CN109255188B - 基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法 - Google Patents

基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法 Download PDF

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Abstract

基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，本发明涉及六轴工业机器人动态性能优化方法。本发明为了解决机器人在高速运行过程中定位精度低的问题。本发明包括：一：确定每个零件的低阶模态频率以及刚度分布；二：对每个零件刚度最小的部位进行优化；三：建立六轴工业机器人整机的有限元模型；四：确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率；五：进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模；六：得到六轴工业机器人每个零件在作业过程中的最大应力节点、出现最大应力的时刻、应力分布图以及末端弹性偏移量；七：与六轴工业机器人的设计要求中的对比，若符合设计要求则结束，否则重新执行步骤一至六。本发明用于工业机器人领域。

Description

基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，具体涉及六轴工业机器人动态性能优化方法。
背景技术
机电技术的日益成熟为工业机器人技术和相关产业的发展提供了强劲的动力，但是，日益加快的生产节奏和不断提高的产品保护等级，对工业机器人的工作效率和工作质量提出了更高的要求。如何使工业机器人在高速工作条件下，仍能保持运动平稳、定位精度高等优良性能，是当今工业机器人界面临的课题。机械设计已经从刚性体静态强度设计与校核阶段发展到了柔性体动态特性分析与优化的新层次。
目前动态性能分析的方法主要有有限元法、试验模态法或将二者相互结合。而已有的对工业机器人进行分析的方法有：基于ANSYS对机器人滚珠丝杠进行模态、谐响应分析；将机构三维模型导入ANSYS进行有限元分析，再导入ADAMS进行柔性动力学仿真，最后进行瞬态结构应力分析；从柔性多体系统动力学出发，考虑柔性体刚性名义运动与弹性变形间的非线性耦合，并利用瞬态结构假设原理对系统动态特性的分析过程作出合理简化；选取机器人典型的工作状态，对机器人进行多刚体动力分析求得杆件所受最大关节力，据此进行ANSYS静力学分析；从静态角度分析机器人在重力、负载作用下，末端抓手的定位刚度。
目前的方法存在一些问题：只考虑机器人某个零件的模态，未考虑整机模态；或者是只考虑机器人本体，未考虑装在机器人上的电机、减速器、驱动器等对机器人性能的影响；或者是将机器人每个零件都视为刚性体，求得最大关节力，未考虑机器人在运动中存在弹性运动惯性力；或者是仅从静力学角度分析，未考虑机器人的惯性力。
发明内容
本发明的目的是为了解决机器人在高速运行过程中定位精度低以及由于整机低阶模态频率低导致的共振的问题，而提出基于ANSYS的六轴工业机器人动态性能优化方法。
基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法包括以下步骤：
步骤一：对六轴工业机器人的每个零件进行模态分析，确定每个零件的低阶模态频率以及刚度分布；所述六轴工业机器人的零件包括小臂、手腕、大臂、底座、肘座和腰座；
步骤二：根据步骤一确定的每个零件的刚度分布，对每个零件刚度最小的部位进行优化；
步骤三：步骤二对每个零件进行优化后，建立六轴工业机器人整机的有限元模型；
步骤四：对步骤三建立的六轴工业机器人整机的有限元模型进行模态分析，确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率；
所述三种关节角配置分别为当关节2和关节3均为0度，当关节2和关节3均为60度，当关节2和关节3均为90度；
所述关节2为大臂摆动关节，关节3为小臂摆动关节；
步骤五：采用步骤二优化后的零件在动力学分析软件中进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模；
