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天津科技大学外文资料翻译1SimMechanics一、关于SimMechanics软件SimMechanics软件拥有一系列的模块库，机械模型和仿真工具。它可以与Simulink配合使用。你可以通过传感器模块和执行器模块将SimMechanics模块和Simulink模块连接起来。这些模块库里的模块是你用来建立机械系统的基础。这些机械系统由一些刚体组成，而这些刚体由代表了平移自由度和旋转自由度的关节连接起来。和用标准的Simulink工具箱建模一样，你可以用一些分层子系统表达出你的机械系统。你可以施加运动约束，应用力或者转矩，集成牛顿动力学，以及测量最终的运动。你可以在输送机装备的演示模型里看到一些特征的工作情况。二、建立机械系统模型以下是你建立和运行一个机械模型所要做的主要步骤，点击最前面的链接你可以看到更详细的解释。1.通过指定刚体的惯性，自由度(DoFs)和约束，以及附着在刚体上的坐标系(CSs)来测量运动和力。2.建立传感器记录运动和力，建立执行器和力的单元去初始化运动和施加力（包括连续的和不连续的摩擦力）。3.开始仿真，在维持所施加的约束的同时，让Simulink的解算器去发现系统的运动。你还可以生成，编译，运行模型的生成代码译本。4.应用SimMechanics的可视化窗口，在建立你的模型时你可以形象化你的机器，在运行你的模型时你可以让仿真动画化。三、刚体(Bodies)，坐标系（CSs），关节（Joint）和约束(Constraints)你可以使用刚体模块建立你的刚体模型，指定模块的质量，惯量张量和刚体坐标系。你用关节将一个刚体和另一个刚体连接起来。关节代表了两个刚体之间可能的运动和系统的自由度。你可以在系统中给刚体所允许的相对运动施加运动约束。这些约束限制了自由度或者使自由度成为了时间的显函数。SimMechanics界面给你提供了很多方法去指定坐标系，约束或驱动，力或转矩。你可以：将刚体坐标系建立在刚体模块的不同点上，为执行和传感指定局部坐标轴和原点。使用SimMechanics模块库里的关节模块，也可以建立你自己的术语想要找到重要术语的解释，请看术语天津科技大学外文资料翻译2自定义关节模块来扩展原有的关节模块库。使用其他的Simulink工具和MATLAB表示法。1、定义局部坐标系SimMechanics模型自动包含一个单独的惯性参考系和模型坐标系。你也可以设置自己的局部坐标系：基础坐标系必须相对静止的附着在模型坐标系里的基础模块上，但是不能设置在模型坐标系的原点。刚体坐标系在刚体上的固定和移动都很严格。2、运动约束你可以通过在任意两个刚体之间指定运动约束来限制系统的运动，也就是将约束模块和一对刚体模块连接起来。连接驱动（Driver）模块必须使用随时间变化的约束。四、传感器（Sensor），执行器（Actuators），摩擦力（Friction）和力的单元(ForceElements)传感器和执行器用来连接标准的Simulink模块和SimMechanics模块。力的单元代表了不需要外界输入的内力。传感器模块用来探测刚体和关节的运动。传感器模块输出的是Simulink信号，你可以像应用其他Simulink信号一样应用它。你可以把一个传感器模块和一个Simulink示波器模块（Scope）相连，这样就可以在一个系统内显示出它的动态。你可以通过执行模块把这些传感器的输出信号反馈回一个SimMechanics系统，并通过这些信号指定这个系统的力和转矩。执行模块用来确定刚体和关节的运动。它们从Simulink接收力或转矩信号并且可以通过这些信号向刚体或关节施加力或转矩。这些Simulink信号包括系统自身从传感器模块输出的反馈。它们通过探测关节是离散的锁定还是不锁定，来向它们施加不连续的静态摩擦力。它们将刚体或关节的位置，速度，加速度指定为时间的显函数。