CN107389288A - 一种工业机器人的振动路径分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种工业机器人的振动路径分析系统及方法，包括激振器、力学传感器、夹具、单轴向加速度传感器、三轴向加速度传感器、下位机和上位机，通过工业机器人的振动传递路径分析技术准确构建了工业机器人的载荷识别模型，从而对工业机器人待测目标位置的振动特性进行准确分析与描述，安全、便捷、准确、高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业机器人装置，尤其是一种工业机器人的振动路径分析系统及方法。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，在外力和惯性力作用下，极易产生振动，从而影响轨迹跟踪精度和定位精度，及破坏系统运行的稳定性和可靠性。因此，对工业机器人进行振动分析是非常有必要的。
工业机器人振动分析的一个关键技术就是载荷识别技术，近年来，载荷识别及相关技术发展较为迅速，工业机器人的振动分析问题也得到了一定程度的解决，但现有载荷识别技术依然存在以下问题，包括：载荷识别模型精度有限、容易受噪声等环境因素的影响以及稳定性不足等。
发明内容
本发明提供一种工业机器人的振动传递路径分析系统，其目的在于克服现有技术中的缺陷，通过工业机器人的振动传递路径分析技术可准确构建其载荷识别模型，从而对工业机器人待测目标位置的振动特性进行准确分析与描述。
本发明的技术方案是：
一种工业机器人的振动路径分析系统，包括激振器、力学传感器、夹具、单轴向加速度传感器、三轴向加速度传感器、下位机和上位机，其中，力学传感器安装在激振器的施力端，工业机器人的被测手臂安装在夹具上，单轴向加速度传感器和三轴向加速传感器安装在被测手臂上，所述激振器的施力端与被测手臂相连，力学传感器、单轴向加速度传感器和三轴向加速度传感器用于检测被测手臂对于激振器的受力信号，其信号输出端连接下位机的对应信号输入端，所述的下位机与上位机连接。
进一步地，所述的上位机与下位机通过RS232和USB进行通讯和数据传输。
进一步地，所述的上位机还包括液晶触摸屏。
进一步地，所述的上位机通过互联网连接本部服务器，实时上传数据。
进一步地，所述的下位机采用高速单片机为核心。
进一步地，所述的激振器可以用力锤替换。
一种工业机器人的振动路径分析方法，应用工业机器人的振动路径分析系统，其包括以下步骤：
步骤一：激振器对工业机器人施加振动信号，同时单轴向加速度传感器和三轴向加速传感器测取工业机器人的振动信号；
步骤二：力学传感器测取激振器的振动信号，然后将激振器的振动信号和工业机器人的振动信号传输至下位机；
步骤三：下位机对激振器的振动信号和工业机器人的振动信号进行预处理，然后将反馈信号传输至上位机，上位机对反馈信号进行频谱分析，获得工业机器人目标位置的振动特性，并将分析结果进行显示与保存。
进一步地，步骤三所述的对反馈信号进行频谱分析具体包括以下步骤：
步骤S1：上位机获取第一个频率点的响应矩阵X，计算该频率点的条件参数N，计算公式为：N＝HHH；
其中：H表示频率响应函数；
步骤S2：根据条件参数N确定该频率点的最佳正则化参数选择方法，若条件参数N大于判别系数M，选择OCV法计算该频率点的正则化参数λ，
计算公式为：
C(λ)＝H(HHH+λI)-1HH，
其中：V0(λ)n表示响应点数；B(λ)是矩阵X的对角阵；；H表示频率相应函数；
若频率点小于或等于判别系数M，选择L曲线法计算该频率点的正则化参数λ，计算公式为：
ρ＝||HF-X||，η＝||F||；
其中，F表示工业机器人所受外载荷；步骤S3：使用Tikhonov正则化方法计算该频率点的载荷F，计算公式为
F＝(HHH+λ1)-1HHX；
步骤S4：对下一个频率点重复步骤S1～S3，直到完成全频带的计算；
步骤S5：根据前述步骤得到的全频带各频率点的载荷进行目标点振动分量的计算，振动分量＝频响*载荷，频响就是H，载荷是F，完成路径分析。
进一步地，步骤S2所述的判别系数M的范围是800-1200，优选1000。
进一步地，步骤三中对激振器的振动信号和工业机器人的振动信号的预处理包括采集、滤波、A/D模数转换。
本发明的有益效果：
