陳 駿，陳 威

(安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237010)

0 引言

機(jī)器人在運(yùn)行狀態(tài)時其性能具有不穩(wěn)定性，使用條件和環(huán)境的變化都會對其造成影響，因此有必要對機(jī)器人的動態(tài)特性進(jìn)行分析和研究。

本文對桁架機(jī)器人進(jìn)行模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，對采集的信號進(jìn)行處理分析，研究工作速度和負(fù)載情況下對機(jī)器人動態(tài)特性的影響。

1 桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

桁架機(jī)器人由本體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中本體包括橫梁、導(dǎo)軌、十字滑座、立柱和基座等[1]。

圖1 桁架機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖

作為本文研究對象的桁架機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)沿X、Z軸方向的直線運(yùn)動和手爪沿Z軸的擺動。其直線運(yùn)動由交流伺服電機(jī)通過行星減速機(jī)驅(qū)動斜齒輪與固定于X向橫梁上的齒條作滾動，驅(qū)動十字滑座和Z向滑枕沿導(dǎo)軌快速運(yùn)動[2]。

2 桁架機(jī)器人動態(tài)性能分析

2.1 模態(tài)分析基本理論

機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)特性即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，是表示結(jié)構(gòu)動態(tài)特征的基本物理量，一般指結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型[3]。通常采用模態(tài)分析的方法研究結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，在有限元軟件中的操作步驟依次為模型構(gòu)建、加載求解、擴(kuò)展模態(tài)和模態(tài)后處理。為提高仿真精度并縮短求解時間，需對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和特征刪除[4]。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)器人模態(tài)分析

選取運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)器人進(jìn)行模態(tài)分析，在ANSYS Workbench中提取Modal模塊導(dǎo)入三維模型文件，十字滑座和Z向滑枕選取鋁合金材料，其他均為結(jié)構(gòu)鋼，立柱與地面之間添加固定約束作為邊界條件。求解得到的桁架機(jī)器人前6階固有頻率和振型如表1和圖2所示。

表1 桁架機(jī)器人前6階固有頻率

由圖2可知，1階振型表現(xiàn)為機(jī)器人整機(jī)沿Y軸方向的來回?cái)[動；2階振型表現(xiàn)為機(jī)器人整機(jī)沿X軸方向的擺動；3階振型表現(xiàn)為機(jī)器人整機(jī)繞豎直中心的扭轉(zhuǎn)；4階振型表現(xiàn)為機(jī)器人X向橫梁沿Y軸方向的擺動；5階振型表現(xiàn)為機(jī)器人Z向滑枕沿X軸方向的擺動和X向橫梁的上下擺動；6階振型表現(xiàn)為機(jī)器人整機(jī)繞豎直中心的扭轉(zhuǎn)與Z向滑枕沿Y軸方向擺動的耦合振動。

3 桁架機(jī)器人系統(tǒng)動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

機(jī)器人Z向滑枕末端的振動與齒輪齒條嚙合有關(guān)，為排除機(jī)構(gòu)耦合的影響，研究工作速度和負(fù)載變化情況下的機(jī)器人系統(tǒng)動力學(xué)特性。

3.2 實(shí)驗(yàn)變量控制及信號采集

機(jī)器人手爪系統(tǒng)中安裝有兩套手爪，采用改變抓取工件的質(zhì)量和抓取組合方式可以實(shí)現(xiàn)控制負(fù)載。抓取組合方式如表2所示。其中:①為質(zhì)量3.5 kg的工件；②為質(zhì)量1.5 kg的工件。

振動信號采集系統(tǒng)如圖3所示，機(jī)器人系統(tǒng)的振動信號由加速度傳感器獲取，將其轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)輸出同軸電纜線輸入數(shù)據(jù)采集卡中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最終傳送至計(jì)算機(jī)中以波形圖顯示。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

在動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人必須以相同的運(yùn)動軌跡完成整個行程，且在溫度、濕度相對穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)完成整個實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制以及為了保護(hù)傳感器，將傳感器連同基座粘接在十字滑座上。

默認(rèn)水平向右為X軸正方向，設(shè)定機(jī)器人運(yùn)動軌跡為從原點(diǎn)O′沿X軸正方向運(yùn)動2 000 mm至A點(diǎn)停止，如圖4所示。采集由原點(diǎn)O′至A點(diǎn)過程中機(jī)器人系統(tǒng)三個方向的加速度數(shù)據(jù)。

在不同實(shí)驗(yàn)條件下采集振動信號進(jìn)行處理分析，不同實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如表3所示。

圖3振動信號采集系統(tǒng)圖4桁架機(jī)器人實(shí)驗(yàn)運(yùn)動軌跡

表3 動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)條件

3.4 振動信號時域分析

通過時域分析可以提高信噪比，求取振動信號波形在不同時刻的相似性和關(guān)聯(lián)性。

當(dāng)機(jī)器人抓取負(fù)載為3.5 kg，得到工作速度分別為25 mm/s、100 mm/s、200 mm/s、300 mm/s時系統(tǒng)三個方向的加速度時域波形,如圖5所示。當(dāng)機(jī)器人工作速度為200 mm/s，得到抓取負(fù)載分別為1.5 kg、3.5 kg、5 kg、7 kg時系統(tǒng)三個方向的加速度時域波形，如圖6所示。

圖5 不同工作速度下機(jī)器人系統(tǒng)加速度時域波形

由圖5和圖6可知，機(jī)器人系統(tǒng)在三個方向上的加速度幅值隨工作速度和負(fù)載的增大而增大，運(yùn)行過程中有沖擊成分的存在；工作速度變化對機(jī)器人動態(tài)性能的影響比負(fù)載變化更加明顯。

圖6 不同負(fù)載下機(jī)器人系統(tǒng)加速度時域波形

4 結(jié)語

本文以桁架機(jī)器人為研究對象，采用有限元軟件對運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)器人進(jìn)行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)易受影響的頻率范圍及結(jié)構(gòu)變形趨勢。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，采集不同實(shí)驗(yàn)條件下的振動信號進(jìn)行時域分析，得到機(jī)器人系統(tǒng)動力學(xué)特性變化趨勢，通過比較可知工作速度變化對機(jī)器人動態(tài)性能的影響比負(fù)載變化對機(jī)器人動態(tài)性能的影響更加明顯。

參考文獻(xiàn)：

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