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1、,工业机器人仿真模拟技术,目 录,一、仿真基本概念,1.仿真的定义,采用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。,项目整体,仿真,一、仿真基本概念,2.系统,由相互联系、相互制约、相互依存的若干要素结合在一起，形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。,整体性,相关性,目的性,一、仿真基本概念,2.系统,按运动性、确定性、连续性、方程类型和参数类型可分为五种。,a.静态系统和动态系统,b.确定系统和随机系统,c.连续系统和离散系统,静态系统相对不变，动态系统状态可变。,确定系统每个连续状态唯一确定，随机系统每个状态随机。,连续系统状态随时间
2、变化连续，离散系统状态随时间变化成间断或突然改变。,一、仿真基本概念,2.系统,d.线性系统和非线性系统,线性系统是满足叠加性和均匀性的系统,e.定常系统和时变系统,标量参数、时间函数,一、仿真基本概念,3.系统仿真,通过系统模型的试验研究一个已经存在的或正在研究设计中的系统。,一、仿真基本概念,3.系统仿真,a.组成系统的实体对象：电阻R，电感L，电容C，电源e。b.属性：与实体对应的有效特性，如R,L,C,e.c.活动：系统内对象随时间推移产生的状态变化。如生热随时间的变化。,一、仿真基本概念,4.仿真技术特点,对系统问题求数值解。一种人为的试验手段。较真实地描述系统的运行、演变及其发展过
3、程。我国学者认为：系统仿真就是在计算机上或（和）实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效应的、数字物理效应混合的模型），并在模型上进行系统试验。,一、仿真基本概念,5.仿真技术作用,实验、系统收集和积累信息的过程。解决预测、分析和评价等系统问题。复杂的大系统 若干简单的子系统。产生新思想、新策略，暴露出隐藏问题。,6.系统仿真的一般过程与步骤,一、仿真基本概念,a.分块建立子系统的模型。b.根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。,a.设计流程，选定待测量变量和相应的测量点，以及适合的测量仪表。b.进行仿真实验并记录结果。,a.处理实验数据.b.若未达到预期,则重新
4、查找原因，再进行试验。,7.仿真 vs 动画,一、仿真基本概念,a.动态图像b.无法反应出不确定性对系统目标的影响。c.可以与物理定律无关。,a.反应不确定性对系统目标的影响b.本质是数学计算。,a.仿真动画是根据系统的特征进行仿真并记录为影响的过程。,目 录,二、虚拟样机技术,1.基本概念,虚拟样机（Virtual Prototyping，简称VP）是面向系统级设计、应用于基于仿真设计过程的技术。,二、虚拟样机技术,2.对制造业的影响,虚拟样机技术是一种概念新颖、方法先进的设计技术，它改变了传统的设计理念，对制造业产生了深远的影响。,二、虚拟样机技术,3.核心技术,*SOLIDWORKS,S
5、olidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。,建模流程,二、虚拟样机技术,二、虚拟样机技术,4.建模数学基础,4.1 微分方程,最基本、最重要的数学模型反映元部件或系统动态运行的规律解析法一般步骤：a.确定系统或元部件的输入、输出变量。b.根据物理和化学定律列出系统或元部件的原始方程式，按 照工作条件忽略一些次要因素。c.找出原始方程式中间变量与其它因素的关系式。d.消去原始方程式的中间变量，得到一个关于输入、输出的 微分方程式。e.进行标准化处理，将输出各项放在等号左端，输入各 项放在等号右端，并且按照微分方程的阶次降幂排列，同 时将各系数化为具有一定物理意义
