技术分享：工程机械臂架系统平稳性分析与优化
前言
臂架类工程机械是指利用臂架作为主要工作部件完成工作任务的工程机械。臂架承受负载或工作装置的重量，并利用油缸控制臂架的伸缩、摆动等动作完成指定的功能。典型的臂架类工程机械有混凝土泵车、起重机、消防车和高空作业车等。
臂架系统作业过程中的动作平顺性是衡量臂架类工程机械作业性能优劣的重要指标之一，目前在作业时油缸爬行、臂架抖动等平顺性问题出现较多，严重影响用户体验且存在安全隐患。并且臂架类工程机械平顺性定性评价严重依赖物理实验，一般需要样机试验阶段才能评价、优化，平顺性设计问题不能在设计早期暴露，导致过度的设计—验证迭代，影响研发进度，降低产品竞争力。
为解决上述问题，提出基于机电液联合仿真技术建立高精度的臂架系统虚拟样机。基于机电液联合仿真模型构建臂架类工程机械臂架系统平顺性数字化验证平台。
臂架系统虚拟样机
臂架虚拟样机包括臂架动力学模型、臂架液压系统模型。可以实现由驾驶员发出操作指令给液压系统，控制系统经过运算发出控制信号，控制液压系统工作，液压系统执行元件带动臂架伸缩或摆动，完成指定作业的整个工作过程进行模拟。
臂架虚拟样机建模工具
臂架液压系统建模工具
AMESim是一个多领域复杂系统建模软件，可以根据仿真对象实际物理拓扑关系建立模型。AMESim提供了经过验证的液压库、液压元件库、机械库等用于工程机械臂架液压系统的模型建设。可用于研究组成元件和系统的稳态和动态性能，并对不同的系统方案进行快速、准确地预测和评估。
臂架动力学建模工具
ADAMS是应用广泛的多体动力学（MBD）软件，专门用于机械产品虚拟样机开发方面的工具。ADAMS可帮助工程师研究运动部件的动力学特性以及在整个机械系统内部荷载和作用力的分布情况。通过虚拟试验和测试，在产品开发阶段就可以帮助设计者发现设计缺陷，并提出改进的方法。
联合仿真平台
臂架系统联合仿真模型是以ADAMS软件为主控软件，在ADAMS中启动仿真，由AMESim软件提供油缸力，并将臂架系统的运动状实时反馈回AMESim软件，完成实时联合仿真。
臂架虚拟样机建模方法
液压系统建模
臂架液压系统模型可以通过AMESim软件中的液压库、液压元件库等搭建。其中液压库可建立系统级模型，以简化的液压系统模型为例，包括泵、液控、换向阀、阻尼孔、管路通用液压元件等。液压元件库用于非标液压元件建模，可以基于结构建立任意液压元件模型，能够模拟元件动态响应。在臂架液压系统中平衡阀是影响臂架平顺性的关键元件，故需利用液压元件库进行元件级详细建模，元件级模型考虑弹簧刚度、阀芯质量、每个阀孔面积、液动力等特性，这些参数需通过平衡阀实物拆解测量获得，并通过样本特性曲线或台架性能测试数据进行模型标定。
△ 简化液压系统模型
△ 平衡阀元件级模型
动力学建模
臂架动力学模型的搭建流程，首先是进行模型导入，在CAD软件中将多节臂架、伸缩油缸等部件导出成单个部件的x-t文件，以零件形式导入ADAMS/view，重新命名各部件。x-t文件导入ADAMS后，需手动输入各部件的质量、惯性矩、质心等信息。将模型从CAD软件中导出至ADAMS时，部件的几何结构和位置信息都得到了很好的继承，但模型各部件间的约束信息丢失，所以需要在ADAMS中重新添加约束，也就是运动副，在臂架动力学模型中还需添加力，包括油缸力、摩擦力，其中油缸力时从AMESim中仿真实时传递过来的，摩擦力是基于各主要运动部件的运动副来描述。
联合仿真平台建模
在ADAMS软件中，将各个处于运动状态下液压缸的位移量和速度输出到AMESim，然后AMESim根据上述变量的液压系统提供的压力计算各个液压缸产生的油缸力，并将值返回到ADAMS中，由此实时控制臂架系统的运动状态。通过联合模型的变量传输，实现ADAMS和AMESim的联合仿真。
臂架系统平顺性数字化验证平台
采用面向对象高级语言开发验证平台和图形用户界面，集成由臂架动力学模型和臂架液压系统模型组成的数字化样机，进一步集成isight优化平台进行多参数臂架平顺性优化分析。实现根据工况列表自动快速进行多工况平顺性分析。设定平顺性分析目标及权重系数，进行液压控制参数优化分析。
臂架系统平顺性数字化验证平台的应用
Scrum开发完全适应现在互联网开发提出的“小步快跑”，以轻量级的Story作为需求进行迭代式开发，保证最重要的功能优先做。敏捷团队所有成员都能了解当前项目的进展和问题。
项目团队可以确保把时间放在与冲刺目标相关的事情上，不受外界干扰。
臂架系统联合仿真模型校准
为保证臂架系统联合仿真模型质量，需要对仿真模型进行校准、验证模型精度。臂架系仿真模型的校准，分为臂架静态、臂架单动作、臂架复合动作、负载动作的校准。将在仿真模型中臂架姿态与测试状态保持一致，控制信号输入与测试数据相同，进行联合仿真计算。将仿真值与测试值，如油缸压力、油缸位移、主泵压力、阀入口压力进行对比，保证臂架系统联合仿真模型中各个系统都能模拟真实臂架作业的特性。
臂架系统控制策略优化
在控制器程序编写好以后，将控制数据作为amesim液压控制系统的输入，在臂架系统虚拟样机上控制臂架动力学模型，预先对控制逻辑进行验证，对控制参数进行优化。
结束语
通过系统仿真软件、动力学仿真软件构建臂架虚拟样机，全面反映机械、液压、电气、控制多学科子系统之间的复杂集成和耦合。分析影响臂架系统平稳性的关键因素。评估和验证臂架系统性能，进行整体的调优和匹配，优化系统设计，降低开发成本和缩短开发周期。
臂架类工程机械臂架系统平顺性数字化验证平台，促进设计人员与分析人员更有效地互动，加强设计人员的分析能力，快速完成产品的稳定性和动作平顺性分析，真正意义上实现产品设计与仿真分析的并行，大幅度提升研发效率。
