CN111444644A - 一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人刚度优化设计领域，具体是一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其具体步骤如下：S1：初始模型有限元建模；S2：子结构划分；S3：调整子结构刚度参数；S4：计算整机刚度变化量；S5：判断设计是否合理；S6：结构优化；利用有限元手段建立整机模型对整机刚度和零部件刚度的设计合理性进行分析，大大提升了分析效率，缩短了机器人设计开发周期；通过有限元技术和归一化方法提前暴露设计问题和缺陷，避免在样机阶段发生致命性问题，降低了开发成本，可与任何工业机器人设计开发，提高机器人的整机刚度水平的同时还能够保证整机的轻量化设计。

Description

一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法
技术领域
本发明涉及机器人刚度优化设计领域，具体是一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法。
背景技术
机器人结构静刚度是机器人重要的性能标准之一，在国标GBT 12642中有明确的规定和测试方法介绍。目前国内的工业机器人设计多为逆仿，缺乏在设计过程中对机器人刚度的考虑，通常设计人员为了规避风险会在设计过程中相对保守，这必然导致了机器人的整机质量过重、各零部件的刚度过设计以及零部件之间的刚度匹配性不好。
如中国专利申请号为201811074857.2的基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法中，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，对每个部位单独进行优化方法，而非在整体的加载情况下进行刚度优化，同时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，步骤繁多，不利于刚度优化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法。
一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其具体步骤如下：
S1：初始模型有限元建模：建立机器人整机有限元模型，计算整机综合刚度Kw以及三方向刚度Kx、Ky、Kz；
S2：子结构划分：将机器人按照杆件和关节分割成i各子结构；
S3：调整子结构刚度参数：在有限元模型中调整各子结构刚度参数，计算调整后的整机综合刚度K’w以及三方向刚度K′x、K′y、K′z；
S4：计算整机刚度变化量：基于以上结果并计算各子结构对于整机刚度的贡献度系数以及三方向刚度的贡献度系数，得到DKw及DK；
S5：判断设计是否合理：根据已有评价标准，判断各子结构刚度是可否有轻量化空间或设计风险；
S6：结构优化：若有可轻量化空间可进行结构有限元优化，减小刚度过设计，针对设计风险子结构需要进一步的结构有限元校核。
所述的步骤S1中的建模是在选定任一工作位姿进行整机有限元建模。
所述的步骤S1中整机综合刚度以及三方向刚度均为机器人末端点在单位力的加载条件下的位移响应。
所述的步骤S2中子结构在有限元模型中需要为独立的零部件。
所述的步骤S3子结构刚度参数针对不同零部件有不同表征形式，即连杆子结构为连杆的弹性模量，关节子结构为关节的扭转刚度。
所述的步骤S5贡献度系数为利用归一化方法计算得出，即先计算出各子结构质量在整机中的质量占比系数，然后计算各子结构单位质量材料对整机的刚度贡献度系数。
所述的步骤S6结构有限元优化为拓扑优化技术。
本发明的有益效果是：利用有限元手段建立整机模型对整机刚度和零部件刚度的设计合理性进行分析，大大提升了分析效率，缩短了机器人设计开发周期；通过有限元技术和归一化方法提前暴露设计问题和缺陷，避免在样机阶段发生致命性问题，降低了开发成本，可与任何工业机器人设计开发，提高机器人的整机刚度水平的同时还能够保证整机的轻量化设计。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的流程结构示意图；
图2为本发明的工业机器人结构示意图；
图3为本发明的刚度优化前转座结构示意图；
图4为本发明的刚度优化后转座结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图4所示，一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其具体步骤如下：
S1：初始模型有限元建模：建立机器人整机有限元模型，计算整机综合刚度Kw以及三方向刚度Kx、Ky、Kz；
S2：子结构划分：将机器人按照杆件和关节分割成i各子结构，子结构包括底座1、转座2、大臂3、连杆一4、连杆二5、连杆三6、小臂7、手腕体8；
S3：调整子结构刚度参数：通过有限元模型中调整各子结构刚度参数，在机器人末端加载三方向分力：Fx＝200N、Fy＝-500N以及Fz＝-200N，计算调整后的整机综合刚度K’w以及三方向刚度K′x、K′y、K′z，如表1所示；
表1调整前后刚度对照表
Figure BDA0002399210340000031
Figure BDA0002399210340000041