6、的形式。,二、虚拟样机技术,例1 已知如图所示的RLC电路系统，其中u(t)为输入量，uc(t)为输出量，要求建立该系统的微分方程模型。根据电路的基本定律，可以列写出如式（1）的微分方程组，这是该电路系统的原始微分方程。,（1）,二、虚拟样机技术,将原始微分方程合并为高阶微分方程:,（2）,（3）,一般情况下，系统的微分方程可以表示如下：其中u(t)是输入量，y(t)是输出量，且有,二、虚拟样机技术,4.2.1传递函数的定义 对于一个线性定常系统，在初始条件为零时，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比称为该系统的传递函数。表示为：,4.2.2传递函数的求取 按照传递函数的定义，利用系
7、统的微分方程进行相应的拉氏变换，即可得到系统的传递函数。,4.2 传递函数,二、虚拟样机技术,例2 对于例2.1中RLC电路，已知它的高阶微分模型如式(2)所示，设初始条件为零，两边取拉普拉斯变换得,进一步求得相应的传递函数为,一般情况下式(3)所示的系统为零初始条件，对它的两边取拉普拉斯变换得：,二、虚拟样机技术,4.2.3传递函数的性质,(2)传递函数只表明输入变量与输出变量之间的动态关系，不 能够反映出系统内部的信息。(3)传递函数只能直接反映系统在零初始状态下的动态特性。,(1)传递函数是描述线性系统或元部件动态特性的一种 数学模型，在形式上与系统的微分方程一一对应。若将s看成为微分算
8、符，即,二、虚拟样机技术,(4)传递函数完全由系统的结构、参数确定，而与输入信号的 形式无关，它反映了系统本身的动态特点。(5)同一个系统，传递函数具有相同的分母多项式，所不同 的是分子多项式。(6)实际系统中，传递函数的分母多项式阶次n总是大于分子 多项式阶次m。(7)传递函数是一种数学抽象，无法直接由它看出实际系统的 物理构造，物理性质不同的系统，完全可以有相同的传递 函数表示。,二、虚拟样机技术,4.2.3传递函数的性质,(8)系统的传递函数等于系统的单位脉冲响应的拉普拉斯变换；设g(t)表示系统的单位脉冲响应，即当系统的输入为单位脉冲函数(t)时、系统的输出为g(t)，根据传递函数的定
9、义，显然有：,(9)当系统中包含有纯延时环节时，传递函数具有如下的形式：,其中，G0(s)表示通常的有理传递函数，T表示纯时延的大小。（根据拉式变换的延时特性）,二、虚拟样机技术,4.2.3传递函数的性质,例3 系统的微分方程为,则该系统包含了纯时延环节，T表示延时的大小，两边取拉普拉斯变换得,进一步得到传递函数,二、虚拟样机技术,二、虚拟样机技术,为了描述一个连续系统内部的特性及其运动规律，通常采用“状态”的概念。动态系统的状态是指能够完全刻画系统行为的最小的一组变量。每个方程只包含一个变量的一阶导数，方程的个数便等于未知变量的个数，这些未知变量也被称为状态变量。,4.3 状态方程,状态方程
10、引入了系统的内部变量状态变量，因而状态方程描述了系统的内部特性，也被称为系统的内部模型。,例1中，选i(t)和uc(t)为状态变量，可以求得如下的一阶微分方程组形式的数学模型即状态方程形式的数学模型。,（4）,二、虚拟样机技术,4.3 状态方程,本例中的输出为,若令,（5）,二、虚拟样机技术,4.3 状态方程,则式（4），式（5）可以写成标准形式的状态方程,（6）,二、虚拟样机技术,4.3 状态方程,建立系统状态方程模型的一般步骤为：,二、虚拟样机技术,4.3 状态方程,状态向量的元素是一组独立的状态变量。对于一个系统，其状态向量的选择不是唯一的。例如，若原来选择的系统的状态向量为x，它满足式
11、（6）所示的状态方程，那么若选择其中P为nn阶非奇异矩阵，则 也可以作为系统的状态向量。显然，的分量是x(t)的分量的线性组合。容易求得关于 的状态方程为,状态方程具备下列性质：,二、虚拟样机技术,4.3 状态方程,输出方程为,其中,二、虚拟样机技术,4.4.1 结构图的组成符号、名称及功能系统结构图的组成符号主要有以下4种：,信号线：带箭头的线段表示系统中信号的流通方向，并标明信号对应的变量。,引出点：表示信号从该点取出，从同一信号线上取出的信号，其大小、性质完全相同。,比较点：表示两个或两个以上的信号在该点进行叠加。,方框：表示输入、输出信号之间的动态传递关系。,二、虚拟样机技术,4.4
