工业仿真

工业仿真（精选7篇）

工业仿真 篇1

Simu Works是为大型科学计算、复杂系统动态特性建模研究、过程仿真培训、系统优化设计与调试、故障诊断与专家系统等, 提供通用的、一体化的、全过程支撑的、基于微机环境的开发与运行支撑平台。软件采用了动态内存机器码生成技术、分布式实时数据库技术和面向对象的图形化建模方法, 在仿真领域处于国内领先水平。

锅炉是一种特种设备, 在实际正常运行过程中不能停炉, 调整工况。锅炉工作有两个显著特点:一是承受高温高压;二是维持连续运转[1]。若对实体锅炉进行研究, 将会造成公司停产, 对公司的经济效益影响很大。在教学过程中, 学生只能参观锅炉的外在设备, 对其正常运行状况以及故障状况下实际情况不能直观理解。另外, 锅炉操作工是特种工种, 国家相关规定要求要对其进行培训, 并且凭证上岗。以前的培训是课堂式的, 而将传统培训转化为仿真机上培训, 将会更加的形象化和整体化。

本论文通过simuworks软件对工业锅炉进行仿真, 锅炉实际无法操作的过程可以通过仿真机来完成, 仿真机开发实验模块为学生学习锅炉安全技术提供形象化的实验平台。因此, 对工业锅炉进行仿真是十分有必要的。

1 锅炉系统概述

锅炉设备基本参数如表1所示。

2 系统仿真的建立

2.1 仿真平台介绍

Simu Works仿真软件模块的边界即为设备的自然边界, 并指定工质在各模块之间流经的出、入口情况。利用模块资源管理器Simu Manager对锅炉仿真模块的管理, 可对模块库进行扩充, 也可根据需要对模块进行删除和修改。利用仿真引擎Simu Engine可以获得实时网络数据库, 对锅炉进行在线调试, 模拟其在正常状态和故障状态时的运行情况。

2.2 仿真平台的制作

仿真系统主界面, 如图1所示。

3 仿真机的功能

3.1 正常运行

3.1.1 检查准备

锅炉机炉启动前的检查工作, 注意给水压力, 启动渣水泵、冷却水循环泵, 检查冷却水情况、除尘器运行情况, 检查地沟喷嘴, 注意各路冷却水畅通。

3.1.2 上水

(1) 在Simu MMI下显示的Visual Graph图形中点击上水按钮会显示关于上水的相关知识。

(2) 全开Visual Graph图形中循环泵的总门, 用图形中干路给水调节阀控制上水, 点击后会产生调节阀二级界面。上水应缓慢进行, 锅炉水位从无水到上锅筒水位计负100mm处所需的时间, 冬季不少于2小时, 夏季不少于1小时, 上水时不得影响运行锅炉的给水。

(3) 在上水过程中, 应检查各上锅筒、各联箱的手孔门及各部位的阀门、法兰、堵头等是否有漏水现象。当发现漏水时, 应停止上水, 并通知车间, 进行处理。在Simu MMI中的具体表现是数字超过本身额定上水控制范围, 显示警告。

(4) 在模型中当锅炉水位升至上锅筒水位的负100mm处停止上水, 此时停止20分钟, 水位应不变, 若水位有明显变化, 应查明原因予以消除。如锅炉原已有水, 经化验水质合格, 方可使用。如水质不合格, 可将炉水放掉, 重新上水。

(5) 需要说明的是锅炉启动燃烧时的配风分为三股风:第一股为燃烧风亦称点火风, 经点火风口和稳燃器进入风道, 用来满足油燃烧需要。第二股风为混合风, 经预燃室的内外筒之间进入风道内, 将油燃烧产生的高温烟气降到启动所需温度, 同时这股风对燃烧器壁起冷却作用。前两股风均为一次风机出口的冷风。第三股风为锅炉正常运行的一次风, 启动时挡板也有一定的开度, 这股风取自预热器。在本模型中省略前两种风的配送, 以自然进入代替模拟, 当显示数据的时候仅显示从空气预热器中输出的这股风。

3.1.3 烘炉

新装、迁装、大修或长期停用的锅炉, 在点火升压前应进行烘炉, 在炉膛中用文火慢慢地烘烤炉壁, 并使受热面逐渐受热膨胀。在Simu MMI中可直接点击烘炉按钮, 会弹出一个二级窗口显示烘炉的相关知识。同时在Simubuiler的后台运行中炉膛内的温度也将相应地有所上升, 以达到烘炉目的。由于是正式运行点炉前的准备工作, 本温度数值的上升并不在Visual Graph图形中显示, 仅在后台运行, 如需得知温度可直接运行后台动态查看。这时的送煤量应控制在少量, 煤柴同时供应。

3.1.4 煮炉

将药品溶化, 用加药泵注入锅筒, 加热升温, 使锅水沸腾, 维持10-12小时之后减弱燃烧, 进行排污, 并保持水位;再加强燃烧12-24小时, 然后停火冷却, 排出锅水, 并及时用清水冲洗干净, 直至各部件水侧无污物为止。在Simu MMI中可直接点击煮炉按钮, 会弹出一个二级窗口显示煮炉的相关知识。在煮炉过程中上锅筒水压保持恒压, 不用升压, 流量不变, 水温在煮炉过程中先升起, 后维持平衡状态。烘炉过程中Simubuiler会呈现温度上升的趋势, 煮炉中无显示, 故Visual Graph图形在上锅筒数据方面无显示。

3.1.5 点火与升压

(1) 点燃木柴, 用自然通风燃烧 (打开炉前检查门、第一二道风门) , 视情况开启吸风机, 将负压调至20~30Pa。 (2) 木柴燃尽后, 方可逐渐开车, 适当增加吸送风量, 加快炉排速度, 增加给煤量。 (3) 生火过程中, 水位将逐渐变化, 此时应注意上、放水, 保持正确水位。 (4) 投自动连锁。 (5) 锅炉升压。锅炉升压过程中应严格控制升压速度, 严禁急速升压。一般从开始升压至正常压力, 所用时间不少于2小时。