本发明的系统通过工业机器人的振动传递路径分析技术准确构建了工业机器人的载荷识别模型，从而对工业机器人待测目标位置的振动特性进行准确分析与描述，可实现0.2％FS(1V输入，≤10kHz)的幅值精度和0.001％的频率精度，安全、便捷、准确、高效，采用液晶触摸屏用于人机交互，具有人性化的人机操作界面，并可通过互联网传输数据至本部服务器，以便对工业机器人待测目标位置的振动特性进行准确分析与评估，同时，本发明的振动传递路径分析系统还可应用于桥梁、船舶、汽车以及铁路等其他设备的振动特性分析。
附图说明
图1示出了本发明的结构示意图。
图2是基于条件数的正则化参数确定方法。
1.夹具；2.激振器；3.单轴向加速度传感器；4.三轴向加速度传感器；5.力学传感器；6.下位机；7.上位机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
一种工业机器人的振动路径分析系统，包括激振器2、力学传感器5、夹具1、单轴向加速度传感器3、三轴向加速度传感器4、下位机6和上位机7，其中，力学传感器5安装在激振器2的施力端，工业机器人的被测手臂安装在夹具1上，单轴向加速度传感器3和三轴向加速传感器4安装在被测手臂上，所述激振器2的施力端与被测手臂相连，力学传感器5、单轴向加速度传感器3和三轴向加速度传感器4用于检测被测手臂对于激振器2的受力信号，其信号输出端连接下位机6的对应信号输入端，所述的下位机6与上位机7连接。
进一步地，所述的上位机7与下位机6通过RS232和USB进行通讯和数据传输；上位机7还包括液晶触摸屏；所述的上位机7通过互联网连接本部服务器，实时上传数据；所述的下位机6采用高速单片机为核心。
进一步地，所述的激振器2可以用力锤替换。
一种工业机器人的振动路径分析方法，应用路径分析系统，包括以下步骤：
步骤一：激振器2对工业机器人施加振动信号，同时单轴向加速度传感器3和三轴向加速传感器4测取工业机器人的振动信号；
步骤二：力学传感器5测取激振器2的振动信号，然后将激振器2的振动信号和工业机器人的振动信号传输至下位机6；
步骤三：下位机6对激振器2的振动信号和工业机器人的振动信号进行预处理，然后将反馈信号传输至上位机7，上位机7对反馈信号进行频谱分析，获得工业机器人目标位置的振动特性，并将分析结果进行显示与保存；前述对反馈信号进行频谱分析具体包括以下步骤：
步骤S1：上位机7获取第一个频率点的响应矩阵X，计算该频率点的条件参数N，计算公式为：N＝HHH；
其中：H表示频率响应函数；
步骤S2：根据条件参数N确定该频率点的最佳正则化参数选择方法，若条件参数N大于判别系数M(M的范围是800-1200，优选1000)，选择OCV法计算该频率点的正则化参数λ，计算公式为：
C(λ)＝H(HHH+λI)-1HH，
其中：V0(λ)n表示响应点数；B(λ)是矩阵X的对角阵；；H表示频率相应函数；
若频率点小于或等于判别系数M，选择L曲线法计算该频率点的正则化参数λ，计算公式为：
ρ＝||HF-X||，η＝||F||；
其中，F表示工业机器人所受外载荷；步骤S3：使用Tikhonov正则化方法计算该频率点的载荷F，计算公式为
F＝(HHH+λI)-1HHX；
步骤S4：对下一个频率点重复步骤S1～S3，直到完成全频带的计算；
步骤S5：根据前述步骤得到的全频带各频率点的载荷进行目标点振动分量的计算，振动分量＝频响*载荷，频响就是H，载荷是F，完成路径分析。
具体实施时：
激振器/力锤作为激振源对工业机器人施加振动信号使得工业机器人开始振动，激振器/力锤2的施力端嵌有高精度力传感器5用于对激振源振动信号进行测量，工业机器人目标位置的振动信号由单轴向加速度传感器3和三轴向加速度传感器4测量，测量所得信号由采用高速单片机为测控系统的下位机6接收并进行信号处理后，下位机6将信号反馈给上位机7，上位机7通过一种基于条件判别数的载荷识别算法对下位机6的反馈信号进行频谱分析，从而获得工业机器人目标位置的振动特性，并将分析结果进行显示与保存。
该方法在识别过程中首先需要对每一个频率点的条件数进行判别，根据判定结果选择在该频率点的最佳正则化参数选择方法，并用其获取该频率点的最优正则化参数。
在计算载荷时，在每一个频率点上都进入该频率点的计算循环：
(1)以1000为基准判断该频率点的条件数大小；
(2)在大于1000时，选择OCV方法确定该点的正则化参数，反之，选择L曲线方法进行最佳正则化参数的选取；
(3)在确定正则化参数之后，使用Tikhonov正则化方法计算该频率点的载荷，之后进入下一频率点的计算循环，直至完成全频带的计算。这样，对于频带内的每一个频率点均可得到其本身的最优化正则化参数。
