基于ADAMS的立式活套系统建模方法研究

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

带钢作为一种钢铁产品，是重要的工业原料，广泛应用于航空航天、汽车制造、石油化工、家用电器等领域。现实生活中，人们对带钢的品种、规格和质量的要求日益增加，这也对带钢生产线相关的控制系统提出了更高的要求。活套控制是带钢生产线的关键技术之一，其控制效果的好坏，直接影响着带钢产品的性能。

较早应用到活套系统的方法有传统的PID控制、互不相关控制（解耦多变量控制）、最优多变量控制等。近年来，多种智能控制策略逐渐应用到活套系统的研究中，比如模糊控制、神经网络、专家系统、预测控制、内模控制等。

上述方法各有优缺点，但或多或少都离不开对活套系统数学模型的依赖。本文提出了基于ADAMS的建模方法，从虚拟样机的角度出发，对立式活套系统建模方法进行研究。

1 活套系统介绍

1.1 活套系统分类

活套按结构分类一般可以分为卧式活套和立式活套两种[1]。卧式活套和立式活套各有特点，两者之间的对比，如表1所示。

活套按驱动方式分类一般可以分为电动活套、液压活套和气动活套三种[2]。电动活套、液压活套和气动活套各有特点，三者之间的对比，如表2所示。

表1 卧式活套和立式活套的对比

表2 电动活套、液压活套和气动活套的对比

1.2 立式活套系统结构

本文的研究对象是典型的立式电动活套系统。立式活套系统的设备组成主要有活套车及动辊组、活套定辊组、带钢、平衡重、滑轮、链条、电机等[3]。立式活套结构图如图1所示。带钢在立式活套系统中穿梭，通过改变活套车及动辊组的竖直高度，改变立式活套系统的套量，从而调节带钢的张力，控制带钢张力在一定范围内波动。

图1 立式活套系统结构图

2 ADAMS软件介绍

2.1 ADAMS软件概述

ADAMS，即机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），该软件是美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）（现已并入美国MSC 公司）开发的虚拟样机分析软件。ADAMS是一款在全世界范围内应用最广泛的机械动力学软件，其功能十分强大，可以将建模和求解集于一体。

2.2 ADAMS/Exchange模块

ADAMS/Exchange模块为ADAMS软件与其他CAD/CAM/CAE软件之间的几何数据交换提供了工业标准的接口。通过ADAMS/Exchange模块，用户可以将所有来源于产品数据交换库的标准格式的几何外形进行双向数据传输，标准格式包括IGES、STEP、DWG、Parasolid等[4]。

以SolidWorks软件为例，将SolidWorks文件保存为Parasolid（*.x_t）格式，当用户将SolidWorks三维模型传输到ADAMS中时，只要在ADAMS软件界面下从“File”下拉菜单中选择“Import”命令，打开“File Import”对话框，如图2所示。ADAMS/Exchange模块能自动地将几何图形转换到ADAMS软件中，此方法的优点是无需再重新建模，几何定义准确，信息丢失少。

图2 通过ADAMS/Exchange模块导入SolidWorks三维模型

3 活套系统建模

3.1 活套系统建模步骤

活套系统建模步骤分为以下三步，如图3所示。

1）根据某立式活套系统的实际参数，用SolidWorks进行三维建模仿真。

2）将SolidWorks三维模型导入到ADAMS中处理，在ADAMS中建立立式活套系统的虚拟样机模型，对该模型进行环境和其他参数的设定。

3）研究ADAMS/Controls模块与Matlab/Simulink的通信，ADAMS和Matlab的联合仿真，控制带钢张力在一定范围内波动，优化控制算法，改进实际模型参数，实现轻量化设计。

图3 活套系统建模步骤

3.2 SolidWorks三维建模

ADAMS具有很强的运动学及动力学仿真能力，但很难精确建立复杂的三维实体模型[5]。因此，首先利用SolidWorks强大的三维建模功能，建立立式活套系统三维模型（不含钢丝绳-滑轮-配重部分，该部分将在ADAMS中通过ADAMS/Cable实现建模[6]）。SolidWorks三维模型如图4所示。

图4 SolidWorks三维模型

3.3 建立ADAMS虚拟样机模型

在ADAMS中导入Parasolid（*.x_t）格式文件，通过ADAMS/Exchange模块将SolidWorks文件导入ADAMS环境中。在ADAMS中需对每个活套的零部件进行编辑，定义其材料、质量、转动惯量等相关属性，并添加约束和运动副。ADAMS虚拟样机模型如图5所示。

4 结束语

本文通过SolidWorks三维建模并导入ADAMS环境中，较为快速、准确地创建了ADAMS虚拟样机模型，验证了基于ADAMS的立式活套系统建模方法的可行性和正确性，为立式活套系统的研究提供了参考和依据，也为后续ADAMS和Matlab的多学科联合仿真奠定了基础，还有待进一步研究。

图5 ADAMS虚拟样机模型