S4：a：分别求取各子结构占整机的质量占比系数，得出如下质量占比系数矩阵θ：
θ(1～8)＝[0.2109 0.2157 0.0784 0.0193 0.0237 0.0176 0.0421 0.0332]
b：计算整机刚度变化量：基于以上结果并计算各子结构对于整机刚度的贡献度系数以及三方向刚度的贡献度系数，得到DKw及DK；
Figure BDA0002399210340000042
DKw＝[0.0804 0.3901 2.0078 0.0346 0.0988 0.2428 1.0439 0.0424]
S5：判断设计是否合理：根据已有评价标准，判断各子结构刚度是可否有轻量化空间或设计风险，对整机刚度贡献度系数DKw项量中各值求取平均值，可得为0.4926，该值小于1，即目前整机综合刚度过设计，有轻量化空间；
S6：结构优化：若有可轻量化空间可进行结构有限元优化，减小刚度过设计，针对设计风险子结构需要进一步的结构有限元校核：
a：进一步观察三方向刚度贡献度系数DK，在Z方向上刚度贡献度系数最大的转座，其贡献系数为0.6191，该值小于1，因此可考虑进行轻量化设计，同理可针对其余部件分别进行结构有限元优化和校核；
b：所有子结构优化完毕后重新计算新模型的，重新计算各子结构对整机综合刚度以及三方向刚度的贡献度系数D′Kw及D′K；
Figure BDA0002399210340000043
D′Kw＝[0.1766 0.3891 2.8714 0.1256 0.0831 0.1383 0.7629 0.1117]
c：对整机刚度贡献度系数D′Kw项量中各值求取平均值，可得为0.5823，相对于原有的0.4926提升了约18.2％，即优化后整机刚度过设计现象有所改善；
d：进一步观察D′Kw，Z方向上刚度贡献度系数最大的转座，其贡献系数为0.6658，相对于优化前的0.6191有所增加，提升了7.5％，表明拓扑优化后转座的过设计有所改善。
综合以上步骤，即可表明，经过本发明方法的实施后，该型机器人的整机刚度设计更加合理。
所述的步骤S1中的建模是在选定任一工作位姿进行整机有限元建模。
通过有限元技术手段在机器人设计初期针对整机及零部件的刚度设计合理性进行校验和识别，从而有针对性的对相应零部件进行刚度优化或风险校核。本发明的实现能为机器人设计提供新的方法和思路，大大提升机器人产品开发速度和质量，基于此提升国产机器人的市场竞争力。
所述的步骤S1中整机综合刚度以及三方向刚度均为机器人末端点在单位力的加载条件下的位移响应。
所述的步骤S2中子结构在有限元模型中需要为独立的零部件。
所述的步骤S3子结构刚度参数针对不同零部件有不同表征形式，即连杆子结构为连杆的弹性模量，关节子结构为关节的扭转刚度。
所述的步骤S5贡献度系数为利用归一化方法计算得出，即先计算出各子结构质量在整机中的质量占比系数，然后计算各子结构单位质量材料对整机的刚度贡献度系数。
所述的步骤S6结构有限元优化为拓扑优化技术。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其特征在于：其具体步骤如下：
S1：初始模型有限元建模：建立机器人整机有限元模型，计算整机综合刚度Kw以及三方向刚度Kx、Ky、Kz；
S2：子结构划分：将机器人按照杆件和关节分割成i各子结构；
S3：调整子结构刚度参数：在有限元模型中调整各子结构刚度参数，计算调整后的整机综合刚度K’w以及三方向刚度K′x、K′y、K′z；
S4：计算整机刚度变化量：基于以上结果并计算各子结构对于整机刚度的贡献度系数以及三方向刚度的贡献度系数，得到DKw及DK；
S5：判断设计是否合理：根据已有评价标准，判断各子结构刚度是可否有轻量化空间或设计风险；
S6：结构优化：若有可轻量化空间可进行结构有限元优化，减小刚度过设计，针对设计风险子结构需要进一步的结构有限元校核。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S1中的建模是在选定任一工作位姿进行整机有限元建模。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S1中整机综合刚度以及三方向刚度均为机器人末端点在单位力的加载条件下的位移响应。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S2中子结构在有限元模型中需要为独立的零部件。
5.根据权利要求1所述的一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S3子结构刚度参数针对不同零部件有不同表征形式，即连杆子结构为连杆的弹性模量，关节子结构为关节的扭转刚度。
6.根据权利要求1所述的一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S5贡献度系数为利用归一化方法计算得出，即先计算出各子结构质量在整机中的质量占比系数，然后计算各子结构单位质量材料对整机的刚度贡献度系数。
7.根据权利要求1所述的一种基于有限元技术的工业机器人整机刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S6结构有限元优化为拓扑优化技术。
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