屈沖沖， 賀元成， 佘俗君

（1.四川理工學(xué)院，機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢643300；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州646000）

1 引 言

AMESim 是由法國(guó)Imagine 公司推出的一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，它采用物理學(xué)、模塊化的理念，可用一平臺(tái)建立一套完整的對(duì)機(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、實(shí)物測(cè)試的解決方案。AMESim 建有多個(gè)專業(yè)應(yīng)用庫(kù)，如液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)等，用戶通過(guò)選擇元件庫(kù)中所需元件連接起來(lái)建立系統(tǒng)，選擇子模型，確定參數(shù)進(jìn)入仿真模式即可導(dǎo)出所需數(shù)據(jù)。

對(duì)于AMESim 高級(jí)用戶，使用AMESim 提供的獨(dú)立平臺(tái)AMESet 在各個(gè)領(lǐng)域如（液壓、機(jī)械等）擴(kuò)展它的元件或者子模型，來(lái)完成特殊需求系統(tǒng)的建模與仿真。AMESet 是代表高級(jí)建模環(huán)境編輯工具，它的實(shí)質(zhì)為AMESim 的一個(gè)子模型編輯工具，即二次開發(fā)平臺(tái)。用戶可根據(jù)特殊需要開發(fā)和拓展模型，建立可以完全兼容AMESim 的元件模型，以完成仿真。它為用戶提供詳盡的圖形化用戶界面，可編輯元件庫(kù)中已有元件或者建立新元件來(lái)滿足功能需求。除此之外，AMESet 提供了一套標(biāo)準(zhǔn)代碼框架，用戶在特定位置輸入自己的計(jì)算代碼，元件即可導(dǎo)入AMESim 中使用。

2 AMESet 軟件的特征

AMESet 軟件歸納起來(lái)共有以下四種特征：

（1）添加或者去除一個(gè)元件庫(kù)。AMESim 提供的30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)（如信號(hào)庫(kù)、機(jī)械庫(kù)等元件庫(kù)）是不可以直接添加元件的，用戶可以利用AMESet 新建元件庫(kù)，如針對(duì)某一領(lǐng)域建立mycategory 用來(lái)放置特殊功能元件，如果該庫(kù)不再使用，用戶可以移動(dòng)或者刪除該庫(kù)。

（2）添加、編輯、去除元件庫(kù)中的元件子模型。利用AMESet，用戶使用元件設(shè)計(jì)器來(lái)設(shè)計(jì)元件，元件的設(shè)計(jì)過(guò)程是可視的?？梢哉{(diào)用標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)中的元件或者元件子模型來(lái)添加子模型，也可以直接繪制新元件。在該元件或者其子模型不再使用時(shí)，用戶可以移動(dòng)或者刪除該元件或者子模型。

（3）創(chuàng)建元件子模型規(guī)范。每個(gè)子模型都需要特點(diǎn)的規(guī)范文件，AMESim 通過(guò)這些規(guī)范來(lái)判定元件的端口類型，端口類型的細(xì)節(jié)特征決定著與其關(guān)聯(lián)交換信息的元件的類型。AMESet 提供圖形化可視環(huán)境來(lái)幫助用戶設(shè)置內(nèi)部變量、外部變量、實(shí)時(shí)參數(shù)、文本參數(shù)等信息的細(xì)節(jié)，并且生成相關(guān)的規(guī)范，使其與標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)中的元件子模型完全兼容并能夠相互交換數(shù)據(jù)。

（4）形成元件子模型的代碼框架。AMESet 的編譯語(yǔ)言為C 語(yǔ)言、Fortran。在用戶設(shè)置了各種參數(shù)、變量后，點(diǎn)擊generate submodel code 按鈕即可產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，用戶在代碼區(qū)的6 個(gè)特定區(qū)域編寫相應(yīng)的算法和聲明，即可進(jìn)行編譯。

3 齒輪齒條在編輯元件子模型中的應(yīng)用

首先打開AMESet，選擇齒輪齒條模型RACK00 子模型。RACK00 子模型的作用是將端口1 的線速度轉(zhuǎn)化為角速度，將端口2 的扭矩轉(zhuǎn)化為端口1 的力。如圖1，通過(guò)重新編輯RACK00 使其可以計(jì)算齒條的位移和齒輪的角度位置，并建立簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型進(jìn)行測(cè)試，利用batch parameters工具進(jìn)行批處理，驗(yàn)證在不同參數(shù)下齒輪齒條機(jī)構(gòu)的輸出情況。

