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案例頻道隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為了滿足市場競爭對產(chǎn)品高性能的要求，對所設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)等方面的仿真是很必要的。通過建立仿真軟件支持的產(chǎn)品模型，從而實現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品方案的確定，并可以及時快速的利用模型仿真結(jié)果分析得到反饋信息，進(jìn)而改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計方案[1]。Matlab軟件利用強(qiáng)大的科學(xué)數(shù)值計算能力和良好的Simulink人機(jī)交互圖形界面仿真環(huán)境可以對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真以及系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[2、3]。特別是SimMechanics工具箱的推出，使得機(jī)械系統(tǒng)的建模與仿真變得更加簡便易行。
1.SimMechanics簡介
SimMechanics是The Math Work公司于2001年10月推出的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模塊集（SimMechanics Block－set），它可以對各種運(yùn)動副連接的剛體進(jìn)行建模與仿真，實現(xiàn)對機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計的目的。它提供了一個可以在Simulink環(huán)境下直接實用的模塊集，可以將表示各種機(jī)構(gòu)的模塊在普通Simulink窗口中繪制出來，并通過它自己提供的檢測與驅(qū)動模塊和普通的Simulink模塊連接起來，獲得整個系統(tǒng)的仿真結(jié)果[3]。
該模塊中包含下列幾個子模塊：
（1） 剛體子模塊組（Bodies）：有兩個模塊，機(jī)架和剛體，在使用剛體模塊時，用戶還可以根據(jù)實際情況設(shè)置包括剛體質(zhì)量、位置、方向和坐標(biāo)系在內(nèi)的一系列參數(shù)；
（2） 約束與驅(qū)動模塊組（Constrains & Drivers）：有靜力學(xué)約束的模塊，如齒輪約束等，還包括各種傳動模塊；
（3） 輔助工具模塊組（Utilities）：這里的模塊語序在其他模塊中添加節(jié)點(diǎn)，或?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實工具箱用的數(shù)據(jù)；
（4） 運(yùn)動副模塊組（Joints）：提供了各種運(yùn)動副的圖標(biāo)，如回轉(zhuǎn)副、平面副等，可以用這些運(yùn)動副來連接剛體，構(gòu)造所需機(jī)構(gòu)；
（5） 檢測與驅(qū)動模塊組（Sensors & Actuators）：檢測模塊用來和普通的Simulink模塊交換信息。驅(qū)動模塊用來給機(jī)構(gòu)添加Simulink輸入量。
下面就分別以平面四桿機(jī)構(gòu)和雙倒立擺機(jī)構(gòu)為例來介紹SimMechanics工具箱的應(yīng)用和技巧，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。
2.機(jī)構(gòu)仿真
2.1平面四桿機(jī)構(gòu)的仿真
如圖1所示為一平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，假設(shè)AB桿繞A點(diǎn)以 的角速度旋轉(zhuǎn)，分析C點(diǎn)的運(yùn)動情況。
圖1 平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖
打開Simulink中的SimMechanics工具箱，從剛體模塊組中復(fù)制Ground模塊到仿真圖中，然后從運(yùn)動副模塊組中復(fù)制Revolute模塊構(gòu)造出第一個轉(zhuǎn)動副，依此類推，就可以將所有的模塊都復(fù)制到仿真圖中，然后用類似于普通Simulink模塊的聯(lián)結(jié)方法對所復(fù)制的模塊進(jìn)行相應(yīng)連接，這樣就完成了機(jī)構(gòu)的簡單搭建工作。另外考慮到A點(diǎn)是機(jī)構(gòu)的輸入端，所以要從Sensors & Actuators模塊組中復(fù)制Joint Actuator模塊以及step模塊用于提供正弦信號，相應(yīng)的，C點(diǎn)是輸出端，故在仿真圖中添加從Sensors & Actuators模塊組中復(fù)制的Joint Sensor模塊以及scop模塊，以得到C點(diǎn)運(yùn)動的角速度、角加速度曲線。如圖2所示其機(jī)構(gòu)仿真框圖。