然后上位机7与下位机6通过RS232和USB进行通讯和数据传输。上位机7采用液晶触摸屏用于人机交互，具有人性化的人机操作界面，并可通过互联网传输数据至本部服务器，以便对工业机器人待测目标位置的振动特性进行准确分析与评估。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种工业机器人的振动路径分析系统，其特征在于，包括激振器(2)、力学传感器(5)、夹具(1)、单轴向加速度传感器(3)、三轴向加速度传感器(4)、下位机(6)和上位机(7)，其中，力学传感器(5)安装在激振器(2)的施力端，工业机器人的被测手臂安装在夹具(1)上，单轴向加速度传感器(3)和三轴向加速传感器(4)安装在被测手臂上，所述激振器(2)的施力端与被测手臂相连，力学传感器(5)、单轴向加速度传感器(3)和三轴向加速度传感器(4)用于检测被测手臂对于激振器(2)的受力信号，其信号输出端连接下位机(6)的对应信号输入端，所述的下位机(6)与上位机(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人的振动路径分析系统，其特征在于所述的上位机(7)与下位机(6)通过RS232和USB进行通讯和数据传输。
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人的振动路径分析系统，其特征在于所述的上位机(7)还包括液晶触摸屏。
4.根据权利要求1所述的一种工业机器人的振动路径分析系统，其特征在于所述的上位机(7)通过互联网连接本部服务器，实时上传数据。
5.根据权利要求1所述的一种工业机器人的振动路径分析系统，其特征在于所述的下位机(6)采用高速单片机为核心。
6.根据权利要求1所述的一种工业机器人的振动路径分析系统，其特征在于所述的激振器(2)可以用力锤替换。
7.一种工业机器人的振动路径分析方法，应用权利要求1-6之一所述的一种工业机器人的振动路径分析系统，其特征在于其包括以下步骤：
步骤一：激振器(2)对工业机器人施加振动信号，同时单轴向加速度传感器(3)和三轴向加速传感器(4)测取工业机器人的振动信号；
步骤二：力学传感器(5)测取激振器(2)的振动信号，然后将激振器(2)的振动信号和工业机器人的振动信号传输至下位机(6)；
步骤三：下位机(6)对激振器(2)的振动信号和工业机器人的振动信号进行预处理，然后将反馈信号传输至上位机(7)，上位机(7)对反馈信号进行频谱分析，获得工业机器人目标位置的振动特性，并将分析结果进行显示与保存。
8.根据权利要求8所述的一种工业机器人的振动路径分析方法，其特征在于步骤三所述的对反馈信号进行频谱分析具体包括以下步骤：
步骤S1：上位机(7)获取第一个频率点的响应矩阵X，计算该频率点的条件参数N，计算公式为：N＝HHH；
其中：H表示频率响应函数；
步骤S2：根据条件参数N确定该频率点的最佳正则化参数选择方法，若条件参数N大于判别系数M，选择OCV法计算该频率点的正则化参数λ，计算公式为：
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其中：V0(λ)n表示响应点数；B(λ)是矩阵X的对角阵；；H表示频率相应函数；
若频率点小于或等于判别系数M，选择L曲线法计算该频率点的正则化参数λ，计算公式为：
<mrow>
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ρ＝||HF-X||,η＝||F||；
其中，F表示工业机器人所受外载荷；步骤S3：使用Tikhonov正则化方法计算该频率点的载荷F，计算公式为
F＝(HHH+λI)-1HHX；
步骤S4：对下一个频率点重复步骤S1～S3，直到完成全频带的计算；
步骤S5：根据前述步骤得到的全频带各频率点的载荷进行目标点振动分量的计算，振动分量＝频响*载荷，频响就是H，载荷是F，完成路径分析。
9.根据权利要求8所述的一种工业机器人的振动路径分析方法，其特征在于步骤S2所述的判别系数M的范围是800-1200，优选1000。
10.根据权利要求7所述的一种工业机器人的振动路径分析方法，其特征在于步骤三中对激振器(2)的振动信号和工业机器人的振动信号的预处理包括采集、滤波、A/D模数转换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |