轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法，包括获取轨道式巡检机器人驱动机构部件的材料属性与尺寸；利用有限元法参数化技术建立三维模型并对主要结构尺寸做参数化处理；施加材料属性并建立备用材料库；施加边界条件并对关键位置的链接关系做参数化处理；对三维模型做有限元网格划分获得有限元模型；对轨道式巡检机器人驱动机构做动力学分析并得到分析结果；判断结构最大等效应力和最大变形是否符合预设条件。本发明专利技术解决了传统巡检机器人开发过程中，结构优化时重复性设计和加工样件造成的重复工作和时间，针对不同优化方案避免做多次重复试验验证，从而缩短了研发和优化时间，节省了开发经费，并提高了分析精度。

【技术实现步骤摘要】
轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法
：本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法。
技术介绍
：随着电力系统规模的发展，对电力线路的安全运行和供电可靠性的要求越来越高。为了保障电力系统的正常运转，电力巡检已经成为电力从业人员重要的日常工作之一。人工电力巡检劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一，且存在一定的漏检风险。而轨道式巡检机器人可代替人工，实现实时的在线巡检。轨道式巡检机器人主要包括驱动机构、升降机构、刹车机构、控制模块、信息采集单元等。而驱动机构是巡检机器人的运动核心部件，主要用于驱动整个机器人沿导轨方向的行走。驱动机构的动力学响应性能是影响巡检机器人正常工作的关键，但现在国内外主要关注在驱动机构控制模块的设计和开发，驱动机构的优化主要通过重复性试验或改变驱动机构的关键部件的几何尺寸，不断重新建立几何模型，通过比较不同的静力学分析结果后再做优化。通过对现有技术的研究，申请人发现现有技术存在以下问题：对于更改驱动机构的关键尺寸来说，仅仅是从静力学角度做分析，并没有考虑动力学方面的影响。更改驱动机构的关键尺寸，通过多次重复建模和计算，做到尽量降低驱动机构的最大等效应力和最大变形，并不能实现驱动机构的理论最佳优化结果。并没有考虑驱动机构中接触区域的不同摩擦系数和不同材料对动力学分析结果的影响。驱动机构优化时，重复建模引起的重复工作，不仅浪费很多时间，而且会引入建模误差。
技术实现思路
：r>本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种无需重复建模就能够得到优化分析结果的轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法，包括如下步骤：步骤S101：从设计图中获取巡检机器人的驱动机构的驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的材料属性与尺寸；步骤S102：根据S101获取的尺寸，利用三维建模软件对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨建立三维几何模型并导入有限元软件，然后对主要结构尺寸做参数化处理；步骤S103：根据S101获取的材料属性，利用有限元软件建立材料库，同时建立备选材料的材料库，然后对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的几何模型赋予材料属性；步骤S104：利用有限元软件，对步骤S103的几何模型建立边界条件，并对关键位置的边界条件做参数化处理；步骤S105：利用有限元软件，将步骤S104的三维几何模型进行有限元网格划分，使有限元网格模型的参数与驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的参数相匹配，得到驱动机构的有限元网格模型；步骤S106：利用有限元软件，对有限元网格模型做动力学分析，得到驱动机构的动力学分析结果；步骤S107：判断驱动机构的最大等效应力和最大变形结果是否符合预设条件，如果否，进入步骤S108；如果是，则结束；步骤S108：更改有限元软件中驱动机构的几何尺寸和摩擦系数参数，同时考虑不同材料对结果的影响，从而对设计方案进行优化，返回步骤S106重新计算。作为一种优选，步骤S101中，巡检机器人的驱动机构的驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的材料属性与尺寸。采用这种方法后，获得巡检机器人驱动机构的基本初始数据，为下一步的计算做准备。作为一种优选，步骤S102中，根据S101获取的尺寸，利用三维建模软件对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨建立三维几何模型并导入有限元软件，然后对主要结构尺寸做参数化处理。采用这种方法后，建立驱动机构的三维几何模型，然后将三维几何模型文件转为中间格式文件，再导入有限元分析软件；然后对主要结构尺寸，如驱动轮组的主动轮和从动轮的外径尺寸，齿轮组的轴径尺寸，支架的长、宽、高尺寸，支架的立板、侧板的长宽厚度尺寸，行走导轨的内槽长、宽和厚度的尺寸做参数化处理，为动力学优化分析做准备。作为一种优选，步骤S103中，根据S101获取的材料属性，利用有限元软件建立材料库，同时建立备选材料的材料库，然后对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的几何模型赋予材料属性。采用这种方法后，确定所有零部件的材料属性，将此材料属性附加到对应的几何模型上，划分有限元网格时，可直接获得几何模型的材料属性；同时，通过建立备选的材料库，可实现在做动力学优化分析时，考察关键部件被赋予不同材料属性后，对动力学分析结果的影响。作为一种优选，步骤S104中，利用有限元软件，对步骤S103的几何模型建立边界条件，并对关键位置的边界条件做参数化处理。采用这种方法后，确定所有零部件的外载荷和约束方式，通过对关键位置的边界条件做参数化处理，可为动力学优化分析做准备。作为一种优选，步骤S105中，利用有限元软件，将步骤S104的三维几何模型进行有限元网格划分，使有限元网格模型的参数与驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的参数相匹配，得到驱动机构的有限元网格模型。采用这种方法后，确定建驱动机构所有部件的有限元网格模型，这样就可以完成优化分析的前处理了。作为一种优选，步骤S106中，利用有限元软件，对有限元网格模型做动力学分析，得到驱动机构的动力学分析结果。采用这种方法后，可获得动力学分析结果最大等效应力值和最大变形值，用于判断分析结果是否符合预设条件。作为一种优选，步骤S107中，判断驱动机构的最大等效应力值和最大变形值结果是否符合预设条件，如果否，进入步骤S108；如果是，则结束。采用这种方法后，将最大等效应力值与最大变形值和预设条件相比较，作为判断是否需要做动力学优化的依据。作为一种优选，步骤S108中，更改有限元软件中驱动机构的几何尺寸和摩擦系数参数，同时考虑不同材料对结果的影响，从而对设计方案进行优化，返回步骤S106重新计算。采用这种方法后，可确定通过优化驱动机构的尺寸、摩擦系数参数，不同材料属性，使驱动机构的最大等效应力值和最大变形值不超过预设范围。作为一种优选，采用ANSYS软件中的参数化和优化分析工具。总的说来，本专利技术具有如下优点：1.该方法成功地利用有限元法参数化和优化分析技术实现了参数化建立驱动机构的驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的几何模型，同时建立备选材料库，并施加了边界条件，而且在关键位置设置参数化摩擦系数，建立了有限单元，计算动力学结果；以预设条件为基础，逐步迭代优化动力学分析结构；这种方法实现了分析流程简化，便于新产品开发的指导；2.该方法成功地利用有限元法参数化和优化分析技术，通过修改程序中的几何模型尺寸、摩擦系数、材料属性等，逐步逼近最优结果，避免了传统动力学分析中针对不同结构重复建模引起的重复工作和建模误差，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S101：从设计图中获取轨道式巡检机器人的驱动机构的驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的材料属性与尺寸；/n步骤S102：根据S101获取的尺寸，利用三维建模软件对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨建立三维几何模型并导入有限元软件，然后对结构尺寸做参数化处理；/n步骤S103：根据S101获取的材料属性，利用有限元软件建立材料库，同时建立备选材料的材料库，然后对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的几何模型赋予材料属性；/n步骤S104：利用有限元软件，对步骤S103的几何模型建立边界条件，并对关键位置的边界条件做参数化处理；/n步骤S105：利用有限元软件，将步骤S104的三维几何模型进行有限元网格划分，使有限元网格模型的参数与驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的参数相匹配，得到驱动机构的有限元网格模型；/n步骤S106：利用有限元软件，对有限元网格模型做动力学分析，得到驱动机构的动力学分析结果；/n步骤S107：判断驱动机构的最大等效应力和最大变形结果是否符合预设条件，如果否，进入步骤S108；如果是，则结束；/n步骤S108：更改有限元软件中驱动机构的几何尺寸和摩擦系数参数，同时考虑不同材料对结果的影响，从而对设计方案进行优化，返回步骤S106重新计算。/n...

