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1、会计学1MATLABSimMechanics机构动态机构动态(dngti)仿真仿真第一页，共78页。4.1 SimMechanics4.1 SimMechanics4.1 SimMechanics4.1 SimMechanics简介简介简介简介(jin ji)(jin ji)(jin ji)(jin ji) SimMechanics SimMechanics是是MatlabMatlab仿真中的一个仿真中的一个(y )(y )工具箱，同时结合工具箱，同时结合SimulinkSimulink、MatlabMatlab的功能。利用的功能。利用SimMechanicsSimMechanics模块框图对
2、机构运动进行建模和动态仿真。通过一系列关联模块来表示机构系统模块框图对机构运动进行建模和动态仿真。通过一系列关联模块来表示机构系统 , ,在仿真时通过在仿真时通过SimMechanicsSimMechanics可视化可视化工具将机构系统简化为机构结构的直观显示。工具将机构系统简化为机构结构的直观显示。第1页/共77页第二页，共78页。4.2 SimMechanics模块模块(m kui) SimMechanics模块组提供了建模的必要模块，可以直接在Simulink中使用。SimMechanics支持用户自定义的构件模块，可以设定质量和转动惯量。通过节点联接各个构件来表示可能的相对运动(ynd
3、ng)，还可以在适当的地方添加运动(yndng)约束、驱动力。第2页/共77页第三页，共78页。n n模块组包含刚体子模块组（模块组包含刚体子模块组（BodiesBodies）、约束）、约束(yush)(yush)与与驱动模块组（驱动模块组（Constraints&DriversConstraints&Drivers）、力单元模块组）、力单元模块组（Force ElementsForce Elements）、接口单元模块组（）、接口单元模块组（Interface Interface ElementsElements）、运动铰）、运动铰n n 模块组（模块组（JointsJoints）及）及n
4、n 传感器和激励器模块组传感器和激励器模块组n n （Sensors&ActuatorsSensors&Actuators）n n 和辅助工具模块组和辅助工具模块组n n （UtilitiesUtilities）。）。第3页/共77页第四页，共78页。刚体子模块刚体子模块(m kui)(m kui)组（组（BodiesBodies）约束与驱动模块约束与驱动模块(m kui)(m kui)组（组（Constraints&DriversConstraints&Drivers）力单元模块力单元模块(m kui)(m kui)组（组（Force ElementsForce Elements）接口模块接
5、口模块(m kui)(m kui)组（组（Interface ElementsInterface Elements）运动铰模块运动铰模块(m kui)(m kui)组（组（JointsJoints）传感器与激励器模块传感器与激励器模块(m kui)(m kui)组（组（Sensors&ActuatorsSensors&Actuators）辅助工具模块辅助工具模块(m kui)(m kui)组（组（UtilitiesUtilities）第4页/共77页第五页，共78页。刚体刚体刚体刚体(gngt)(gngt)(gngt)(gngt)子模块组（子模块组（子模块组（子模块组（BodiesBodies
6、BodiesBodies）n n双击此模块，弹出模块组，此模块组包括四个模块：刚双击此模块，弹出模块组，此模块组包括四个模块：刚体（体（BodyBody）、机架（）、机架（GroundGround）机械环境（）机械环境（Machine Machine EnviromentEnviroment）和共享机械环境（）和共享机械环境（Shared EnviromentShared Enviroment）。）。n n机械环境是为仿真定义环境变量。包含有重力、维数、机械环境是为仿真定义环境变量。包含有重力、维数、分析分析(fnx)(fnx)模式、约束求解器、误差、线性化和可视化。模式、约束求解器、误差、线
7、性化和可视化。共享环境联接两个刚体模块使他们享有相同的机械环境。共享环境联接两个刚体模块使他们享有相同的机械环境。机架只有一个连接端，另外一个固定。机架只有一个连接端，另外一个固定。第5页/共77页第六页，共78页。 刚体有两个刚体有两个(lin )(lin )连接端，其中一个为主动端，另连接端，其中一个为主动端，另一端为从动端。使用刚体时可以定义质量、惯性矩、坐一端为从动端。使用刚体时可以定义质量、惯性矩、坐标原点、刚体的初始位置和角度。标原点、刚体的初始位置和角度。第6页/共77页第七页，共78页。n n双击该模块双击该模块(mkui)(mkui)组，组，弹出如图所示。弹出如图所示。约束约