新的RACK00 子模型增加了兩個(gè)內(nèi)部變量和一個(gè)實(shí)時(shí)參數(shù)，分別是displacement of the rack（齒條的位移）、the angular position（角度位置量）、radius of the pinion（齒輪的半徑）。內(nèi)部變量參數(shù)設(shè)置如表1。

圖1 RACK00 子模型

表1 內(nèi)部變量設(shè)置表

其他變量由用戶根據(jù)實(shí)時(shí)工況中所用齒輪基本參數(shù)對(duì)RACK00 子模型進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊按鈕generate submodel code 系統(tǒng)產(chǎn)生代碼，在Calculation Function Executable Statements 區(qū)域輸入代碼如下：

其中，x 是齒條的線性位移，radius 是齒輪的半徑，該函數(shù)對(duì)角度位置進(jìn)行計(jì)算。保存、編譯、關(guān)閉AMESet 進(jìn)入AMESim 更新category，使得新設(shè)計(jì)的元件子模型能夠被調(diào)用。

啟動(dòng)AMESim利用圖2 系統(tǒng)測(cè)試新創(chuàng)建的齒輪齒條結(jié)構(gòu)。在本系統(tǒng)中，利用分段線性信號(hào)源輸出方波信號(hào)控制齒輪齒條的來(lái)回移動(dòng)，由扭矩轉(zhuǎn)換器將方波信號(hào)轉(zhuǎn)化并傳遞扭矩。為了驗(yàn)證齒輪的半徑和直齒輪壓力角的大小，分別對(duì)傳輸速度的影響，采用批處理的方式，分別以200mm、4°為步長(zhǎng)，驗(yàn)證其產(chǎn)生的影響。

在齒輪壓力角為標(biāo)準(zhǔn)壓力角20°時(shí)，選擇齒輪半徑最大為1000mm，以200mm 為步長(zhǎng)進(jìn)行批處理仿真，仿真過(guò)程為7 個(gè)分步，測(cè)試所得結(jié)果如圖3 所示，在0～2s 時(shí)間段內(nèi)，齒輪接受到扭矩轉(zhuǎn)換器由方波轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的扭矩，物質(zhì)塊向右移動(dòng)，速度逐漸達(dá)到最大值并逐漸減小，齒條向右移動(dòng)到最右端，運(yùn)動(dòng)結(jié)束；在2～3s，齒條帶動(dòng)物質(zhì)塊向左運(yùn)動(dòng)，在3s時(shí)達(dá)到最大值并逐漸減小，在4s 時(shí)速度減小為0，運(yùn)動(dòng)結(jié)束。相同扭矩下，齒輪半徑越大物質(zhì)塊移動(dòng)的速度越慢。AMESim 可以為用戶在進(jìn)行此類工程測(cè)試時(shí)提供設(shè)計(jì)借鑒。

圖2 齒輪齒條子模型測(cè)試系統(tǒng)

在齒輪半徑為200mm 不變時(shí)，測(cè)試直齒輪采用非標(biāo)準(zhǔn)壓力角時(shí)曲線的變化。以壓力角為28°時(shí)開始測(cè)試，4°為步長(zhǎng)進(jìn)行批處理測(cè)試。仿真結(jié)果顯示，各變量（點(diǎn)1 處的線速度等）均不受壓力角變化影響。輸出如圖4。

圖3 點(diǎn)1 處的線速度

圖4 點(diǎn)2 處的角度

4 結(jié) 語(yǔ)

以上元件在AMESet 中進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在AMESim 軟件中成功調(diào)用，證明了AMESet 軟件作為AMESim 的開放源代碼的成熟的二次開發(fā)平臺(tái)，對(duì)于提高工程機(jī)械的設(shè)計(jì)及優(yōu)化效率有著重要的意義。AMESet 可為用戶提供圖像可視化的設(shè)計(jì)模式，通過(guò)用戶定制創(chuàng)建的元件完全兼容AMESim，可與標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)中的元件子模型連接進(jìn)行仿真，使建模仿真過(guò)程更加符合系統(tǒng)真實(shí)性，增加仿真的可靠度和仿真結(jié)果的正確性。同時(shí)，該軟件也需要更加完善，對(duì)于普通用戶該軟件專業(yè)性太強(qiáng)，開發(fā)人員必須十分熟悉AME 系列軟件及其內(nèi)部代碼，這樣限制了工程人員用戶群的數(shù)量，AMESim 系列軟件需要繼續(xù)增加元件子模型的數(shù)量，使其更加用戶化。

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