基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法技术

基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，本发明专利技术涉及六轴工业机器人动态性能优化方法。本发明专利技术为了解决机器人在高速运行过程中定位精度低的问题。本发明专利技术包括：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。本发明专利技术用于工业机器人领域。

Dynamic Performance Optimization Method of Six-Axis Industrial Robot Based on Finite Element Method

The present invention relates to a dynamic performance optimization method for six-axis industrial robots based on finite element method. The invention solves the problem of low positioning accuracy of the robot in the process of high-speed operation. The invention comprises the following steps: 1. determining the low-order modal frequency and stiffness distribution of each part; 2. optimizing the minimum stiffness of each part; 3. establishing the finite element model of a six-axis industrial robot; 4. determining the first six-order modal frequency of a six-axis industrial robot in three joint angle configurations; 5. modeling the rigid-flexible coupling dynamics of a six-axis Industrial robot. 6. Obtain the maximum stress node, the moment when the maximum stress occurs, the stress distribution diagram and the elastic offset of the end of each part of the six-axis industrial robot in the process of operation; 7. Compare with the design requirements of the six-axis industrial robot, if it meets the design requirements, it will end, otherwise, re-implement steps 1 to 6. The invention is used in the field of industrial robots.

【技术实现步骤摘要】
基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的有益效果为：本专利技术将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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术将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)。本专利技术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0.9615.78993.95173.03583.82155.1373第二版0.9942.23374.12973.39352.06865.1349第三版0.95612.17273.847本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞峰，王珂，仝勋伟，葛连正，邓鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23