8、束(yush)与驱动模块组与驱动模块组 （Constraints&Drivers）第7页/共77页第八页，共78页。n nAngle DriverAngle Driver：设定两个刚体：设定两个刚体(gngt)(gngt)坐标间的角度。坐标间的角度。n nDistance DriverDistance Driver：设定两个坐标原点的距离。：设定两个坐标原点的距离。n nGear ConstraintGear Constraint：齿轮约束。：齿轮约束。n nLinear DriverLinear Driver：确定两个刚体：确定两个刚体(gngt)(gngt)坐标间的向量差。坐标间的向量差。
9、n nParallel ConstrantParallel Constrant：平行约束。：平行约束。n nPoint-ConstraintPoint-Constraint：曲线约束。：曲线约束。n nVelocity DriverVelocity Driver：确定两个刚体：确定两个刚体(gngt)(gngt)坐标间的相对坐标间的相对线速度和角速度。线速度和角速度。第8页/共77页第九页，共78页。力单元力单元力单元力单元(dnyun)(dnyun)(dnyun)(dnyun)模块组（模块组（模块组（模块组（Force ElementsForce ElementsForce Elements
10、Force Elements）n nBody Spring&DamperBody Spring&Damper：在两个刚体之间施加线性阻：在两个刚体之间施加线性阻尼振子。尼振子。n nJoint Spring&DamperJoint Spring&Damper：在两个刚体间的单自由度：在两个刚体间的单自由度铰或单自由度转动铰建立一个铰或单自由度转动铰建立一个(y )(y )线性阻尼振线性阻尼振荡力或力矩。荡力或力矩。第9页/共77页第十页，共78页。接口接口接口接口(ji ku)(ji ku)(ji ku)(ji ku)模块组（模块组（模块组（模块组（Interface ElementsInte
11、rface ElementsInterface ElementsInterface Elements）n n双击模块双击模块(mkui)(mkui)弹出图示模块弹出图示模块(mkui)(mkui)组组n n分别提供移动副接口和转动副接口。分别提供移动副接口和转动副接口。第10页/共77页第十一页，共78页。运动运动运动运动(yndng)(yndng)(yndng)(yndng)铰模块组铰模块组铰模块组铰模块组（JointsJointsJointsJoints）n n双击模块双击模块(mkui)(mkui)，弹出图示模块，弹出图示模块(mkui)(mkui)组。组。第11页/共77页第十二页，共
12、78页。n n此模块组中提供了各种运动铰，利用这些运动铰就此模块组中提供了各种运动铰，利用这些运动铰就可以将刚体构件连接起来。分别有可以将刚体构件连接起来。分别有BearingBearing（三个（三个方向转动）、方向转动）、BushingBushing（三个方向移动，三个方向（三个方向移动，三个方向转动）、转动）、Custom JointCustom Joint（自定义铰）、（自定义铰）、CylindricalCylindrical（柱面铰）、（柱面铰）、GimbalGimbal（万向铰，旋转（万向铰，旋转(xunzhun)(xunzhun)三个角度）、三个角度）、In-planeIn-pl
13、ane（平面内移动）（平面内移动）、PlanarPlanar（平面铰）、（平面铰）、PrismaticPrismatic（单自由运动铰）（单自由运动铰）、RevoluteRevolute（单自由转动铰）、（单自由转动铰）、ScrewScrew（螺旋铰）、（螺旋铰）、Six-DoFSix-DoF（六自由度）、（六自由度）、SphericalSpherical（球面铰，三个（球面铰，三个自由度）、自由度）、TelescopingTelescoping（一个方向移动一个方向（一个方向移动一个方向转动）、转动）、UniversalUniversal（万向铰，旋转（万向铰，旋转(xunzhun)(xun
14、zhun)两两个角度）、个角度）、WeldWeld（刚节点）。（刚节点）。第12页/共77页第十三页，共78页。n n打开打开(d ki)(d ki)其中包含的两个子模块组其中包含的两个子模块组Disassembled Disassembled JointsJoints和和Massless ConnectorsMassless Connectors。n n1.1.双击双击Disassembled JointsDisassembled Joints，弹出如图模块组，其，弹出如图模块组，其中模块是分解后的铰，不同于中模块是分解后的铰，不同于JointsJoints中对应的铰，它中对应的铰，它们有不
15、同的基准点。们有不同的基准点。第13页/共77页第十四页，共78页。n n2.2.双击双击Massless ConnectorsMassless Connectors，弹出如图模块组，弹出如图模块组，其中模块是其中模块是JointJoint中对应中对应(duyng)(duyng)的铰的组合。的铰的组合。第14页/共77页第十五页，共78页。传感器与激励传感器与激励传感器与激励传感器与激励(jl)(jl)(jl)(jl)器模块组（器模块组（器模块组（器模块组（Sensors&ActuatorsSensors&ActuatorsSensors&ActuatorsSensors&Actuators）
