基于matlab的混凝土泵车臂架运动仿真系统的研究

钟辉平++朱天

摘 要：介绍了基于Matlab/Simulink的混凝土泵车臂架运动仿真系统的设计和实现方法，并以转台旋转速度和各臂架油缸长度变化速度为参变量，实现了臂架系统运动姿态的三维仿真。该方法简洁高效，为混凝土泵车臂架系统的研发，提供了一种有效的新思路，对混凝土泵车虚拟样机研发也具有重要参考价值。

关键词：混凝土泵车 臂架 运动仿真 Matlab/Simulink

中图分类号：TU646 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0038-02

混凝土泵车臂架系统是混凝土泵车输送混凝土的关键部件，也是混凝土泵车研究的热点。现在，混凝土泵车臂架系统正朝着更长、更轻、更灵活、更智能的方向发展。然而由于目前技术的限制，臂架系统研发，尤其是超长臂架系统的研发，周期长，费用高，效果差。对臂架系统三维数字设计模型进行仿真和分析，可以大大减少在实际工况下进行试验的代价，实现高效的系统设计，缩短研发周期。

1 系统设计

1.1 系统结构

仿真系统结构如图1所示。

（1）系统通过泵车遥控器发送臂架动作指令，遥控接收器收到指令，发送到CAN总线。

（2）运动控制器通过CAN总线，收到各臂架动作手柄信号，将其转化为臂架动作指令（转台旋转和各臂架油缸长度变化速度值），发送到CAN总线。

（3）工控机CAN接收卡通过CAN总线，收到臂架选择和各臂架油缸长度变化速度值，经过CAN数据接口，传递给Matlab仿真系统。

（4）Matlab系统采用Simulink仿真工具包，对臂架系统三维模型进行仿真和分析，模拟真实环境中臂架系统的工作状况，显示臂架运动三维仿真动画，和转台旋转角度、各臂架夹角、臂架末端点位置变化曲线，并将这些数值输出到CAN数据接口程序。

（5）运动控制器通过CAN总线，接收仿真值，并利用其进行其它程序的运算处理。

1.2 臂架系统建模

泵车臂架系统是由臂架、连杆、臂架油缸和连杆件等铰接而成的可折叠和展开的平面连杆机构，其结构见图2。

该系统采用Pro/Engineer建立臂架系统的三维模型，然后转化到Matlab系统中进行仿真，其过程见图3。

为了提高仿真速度和方便添加约束条件，仿真系统忽略了臂架和油缸的质量、形变和惯性，将其简化成刚体模型。

1.3 CAN数据接口

CAN数据接口功能就是通过Can数据接收卡和CAN总线，实现运动控制器和Matlab仿真系统之间的数据交换，其结构图见图4。

该CAN数据接口程序采用VC++编写，与Matlab之间的数据交换采用DDE方式。接口程序将转台转速和各臂架油缸长度变化速度值发送给Matlab仿真系统，又将仿真结果：转台转角、各臂架夹角、臂架末端点坐标，返回给运动控制器。

2 Matlab仿真

该系统采用Matlab软件仿真，因为Matlab仿真软件具有强大的矩阵运算功能、可靠的容错能力和广泛的符号运算能力。Simulink是Matlab软件的扩展，用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统。

其中，“SimMechanics Model”模块是从Pro/E中建立的臂架系统机械模型，可以通过Simulink直接调用。“jiaodu1”模块为S函数，实现Matlab与CAN数据接口之间数据交换：即获取转台旋转速度和各臂架油缸长度变化速度，并通过DDE客户端返回仿真结果。另外，该S函数也可以添加臂架动作约束条件，比如转台旋转角度-359°～359°，1臂最大角度90°，一臂和二臂最大夹角180°。

Matlab作为DDE客户机的工作过程如下：

（1）调用ddeinit函数与服务器建立对话，建立成功后返回一个通道号。以后的操作就是基于这个通道进行。

（2）调用ddadv函数请求建立热链。

（3）调用ddereq函数向服务器请求发送数据，返回值存为数據矩阵；或者调用ddepoke函数向服务器发送数据。

（4）传输结束后，调用ddeterm函数请求撤销与服务器建立的热链接。

3 仿真效果

在计算机上运行CAN数据接口程序和Matlab仿真程序后，就可以看到臂架的三维模型，臂架旋转角度、曲线窗口。当拨动泵车遥控器手柄时，臂架的三维模型开始按照指令开始动作，各曲线窗口开始显示数值变化曲线。

臂架三维动画窗口如图5所示，通过窗口工具栏按钮，可以选择不同视角。

4 结语

（1）利用Matlab/Simulink动态仿真技术，根据混凝土泵车臂架系统的物理参数、形状特征、运动特点等真实地模拟了其三维运动过程，避免了大量的编程和计算工作，无须制造物理样机，用实体实验的方法来观察。它为混凝土泵车臂架系统提供了一个高效的研发途径，可以大大缩短研发周期，降低研发成本，具有推广应用价值。

（2）该仿真技术较传统设计方法更快捷、更高效，为臂架系统结构优化、应力分析、油缸受力分析、智能臂架、臂架防干涉、防倾翻等研究提供了一种有效的新思路，对混凝土泵车虚拟化样机研发也有重要参考价值。

（3）该仿真系统把臂架系统作为一个刚体，没有考虑到臂架和油缸的质量、形变、惯性和振动等因素的影响，因而和实际臂架运动还有一定差距，还有待于进一步研究和完善。

参考文献

[1] 易秀明，王尤毅.混凝土泵车[Z].三一学校培训教材，2011.

[2] 郭立新，张国忠，郭咏梅.泵车布料机构运动学分析及轨迹规划控制建模与仿真[J].工程机械，2001，28（1）：12-14.

[3] 姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.