开启主气门前主汽母管的泄水门, 上锅筒压力升至0.1MPa时, 全开连续排污门并冲洗水位计, 冲洗程序如下: (1) 开放水门, 使汽连管、水连管及玻璃管得到冲洗。 (2) 关水门, 冲洗汽连管和玻璃管。 (3) 开水门, 关汽门, 冲洗水连管。 (4) 开汽门, 关放水门, 检查水位计水位, 与另一水位计比较, 此时水位计很快上升, 上升后水面微微波动, 如水位上升缓慢, 则应分析, 再冲洗。进行上述工作时, 操作应缓慢, 并戴手套, 身体不要正对水位计玻璃管。

当汽压升至0.2Mpa时, 关闭主汽母管泄水门。当汽压升至0.3MPa时, 应定期排污一次, 排污时间每个不准超过30秒, 汽压升至0.4MPa时, 对检修过的阀门等, 通知检修人员热紧螺栓。将锅炉升至工作压力。

3.1.6 暖管与并汽

(1) 锅炉设备运行正常, 燃烧稳定, 开启并汽炉前的疏水门进行疏水。 (2) 锅炉蒸汽品质合格。 (3) 并汽锅炉压力比母管压力低0.05~0.1MPa。 (4) 上锅筒水位计维持较低水位。 (5) 并汽时应注意压力表、水位计和主汽流量表的指示值。若主汽管内发生水击现象, 应立即停止并汽工作, 减弱燃烧, 加强主汽母管疏水, 待恢复正常后, 重新并汽。 (6) 在Simu MMI中可直接点击暖管并汽按钮, 则会弹出一个二级窗口显示暖管并汽的相关知识。

3.1.7 停炉

(1) 分层装置关到零位将链条解开, 与有关炉联系, 逐渐降低负荷, 相应降低炉排速度和风量, 维持汽压的稳定, 保持上锅筒水位在正常水位范围内。 (2) 改自动运行为手动运行。当煤燃尽走净后, 停止送风机运行, 5分钟后停止吸风机。打开各段放灰挡板进行自然通风, 炉排继续转动一周, 以便空气通过炉排使其冷却。 (3) 当上锅筒水位下降时, 应向锅炉进水, 当水位计升至最高水位时, 停止上水, 打开再循环门, 关连排门。除渣机内灰渣走净后停止运行。

3.2 故障运行

3.2.1 事故故障处理原则

对于本模型仿真的实创单位锅炉系统, 当机组发生事故时, 汇报值长, 应综合分析各参数变化及设备故障现象, 沉着、冷静、迅速、准确地处理事故, 力求将事故损失减到最小。

3.2.2 紧急停炉

(1) 紧急停炉条件。 (1) 锅炉严重满水, 在Visual Graph图形中水位达+250mm时。 (2) 锅炉严重缺水, 在Visual Graph图形中虽经补水仍不见上锅筒水位。 (3) 锅炉所有水位计损坏, 无法监视上锅筒水位时。 (4) 受热面爆管, 无法维持上锅筒水位。 (5) 锅炉灭火, 在Visual Graph图形中炉膛温度无显示。

(2) 请示停炉条件。 (1) 锅炉主要承压部件泄露, 能基本维持上锅筒正常水位。 (2) 锅炉主给水调节设备损坏, 经采取措施无法维持上锅筒正常水位时。 (3) 水位计损坏, 短时无法修复时。 (4) 锅炉炉排压力达9KPA, 经多方调整无法恢复正常时。 (5) 当炉排温度大于1 000℃ (仅在Simubuilder中显示) , 经调整无效并有上升趋势。

(3) 紧急停炉操作步骤。 (1) 在本公司仿真模型中如锅炉主联锁未动作, 应立即按“手动MFT”按钮, 确认各跳闸电机。 (2) 将各自动改为手动操作, 视情况果断关断减温水手动总门, 密切注意汽温、汽压变化, 调整上锅筒水位, 炉膛负压正常。 (3) 若汽机已打闸, 根据汽压情况, 开启对过热再热空排汽阀并调整其开度或投入一、二级旁路。 (4) 若停炉后5分钟内不具备恢复条件, 应汇报值长, 停运行风机。其余操作按正常停炉处理。

若具备恢复条件, 有必要时, 炉膛吹扫后, 重新点火恢复。由于本步骤是针对紧急停炉, 故不涉及画面动态。

(4) 紧急停炉注意事项。 (1) 锅炉严重缺水时, 短期内严禁向炉内进水。 (2) 发生烟道再燃烧时, 紧急停炉, 及时停运鼓风机及引风机, 紧闭烟风系统。 (3) 锅炉紧急停炉也尽可能保证床温变化率小于100℃/h。 (4) 迅速断绝锅炉燃料, 及时降负荷运行。 (5) 如果燃烧室内发生严重泄露, 则停止向锅炉供水, 并迅速将炉排床料除掉。 (6) 如果对流烟道中发生泄露, 应维持正常上锅筒水位。

3.2.3 锅炉缺水事故

(1) 锅炉缺水的现象。 (1) 水位低于最低安全水位线, 或看不见水位, 在Visual Graph图形中水位表玻璃管上呈白色。 (2) 水位计呈全部气相指示颜色。 (3) 高低水位警报器发生低水位警报信号。在Visual Graph图形中由Simubuilder后台指挥运行。 (4) 低水位联锁装置, 水位低于规定值应使送风机、引风机、炉排减速器电机停止运行。关闭Visual Graph图形中的干路阀门。 (5) 过热器汽温急剧上升, 高于正常出口汽温。 (6) 锅炉排烟温度升高。 (7) 给水流量小于蒸汽流量, 如若因炉管或省煤器管破裂造成缺水时, 则出现相反现象。 (8) 缺水严重时, 可嗅到焦味。 (9) 缺水严重时, 从炉门可见到烧红的水冷壁管。 (10) 缺水严重时, 炉管可能破裂, 这时可听到有爆破声, 蒸汽和烟气将从炉门、看火门处喷出。