16、n n双击模块双击模块(m kui)(m kui)，弹出图示模块，弹出图示模块(m kui)(m kui)组。组。该模块该模块(m kui)(m kui)组中的模块组中的模块(m kui)(m kui)用来和普用来和普通的通的SimulinkSimulink模块模块(m kui)(m kui)进行数据交换。进行数据交换。第15页/共77页第十六页，共78页。n nBody ActuatorBody Actuator：通过广义力或力矩来驱动刚体。：通过广义力或力矩来驱动刚体。n nBody SensorBody Sensor：刚体检测模块。：刚体检测模块。n nConstraint&Drivr
17、SensorConstraint&Drivr Sensor：检测一对受约束刚体间的力：检测一对受约束刚体间的力或力矩。或力矩。n nDriver ActuatorDriver Actuator：对一对互相约束的刚体施加相对运动。：对一对互相约束的刚体施加相对运动。n nJoint ActuatorJoint Actuator：在铰链处施加力或力矩。：在铰链处施加力或力矩。n nJoint Initial ConditionJoint Initial Condition：在仿真之前：在仿真之前(zhqin)(zhqin)给铰给铰施加初始位移和速度。施加初始位移和速度。第16页/共77页第十七页，
18、共78页。n nJoint SensorJoint Sensor：铰检测模块。：铰检测模块。n nJoint Stiction ActuatorJoint Stiction Actuator：给铰施加初始位移和速：给铰施加初始位移和速度度(sd)(sd)。n nVariable Mass&Inertia ActuatorVariable Mass&Inertia Actuator：在一个坐标系中，：在一个坐标系中，刚体的质量随时间变化。刚体的质量随时间变化。第17页/共77页第十八页，共78页。辅助工具模块辅助工具模块辅助工具模块辅助工具模块(m kui)(m kui)(m kui)(m ku
19、i)组组组组（UtilitiesUtilitiesUtilitiesUtilities）n n双击模块双击模块(mkui)(mkui)弹出图示模块弹出图示模块(mkui)(mkui)组组第18页/共77页第十九页，共78页。n nConnection PortConnection Port：子系统物理建模连接端口。：子系统物理建模连接端口。n nContinuous AngleContinuous Angle：将传感器输出的非连续、有界：将传感器输出的非连续、有界角度角度(jiod)(jiod)转换成无界连续的角输出。转换成无界连续的角输出。n nConvert from Rotation M
20、atrix Convert from Rotation Matrix toto Virtual Virtual Reality ToolboxReality Toolbox：将：将3*33*3的旋转矩阵转换成等价的的旋转矩阵转换成等价的VRMLVRML（虚拟现实语言）的旋转轴和角的形式。（虚拟现实语言）的旋转轴和角的形式。n nMechanical Branching BarMechanical Branching Bar：将多个：将多个sensor/actuatorsensor/actuator映射为铰（映射为铰（JointJoint）、约束）、约束（ConstraintConstraint
21、）、驱动器（）、驱动器（DriverDriver）或刚体坐标的）或刚体坐标的系统的一个系统的一个sensor/actuatorsensor/actuator端口。端口。第19页/共77页第二十页，共78页。4.3 SimMechnics4.3 SimMechnics4.3 SimMechnics4.3 SimMechnics建模建模建模建模 1. 1.建模基本步骤建模基本步骤 不管模型有多么复杂都可以用同样的步骤建立模型。不管模型有多么复杂都可以用同样的步骤建立模型。这些步骤有些类似这些步骤有些类似(li s)(li s)建造一个建造一个SimulinkSimulink模型。模型。 （1 1）
22、选择）选择GroudGroud、BodyBody、和、和JointJoint模块：从模块：从BodiesBodies和和JointsJoints模块组中拖放建立模型所必需的模块组中拖放建立模型所必需的BodyBody和和JointJoint模块，模块，还包括还包括Machine EnvironmentMachine Environment模块和至少一个模块和至少一个GroundGround模块模块到到SimulinkSimulink窗口中。其中各个模块介绍如下：窗口中。其中各个模块介绍如下：第20页/共77页第二十一页，共78页。n nMachine EnvironmentMachine En