12、结构图,列出系统中各元部件的微分方程，确定输入、输出变量。以典型环节或典型环节的组合来取代系统中的具体元部件，将各环节的传递函数填入方框中，标出信号及其流向。按系统中信号的流向，把代表各环节的方框连接起来，即构成系统的结构图。方框图中给出了信息传递的方向，又标出了输入、输出的定量关系。,二、虚拟样机技术,4.4.2结构图的绘制步骤,直观容易由各环节模型求出整个系统的模型或传递函数。简化从原始微分方程到标准微分方程之间的变换。,整理后得到,从而得到整个闭环系统的传递函数为,4.4.2结构图的主要特点,如由上图易得,二、虚拟样机技术,例2.4 仍以例2.1中图2-6所示的RLC系统为例，其中u(t
13、)为输入，uc(t)为输出。要求用结构图的方法求出从u(t)到uc(t)的传递函数。在例2.1中已经列出了该电路的原始微分方程为,对上式取拉普拉斯变换并加以整理得,二、虚拟样机技术,根据上式可以画出系统的结构图如下。,对照图反馈控制系统的典型结构图，得,则系统的传递函数为,二、虚拟样机技术,目 录,三、仿真软件介绍,MATLAB,ADAMS,ANSYS,1.MATLAB,MATLAB和Mathematica、Maple并称为当今世界三大数学软件。,三、仿真软件介绍,编程效率高扩充能力强使用方便、上手快捷语句简单、内涵丰富高效的运算能力方便的绘图功能丰富的应用功能,1.MATLAB,三、仿真软件
14、介绍,命令窗口,文件目录,内存工作区,过去命令窗口,三、仿真软件介绍,三、仿真软件介绍,MATLAB,ADAMS,ANSYS,2.ADAMS,由美国机械动力公司开发的一种虚拟样机分析软件，用于机械系统动力学自动分析。,三、仿真软件介绍,可利用多种库建立机械系统的三维参数化模型。可进行机械系统多种分析。具有先进的数值分析技术和强大的求解器。具有组装、分析和动态显示模型变化的能力。具有强大的函数库，可供用户自定义。具有开放式结构，可允许用户集成自己的子程序。可自动输出多种数据曲线，并仿真。可预测机械系统特征，计算有限元的输入载荷。可支持同大多数相关软件包之间的双向通讯。,三、仿真软件介绍,三、仿真
15、软件介绍,MATLAB,ADAMS,ANSYS,3.ANSYS,ANSYS是美国ANSYS公司研制的一种大型通用有限元分析（FEA）软件,三、仿真软件介绍,能够实现电子设备的互联能够仿真各种类型的结构材料能够简化复杂的流体动力学工程问题能够实现基于模型的系统和嵌入式软件开发,三、仿真软件介绍,目 录,四、仿真实例分析,1.整体流程,四、仿真实例分析,2.Solidworks建模,机械手整体结构,整体结构的轴测图,1,2,3,4,四、仿真实例分析,2.Solidworks建模,末端执行器整体效果图,竖直滑台,水平滑台,四、仿真实例分析,2.Solidworks建模,底座总体模型,四、仿真实例分析
16、,3.Ansys强度校核,旋转臂受力图,四、仿真实例分析,3.Ansys强度校核,初步设计的旋转臂实体模型,四、仿真实例分析,3.Ansys强度校核,模型导入ANSYS后的显示界面,网格划分结果,四、仿真实例分析,3.Ansys强度校核,施加载荷图,四、仿真实例分析,3.Ansys强度校核,应变图,应力图,四、仿真实例分析,3.Ansys强度校核,修改后的旋转臂模型,四、仿真实例分析,3.Ansys强度校核,应变图,应力图,四、仿真实例分析,4.Adams运动仿真,自动送取料机械手系统的ADAMS模型,添加驱动后,四、仿真实例分析,4.Adams运动仿真,为单个热压机上料流程图,四、仿真实例分析,4.Adams运动仿真,末端执行器的空间轨迹,末端执行器的空间位置曲线,四、仿真实例分析,4.Adams运动仿真,Theta值,R值,Z值,四、仿真实例分析,5.实例分析总结,干涉、过约束、尺寸配合错误,未进行优化,运动模式错误,谢谢各位,