(2) 锅炉缺水的处理。 (1) 通过“叫水”判为严重缺水时, 必须紧急停炉, 严禁盲目向锅炉给水。 (2) 通过“叫水”判为轻微缺水时, 应减少燃料, 鼓风, 引风, 并缓慢给水。

3.2.4 锅炉满水事故

(1) 锅炉满水的现象。 (1) 水位高于最高许可线, 或看不见水位, 水位表玻璃管内颜色发暗[2]。 (2) 双色水位计呈全部水相指示颜色。 (3) 高低水位警报器发生高水位警报信号。 (4) 过热蒸汽温度明显下降。 (5) 给水流量不正常地大于蒸汽流量。 (6) 分汽缸大量存水, 疏水器剧烈动作。 (7) 严重时蒸汽大量带水, 含盐量增加, 蒸汽管道内发出水锤声, 连接法兰处向外冒汽滴水。

(2) 锅炉满水的处理。冲洗水位表, 确定是轻微满水还是严重满水。方法:先关闭水位表, 水连管旋塞, 再开启放水旋塞, 如能看到水位线下降, 表明是轻微满水, 停止给水, 开启排污阀, 放至正常水位。严重满水时, 应采取紧急停炉措施。

4 结论

4.1 利用simuworks软件对工业锅炉进行仿真, 可模拟工业锅炉启动、正常运行的情况。

4.2 利用simuworks软件对工业锅炉进行仿真, 可模拟工业锅炉故障运行状态下的参数变化, 为锅炉事故的预防提供分析依据。

4.3 在此仿真的基础上连接传感器可以对工业锅炉的过程参数和运行状态进行显示和处理, 为实现自动化控制提供技术支持。

摘要：本文运用SimuWorks仿真软件对型号为SHL35-1.57/350-A的实创双锅筒燃煤锅炉进行仿真, 开发一个工业锅炉的仿真平台。对锅炉的燃烧系统、汽水系统、给水系统、通风系统以及锅炉水压部分进行模拟, 可模拟工业燃煤锅炉在正常状态和缺水、满水等故障状态下的运行情况。

关键词：simuworks软件,工业锅炉,仿真

参考文献

[1]冯维君.锅炉压力容器安全知识[M].北京:中国劳动社会保障出版社, 2005:2.

[2]刘清方, 沈贞珉.锅炉安全[M].北京:中国劳动社会保障出版社, 2004:261.

工业仿真 篇2

关键词：SolidWorks；工业机器人；离线仿真系统

引言：随着科学技术的发展，大量工业机器人在自动化产线中得到应用。而开发工业机器人的离线仿真系统，则能使机器人在线示教编程的各种问题得到解决。因此，有必要研制一种工业机器人离线仿真系统，以便更好的促进工业技术发展。

一、基于SolidWorks的工业机器人离线仿真系统工作原理

从系统结构组成上来看，离线仿真将包含位姿信息读取、运动轨迹规划、运动学计算、任务作业自动生成和运动学仿真等模块。利用SolidWorks强大的三维建模功能、运动仿真功能和质量特性功能，可使机器人按照规划好的轨迹做整线仿真，从而获得直观的仿真结果。在这一过程中，需要利用大量的API二次开发函数和VC++编程语言进行方法调用和对象属性设置，以便实现对SolidWorks的二次开发。在此基础上，以DLL插件文件形式实现系统各功能模块与SolidWorks的无缝对接，则能够有效进行工业机器人的离线仿真研究。由于SolidWorks本身为VC++开发三维软件，所以能够使各功能模块与之较好的兼容。以插件形式进行功能模块的插入，也能为系统功能调用提供便利，并且获得清晰的显示界面。在系统运行的过程中，将先利用负载计算模块对机器人实际负载进行校核。校核合格后，将利用参数化建模模块对标准化设备建模。根据作业任务要求，系统将对作业环境进行三维建模[1]。而根据实际要求，将实现模型的整机装配线布置，然后根据作业要求对机器人运动轨迹进行规划。根据规划结果完成机器人位姿计算后，则可以生成生产作业程序，并且利用运动仿真模块完成机器人仿真。

二、基于SolidWorks的工业机器人离线仿真系统的关键

技术

（一）负载计算分析。系统在进行离线仿真的最初阶段，需要先完成机器人负载计算。所以，负载计算是系统运行的基础，只有确保机器人承担的实际负载不超出其本身承载能力，才能进行后续的仿真分析。为实现负载计算，系统将使用ABB和FANUC等典型工业机器人使用的负载计算公式，并且需要借助负载校核计算完成机器人的负载校核。在系统运行的过程中，只需要输入机器人规格型号和负载值，则能够完成机器人的负载校核。

（二）参数化建模分析。在系统运行的过程中，需要对机器人和压力机等标准化设备进行参数化建模。能否准确进行三维模型绘制，将直接关系到系统能否获得正确可用的仿真结果。利用SolidWorks的二次开发功能，同时利用Access数据库，则能以数据库形式进行实际设备简化模型的尺寸参数的保存管理。在此基础上，对标准数据库数据进行调用，然后利用参数化建模模块绘制三维模型，则能够使模型的准确性得到确保。而利用SolidWorks二次开发的参数化建模人机交互界面进行三维零件模型的快速建立，则能够为整线模型的建立提供便利。

（三）轨迹优化分析。不同于普通机器人，工业机器人的轨迹运行模式具有多样化的特点。在采取FANUC运动模式时，既可以做直线运动，同时也能够做圆弧运动。而圆弧运动也分为两种，即FINE形式和CNT形式。在实际对机器人运行过程进行仿真时，需要对多种运动模式进行组合。但是，系统最初的运行轨迹有可能不是最优的结果，所以还要根据动力学性能标准优化原则和插值法对机器人运动路径进行轨迹规划。而使用不同的规划算法，获得的运行轨迹并不相同。为确保机器人运动轨迹变化平稳，从而减小机器人冲击，还要对运行轨迹进行优化计算，以免机器人运行过程中出现明显抖动。

