一种液压挖掘机虚拟样机的建立方法

摘要

本发明涉及一种液压挖掘机虚拟样机的建立方法，包括以下步骤：在动力学仿真软件ADAMS中建立液压挖掘机的动力学模型，在液压系统仿真软件AMESim中建立液压挖掘机的多路阀液压系统模型；将动力学模型和多路阀液压系统模型仿真过程中存在关联的相关状态变量与参数作为两个模型之间的传递参数，利用ADAMS软件的Controls模块和AMESim软件的interface模块建立软件接口，进行实时数据传递，对挖掘机的动力学模型和多路阀液压系统模型进行联合仿真；在液压系统仿真软件中查看仿真结果。该方法有利于提高液压挖掘机虚拟样机仿真结果的准确性，降低试验成本，提高试验效率，缩短设计时间。

说明书

技术领域

本发明涉及液压挖掘机虚拟样机技术领域，特别是一种液压挖掘机虚拟样机的建立方法。

背景技术

多路换向阀是挖掘机液压系统的核心零部件，很大程度上决定了液压挖掘机的性能。目前国内已经有部分主机生产企业因自身发展需要，开始自主研发包括多路换向阀在内的工程机械关键液压件，但在设计研究方面仍然缺乏必要的理论与足够的技术支持。

传统的基于物理样机的产品开发设计模式，面临着高昂的设计成本以及较长的设计周期等诸多问题，在激烈的市场竞争中，单纯地使用这一模式已成为过去。

和传统的基于物理样机产品开发设计模式相比，基于仿真技术的产品设计开发模式无需制造实物样机，而是采用仿真模型替代传统设计开发模式下的物理样机对相关设计参数进行测试评估，模型参数修改方便，能很容易实现设计的多样化，柔性好，减少不合理方案盲目上马的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液压挖掘机虚拟样机的建立方法，该方法有利于提高液压挖掘机虚拟样机仿真结果的准确性，降低试验成本，提高试验效率，缩短设计时间。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种液压挖掘机虚拟样机的建立方法，包括以下步骤：

步骤1：在动力学仿真软件ADAMS中建立液压挖掘机的动力学模型，在液压系统仿真软件AMESim中建立液压挖掘机的多路阀液压系统模型；

步骤2：将所述动力学模型和多路阀液压系统模型仿真过程中存在关联的相关状态变量与参数作为两个模型之间的传递参数，利用ADAMS软件的Controls模块和AMESim软件的interface模块建立软件接口，进行实时数据传递，对挖掘机的动力学模型和多路阀液压系统模型进行联合仿真；

步骤3：在液压系统仿真软件中查看仿真结果。

本发明的有益效果是：

1、建立液压挖掘机机械模型与多路阀液压系统模型，通过联合仿真的方式，充分利用软件各自的优点，使建模过程更为简单，且使各软件的积分器对机械系统和液压系统各自建立的模型方程的计算更有针对性，结果更准确。

2、通过建立虚拟样机进行仿真试验，可以降低试验成本，提高试验效率，缩短设计时间，对液压挖掘机多路阀的设计研发具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例的工作流程图。

图2是本发明实施例的挖掘机多路阀液压系统模型图。

图3是本发明实施例的挖掘机机动机械装置与液压系统联合仿真模型图。

图4是本发明实施例的挖掘机多路阀结构参数快速定义用户界面图。

图5是本发明实施例的挖掘机机械模型的主要约束列表。

图6是本发明实施例的AMESim、ADAMS模型接口变量列表。

图7是本发明实施例的MATLAB与AMESim部分接口命令列表。

图8是本发明实施例的MATLAB中部分ActiveX控制命令列表。

具体实施方式

本发明液压挖掘机虚拟样机的建立方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：在动力学仿真软件ADAMS中建立液压挖掘机的动力学模型，在液压系统仿真软件AMESim中建立液压挖掘机的多路阀液压系统模型；

步骤2：将所述动力学模型和多路阀液压系统模型仿真过程中存在关联的相关状态变量与参数作为两个模型之间的传递参数，利用ADAMS软件的Controls模块和AMESim软件的interface模块建立软件接口，进行实时数据传递，对挖掘机的动力学模型和多路阀液压系统模型进行联合仿真；

步骤3：在液压系统仿真软件中查看仿真结果。

在本发明较佳实施例中，在CATIA软件中建立液压挖掘机的三维实体模型，利用CATIA软件与动力学仿真软件ADAMS的软件接口，将所述液压挖掘机的三维实体模型导入ADAMS软件中，克服了ADAMS中难以建立三维实体模型的缺点，利用ADAMS软件对所述液压挖掘机的动力学特性进行分析，建立所述液压挖掘机的动力学模型。

在本发明较佳实施例中，利用MATLAB软件的GUI模块建立可快速定义液压挖掘机动作、负载和多路阀结构参数的参数定义用户界面。对所述液压挖掘机虚拟样机和参数定义用户界面进行数据关联，利用AMESim软件将液压挖掘机虚拟样机所需参数（液压挖掘机动作、负载以及多路阀结构参数等）建立成全局变量，通过MATLAB软件调用EXCEL软件并读取其数据，将数据赋给全局变量，以进行液压挖掘机虚拟样机参数设定。

下面，以LG6225为物理原型建立虚拟样机，对本发明作进一步说明。

（一）LG6225液压挖掘机动力学模型

ADAMS建模步骤包括几何建模、定义约束与施加载荷。

1、几何建模在三维软件CATIA中完成，结合液压挖掘机LG6225工作装置的零部件的尺寸以及相互铰接位置的实际测量建立三维模型，为了简化模型，可以将一些没有相对运动的部件定义为同一零件。另存成*.igs格式，并转化成*.x_t格式，导入ADAMS中，并对仿真环境与构件特性等进行设置。