23、vironment模块是用来设定机器的机械模块是用来设定机器的机械参数设置。参数设置。n nGroundGround模块表示将一个系统模块表示将一个系统(xtng)(xtng)固结在一个惯固结在一个惯性系统性系统(xtng)(xtng)中。中。n nBodyBody模块就表示刚体构件。模块就表示刚体构件。n nJointJoint模块表示互相连接构件之间的相对运动。模块表示互相连接构件之间的相对运动。n n （2 2）定位于联接模块：将）定位于联接模块：将JointJoint和和BodyBody模块模块拖放到适当的位置，然后按正确的顺序将它们依次拖放到适当的位置，然后按正确的顺序将它们依次连接
24、起来，可参考如下形式：连接起来，可参考如下形式：n n Machine EnvironmentGroundJointBody Machine EnvironmentGroundJointBodyJointBody-BodyJointBody-Body第21页/共77页第二十二页，共78页。 整个系统可以是一个开环的或者是闭环的拓整个系统可以是一个开环的或者是闭环的拓扑结构，但至少有一个构件是扑结构，但至少有一个构件是GroundGround模块，而且模块，而且有一个环境有一个环境(hunjng)(hunjng)设置模块直接与其相连。设置模块直接与其相连。 一个构件可能不止两个铰（一个构件可能不
25、止两个铰（JointJoint），即可），即可以产生分支。但是一个较只能连接两个构件。以产生分支。但是一个较只能连接两个构件。 （3 3）配置）配置BodyBody模块：双击模块，打开参数对模块：双击模块，打开参数对话框，配置质量属性（质量和惯性矩），然后确话框，配置质量属性（质量和惯性矩），然后确定定BodyBody模块和模块和GroundGround模块与整体坐标系或其他坐模块与整体坐标系或其他坐标系之间的关系。标系之间的关系。 （4 4）配置）配置JointJoint模块：双击模块，打开参数对模块：双击模块，打开参数对话框，设置移动或转动轴，或球面铰结点等。话框，设置移动或转动轴，或球面
26、铰结点等。第22页/共77页第二十三页，共78页。 （5 5）选择、连接和配置）选择、连接和配置ConstraintConstraint模块和模块和DriverDriver模块：从它们的模块库中添加模块到模型窗口中，打开并配置它们每一个对话框，为了限制或驱动模块：从它们的模块库中添加模块到模型窗口中，打开并配置它们每一个对话框，为了限制或驱动 Constraint/DriverConstraint/Driver所连接的两个构件的相对运动。所连接的两个构件的相对运动。 （6 6）选择、连接和配置）选择、连接和配置ActuatorActuator和和SensorSensor模块：从对应的模块库中添
27、加所需模块至模型窗口，并依次连接。通过模块：从对应的模块库中添加所需模块至模型窗口，并依次连接。通过 ActuatorActuator模块确定模块确定(qudng)(qudng)控制信号，通过控制信号，通过SensorSensor模块测量运动。模块测量运动。ActuatorActuator、SensorSensor模块实现模块实现SimMechanicsSimMechanics模块与模块与SimulinkSimulink模块的连接。利用这两个模块就能够达到与模块的连接。利用这两个模块就能够达到与 SimulinkSimulink环境实现信号传递。环境实现信号传递。 第23页/共77页第二十四页
28、，共78页。 同时，同时，ActuatorActuator模块从模块从SimulinkSimulink模块接受信号模块接受信号（如（如SourcesSources模块库）来激励机构运动。模块库）来激励机构运动。SensorSensor模块的输出端口向模块的输出端口向SimulinkSimulink中输出信号（中输出信号（SinksSinks模块库），反馈输出结果。模块库），反馈输出结果。 （7 7）装入子系统）装入子系统(xtng)(xtng)：在：在SimMechanicsSimMechanics模块建造的系统模块建造的系统(xtng)(xtng)完成后就可以装入子系完成后就可以装入子系统统
29、(xtng)(xtng)作为一个模块进行调用，就如同作为一个模块进行调用，就如同SimulinkSimulink中的子系统中的子系统(xtng)(xtng)一样使用。通过一样使用。通过SimMechanicsSimMechanics中的中的UtilitiesUtilities模块库中的模块库中的Connection PortConnection Port模块可将模块可将SimMechanicsSimMechanics模型作模型作为子系统为子系统(xtng)(xtng)与一个更大的模型连接起来。与一个更大的模型连接起来。第24页/共77页第二十五页，共78页。 2. 2.配置、运行模型基本步骤配
30、置、运行模型基本步骤 将模块都连接好后，此时的模型还需要确定如何运行，将模块都连接好后，此时的模型还需要确定如何运行，确定各项设置及装载可视化。确定各项设置及装载可视化。 （1 1）SimMechanicsSimMechanics为运行机器为运行机器(j q)(j q)模型提供了四模型提供了四种分析方式，最常用的是种分析方式，最常用的是Forward DynamicsForward Dynamics方式。方式。 但是对于一个机器但是对于一个机器(j q)(j q)更加完整的分析就需要用更加完整的分析就需要用到其他三种方式。可以对于一个模型创建多个版本，在到其他三种方式。可以对于一个模型创建多个