步骤六：采用动力学分析软件对步骤五建立的六轴工业机器人刚柔耦合动力学模型进行分析，得到六轴工业机器人每个零件在作业过程中的最大应力节点、出现最大应力的时刻、应力分布图以及末端弹性偏移量；
步骤七：将步骤六得到的最大应力节点、应力分布图以及末端弹性偏移量，与六轴工业机器人的设计要求中的对比，若末端弹性偏移量小于等于设计要求中的末端弹性偏移量，所有零件的最大应力小于等于设计要求中的最大应力，且步骤四中前六阶模态频率收敛，则符合设计要求；否则重新执行步骤一至步骤六。
本发明的有益效果为：
本发明将ANSYS有限元分析的优势与ADAMS的动力学仿真有机的结合，从提高零件的刚度出发，能够有效地提高整机的刚度。本发明能够从结果中针对性地进行优化，避免了传统优化的盲目性。本发明能够在机器人不显著增重的前提下，提高整机低阶模态频率，以此减少机器人高速运行过程中发生共振的危险，提高定位精度。
本发明运用了有限元分析和刚柔耦合动力学分析的方法，将主要零件作为柔性体划分网格，将电机、减速器、驱动器等变形量很小的部分简化为刚性体，在软件中计算出各个零件和整机的低阶模态频率以及末端偏移量，并以此为依据进行迭代优化。
本发明将MATLAB规划程序生成的期望关节角txt文件导入ADAMS中，由仿真结果可知，各关键零件所示的应力都小于材料的屈服强度(4.2E8Pa)。本发明机械臂的末端弹性偏移量小于1mm。
附图说明
图1为机械臂各关节示意图；
图2为第2,3关节均为0°时机械臂示意图；
图3为第2,3关节均为60°时机械臂示意图；
图4为第2,3关节均为90°时机械臂示意图；
图5为机械臂最低阶固有频率的优化过程图；
图6为ADAMS虚拟样机示意图；
图7为机器人刚柔耦合模型；
图8为典型工况下机械臂末端最大偏移量的优化过程图。
具体实施方式
具体实施方式一：基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法包括以下步骤：
为了便于后续对工业机器人本体优化性能进行对比评估，分别采用建立了六轴工业机器人的刚性动力学模型和刚柔耦合动力学模型。
步骤一：对六轴工业机器人的每个零件进行模态分析，确定每个零件的低阶模态频率以及刚度分布；所述六轴工业机器人的零件包括小臂、手腕、大臂、底座、肘座和腰座；动态性能为机械臂在高速运行过程中的幅值；
步骤二：根据步骤一确定的每个零件的刚度分布，对每个零件刚度最小的部位进行优化；
结合机械零件设计经验及其工业机器人具体设计要求，对每个零件刚度最小的部位进行优化。具体过程中的方法为以下几类：
(1)在零件(如底座、腰座、肘座和手腕)的刚度最小的部位添加支撑筋；
(2)改变箱体类零件的壁厚(如大臂和小臂的壁厚)；
(3)消除应力集中(如圆滑处理大臂宽度变化部位)。
步骤三：步骤二对每个零件进行优化后，建立六轴工业机器人整机的有限元模型；
步骤四：对步骤三建立的六轴工业机器人整机的有限元模型进行模态分析，确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率；
如图1至图4所示，所述三种关节角配置分别为当关节2和关节3均为0度，当关节2和关节3均为60度，当关节2和关节3均为90度；
所述关节2为大臂摆动关节，关节3为小臂摆动关节；
步骤五：采用步骤二优化后的零件在ADAMS软件中进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模；
步骤六：采用ADAMS软件对步骤五建立的六轴工业机器人刚柔耦合动力学模型进行分析，得到六轴工业机器人每个零件在作业过程中的最大应力节点、出现最大应力的时刻、应力分布图以及末端弹性偏移量；
步骤七：将步骤六得到的最大应力节点、应力分布图以及末端弹性偏移量，与六轴工业机器人的设计要求中的对比，若末端弹性偏移量小于等于设计要求中的末端弹性偏移量，所有零件的最大应力小于等于设计要求中的最大应力，且步骤四中前六阶模态频率收敛，则符合设计要求；否则重新执行步骤一至步骤六。
优化前后应力对比：
将MATLAB规划程序生成的期望关节角txt文件导入ADAMS中，由仿真结果可知，各关键零件所示的应力都小于材料的屈服强度(4.2E8Pa)。为了提高整机的动态性能，零件所受应力比较集中的部分需要在优化过程中予以考虑。
通过分析，在典型工况下各构件优化前后所受的最大应力如表1所示。由表中的结果可知，通过优化显著地降低了各零件在仿真过程中的最大应力。
表1优化前后各构件所受最大应力对比(E7Pa)