【技术特征摘要】
1.一种轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101：从设计图中获取轨道式巡检机器人的驱动机构的驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的材料属性与尺寸；
步骤S102：根据S101获取的尺寸，利用三维建模软件对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨建立三维几何模型并导入有限元软件，然后对结构尺寸做参数化处理；
步骤S103：根据S101获取的材料属性，利用有限元软件建立材料库，同时建立备选材料的材料库，然后对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的几何模型赋予材料属性；
步骤S104：利用有限元软件，对步骤S103的几何模型建立边界条件，并对关键位置的边界条件做参数化处理；
步骤S105：利用有限元软件，将步骤S104的三维几何模型进行有限元网格划分，使有限元网格模型的参数与驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的参数相匹配，得到驱动机构的有限元网格模型；
步骤S106：利用有限元软件，对有限元网格模型做动力学分析，得到驱动机构的动力学分析结果；
步骤S107：判断驱动机构的最大等效应力和最大变形结果是否符合预设条件，如果否，进入步骤S108；如果是，则结束；
步骤S108：更改有限元软件中驱动机构的几何尺寸和摩擦系数参数，同时考虑不同材料对结果的影响，从而对设计方案进行优化，返回步骤S106重新计算。


2.根据权利要求1所述的轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法，其特征在于：步骤S101中，轨道式巡检机器人的驱动机构的驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的材料属性包括驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的密度、弹性模量、泊松比；驱动机构的驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的尺寸包括驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨的长、宽、高与相关的关键部位尺寸与尺寸公差。


3.根据权利要求1所述的轨道式巡检机器人驱动机构动力学优化仿真分析方法，其特征在于：步骤S102中，利用三维建模软件对驱动电机、电机减速器、齿轮组、驱动轮组、深沟球轴承、支架和导轨建立三维几何模型并导入有限元软件，需要将三维软件模型转为中间格式的文件，再导入有限元软件；对结构尺寸做参数化处理中的结构尺寸包括驱动轮组的主动轮和从动轮的外径尺寸，齿轮组的轴径尺寸，支架的长、宽、高尺寸，支...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕清涛，姚佳佳，季松林，
申请(专利权)人：江苏骠马智能工业设计研究有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32