利用MapleSim建立汽車雨刷機構模型與控制模擬
本文介紹如何透過MapleSim建立四連桿機構之運動模型，此模型將電動馬達的轉動輸出轉換為雨刷機構之往復運動，進行雨刷機構之控制模擬。(來源: MapleSim\Examples\Visualization\Wiper Mechanism)
一、設計考量
1.考慮雨刷與擋風玻璃之間的摩擦力，此摩擦力將採用軸承摩擦力(Bearing Friction)元件來給定。
2.當關閉雨刷時，雨刷必須自動回復到初始位置。
3. LED燈必須能提供以下的功能，此功能將透過MapleSim之3D visualization功能予以設計與呈現：
A.當開啟雨刷時，上方的LED亮紅燈，當關閉雨刷時不亮燈則以白色表示。
B.當雨刷通電時，下方的LED亮紅燈，當不通電時不亮燈則以白色表示。
1.考慮雨刷與擋風玻璃之間的摩擦力，此摩擦力將採用軸承摩擦力(Bearing Friction)元件來給定。
2.當關閉雨刷時，雨刷必須自動回復到初始位置。
3. LED燈必須能提供以下的功能，此功能將透過MapleSim之3D visualization功能予以設計與呈現：
A.當開啟雨刷時，上方的LED亮紅燈，當關閉雨刷時不亮燈則以白色表示。
B.當雨刷通電時，下方的LED亮紅燈，當不通電時不亮燈則以白色表示。
圖一、2D雨刷機構模型
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圖二、3D雨刷模型示意圖
二、模型建構，將此模型分成兩大部分：
1. 機構運動模型，主要是利用基本桿件方式建立機構模型，主要應用元件庫為：
i. Multibody\Bodies and Frames
ii. Multibody\Forces and Moments
iii. Multibody\Visualization
iv. 1-D Mechanical\Sensors
1. 機構運動模型，主要是利用基本桿件方式建立機構模型，主要應用元件庫為：
i. Multibody\Bodies and Frames
ii. Multibody\Forces and Moments
iii. Multibody\Visualization
iv. 1-D Mechanical\Sensors
雨刷機構由四連桿所構成，其每一桿件(link)的基本架構均利用兩個Rigid Body Frame元件以及Rigid Body元件來組成單一桿件，其桿件示意圖如下(其中可以使用Rigid Body Frame表示桿長，由Rigid Body來定義桿子的重量與質心位置，利用這些元件來定義桿件時，可以讓桿件的形狀與質心位置定義擁有較大的彈性。)
圖三、單一桿件建構示意圖
每個桿件之間的轉動接頭以Z軸(0,0,1)為轉動軸進行旋轉，雨刷機構運動模型之系統架構如下：
圖四、3D Visualization視窗中呈現的雨刷機構
圖五、四連桿機械之MapleSim模型
2. 控制系統模型：主要是控制雨刷機構啟動與關閉，以及LED燈號切換顯示模擬。
主要應用元件庫為：
i. Multibody\Bodies and Frames
ii. Multibody\Force and Moments
iii. Multibody\Joint and Motion
iv. Multibody\Visualization
v. 1-D Mechanical\Rotational\Bearing and Gears
vi. 1-D Mechanical\Translational\Motion Drivers
vii. 1-D Mechanical\Sensors
viii. Electrical\Analog
ix. Electrical\Machines
x. Signal Blocks\Sources
xi. Signal Blocks\Signal Converters
xii. Signal Blocks\Boolean
主要應用元件庫為：
i. Multibody\Bodies and Frames
ii. Multibody\Force and Moments
iii. Multibody\Joint and Motion
iv. Multibody\Visualization
v. 1-D Mechanical\Rotational\Bearing and Gears
vi. 1-D Mechanical\Translational\Motion Drivers
vii. 1-D Mechanical\Sensors
viii. Electrical\Analog
ix. Electrical\Machines
x. Signal Blocks\Sources
xi. Signal Blocks\Signal Converters
xii. Signal Blocks\Boolean
雨刷運動控制系統模型如下圖所示：
LED燈號控制模型如下圖所示：
三、系統控制模型模擬：
雨刷控制機制，使用Boolean Step訊號控制雨刷開啟與關閉，燈號on/off之門檻值設為0.05，當開啟雨刷時之訊號輸入為1、當關閉雨刷之訊號為0。模擬結果與控制機制分別如下：
1. 初始開啟雨刷(control_signal為1)，LED燈為紅色，啟動馬達輸出旋轉運動，帶動與link1連結之轉動接頭，啟動雨刷，如圖八所示。
2. 當輸入訊號在第九秒之後轉為0，表示關閉雨刷，所以上方的LED燈號在9秒之後轉為白色，如圖九所示。
圖八、雨刷開關之控制訊號圖
圖九、雨刷開啟、關閉之LED燈號顯示圖
3. 其中雨刷自回復原始位置之控制邏輯如下所示，當雨刷關閉之後，慢慢回復到原始位置，即當selfpark_angle回復至初始設定位置範圍內(大於2.9度並且小於或等於3.5度)時，下方的LED燈會轉為白色，雨刷動作停止。
圖十、雨刷自回復控制邏輯架構圖
圖十一、雨刷回復初始位置之燈號顯示圖
4. 下圖十二為雨刷在模擬時間內所旋轉的角度，以及其往復旋轉之角度結果如下右圖十三所示。
圖十二、雨刷旋轉角度
圖十三、雨刷之往復旋轉角度
結論：本文使用MapleSim建立雨刷機構之控制模型，並透過3-D動畫與可視化功能模擬機構之運動行為。透過控制訊號元件建立控制器，使用多體機構與一維空間機構運動元件建立雨刷機構模型，再加上馬達驅動系統以提供動力來驅動雨刷。同時使用可視化元件建立燈號顯示機構被控制行為，輕鬆建立具有多體機械運動，控制與結合馬達電機之多領域物理模型。