31、版本，在同样的基本组合结构下，为每一个版本连接不同的同样的基本组合结构下，为每一个版本连接不同的ActuatorActuator模块和模块和SensorsSensors模块，以及不同的配置。模块，以及不同的配置。第25页/共77页第二十六页，共78页。 （2 2）使用）使用SimMechanicsSimMechanics强大的可视化和动画显示效果。强大的可视化和动画显示效果。在建造模型的同时，或者模型完成后，但必须是在开始在建造模型的同时，或者模型完成后，但必须是在开始仿真之前，可以仿真之前，可以(ky)(ky)利用可视化效果，来调试机器的利用可视化效果，来调试机器的几何形状。还可以几何形状。
32、还可以(ky)(ky)在仿真的同时进行动画显示。在仿真的同时进行动画显示。 （3 3）在）在Machine EnvironmentMachine Environment对话框中设定分析方式对话框中设定分析方式以及其他的重要机械设置。在以及其他的重要机械设置。在Simulink Configuration Simulink Configuration ParametersParameters中设置可视化和调整仿真设置。中设置可视化和调整仿真设置。第26页/共77页第二十七页，共78页。4.4 4.4 4.4 4.4 机构动态机构动态机构动态机构动态(dngti)(dngti)(dngti)(dn
33、gti)仿真实例分析仿真实例分析仿真实例分析仿真实例分析 本节将介绍一些简单机械系统（如单摆、平面本节将介绍一些简单机械系统（如单摆、平面四连杆机构）的建模及动态仿真四连杆机构）的建模及动态仿真(fn zhn)(fn zhn)。通。通过实例来熟悉建模、仿真过实例来熟悉建模、仿真(fn zhn)(fn zhn)的基本方法的基本方法与步骤。与步骤。 单摆模型仿真单摆模型仿真(fn zhn)(fn zhn) 平面四连杆机构模型仿真平面四连杆机构模型仿真(fn zhn)(fn zhn)第27页/共77页第二十八页，共78页。 单摆为一杆，质量均匀，长度为单摆为一杆，质量均匀，长度为1m1m，直径，直径
34、2cm2cm。初始条件为。初始条件为WorldWorld坐标系坐标系X X轴负方向的水平轴负方向的水平位置。其中单摆的一端固定在基本点（位置。其中单摆的一端固定在基本点（3 3，4 4，5 5），绕连接点以矢量（），绕连接点以矢量（0 0 10 0 1）为轴转动。建立）为轴转动。建立该模型该模型(mxng)(mxng)的的SimMechanicsSimMechanics模型模型(mxng)(mxng)并并进行仿真，得到单摆运动的角位移和角速度规律进行仿真，得到单摆运动的角位移和角速度规律和运动的和运动的XYXY相图。相图。 单摆模型单摆模型单摆模型单摆模型(mxng)(mxng)仿真仿真仿真仿
35、真第28页/共77页第二十九页，共78页。n n单摆实物模型单摆实物模型(mxng)(mxng)图如下：图如下：第29页/共77页第三十页，共78页。1.1.模型模型(mxng)(mxng)的建立的建立 根据上述条件，建立的模型根据上述条件，建立的模型(mxng)(mxng)由一个机架由一个机架模块、一个旋转铰模块、一个刚体模块、一个环境模模块、一个旋转铰模块、一个刚体模块、一个环境模块、一个铰传感器模块、一个示波器模块、一个混路块、一个铰传感器模块、一个示波器模块、一个混路器模块以及一个器模块以及一个XYXY相图模块构成。从它们各自的库中相图模块构成。从它们各自的库中添加至添加至danbai
36、.mbldanbai.mbl的模型的模型(mxng)(mxng)窗口中。（如下图窗口中。（如下图所示）所示） 第30页/共77页第三十一页，共78页。第31页/共77页第三十二页，共78页。n n对模块进行连线对模块进行连线(lin xin)(lin xin)操作，类似于操作，类似于SimulinkSimulink模块的连接操作，但模块的连接操作，但SimMechanicsSimMechanics模块之模块之间的连线间的连线(lin xin)(lin xin)表示物理连接，而表示物理连接，而SimulinkSimulink模块之间的连线模块之间的连线(lin xin)(lin xin)表示信号
37、传递，为信表示信号传递，为信号线。号线。第32页/共77页第三十三页，共78页。n n各个模块参数设置各个模块参数设置(shzh)(shzh)及说明如下：及说明如下：n nGroundGround模块：模块：n n 如图输入参数，并复选如图输入参数，并复选n nShow Machine EnvironmentShow Machine Environmentn n选项。设置选项。设置(shzh)(shzh)完后的完后的GroundGroundn n相对于相对于World CSWorld CS的位置如图的位置如图第33页/共77页第三十四页，共78页。n nRevoluteRevolute模块：模
