使能信號(hào)設(shè)置為布爾類型,這樣與UG中的控制信號(hào)相互對(duì)應(yīng)了起來。對(duì)于副步進(jìn)電機(jī),進(jìn)行同樣的設(shè)置,所以一共需要6個(gè)控制變量,如圖4所示。

選擇相應(yīng)類型的空間,拖動(dòng)到控制面板上面,然后將LabVIEW中的電機(jī)轉(zhuǎn)速單位與UG中的轉(zhuǎn)速相互統(tǒng)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(xié)議作為一種通訊技術(shù),主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,是各種控制系統(tǒng)和其相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行通信的一個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)。KEPServer是一種第三方OPC服務(wù)器,它使用起來靈活方便,并且可更改和可擴(kuò)展性較強(qiáng),適用于各種自動(dòng)化控制、手動(dòng)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(shè)置為OPC Client,選擇本地服務(wù)器,搜索NI的本地服務(wù)器可以找出我們需要控制的六個(gè)變量,如圖6所示。

最后回到N X 中,將剛剛設(shè)置的控制信號(hào)映射到N X中,就可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW和UG的聯(lián)合仿真。最后布水器噴頭的運(yùn)行軌跡如圖7所示。

圖6 完成OPC 設(shè)置

圖7 布水器噴頭仿真軌跡圖

2 總結(jié)與展望

本文首先針對(duì)傳統(tǒng)布水器的不足,設(shè)計(jì)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(xié)議進(jìn)行LabVIEW和UG的聯(lián)合仿真,提高了機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率,為實(shí)際的物理樣機(jī)開發(fā)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(jìn)一步提高布水器布水的均勻性。