（四）运动学计算分析。系统在控制机器人的过程中，还要获得一系列关键点的支持。所以，还要对机器人进行运动学计算，以便从中获得关键任务点途径。利用系统的运动学计算模块，不仅能够完成机器人的逆运动学分析，还能进行系统正运动学分析，可以对机器人各关节变量和末端执行器位置关系进行确定。通过对机器人进行高效逆运动计算，则能够获得一组最优解，从而为系统仿真提供可靠数据。

（五）离线编程分析。在对机器人进行离线仿真分析时，可在SolidWorks环境下通过离线编程生成机器人可执行程序。在对机器人轨迹关键点的位姿坐标进行读取后，利用轨迹规划模块就能进行机器人轨迹运动方式的选取。而利用VC++对话框编辑控件显示功能，则能实现机器人作业程序的自动生成和显示。

结论：总之，使用Solidworks进行机器人离线仿真系统的开发，能利用其强大三维建模功能对机器人及其作业环境进行仿真分析，从而为优化机器人作业轨迹提供支持。因此，相信随着相关技术的发展，该种离线仿真系统也将在工业机器人调试中得到更好的应用，从而为工业技术的发展提供更多的助力。

参考文献：

工业仿真 篇3

在推进节能减排工作中,中国大中城市都明确要逐步限制和淘汰燃煤工作,用天然气锅炉取代。天然气锅炉具有热效率高、运行能耗低、燃料运输能耗低和制造钢材消耗低等优点,所以天然气锅炉应用普遍增多[1,2]。

天然气锅炉的排烟热损失占热损失的比例最大,一般达到6%～15%,所以对排烟热损失的考核具有重大意义。按GB/T 10180—2003工业锅炉热工性能试验规程计算排烟热损失时,涉及到现场参数和天然气分析数据,这不便于现场对排烟热损失进行计算考核[3]。

本文采用MATLAB对排烟热损失编程计算,同时将天然气分析数据进行拟合回归,得到现场快捷计算排烟热损失的公式。利用现场测试数据,按GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程标准对快捷计算排烟热损失公式进行验证,表明该公式具有很高的精度,完全满足现场排烟热损失计算的应用。

1 排烟热损失规程计算

现场对天然气锅炉进行热工测试,在锅炉正常运行状况下,固体未完全燃烧热损失和灰渣物理热损失看做零值,而气体未完全燃烧热损失和锅炉表面热损失一般都变化不大且比较小,所以锅炉热损失主要集中在排烟热损失。

按GB/T 10180-2003工业锅炉热工性能试验规程,天然气锅炉的热损失计算公式见式(1)至式(8)。

式中N2,CO2,O2,CO,H2S,H2,CmHn分别为气体燃料中对应成分的容积含量百分比,%。

式中,V0H2O为理论水蒸气容积,m3/kg;VH2O为排烟处水蒸气体积,m3/kg;Vgy为排烟处干烟气体积,m3/kg;Vpy为排烟处烟气体积,m3/kg。

式中,Qr为输入热量,kJ/kg;tpy为排烟温度,℃;tlk为冷空气温度,℃;cgy为干烟气平均定压比热容,kJ/m3/℃;clk为空气平均定压比热容,kJ/m3/℃;cH2O为水蒸汽的平均定压比热容,kJ/m3/℃;q2为排烟热损失,%。

2 排烟热损失模拟算法

将式(1)至式(8)逐层迭代,考虑到现场实际,取cgy为1.36,clk为1.32,cH2O为1.53,得到式(9)。

其中:

采集16家企业的燃用天然气进行成分分析,鉴于篇幅的限制,在此只列出其中10家天然气成分分析数据得出结果见表1。

将天然气成分分析的数据矩阵代入式(9),经MATLAB编程计算,得出结果见图1。

经过拟合回归得,A=0.036 7,B=0.004 6,C=0.035 0。

经上所述,得排烟热损失快捷计算公式见式(10)。

3 排烟热损失模拟值的分析

取9台天然气工业锅炉的能效测试数据进行验证该快捷计算方法的可靠性。排烟热损失模拟值与实算值的比较数据见表2和图2。

由表2可知,排烟热损失模拟值和实测值的绝对误差均小于5%,完全满足现场测试精度要求;由图2可知,在现场实际,该快捷模拟计算方法具有较高的准确性,满足在线快速获取排烟热损失的要求。

4 结论

a)应用MATLAB来在线快速模拟排烟热损失的计算方法具有较高的可靠性和准确性,能满足现场测试排烟热损失的要求;

b)应用在线仿真计算排烟热损失,可以减轻现场测试的工作量,减少天然气分析环节,提高工作效率;

c)在线仿真计算方法可以根据现场实测的几个重要参数来快速计算锅炉排烟热损失,这为锅炉实现现场效率测试提供了一种思路,同时也方便现场工作人员根据此在线快速调节锅炉运行参数,使得排烟热损失尽量降到最佳值。

摘要：由于环保和节能的原因,燃天然气工业锅炉的应用日益增多,其节能减排工作也日益突出。燃天然气工业锅炉排烟热损失是热损失中最重要的一项,研究一种现场快捷计算排烟热损失显得意义重大。排烟热损失计算涉及到现场数据和天然气分析数据,为实现现场快捷计算排烟热损失,采用MATLAB软件对排烟热损失进行编程计算,并对天然气分析数据进行拟合回归,模拟出排烟热损失的现场快捷计算方法。利用现场测试数据验证,表明该快捷模拟算法具有较高的精度。

关键词：工业锅炉,节能,天然气,热工测试,排烟热损失

参考文献

[1]李茂东,黎华,钟志强.工业锅炉能耗现状分析与节能措施[J].石油和化工设备,2009(07):67-69.

[2]史培莆.工业锅炉节能减排应用技术[M].北京:化学工业出版社,2009:70-75.