38、块：n n 在在Number of Number of n nSensor/actuatorSensor/actuatorn nPortsPorts对话框中选择对话框中选择n n1 1，为模块添加一个，为模块添加一个n n传感器或激励传感器或激励(jl)(jl)器接口。器接口。n n在在Parameters-AxesParameters-Axesn n对话框中输入对话框中输入0 0 10 0 1n n设置转动轴矢量为设置转动轴矢量为0 0 10 0 1，即，即BodyBody与与GroundGround模模块间绕连接点坐标系的块间绕连接点坐标系的Z Z轴相对转动。轴相对转动。第34页/共77页
39、第三十五页，共78页。 图中的图中的Connection parametersConnection parameters区中的区中的Current Current base:GNDGroundbase:GNDGround表示表示(biosh)(biosh)当前连接的基件当前连接的基件（原动件）为（原动件）为GroundGround模块的模块的GNDGND端口，端口，Current Current follower:CS1Bodyfollower:CS1Body表示表示(biosh)(biosh)连接的跟随件连接的跟随件（从动件）为（从动件）为BodyBody模块的模块的CS1CS1端口。端口。
40、 Revolute Revolute铰的模型：铰的模型：第35页/共77页第三十六页，共78页。n nBodyBody模块：模块：n n 1 1）质量属性）质量属性n n质量和惯性张量：质量和惯性张量：n nMassMass（质量）：（质量）：n n20492049（单位为（单位为g g）。）。n nInertiaInertia：设置参数：设置参数n n如图。如图。n n2 2）刚体）刚体(gngt)(gngt)坐标系统坐标系统n n定义坐标的位置定义坐标的位置n n和方向。和方向。第36页/共77页第三十七页，共78页。3)3)配置配置PositionPosition选项卡，按顺序选项卡，按
41、顺序(shnx)(shnx)为：为：第一个第一个CGCG只修改只修改Origin position vectorX Y ZOrigin position vectorX Y Z为为2.5 4 52.5 4 5，其他设置默认。，其他设置默认。第二个第二个CS1CS1只修改只修改Origin position vectorX Y ZOrigin position vectorX Y Z为为3 3 4 54 5，其他设置默认。，其他设置默认。第三个第三个CS2CS2直接删除即可。直接删除即可。4 4）配置）配置OrientationOrientation选项卡，默认坐标系都是平行于选项卡，默认坐标系
42、都是平行于WorldWorld坐标系。各选项保持默认值即可。如图：坐标系。各选项保持默认值即可。如图：第37页/共77页第三十八页，共78页。n n附：对附：对BodyBody模块参数设置及操作的详细说明模块参数设置及操作的详细说明n n 质量属性：包括质量和惯性张量。质量是正的实质量属性：包括质量和惯性张量。质量是正的实际标量。惯性张量是际标量。惯性张量是3*33*3的对称矩阵，并不一定是的对称矩阵，并不一定是对角矩阵。对角矩阵。n n 通过刚体重心的位置以及相对于坐标轴的方位可通过刚体重心的位置以及相对于坐标轴的方位可以知道刚体是怎样旋转的，模型中刚体的初始条件以知道刚体是怎样旋转的，模型
43、中刚体的初始条件如果不加修改会一直保持到仿真如果不加修改会一直保持到仿真(fn zhn)(fn zhn)开始。开始。n n 随动坐标固定在刚体上并随着刚体一起运动，刚随动坐标固定在刚体上并随着刚体一起运动，刚体最少有一个坐标，并且坐标的原点在重心。默认体最少有一个坐标，并且坐标的原点在重心。默认有三个坐标系，刚体重心坐标系（有三个坐标系，刚体重心坐标系（CGCG）和两个）和两个第38页/共77页第三十九页，共78页。 附加坐标系CS1和CS2，分别固定在重心和刚体的两端。并可通过操作增加和删除坐标系。例如为每一个铰、约束、驱动以及激励器和传感器配置一个坐标系。 单摆刚体的属性：此实例中是一个简
44、单(jindn)的单摆，质量均匀，长度为1m，直径2cm。初始条件为X轴负方向的水平位置。其中单摆的一端固定在基本点（3，4，5），坐标称之为CS1，刚体重心坐标原点所在的重心即为几何中心，且坐标与World坐标系平行。第39页/共77页第四十页，共78页。 单摆的密度为常数，在刚体重心坐标中惯性张量为对角(du jio)矩阵控制了单摆关于Z轴的摆动，即在XY平面内的摆动。由单摆的长度，半径，单摆的质量和惯性张量可以计算出来，具体属性计算方法见下表： 对应的对角(du jio)矩阵为：细长细长(x chn)(x chn)杆（忽略半径）杆（忽略半径）第40页/共77页第四十一页，共78页。n n
45、BodyBody模块模块(m kui)(m kui)参数对话框中的参数对话框中的Position/OrientationPosition/Orientation选项区右侧一排按钮的作用选项区右侧一排按钮的作用说明如下图：说明如下图：复制(fzh)一个新坐标删除(shnch)选中坐标上移坐标下移坐标第41页/共77页第四十二页，共78页。n n传感器模块：传感器模块：n n模块设置如图，在模块设置如图，在n n原始输出值选项区内原始输出值选项区内n n选中角位移（选中角位移（AngleAngle）n n和角速度（和角速度（AngleveloAnglevelon ncitycity）, ,单位分别
46、为单位分别为degdegn n和和deg/sdeg/s，并取消下端，并取消下端n nOutputselectedparameOutputselectedparamen ntersasonesignaltersasonesignal选项，选项，n n这样这样(zhyng)(zhyng)输出两个值就会有对应的两条信输出两个值就会有对应的两条信号线。号线。第42页/共77页第四十三页，共78页。n n机械环境模块：机械环境模块：n n打开打开(dki)(dki)机械环境模块机械环境模块n n参数对话框，保持默参数对话框，保持默n n认值如图示：认值如图示：n n第43页/共77页第四十四页，共78页
47、。n n以上已对以上已对SimMechanicsSimMechanics模块设置完成。余下的混模块设置完成。余下的混路器、示波器、路器、示波器、XYXY图表图表(tbio)(tbio)模块设置同上一模块设置同上一章的章的SimulinkSimulink设置。设置。第44页/共77页第四十五页，共78页。 2. 2.运行仿真及运动可视化运行仿真及运动可视化 （1 1）运行仿真）运行仿真 完成完成(wn chng)(wn chng)上面的建模之后就可以进上面的建模之后就可以进行仿真，仿真步骤同行仿真，仿真步骤同SimulinkSimulink模型。可以通过示模型。可以通过示波器模块和波器模块和XY
48、XY相图模块观察单摆的运动。相图模块观察单摆的运动。 第45页/共77页第四十六页，共78页。n n1 1）打开）打开XYXY相图模块相图模块(m kui)(m kui)n n参数设置对话框，设定参数设置对话框，设定n n参数如图。参数如图。n n2 2）打开示波器模块）打开示波器模块(m kui)(m kui)，n n开始仿真，开始仿真，XYXY相图模块相图模块(m kui)(m kui)会在仿真开始后自动打会在仿真开始后自动打开。开。第46页/共77页第四十七页，共78页。n n3)3)运行结果运行结果(ji gu)(ji gu)n n n n 左图为系统相图，右图为单摆的角位移和角速左图
49、为系统相图，右图为单摆的角位移和角速度时程曲线。度时程曲线。第47页/共77页第四十八页，共78页。 （2 2）运动可视化）运动可视化 SimMechanics SimMechanics支持自定义的支持自定义的MATLABMATLAB图像处理图像处理窗口进行窗口进行(jnxng)(jnxng)可视化，这个工具以透视图可视化，这个工具以透视图的方式显示机器的运动。刚体可以通过两个方式的方式显示机器的运动。刚体可以通过两个方式显示，分别为等价的椭圆体或为刚体坐标中的封显示，分别为等价的椭圆体或为刚体坐标中的封闭曲面。闭曲面。 利用两种显示方式其中的一种来解释如何可利用两种显示方式其中的一种来解释如
50、何可视化单摆模型，在仿真之前可以看到单摆初始状视化单摆模型，在仿真之前可以看到单摆初始状态在仿真过程中可以动画显示。态在仿真过程中可以动画显示。第48页/共77页第四十九页，共78页。n n1 1）配置）配置ConfigurationConfiguration参数参数n na a）在模型窗口中选择）在模型窗口中选择Simulation/Configuration Simulation/Configuration n n Parameters Parameters菜单命令，打开菜单命令，打开ConfigurationConfiguration参数对话参数对话框，选择其中框，选择其中(qzhng)
51、(qzhng)的的SimMechanicsSimMechanics选项，如下选项，如下第49页/共77页第五十页，共78页。n nb b）为了能够观察单摆初始静止状态，复选上图）为了能够观察单摆初始静止状态，复选上图中的中的Display machine after updating diagramDisplay machine after updating diagram。n nc c）为了能够在仿真中动画显示，复选上图中的）为了能够在仿真中动画显示，复选上图中的n n Show animation during simulation Show animation during simula
52、tion。 n n d d）单击）单击OKOK，然后在模型窗口中单击，然后在模型窗口中单击Edit/UpdateEdit/Updaten n Diagram Diagram菜单命令菜单命令(mng lng)(mng lng)打开可视化窗口。打开可视化窗口。打开的窗口如下：打开的窗口如下：第50页/共77页第五十一页，共78页。重心坐标重心(zhngxn)坐标系CS1坐标(zubio)（Ground坐标(zubio)）CS1坐标系（Ground、铰坐标系）第51页/共77页第五十二页，共78页。n n 2 2）利用）利用MATLABMATLAB图像进行可视化图像进行可视化n n 基于基于MATL