底座 腰座 大臂 肘座 小臂 手腕
第一版 0.961 5.7899 3.9517 3.0358 3.8215 5.1373
第二版 0.994 2.2337 4.1297 3.3935 2.0686 5.1349
第三版 0.9561 2.1727 3.8472 0.2367 2.0106 5.0392
第四版 0.9649 2.1966 3.0125 0.2369 1.9742 4.9541
第五版 0.9804 2.2228 2.4787 0.2369 1.9439 4.8863
第六版 0.9043 2.2180 2.4792 0.2369 1.9408 4.8849
优化前后机器人末端弹性偏移量对比：
通过与机器人刚性模型对比，通过对关键构件进行优化可以提升整机的刚性，进而降低末端的绝对跟踪误差。为了分析各关键构件的弹性变形对末端弹性偏移量的影响，分析了各构件刚性化之后末端的弹性偏移量。由图8可知，大臂、底座和腰座对末端弹性偏移量的影响最大。
统计各版机器人末端最大弹性偏移量，并绘制图线。图8中，
第一版是原版；
第二版在腰座、肘座、手腕的刚度最小的部位添加支撑筋；
第三版将末端三自由度电机换为更轻的型号，且将小臂减薄；
第四版圆滑处理大臂宽度变化部位，且壁厚设计为8mm；
第五版设置大臂壁厚为10mm；
第六版在底座的薄弱部位添加支撑筋。
且从图8中可得，第六版机械臂的末端弹性偏移量小于1mm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中对六轴工业机器人的每个零件进行模态分析采用ANSYS软件。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中步骤二对每个零件进行优化后，建立六轴工业机器人整机的有限元模型的具体过程为：
在SolidWorks中按照关节2(大臂摆动关节)和关节3(小臂摆动关节)的不同配置将六轴工业机器人的零件进行装配，并生成x_t中间文件；在Workbench中将各刚性体依照与六轴工业机器人的零件的连接约束用质量块进行等效；对各六轴工业机器人的零件进行网格化生成整机的有限元模型；
所述刚性体包括电机、减速器和驱动器。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤四中对步骤三建立的六轴工业机器人整机的有限元模型进行模态分析，确定六轴工业机器人不同工作状态的前六阶模态频率的具体过程为：
采用ANSYS软件进行模态分析，确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中采用步骤二优化后的零件在ADAMS软件中进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模的具体过程为：
步骤五一：利用ADAMS建立六轴工业机器人虚拟样机如图6所示；
步骤五一一：利用SolidWorks对六轴工业机器人各刚性体的质量、重心和转动惯量进行测量；
步骤五一二：在SolidWorks装配体文件中将各刚性体另存为x_t文件；
步骤五一三：将x_t文件作为零件导入ADAMS中，并设置对应的重心位置、质量和转动惯量；
步骤五一四：设置各刚性件的关节约束和驱动；
步骤五二：利用ANSYS和ADAMS建立了工业机器人的刚柔耦合模型；
步骤五二一：在WorkBench中建立新的工程项目，设置材料的属性，导入构件的x_t文件；所述材料的属性包括密度、杨氏模态张量和泊松比；
步骤五二二：设置构件的材料，选择作用面生成刚性连接点；
步骤五二三：设置划分网格的参数，生成构件的有限元模型，从工具栏导出inp文件；
所述网格的参数为网格尺寸和网格渐变比率；
步骤五二四：打开inp文件，只保留有限元建模的信息，删除求解模态的信息；
步骤五二五：打开Mechanical APDL 15.0，在文件下拉菜单中设置项目目录和名称，读入构件inp建模文件；
步骤五二六：在主菜单中设置分析类型为模态分析，设置模态阶数为6；在ADAMS选取刚性连接节点，导出模态中性文件mnf；
步骤五二七：在ADAMS中导入mnf文件，同时设置柔性件与刚性件的连接约束，以及刚性件之间的连接约束，得到的刚柔耦合模型如图7所示。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
实施例一：
(1)单个零件动态性能优化：