工业仿真 篇4

关键词：工业机器人,ADAMS/Simulink,联合仿真

机器人学是一门高度交叉的前沿学科, 是力学、机械学、设计学、电子学、信息论、控制论等许多交叉、融合的新兴学科[1]。《工业机器人》是一门既具理论性又有较强实践性的课程, 主要学习机器人本体机构、数学建模、控制和编程等内容, 对培养学生的创新思维起着重要作用。从近年来该院《工业机器人》课程改革的进程来看, 仍然存在影响课程教学质量和不适应新世纪人才培养战略的问题, 主要表现在以下几个方面:一是内容抽象、理解困难;二是缺少贯穿各章节的课程主线;三是公式繁多、推导复杂;四是偏重理论学习、缺乏实验条件。针对上述存在的问题, 课程改革主要包括以下几部分:一是展示领域最新动态;二是将教学内容与国际接轨, 以中文教材为主、全英文教材为辅的双语授课模式;三是明确课程教学主线、提炼课程教学内容;四是结合机器人系统仿真案例分析, 帮助学生对运动学、动力学方程、轨迹规划和控制方式形成一个整体的认识。该文重点针对“偏重理论学习、缺乏实验条件”的问题, 研究开发了ADAMS/Simulink联合仿真平台, 虚拟运动仿真与控制动画演示极大地激发了学生的学习兴趣, 达到事半功倍的教学效果。

1 机械臂的轨迹规划

设定单自由度机械臂绕旋转轴做加速、匀速和减速运动的作业任务要求, 该节讨论在关节空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。

1.1 作业任务要求

根据单自由度机械臂作业任务的要求, 设定机械臂末端在2.5 s内从起始点 (0.2, 0, 0) 绕z轴逆时针旋转一周回到起始点的运动轨迹。其中0~0.5 s、0.5~2.0 s、2.0~2.5 s区间分别进行加速、匀速和减速运动。要求保证机械臂在运动过程中位移、速度、加速度连续。机械臂作业任务示意图如图1所示。

1.2 轨迹生成方法

根据机械臂作业任务的要求, 采用五次多项式和一次函数过渡的线性插值方法, 计算出预期的关节运动轨迹、关节速度和关节加速度[2]。其中, 加速和减速区间采用了五次多项式进行轨迹规划, 匀速区间采用了一次函数进行轨迹规划。

其中设五次多项式函数:

初始时刻t0的轨迹记为0、终止时刻tf的轨迹记为f, 初始时刻和终止时刻的速度、加速度的边界条件为:

又根据中间路径点位置、速度、加速度连续的约束条件, 上述的边界条件可以唯一确定出五次多项式函数和一次函数。其中, 加速、匀速、减速区间的轨迹函数分别由式 (1) 、 (2) 、 (3) 决定。代入即得各速度区间函数为:

2 ADAMS/Simulink联合仿真平台

2.1 机械臂电气系统建模

电气系统模型的数学表达式如下:

其中输入为v (s) ,  (s) 输出为T。

根据以上数学表达式, 在Simulink中构建了电气系统模块程序如图2所示。

值得说明的是, 为了减小高频信号的影响, 在求取角速度和角加速度时采用了近似微分。θ` (s) , θ" (s) 近似微分是将微分 (s) 乘以系数得到的近似微分值, 其中η是近似微分系数, 因此, 可以把看作为微分算子。

2.2 PID控制器的模型建立

将实时关节角度与规划关节角度进行比较, 采用PID算法进行控制, 控制结果转化为关节的输入转矩并驱动关节运动, 进而期望获得更好的稳定性[4]。PID控制系统框图如图3所示。

PID控制器的数学模型为:

对上式取拉氏变换得到:

写出PID控制器的近似微分表达式:

PID控制器的逻辑图如图4所示。

2.3 ADAMS/Controls和MATLAB集成建模

在ADAMS软件中建立单自由度机械臂模型, 设置好模型物理量单位、连杆参数并添加约束, 具体如图5所示。

由于虚拟样机分析软件ADAMS只从机械学的角度提供机器人三维模型、进行运动学和动力学分析[5], 控制系统的建立还是需借助MATLAB/Simulink工具箱完成, 通过ADAMS与MATLAB两者之间的接口ADAMS/Conrtrols模块, 搭建了ADAMS/Simulink联合仿真平台如图6所示。ADAMS中的输入量是关节力矩, 输出量是关节角和关节角速度。

3 仿真结果

仿真结果如图7所示, 显示了关节目标轨迹和实际轨迹。

结果表明, 在规定时间内机械臂的位移是连续的, 位移的范围是0~2π, 符合作业任务的要求。实际轨迹与目标值吻合, 证明PID控制器的有效性。

机械臂关节角速度的变化如图8所示。

结果表明, 机械臂在0~0.5 s内角速度由0平滑稳定的上升到3 m/s;在0.5~2 s内机械臂的角速度达到一定稳定值3 m/s;在2~2.5 s内角速度均匀平滑的降至0, 保证了角度、速度和加速度的连续性。

综上所述, 根据所建立机械臂目标轨迹函数模型、机械臂电气系统模型、PID控制系统模型和ADAMS/Control借口生成的ADAMS/Simulink联合仿真, 来检测仿真结果。结果显示, 搭建的ADAMS和MATLAB联合仿真控制系统, 实现了机械臂旋转运动的在线控制与调整, 机械臂关节角变化与期望值吻合, 能顺利实现先加速、匀速、做减速运动的设计要求, 达到了良好的跟踪效果。

4 结语

该文重点针对《工业机器人》课程教学过程中存在的“偏重理论学习、缺乏实验条件”的问题, 研究开发了ADAMS/Simulink联合仿真平台。利用MATLAB/Simulink软件对机器人进行关节轨迹规划和虚拟样机的实时控制和ADAMS软件对所建立的机器人模型进行动力学分析, 有效地将轨迹规划、动力学、和机器人控制等基础知识进行了关联, 将枯燥乏味的理论知识和仿真系统相结合, 不仅极大地激发了学生的学习兴趣, 而且充分调动学生的积极性和创新性, 达到事半功倍的教学效果。

参考文献

[1]熊有伦, 唐立新, 丁汉, 等.机器人技术基础[M].武汉:华中科技大学出版社, 2014.

[2]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社, 2000.

[3]黄忠霖, 周向明.MATLAB控制系统及仿真[M].北京:国防工业出版社, 2006.

[4]张德峰, 周燕.MATLAB基础与工程应用[M].北京:清华大学出版社, 2011.

工业仿真 篇5

机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考坐标系的运动作为时间的函数进行分析研究, 而不考虑引起这些运动的力和力矩。也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数, 特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系[1,2,3]。在机器人控制中运动学分析占有非常重要的地位, 直接涉及到离线编程、轨迹规划等问题[4]。本文以M_6i B机器人为研究对象, 利用D-H法对该机器人的运动学方程进行推导, 并应用ADAMS对机器人进行运动仿真, 验证理论计算的同时, 为后续机器人的轨迹规划及动、静态特性分析提供可靠的模型。

1.基座2.腰转部件3.大臂4.小臂5.腕部

2 机器人运动学数学模型的建立

机器人运动学分析常用的方法是D-H参数法, 是由Denavit和Hartenberg于1955年提出的一种为关节链中每一杆件建立附加坐标系的矩阵方法, 是用齐次坐标来描述机器人各连杆相对于参考坐标系的空间几何关系, 用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆i和i-1的空间几何关系, 从而推导出机器人手爪坐标系相对于参考坐标系的空间位姿关系[5]。本文分析的六自由度工业机器人由基座、腰转部件、大臂、小臂和腕部组成, 具有6个转动自由度, 建立的实体模型如图1所示。

根据D-H坐标系的规则和各杆件参数的求取规则, 建立了机器人处于零点位置时的连杆坐标系, 如图2所示。表1列出了机器人机构的D-H参数。

表1中ai-1代表连杆i-1的长度;ai-1为连杆转角;di是沿关节i轴线两个公垂线的距离, 称为偏距;θi是垂直于关节i轴线的平面内两个公垂线的夹角, 称为扭角。机器人各连杆间齐次变换矩阵i-1iT为

式中, Ci=cosθi, Si=sinθi, Cai-1=cosai-1, Sai-1=sinai-1, i=1, 2, …, 6。

根据公式 (1) 及表1的关节参数, 即可得相邻连杆的变换矩阵。将各连杆变换矩阵相乘, 便得到该六自由度机器人末端执行器到基础坐标的转换矩阵60T:

式中

其中, ci=cosθi, si=sinθi, cij=cos (θi+θj) , sij=sin (θi+θj) 。

60T描述了末端连杆坐标系邀6妖相对于基坐标系邀0妖的位姿, 是机器人运动分析和综合的基础。该矩阵的n、o、a表示了末端执行器相对基坐标的姿态, 而p则代表了末端执行器相对基坐标的位置。

3 ADAMS环境下的运动仿真

ADAMS软件有强大的动力学解算器, 但实体建模功能相对薄弱[6,7]。本文采用三维造型软件UG对机器人进行适当简化, 建立了M_6i B机器人的三维模型 (如图1) , 并以Parasolid格式导入ADAMS/View中进行运动学仿真。

建模及简化要遵循以下原则[8]:

1) 根据运动副对模型进行简化, 各个零件之间的运动副要表示清楚;

2) 在不影响视觉效果的前提下, 模型外形应尽量简化;

3) 多个零件固结时, 可以只用一个零件表示, 以节省运动副数量 (因为运动链越长, 计算误差越大) 。

几何模型建好后, 便可对模型施加运动副和运动约束。M_6i B机器人具有6个转动自由度, 在相应的转动关节处施加revolute副约束, 基座和大地间采用Fixed副来固定。

在进行运动学仿真时, 给出机器人的初始位置即零点位置, 此时各关节变量分别为θ1=-90°, θ2=-90°, θ3=0°, θ4=0°, θ5=180°, θ6=0°;期望位置θ1=θ2=-30°, 其余为零;时间t=3s, 步长time=0.03s。按照三次多项式轨迹规划的方法, 将θ1、θ2对应关节的运动分成多段的微运动, 进行运动学仿真。仿真结果如图3、图4所示。图3中实线为x坐标变化曲线, 虚线为y坐标变化曲线, 点划线为z坐标变化曲线。

4 结论

由图3、图4可以看出, 当关节变量θ1、θ2连续变化时, 机器人末端执行器的位置坐标曲线平滑且连续, 这表明M_6i B工业机器人在运动的过程中是平稳的。若将θ1=θ2=-30°, 其余变量为零, 代入前面的公式 (2) , 可以得出此时末端执行器的坐标为 (428.42, -247.35, 880.29) , 与ADAMS仿真得到结果完全一致, 从而验证了理论推导及仿真模型的正确性, 为后续机器人的轨迹规划及动、静态特性分析提供了可靠的模型。

参考文献

[1]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉:华中理工大学出版社, 1996.

[2]孙增圻.机器人系统仿真及应用[J].系统仿真学报, 1995, 7 (3) :23-29.

[3]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社, 2000.

[4]孙迪生, 王炎.机器人控制技术[M].北京:机械工业出版社, 1997.

[5]Denavit J, Hartenberg R S.A Kinematic Notation for Lower-pair Mechanisms Based on Matrices[J].Journal of Applied Mechnics, 1995, 21 (5) :215-221.

[6]郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[7]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社, 2006.