2、如图5所示的表1列出了本发明挖掘机机械模型所采用的主要约束。一些零部因同步运动而将之间相互约束定义为固定约束，如两个动臂油缸各自的油缸杆之间是相对固定，在表中并没有表示出来。

同时需要根据实际情况对模型加入必要的驱动方式：（1）动臂、斗杆和铲斗的单独运动是由各自的液压缸驱动，可在动臂、斗杆、铲斗液压缸与液压缸杆各自的移动副上创建一个位移驱动实现；（2）转台相对行走机构运动是由液压马达驱动，可在转台与行走机构之间转动副上创建一个角度位移驱动实现；（3）在模型中，行走机构与大地之间未加入约束，所以加入一个一般点的运动驱动，一般点的运动驱动为6自由度。需要注意的是，现实中行走机构与大地之间应仅有二个自由度，即平面上某方向平移、平面法线方向旋转的两个自由度。这里的解决方法是，将一般点相对真实情况多余的4个运动驱动赋值为0。

3、有关力的方向定义ADAMS有两种方法，沿坐标标记坐标轴定义力的方向和沿两点连线的方向定义力的方向。

液压挖掘机的主要负载为铲斗与工作面之间的作用力和铲斗内物料的重力：铲斗与工作面之间的作用力主要沿着铲斗齿向方向的作用力，故采用沿两点连线的方向方式来定义此力的方向；而铲斗内料的重力则是一直是和重力加速度方向一致的，采用沿坐标标记坐标轴方式来定义此力的方向。

（二）LG6225挖掘机多路阀液压系统模型

AMESim软件是一门图形化的编程语言，表现方式直观，能够直接的反应系统的工作原理，并且其表示符号基本和系统工作图形符号一致，因此对于建立AMESim程序只要按照系统的工作原理图建立其图形化程序即可。结合LG6225液压原理建立多路阀液压系统模型，如图2所示。

（三）LG6225挖掘机机械与液压模型联合仿真

如图6所示的表2列出了ADAMS、AMESim之间的输入与输出变量关系。

ADAMS、AMESim的软件数据接口由ADAMS/Controls模块进行定义。通过ADAMS/Controls定义ADAMS模型的输入输出变量。AMESim与ADAMS之间的通信数据，以状态变量的形式实现交换。需在ADAMS中定义成输入状态变量、输出状态变量，可以通过“State Variable”进行创建。

接着利用AMESim的interface模块实现ADAMS与AMESim的联合。在AMESim中可以通过“Import ADAMS model”命令将ADAMS模型导入AMESim中， 进行联合模型的搭接，如图3所示。

（四）LG6225挖掘机虚拟样机参数定义用户界面

本发明通过调用EXCEL程序并读取EXCEL中数据、将数据导入模型并进行虚拟样仿真。基于这些功能，本发明所设计的用户界面，如图4所示，包括：

“修改参数”按钮——自动调用EXCEL软件，将设定的多路阀液压系统参数EXCEL表格显示出来，使用户可以直接在EXCEL修改参数。

“导入参数”按钮——自动将修改后的EXCEL表格中多路阀液压系统参数调入到MATLAB中，并传递到AMESim、ADAMS联合仿真模型中。为便于观察使数据显示在下方的Table表格中。

“动作及外力自定义”按钮——自动调用EXCEL软件，将设定的模型动作控制参数以及外力参数EXCEL表格显示出来，使用户可以直接在EXCEL修改参数。

“动作及外力选择”下拉框——根据用户选择，自动将EXCEL模型动作控制参数以及外力参数调入到MATLAB中，并传递到AMESim、ADAMS联合仿真模型中。为便于观察使数据显示在下方的Table表格中。

“运行”按钮——通过读取界面上输入框内的数值，调用AMESim、ADAMS联合仿真模型，并按照要求进行联合仿真。

（五）LG6225挖掘机虚拟样机和参数定义用户界面联合

LG6225挖掘机虚拟样机和参数定义用户界面联合重点在于MATLAB程序的编写，包括对AMESim模型的操作与EXCEL的操作等。

1、基于MATLAB对AMESim进行操作

为了使MATLAB与AMESim软件实现联合，需要正确安装MATLAB与AMESim两个软件，并进行环境变量、工作路径等设置。MATLAB提供了一系列命令实现对AMESim的操作，如图7所示的表3列出了MATLAB与AMESim部分接口命令。

其中，向AMESim传递参数有两种方种：通过命令“ameputp”或命令“ameputgpar”。为了减少编程时的工作量与缩短程序赋值运行时间，本发明采用命令“ameputgpar”。其赋值方式为是程序赋值到AMESim模型全局参数，在模型中全局参数再分发到模型各参数，最终实现赋值。此方法的关键点在于需要建立必要的全局参数，并与各元素相关联。全局变量的创建可以在AMESim软件中通过“Settings”菜单下的“Global parameters”命令进行创建。

2、基于MATLAB对EXCEL进行操作

读取、写入EXCEL数据的MATLAB命令分别是“XLSREAD”与“XLSWRITE”。

对EXCEL中数据操作，首先得通过MATLAB调用EXCEL程序。为了实出与其它软件的交互协同工作，MATLAB提供了一系列的同外部程序的接口方法。其中最方便的就是利用ActiveX同MATLAB进行交互。如图8所示的表4列出了MATLAB中部分有关ActiveX控制的命令。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。