它们设置系统的初始运动学状态（位置和速度），为牛顿动力学的正向集成做准备。力的单元用来模拟刚体之间的内力或者作用在刚体之间的关节上的内力。内力只与刚体的位置和速度有关，与外部信号无关。五、模拟和分析机械运动SimMechanics软件为你所仿真的机械系统提供了四种分析模式：正向动力天津科技大学外文资料翻译3学模式（ForwardDynamics），平衡模式（Triming），反向动力学模式（InverseDynamics）和运动学模式（Kinematics）。在任何一种模式里，你都可以将机械模型转化为一种简便的生成代码译本。1、刚体运动的数学解决方式。为了使正向动力学模式可以用数学方法解决，系统必须满足一定的条件：所有刚体的质量和惯性张量都必须已知。每个刚体上每一瞬间所施加的力和转矩都必须已知。自由度之间的任何运动约束都只能指定在位置和（或）速度之间。如果约束是互相一致的，并且少于自由度的数目，那系统的运动就是有意义的，它可以被集成发现。指定初始状态（初始位置和初始速度）并且始终维持所有约束。在反向动力学模式中，变为你指定运动，并且得到产生这些运动所需的力和转矩。2、正向动力学，平衡，和线性化在正向动力学模式里，一个SimMechanics仿真用常微分方程（ODE）解算器的Simulink序列解算牛顿方程，集成所用的力和转矩，获得最终的运动。常微分方程解算器设计的是映射在运动约束的数学复本上的自由度的运动，并在施加约束的系统里生成力和转矩。平衡。平衡模式允许你用Simulink里的平衡特征寻找机械运动里稳定或平衡的状态。一旦发现这些状态，就将它们设置为线性化分析的起始点。线性化。你可以使用Simulink线性化工具使系统的正向运动线性化，并且获得它对某些值（力，转矩，约束和初始条件）的微小扰动的响应。反向动力学SimMechanics仿真可以解决正向动力学的逆向问题，可以通过你所应用于系统中的一系列已知运动求出产生它所需的力和转矩。根据系统的拓扑结构，你从这两种（反向动力学和运动学）模式中选择其中更高效的一种分析系统的反向动力学问题：反向动力学模式应用于开放式的拓扑系统（模型图表没有闭环）。用运动学模式分析闭环模型的运动时，要考虑环路终点所施加的不可见约束。约束和驱动模块只能出现在闭环中，所以你也可以用运动学模式分析约束力和约束力矩。小贴士：你可以用正向动力学模式分析反向动力学问题。但是反向动力学模式和运动学模式是分析这种问题的最佳选择，它们可以更快速，更有效率的解决这种问题。天津科技大学外文资料翻译4六、生成代码SimMechanics软件和Simulink加速模式，zSimulinktTMCoder软件，xPCTMetTarg软件都是兼容的。它们能生成你最初在Simulink中用模块图表创造出的模型的代码译本，加快仿真速度，使模型更简便。一个机械模型里的静摩擦力能创立动力学的间断点，引起Simulink模式迭代。这些间断点和模式迭代必将限制代码的生成。七、模型可视化，动画化SimMechanics软件支持一个内部的可视化窗口作为模型建立，模型动画化，模型调试的有力辅助工具。想要知道如何使用这个窗口，请看前面的运行一个演示模型。这个窗口通过以下的形式演示这些刚体和他们的刚体坐标系：抽象简明的图形，凸壳或者等价椭圆体。这些是标准几何体。通过外部图形文件可以指定自定义几何体。你也可以在一个外部计算机辅助设计（CAD）平台上装配出一个你所需的设计。然后通过代表这个设计的一个数据文件自动生成SimMechanics模型。1、建模时的刚体可视化你可以通过以下方法使用可视化窗口建模：在开始建立刚体之前你可以打开一个SimMechanics可视化窗口，然后就像在你的模型窗口里创立和配置刚体一样，你可以在显示窗口里看到刚体并且配置它们。这种方法对于刚开始学习如何创立复杂的SimMechanics模型的人非常适用。这种情况下，可视化窗口会指导你装配和连接刚体几何体。你也可以不用可视化窗口建模，可以等你完成建模后再打开可视化窗口查看完整的模型。