机器人动态性能的优化目标主要是在不显著增重前提下提高整机低阶模态频率。以此减少机器人高速运行过程中发生共振的危险。理想的优化方案是在ANSYS中建立整机有限元模型，针对模态振型中展现出的刚度薄弱部位加以优化。但整机模态振型与机械臂各关节转角有关，无法穷举实际应用中的所有构型进行优化设计。
显然，各组成零件刚度的提升是整机刚度提升的前提。为此基于ANSYS对单个零件进行模态分析，依据模态振型判断零件刚度相对薄弱的部位，之后在不显著增加重量的前提下，进行有针对性的强化设计，提高各零件低阶模态频率。进而实现整机基频在所有工况下的有效提升。
腰座、小臂和手腕部优化前后的7-12阶频率对比如表1所示。
表1各构件优化前后的频率
Figure BDA0001800514310000061
Figure BDA0001800514310000071
Figure BDA0001800514310000072
(2)整机动态性能优化效果
为验证整机动态性能优化效果，构建了工业机器人装配体有限元模型。为此，首先在SolidWorks中按照关节2和关节3的不同配置将关键构件进行装配，并生成x_t中间文件；接着在Workbench中将各刚性构件依照与关键构件的连接约束用质量块来等效；最后对各关键构件进行网格化生成整机的有限元模型。分析过程中，30kg的负载加载到距离末端面水平距离和垂直距离为0.4m的位置处。
通过模态计算，优化前后整机装配体的前六阶模态频率分别如表2和表3所示。表中，x,y表示关节角2和关节角3分别为x度和y度。
表2优化前整机的前六阶模态频率
0,0 -60,60 -90,90
7.764 6.5323 6.5333
7.9934 7.3306 7.4277
20.653 25.03 24.926
23.076 30.243 30.119
38.109 42.422 43.983
46.587 48.264 51.419
对腰座、肘座和手腕三个零件进行优化设计后，得到第二版机械臂。
表3第二版整机前六阶模态频率
Figure BDA0001800514310000073
Figure BDA0001800514310000081
通过电机静力矩校核后对腕部关节的三个电机和小臂进行了优化设计，从而降低了电机和小臂的质量。优化后整机的前六阶模态频率如表4所示。
表4第三版整机前六阶模态频率
0,0 -60,60 -90,90
7.9759 6.642 6.6012
8.2482 7.5879 7.6609
22.679 26.353 25.801
24.885 31.827 30.87
38.601 43.14 45.326
47.524 50.598 52.738
由表2—表4可知，通过对关键构件进行优化设计，在不显著增加构件质量的前提下，提高了整机的模态频率。
优化大臂后设置壁厚8mm，得到第四版模型。
表5第四版整机前六阶模态频率
0,0 -60,60 -90,90
8.3703 7.1204 7.0786
8.8515 7.7119 7.7899
22.997 26.545 25.97
26.573 34.11 32.938
38.757 44.781 48.7
49.454 53.393 52.911
优化大臂后设置壁厚10mm，得到第五版模型。
表6第五版整机前六阶模态频率
0,0 -60,60 -90,90
8.4599 7.3913 7.3377
9.1767 7.799 7.8793
23.132 26.65 26.088
27.295 34.337 33.151
38.886 45.262 49.789
49.91 53.882 53.051
优化底座
表7第六版整机前六阶模态频率
Figure BDA0001800514310000082
Figure BDA0001800514310000091
绘制三种关节构型机械臂整机1阶固有频率随优化过程的变换曲线如图5所示。
由图5可见，经过7次优化设计，零位构型下机器人基频提升约0.7238Hz；其余两种构型下基频分别提升约0.8645Hz，0.8106Hz。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：对六轴工业机器人的每个零件进行模态分析，确定每个零件的低阶模态频率以及刚度分布；所述六轴工业机器人的零件包括小臂、手腕、大臂、底座、肘座和腰座；
步骤二：根据步骤一确定的每个零件的刚度分布，对每个零件刚度最小的部位进行优化；