工业仿真 篇6

搭建生产自动化生产线成套设备的最主要工作就是工业机器人工作站设计与开发。在工业机器人工作站设计与开发前期, 主要3D仿真来实现。在仿真中, 可以实现自动化生产线中相同的功能, 用户可以直接观察到自动化生产线的效果并进行测试。即3D仿真技术是工业机器人工作站搭建初期的辅助设计与测试软件。国外很早便认识班机器人3D仿真技术在机器人研究和应用方面的重要作用, 并从70年代开始进行了这方面的研究工作。

1 码垛搬运仿真工作站的实现

1.1 开发平台Robot Studio

当前, 主流品牌的工业机器人制造企业均提供了各自品牌机器人专用的离线编程软件。例如:Fanuc机器人所使用的Robot Guide软件, ABB机器人所使用的Robot Studio软件, KUKA机器人所使用的KUKA.Sim pro软件等。本次仿真工作站的实现, 主要采用Robot Studio, Robot Studio (简称RS) 为ABB公司的官方离线编程软件。

1.2 码垛搬运流程

基于Smart组件的工业机器人码垛搬运工作站的仿真主要流程如下:物料由Smart组件进行复制, 复制后进入队列、并运行, 当运行到输送链末端时, 末端传感器检测物料到位, 数字输出信号发生变化, 与其连接的机器人的I/O端口接收到该信号。运行至皮带末端, 当机器人得到信号后, 机器人与夹具相连的数字输出端口动作, 夹具动作拾取物体。在拾取物料后, 运行至码垛堆放处, 输出端口置0, 释放物料, 物料再次产生, 进入下一次循环搬运, 搬运流程如图1所示。

1.3 Smart组件

在Robot Studio中, Smart组件具有跟vc++对象的特点, 用户只需要直接操作端口, 就可以进行操作相应的组件。RS软件也提供了一系列的Smart组件, 它是能够完成某种功能并且向外提供若干个使用这种功能的接口的可重用代码集, 是一种使工装模型实现动画效果的高效工具。Smart组件主要由“信号与属性”子组件、“参数与建模”子组件、“传感器”子组件、“动作”子组件、“本体”子组件及“其他”子组件构成。基于Smart组件实现的码垛搬运工业机器人仿真工作站主要使用两个组件:SC_In Feeder组件与SC_Gripper组件。SC_In Feeder组件有两个端口, di Start、do Box In Pos, SC_Gripper组件提供了di Gripperdo Vaccum OK, 机器人的I/O主要设定了di Box InPos、do Gripper、di Vacuum OK三个端口。相对于机器人本体来说, 组件相当于机器人的外围设备, 外围设备与机器人的连接是通过组件的端口与机器人的I/O端口进行连接。则对外围设备的操作, 相当于对机器人的I/O端口进行操作。机器人与Smart组件之间I/O端口其连接关系如图2所示:

1.4 Smart组件的属性设置

SC_In Feeder组件实现工作站中的物料在皮带上运动、传感器检测、SC_Gripper夹具拾取/释放物料等功能。SC_In Feeder组件与SC_Gripper组件, 其两组件中又包含source源组件、线性运动Line Move组件、面传感器Line Sensor组件、队列Queue组件、非门Logic Gate组件等。Source组件为复制源, 在source源中可指定复制的对象, 产生对象的位置、方向及产生个数等特征。队列Queue组件直接将对象进入队列。线性运动Line Move组件可将队列的对象进行线性运动。在码垛搬运中, 进行线性运动的对象不是某一特定的物体, 而是队列中的对象, 因此直接将队列设为线性运动的对象。SC_Gripper组件与输送链SC_In Feeder组件通过操作组件的I/O端口来实现其功能, 夹具SC_Gripper组件与输送链SC_In Feeder组件的I/O连接图3与图4所示。

1.5 仿真与程序编写

在码垛搬运中, 可以直接使用Offs () 偏移功能函数实现码垛功能, 其函数原型为Offs (robotarget point, num XOffset, num YOffset, num ZOffsets) , 其中robotarget point为码垛搬运的起始点, XOffset为大地坐标X轴的偏移量, YOffset为Y轴偏移量, ZOffsets为Z轴的偏移量。在搬运中, 只需要指定第一个位置点后, 第二次搬放的位置即是在第一次摆放的位置基础上, 做一个X、Y、Z的偏移, 机器人将能寻找路径完成摆放。

6层机器人码垛搬运生产线部分程序如下:

在机器人码垛搬运仿真工作站主要用到了运动轨迹程序与码垛搬运程序, 部分轨迹程序如下:

2 图像效果展示

图5为码垛搬运仿真时的一些图片, 利用组件功能, 建立坐标系后, 调用offs () 功能函数, 达到了对码垛工作站进行仿真的效果。

图中左边为皮带, 图中黄色物料运行到皮带末端时, 机器人拾取物料, 进行码垛搬运, 在台面上码放有黄色物料, 物料码放整齐有序。

3 结论

本码垛搬运仿真平台, 是在实际码垛平台的基础上, 对其进行仿真。为了到达实际缩短真实生产线搭建的开发周期, 实物与仿真工作站将采用1:1的比例进行。主要用到的Smart组件有:source组件等, 通过仿真之后, 实现了物料运动到传送带末端时, 传感器检测到物料到达, 工业机器人拾取物料, 搬运其到达规定位置后, 释放物料后运动机器人原点位置状态, 等待下一次物料的到达搬运。位置的确定, 搬运程序的编写调试均在仿真工作站中进行, 通过仿真, 缩小开发周期, 减少工业机器人工作站建设的投入。

参考文献

[1]杨雨标, 何汉武.基于VRML-JAVA的机器人运动仿真研究[J].机械科学与技术, 2004 (1) :120-124.

[2]焦恩璋.以Auto CAD为平台的机器人运动仿真研究[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2001 (10) :932-936.

[3]王幼民.机械臂关节空间B样条曲线轨迹规划[J].安徽机电学院学报, 2000 (2) :22-25.