2、用标准几何体显示刚体可视化窗口可以用两种标准的抽象图形去显示刚体，一种来源于刚体的质量特性，另一种来源于刚体的刚体坐标系。这些图形是以刚体模块对话框里指定的有限的刚体信息为基础的几何图表。质量特性。一个刚体的动力学部分决定于刚体的总质量和质量在空间里的分布情况，比如封闭的惯性张量。任何一个刚体都只有唯一的一个与它相对应的并且拥有相同质量和惯性张量的均质椭球体。这些均质椭球体是显示刚体的一种可视化方式。这些椭球体坐标轴的相对尺天津科技大学外文资料翻译5寸代表着每个坐标轴的惯性力矩。下图是用一个等价椭球体显示一个刚体。几何特性。每个SimMechanics刚体都被至少含有一个刚体坐标系的刚体模块表现出来。最小刚体坐标系原点放置在刚体的重心（CG）上。你也可以在刚体上创立其他的刚体坐标系。附加在刚体上的任何关节，约束，驱动，执行器或传感器也必须同时附着在刚体坐标系原点上。一系列的刚体坐标系原点可以封闭在一个平面里；如果有多于三个原点不共面，则原点所在的平面可以封闭成体。其中拥有向外弯曲曲率的最小平面就是凸壳。凸壳是可以在空间里显示一个刚体的另一种抽象图形。少于四个坐标系原点产生的是简单刚体特征。凸壳不包括刚体坐标系原点在重心上的情况。下图是用凸壳方式显示出与前图相同的刚体。下图中的四个刚体坐标系原点不共面，形成一个四面体凸壳。天津科技大学外文资料翻译63、仿真时的运动动画化你可以在显示模型刚体的时候，或者当你建模的时候，或者已经完成建模的时候打开可视化窗口，也可以当一个模型正在Simulink模型窗口运行的时候打开可视化窗口。无论你是选择用椭球体的方式显示刚体，还是用凸壳的方式显示刚体，可视化窗口都可以使刚体运动的仿真动画化，并且使模型的运动和Simulink端的进程同步化。4、与计算机辅助设计的连接以一个外部数据文件（提前从一个被支持的计算机辅助设计(CAD)平台上输出）为基础，你可以用SimMechanics接入口自动生成一个SimMechanics模型。这个数据文件捕获计算机辅助设计（CAD）装配所拥有的重要的动态特征，表现出一个机械系统。最终的模型一旦被生成，也可以像其他SimMechanics模型一样进行修改和扩充。八、更多的信息阅读其他部分的SimMechanics文件材料可以给你更多的关于如何使用SimMechanics软件的细节信息。九、用户指南SimMechanics用户指南包括建模和仿真。共有以下几章：机械系统建模。关于机器，刚体，关节，约束，驱动，传感器，执行器和力的单元。运行机械模型。关于仿真和代码生成。分析运动。关于运动分析模式。运动，控制和实时仿真。关于与运动分析，控制设计，代码天津科技大学外文资料翻译7生成和回路中硬件相结合的高级应用。十、可视化和输入指南SimMechanics可视化和输入指南包括在空间中可视化机器和从外部输入明确的机械设计信息。它共包括以下几章：介绍可视化和动画化。一个综述。使用可视化窗口开始。实用的机器可视化步骤。用户自定义的可视化和动画化。用你自己定义的刚体形状和颜色扩展可视化。输入机械模型。开始通过从外部输入机械信息生成模型。计算机辅助设计转换。关于计算机辅助设计和SimMechanics模型的转换。附例：运行一个演示模型一、这个演示代表了什么这个演示模型用模块库里的一些模块仿真了一个简单的具有反馈控制的机器。你将看到SimMechanics特征如何在标准的Simulink特征之上建立机械系统模型。这个演示模型仿真的是一个带传动装载输送机。通过一个简单的控制器（Controller没有显示），结合一个传感器和一个执行器，用转矩的一个饱和极限和反终结逻辑指导机器。你可以调整控制器，还可以设置推杆的停止点。装载输送机天津科技大学外文资料翻译8二、观察输送机的机械图点击此处打开详细的输送机机械图。三、这个演示说明了什么这个输送机演示举例说明了一些重要的SimMechanics特征：用刚体模块和关节模块分别代表刚体