基于UG 和LabVIEW 的布水器联合仿真

郝一舒 施佳勇

(同济大学机械与能源工程学院,上海 201804)

0 引言

如今,环境保护问题越来越得到人们的关注,水资源的回收利用以及污水处理一直是环境保护的重点。旋转布水器就是这样一种在生物滤池中进行污水净化的关键设备,其主要结构如图1所示[1]。

传统的布水器一般采用多孔的布水结构,由于水管末端水压的降低,这种布水器末端的布水孔容易堵塞,由此会导致布水不均匀等问题,使得污水处理的效果达不到预期值。针对这些问题,本文设计了一种单孔的旋转布水器,并且利用UG/NX和LabVIEW软件搭建了布水器的联合仿真平台,在该平台上对布水器进行了机电一体化的控制仿真,为实际物理样机的开发提供了依据。

1 联合仿真模型的建立

过去,在电气机械类产品开发过程中,两者是独立进行的,开发周期漫长,开发成本高。利用联合仿真,可以有效提高开发效率,防止实际样机调试过程中才发现原先的设计问题,减少开发成本[2]。

机电一体化产品的联合仿真包括以下几个部分:三维建模、动力学仿真、控制系统建模以及接口技术[3]。联合仿真的流程图如图2所示,首先,根据零件尺寸在UG中对零件进行三维建模,所有零件建模完成后在UG中进行模型装配,装配完成后对模型进行动力学设置,包括材料属性、系统受力、运动属性、机电控制信号设置等。然后在LabVIEW对控制信号进行相应的设置,生成图形界面有助于后序控制;最后通过KEPServer将LabVIEW中的控制信号与UG中的信号连接起来,实现联合仿真。

图1 生物滤池简易模型示意图

图2 机电一体化联合仿真系统流程图

1.1 NX模型建立

UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案,为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG中包含很多模块,本文主要用到了UG运动仿真和MCD机电一体化仿真两大模块。其中,UG的运动仿真主要遵循以下步骤:(1)新建运动仿真;(2)选择方案类型;(3)新建连杆;(4)创建运动副;(5)创建驱动体;(6)生成动画。MCD模块是西门子公司近年推出的机电一体化模块[4],可以对包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为进行3D建模和仿真。

布水器主要结构包括主步进电机、副步进电机、中央旋转水管、可控布水横管、支架等组成,其结构如图3所示[5]。

布水器运动的时候,主要分为两个部分,第一部分由主步进电机带动包括副步进电机在内的所有结构一起转动,第二部分由副步进电机带动可控布水横管转动。在MCD模块中进行机电一体化仿真需要以下四个步骤:(1)建立刚体;(2)创建运动副;(3)创建仿真序列;(4)建立控制信号,主要设置信息如表1所示。

表1 布水器主要设置信息

图3 布水器结构示意图

图4 LabVIEW 变量设置

1.2 LabVIEW系统设置

LabVIEW是美国国家仪器公司开发的一款软件,它以模块化的图形为基础,主要用于控制系统的开发,在数据采集和分析方面具有很强大的功能。

在LabVIEW中首先对主步进电机进行设置,将步进电机的控制速度和反馈速度设置为双精度,将使能信号设置为布尔类型,这样与UG中的控制信号相互对应了起来。对于副步进电机,进行同样的设置,所以一共需要6个控制变量,如图4所示。

选择相应类型的空间,拖动到控制面板上面,然后将LabVIEW中的电机转速单位与UG中的转速相互统一,建立的LabVIEW仿真图如图5所示。

图5 LabVIEW 程序框图

1.3 OPC通讯连接的建立

OPC协议作为一种通讯技术,主要应用于工业领域,是各种控制系统和其相应的应用程序进行通信的一个接口标准。KEPServer是一种第三方OPC服务器,它使用起来灵活方便,并且可更改和可扩展性较强,适用于各种自动化控制、手动控制,以及软件与软件之间的交互连接。

在KEPServer软件中,需要新建通道,将通道类型设置为OPC Client,选择本地服务器,搜索NI的本地服务器可以找出我们需要控制的六个变量,如图6所示。

最后回到N X 中,将刚刚设置的控制信号映射到N X中,就可以实现LabVIEW和UG的联合仿真。最后布水器喷头的运行轨迹如图7所示。

图6 完成OPC 设置

图7 布水器喷头仿真轨迹图

2 总结与展望

本文首先针对传统布水器的不足,设计了一款新型的单孔布水器,然后主要阐述了如何利用O P C 协议进行LabVIEW和UG的联合仿真,提高了机电一体化产品设计的效率,为实际的物理样机开发提供了模型分析。但是本文布水器的轨迹控制算法还有待改善,进一步提高布水器布水的均匀性。