步骤三：步骤二对每个零件进行优化后，建立六轴工业机器人整机的有限元模型；
步骤四：对步骤三建立的六轴工业机器人整机的有限元模型进行模态分析，确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率；
所述三种关节角配置分别为当关节2和关节3均为0度，当关节2和关节3均为60度，当关节2和关节3均为90度；
所述关节2为大臂摆动关节，关节3为小臂摆动关节；
步骤五：采用步骤二优化后的零件在动力学分析软件中进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模；
步骤六：采用动力学分析软件对步骤五建立的六轴工业机器人刚柔耦合动力学模型进行分析，得到六轴工业机器人每个零件在作业过程中的最大应力节点、出现最大应力的时刻、应力分布图以及末端弹性偏移量；
步骤七：将步骤六得到的最大应力节点、应力分布图以及末端弹性偏移量，与六轴工业机器人的设计要求中的对比，若末端弹性偏移量小于等于设计要求中的末端弹性偏移量，所有零件的最大应力小于等于设计要求中的最大应力，且步骤四中前六阶模态频率收敛，则符合设计要求；否则重新执行步骤一至步骤六。
2.根据权利要求1所述的基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，其特征在于：所述步骤一中对六轴工业机器人的每个零件进行模态分析采用有限元软件。
3.根据权利要求2所述基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，其特征在于：所述步骤三中步骤二对每个零件进行优化后，建立六轴工业机器人整机的有限元模型的具体过程为：
在三维建模软件中按照关节2和关节3的不同配置将六轴工业机器人的零件进行装配，并生成x_t中间文件；在有限元分析软件中将各刚性体依照与六轴工业机器人的零件的连接约束用质量块进行等效；对各六轴工业机器人的零件进行网格化生成整机的有限元模型；
所述刚性体包括电机、减速器和驱动器。
4.根据权利要求3所述基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，其特征在于：所述步骤四中对步骤三建立的六轴工业机器人整机的有限元模型进行模态分析，确定六轴工业机器人不同工作状态的前六阶模态频率的具体过程为：
采用有限元软件进行模态分析，确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率。
5.根据权利要求4所述基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，其特征在于：所述步骤五中采用步骤二优化后的零件在动力学分析软件中进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模的具体过程为：
步骤五一：利用动力学分析建立六轴工业机器人虚拟样机；
步骤五一一：利用三维建模软件对六轴工业机器人各刚性体的质量、重心和转动惯量进行测量；
步骤五一二：在三维建模软件装配体文件中将各刚性体另存为x_t文件；
步骤五一三：将x_t文件作为零件导入动力学分析软件中，并设置对应的重心位置、质量和转动惯量；
步骤五一四：设置各刚性件的关节约束和驱动；
步骤五二：利用有限元分析软件和动力学分析软件建立了工业机器人的刚柔耦合模型；
步骤五二一：在有限元分析软件中建立新的工程项目，设置材料的属性，导入构件的x_t文件；所述材料的属性包括密度、杨氏模态张量和泊松比；
步骤五二二：设置构件的材料，选择作用面生成刚性连接点；
步骤五二三：设置划分网格的参数，生成构件的有限元模型，从工具栏导出inp文件；
所述网格的参数为网格尺寸和网格渐变比率；
步骤五二四：打开inp文件，只保留有限元建模的信息，删除求解模态的信息；
步骤五二五：打开有限元分析软件，在文件下拉菜单中设置项目目录和名称，读入构件inp建模文件；
步骤五二六：在主菜单中设置分析类型为模态分析，设置模态阶数为6；在动力学分析软件选取刚性连接节点，导出模态中性文件mnf；
步骤五二七：在动力学分析软件中导入mnf文件，同时设置柔性件与刚性件的连接约束，以及刚性件之间的连接约束，得到的刚柔耦合模型。
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