53、ABMATLAB图形可视化工具已经嵌入到图形可视化工具已经嵌入到SimMechanicsSimMechanics，可以很方便的调用。在模型，可以很方便的调用。在模型(mxng)(mxng)窗口单击按钮窗口单击按钮 则可视化窗口显示的动画在仿真过程则可视化窗口显示的动画在仿真过程中与中与SimulinkSimulink仿真保持同步。结果如下图示：仿真保持同步。结果如下图示：第52页/共77页第五十三页，共78页。第53页/共77页第五十四页，共78页。n n单击动画窗口的单击动画窗口的 按钮则刚体为椭圆体描述按钮则刚体为椭圆体描述(mio (mio sh)sh)，如下图：，如下图：第54页/共7
54、7页第五十五页，共78页。n n附壳体显示附壳体显示(xinsh)(xinsh)和椭圆体显示和椭圆体显示(xinsh)(xinsh)的动画的动画n n壳体壳体:keti.avi:keti.avin n椭圆体椭圆体:tuoyuanti.avi:tuoyuanti.avi第55页/共77页第五十六页，共78页。 四连杆四连杆(lin n)(lin n)实物模型实物模型: : 平面(pngmin)四连杆机构模型仿真第56页/共77页第五十七页，共78页。n n1. 1. 由模型建立由模型建立(jinl)SimMechanics(jinl)SimMechanics模型如下：模型如下：第57页/共77页
55、第五十八页，共78页。n n2.2.参数设置：参数设置：n n 各模块的参数设置方法各模块的参数设置方法(fngf)(fngf)同上例，同上例，参数设置如下：参数设置如下：n n Ground1 Ground1模块：模块：第58页/共77页第五十九页，共78页。n nRevolute1Revolute1模块模块(m kui)(m kui)：n n 第59页/共77页第六十页，共78页。n nBar1Bar1模块模块(m kui)(m kui)：n n 第60页/共77页第六十一页，共78页。n nRevolute2Revolute2模块模块(m kui)(m kui)：第61页/共77页第六十
56、二页，共78页。n nBar2Bar2模块模块(m kui)(m kui)：第62页/共77页第六十三页，共78页。n nRevolute3Revolute3模块模块(m kui)(m kui)：第63页/共77页第六十四页，共78页。n nBar3Bar3模块模块(m kui)(m kui)：第64页/共77页第六十五页，共78页。n nRevolute4Revolute4模块模块(m kui)(m kui)：第65页/共77页第六十六页，共78页。n nGround2Ground2模块模块(m kui)(m kui)：第66页/共77页第六十七页，共78页。n nEnvEnv模块模块(m
57、kui)(m kui)：第67页/共77页第六十八页，共78页。n nJoint sensorJoint sensor模块模块(m kui)(m kui)：第68页/共77页第六十九页，共78页。n nJoint sensor1Joint sensor1模块模块(m kui)(m kui)：第69页/共77页第七十页，共78页。n nScopeScope模块模块(m kui)(m kui)：n n 双击打开模块双击打开模块(m kui)(m kui)，单击，单击n n 按钮，弹出设置框，按钮，弹出设置框，n n在在GeneralGeneral区内区内NumbleNumblen nof axes
58、of axes设置框内输入设置框内输入2 2，n n单击单击OKOK后示波器模块后示波器模块(m kui)(m kui)将将n n变成如下图的双波形图。变成如下图的双波形图。第70页/共77页第七十一页，共78页。第71页/共77页第七十二页，共78页。n n3.3.仿真仿真n n 仿真方法仿真方法(fngf)(fngf)如上例，下图为仿真结束如上例，下图为仿真结束后示波器模块显示的铰后示波器模块显示的铰2 2和铰和铰3 3的角位移图像。的角位移图像。第72页/共77页第七十三页，共78页。n n单击示波器模块菜单单击示波器模块菜单(cidn)(cidn)条的条的按钮，则各按钮，则各个波形窗口
59、显示完整波个波形窗口显示完整波n n形。如图形。如图第73页/共77页第七十四页，共78页。n n同上例设置同上例设置ConfigurationParametersConfigurationParameters相应选项后可相应选项后可在仿真在仿真(fnzhn)(fnzhn)过程中同步动画，动画截图如下过程中同步动画，动画截图如下第74页/共77页第七十五页，共78页。n n椭圆体显示图如图椭圆体显示图如图第75页/共77页第七十六页，共78页。n n壳体动画：壳体动画：keti-liangan.aviketi-liangan.avin n椭圆体动画：椭圆体动画：tuoyuanti-liagan.avituoyuanti-liagan.avi第76页/共77页第七十七页，共78页。内容(nirng)总结会计学。共享环境联接两个刚体模块使他们享有相同的机械环境。分别提供移动副接口和转动副接口。（1）SimMechanics为运行机器模型(mxng)提供了四种分析方式，最常用的是Forward Dynamics方式。d）单击OK，然后在模型(mxng)窗口中单击Edit/Update。各模块的参数设置方法同上例，参数设置如下：。同上例设置Configuration Parameters相应选项后可在仿真过程中同步动画，动画截图如下第七十八页，共78页。