圖2 平面四桿機(jī)構(gòu)仿真框圖
在SimMechanics仿真框圖中，如果模塊已經(jīng)相應(yīng)連接完畢，會自動填寫好模塊的主動端和從動端名稱。對于平面四桿機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副來說，要設(shè)定的參數(shù)是坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)動向量。如圖3所示。
圖3 轉(zhuǎn)動副的參數(shù)設(shè)置
圖4 D點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)定
圖5 連桿的參數(shù)設(shè)定
2.1.3 m文件編輯
完成上述兩項工作以后，需要對仿真框圖中較為復(fù)雜的模塊參數(shù)通過m文件的形式寫入Matlab工作空間，取上述平面四桿機(jī)構(gòu)為例，m文件內(nèi)容如下：
r=5; gg=7.81*pi*r^2; lab=10; lbc=10*sqrt(2); lcd=20*sqrt(2);
mab=gg*lab*0.001; mbc=gg*lbc*0.001; mcd=gg*lcd*0.001;
tab=diag([r^2/2,lab^2/12,lab^2/12])*lab*gg*1e-9;
tbc=diag([r^2/2,lbc^2/12,lbc^2/12])*lbc*gg*1e-9;
tcd=diag([r^2/2,lcd^2/12,lcd^2/12])*lcd*gg*1e-9;
這里需要說明的是，因為此四桿機(jī)構(gòu)中各個連桿均視為均勻的圓柱形鐵桿，故其慣性矩陣為 。
2.1.4 仿真結(jié)果分析
運(yùn)行參數(shù)設(shè)置的m文件以后，各個參數(shù)都將寫入Matlab的工作空間，再運(yùn)行機(jī)構(gòu)的仿真框圖，得出其動畫仿真效果圖。如圖6所示。
圖6 平面四桿機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真效果圖
圖7 C點(diǎn)運(yùn)動情況分析
需要說明的是，用戶既可以使用Matlab自身的圖形Matlab Graphic和Simulink的示波器顯示仿真結(jié)果，還可以依賴虛擬現(xiàn)實工具箱Virtual Reality Toolbox對仿真機(jī)構(gòu)進(jìn)行動畫顯示。單擊Simulation/Mechanical environment按鈕，選擇Visualization標(biāo)簽，可以進(jìn)行輸出顯示的設(shè)置。
2.2雙倒立擺機(jī)構(gòu)的仿真
如圖8所示，雙倒立擺的機(jī)構(gòu)簡圖，其連桿為均勻的圓柱形鐵桿，在AB桿上提供一個正弦輸入，通過仿真模型的建立可以分析A和B兩點(diǎn)的運(yùn)動情況。
圖8 雙倒立擺機(jī)構(gòu)簡圖
如圖9所示，其機(jī)構(gòu)仿真框圖。
圖9 雙倒立擺機(jī)構(gòu)仿真框圖
r=5; gg=7.81*pi*r^2; l1=10; l2=10; m1=gg*l1*0.001; m2=gg*l2*0.001;
t1=diag([r^2/2,l1^2/12,l1^2/12])*l1*gg*1e-9
t2=diag([r^2/2,l2^2/12,l2^2/12])*l2*gg*1e-9
待m文件運(yùn)行完畢以后，就可以運(yùn)行仿真框圖，得出其機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真圖，如圖10所示。
圖10 雙倒立擺機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真圖
圖11 A點(diǎn)運(yùn)動情況分析 圖12 B點(diǎn)運(yùn)動情況分析
本文在介紹Matlab中SimMechanics工具箱的基礎(chǔ)上，分別以四桿機(jī)構(gòu)和雙倒立擺機(jī)構(gòu)為例介紹了SimMechanics工具箱的應(yīng)用和技巧，分析了兩種機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果。仿真研究結(jié)果表明：SimMechanics工具箱具有系統(tǒng)建模方便直觀，仿真功能強(qiáng)大，自動模型分析等優(yōu)勢，是對機(jī)械系統(tǒng)的各種運(yùn)動進(jìn)行動態(tài)建模及仿真的良好工具。
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