工业仿真 篇7

关键词：工业工程,仿真软件,教学资源库,建设

随着计算机技术的发展和工业界需求的提升,工业工程类仿真软件的应用也越来越广泛,在实现软件开发应用多样性的同时也给教学应用带来了难度。本文从课程资源库建设的视角,综合当前各类仿真软件的优点,建立面向理论、技术、学生和企业应用为核心的课程资源库体系。

1 仿真软件的分类与新特点及教学中存在的问题

1.1 对新的教学需求和教学形式的资源支撑不够

随着MOOC、微课堂、翻转教学等教学需求和教学形式接受度的不断提升,对于教学资源的多元化、学生能动性的重视程度也越来越高。必须有足够的资源支撑,否则难以保证教学效果。

1.2 相似的仿真软件众多,老师教学和学生学习不便

发展至今,仿真软件种类众多,跟工业工程相关的主要包括物流仿真、系统仿真和机器人仿真类软件。给老师教学和学生学习以及企业应用带来了难度。一方面,仿真软件各有优势和侧重;另一方面,软件的多样性也带来了学习的困难,由于所采用技术的不同,导致老师教学和学生在不同仿真软件切换时候存在困难,过多消耗了对于仿真环境和语言的学习,无法集中资源使得产出最大化。

1.3 教学与实际应用距离太远,存在脱节现象

当前教学和考核过于注重基本理论和方法,对于新问题以及实际的联系不足。学生感触不深,掌握不牢。与企业的需求实际差距较大,也导致应用效果不良。

2 教学资源库的建设内容及运行机制

2.1 建设内容

建立系统建模与仿真教学资源库,使资源库包括四个库。即经典理论模型资源库,技术资源库、学生案例资源库、企业应用资源库。这个建设内容的过程是一个不断完善、不断积累的过程。各个资源库详细内容如下。

(1)经典理论模型资源库。经典理论库主要包括如排队论的经典模型、哲学家就餐问题经典模型、科学家旅行问题经典模型、啤酒游戏经典模型等,包括这些模型的数学描述,计算机解决算法等。这些经典问题,能够引起学生学习的兴趣和思考,通过这些经典的模型和理论资料,可以加深学生对于问题的认识和理解,提升学生的专业知识水平。

(2)技术方法资源库。当前的仿真软件众多,就工业工程领域来说,数目不下十种。这些软件既有传统的,应用很成熟的软件,也有一些新兴的软件。通常来讲,传统软件应用广泛,资源多,教学都相对容易,却对于新技术,新方法的支持能力不够。而新软件则主动融合3D仿真技术、GIS地图技术以及全新的面向对象的技术等。其实不论哪种技术,能够解决问题的就是最适合的。软件的众多带来了选择多样性的同时,也带来了教学和应用上的困难。因此,在这个资源库中,除了包括各种仿真软件介绍、使用方法和经验等,还应该包括各种仿真方法的对比,以及不同仿真建模软件和方法之间的过度和迁移方法等。如包括Witness软件的编程基础,编程技巧,常见难题解决方法,软件的操作指南等供所有学生学习,以及相关软件如Flexim、Anylogic、Arena、Plant Simulation、Simio等软件的这方面资料。在资源库中,注意将不同平台的相关技术进行归类,形成一个相互区别又相互衔接的有机的系统。

(3)学生案例资源库。学生案例资源库主要包括以往届本科生优秀的作业案例、课程设计以及毕业设计案例,此外还包括学生参加竞赛的获奖案例等。学生案例库是最接近于学生学习的一个资源库,由于是学生的优秀作品的整理,因此对于学生来说容易理解和学习。学生可以通过在向前几届学生学习的基础上做到青出于蓝而胜于蓝。

(4)企业应用资源库。企业应用资源库包括网上收集的企业实施仿真项目案例,软件供应商提供的企业案例以及教师企业科研项目案例等。企业资源库是最接近实际生产和生活系统的仿真应用,可以连接实习基地、科研企业等建立企业资源库。在企业资源库中,可以根据不同的类型来进行分类,如按照行业可以分为能源采掘行业、制造业、服务业等进行分类。在制造业内部还可以按照供应、生产、分销等进行分类。在企业资源库的使用过程中,可以根据不同的需求有所侧重。

2.2 运行模式

案例资源库应用主要在老师备课、学生课堂讨论、作业以及案例的来源,同时可以延长课程学习的时间与拓展学生学习的空间。要保证资源的使用效果必须解决课程库如何用的问题,通过建立一套办法来提高课程资源库的运行效果。

(1)作为教师备课、讲授的有力支撑。近年来,不少高校在教学大纲制定时,往往压缩讲授学时,提高实践学时。这就要求教师在有限的时间内,提供足够的知识给学生。丰富的案例库,可以有效提高教师讲课的信息量,为教师课堂讲授提供有力的支撑,

(2)作为课堂讨论、作业的问题和案例来源。有些教材的习题和案例分析存在年年重复的问题,在课堂教学的讨论以及课后作业中需要更具有信息量的资料或者案例,因此丰富的课程资源库将是提高这些环节教学效果的有力支撑。

2.3 输出及考核

(1)注重多重途径考核与反馈。教学效果的考核与评价往往与课程考核等同。课程的结束也意味着教学的结束。其实从教学的根本目的来看,应该把这个时间范围进一步拉长。系统仿真类课程的教学不仅仅瞄准课程的考核要求,应该更进一步瞄准专业课程设计、学生大学期间的毕业论文乃至以后在企业中的应用。因此,教学效果的考核方式包括课程考核、课程设计、毕业设计以及企业人才反馈等。

(2)参加各类级别的仿真建模大赛和专业比赛。系统仿真作为一门近年来快速发展的技术,在解决当今复杂问题中体现出来的优势越来越明显。培养学生动手解决实际问题的能力,学生的思维和创新能力。各类比赛也是进一步提高学生解决问题能力,服务企业和社会的绝好机会。几年来,随着软件供应商对于仿真市场的开发,如Flexsim、Simio等仿真软件企业都在资助全国乃至全世界的仿真技能大赛,通过指导学生参加此类比赛,不仅能够提升学生的视野和能力,还能够通过这个交流平台进一步提升学生的创新意识和学习能力。

2.4 更新与完善

为了提高课程库的使用效果和活力,必须建立课程库动态更新与完善的方法。做到临时更新与学期更新以及年度更新相结合,不断地补充各个子库的资源,使软件库能够及时完善。

3 结论