一种机械臂关节静刚度特性的仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种机械臂关节静刚度特性的仿真方法及系统，涉及机械臂关节静刚的有限元仿真分析技术领域，为解决现有的有限元分析方法针对机械臂关节的建模分析过程复杂，并且计算量大、效率低的问题。本发明专利技术采用有限元仿真进行实施，包括：构建机械臂关节结构模型，模型包括机械臂结构件、轴承及钢带；对轴承的静刚度进行仿真计算，构建衬套单元以简化代替轴承；在所述钢带上施加预紧力进行仿真计算，以模拟钢带实际预紧状态；将机械臂结构件、所述衬套单元和带预紧力的钢带进行装配得到关节验证模型，对机械臂关节静刚度进行仿真计算。本发明专利技术全面、准确的对机械臂关节静刚度进行建模分析，适用于多种有限元分析软件，设计合理。设计合理。设计合理。

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂关节静刚度特性的仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及机械臂关节静刚的有限元仿真分析
，具体而言，涉及一种机械臂关节静刚度特性的仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]机械臂是面向工业领域的多关节机械手，机械臂是每个工业机器人机械手的关键部件，工业机器人机械手臂重要的特点是重量与最大负载比。所述比率的最小化只能通过减少机器人操作器的重量来实现。这也将增加有效载荷能力。然而，这将必须在不严重损害静态刚度或最大允许偏差的个别联系。但在当今经济形势下，工业机器人的重量及其对初始和运营成本的影响，无论是制造商还是最终用户都非常关注。因此，组件的机器人组装要考虑优化包括工业机器人机械手臂部件。优化的结构设计的结构的工业机器人必须满足一定的标准，关于尺寸设计和形状，材料消耗和适应这一功能的要求。为了改善工业机器人结构的静态和动态特性，必须满足以下要求：最小重量结构；结构构件的最大静刚度；末端执行器的精确度。
[0003]工业机器人手臂刚度变得越来越重要，在各个领域中，机械臂关节的刚度特性都是主要的结构技术指标。这种刚度的保证能为机械臂的动态耦合效应减轻、载荷与动态应力降低带来有利的支持，同时也能提升机械臂的控制性能与响应精度，以满足设计需求。因此，如何在设计阶段获取关节刚度特性变得尤为重要。
[0004]在对机械臂进行刚度测量时，目前已有的方法几乎都是对机械臂的末端施加负载的数学方法测量方式，对整个机械臂的刚度进行测试，而对于每个关节的刚度，目前都是在对机械臂的末端施加负载后，通过建立数学模型，再对每个关节进行计算求解，无法在机械臂的设计阶段获取机械臂关节刚度，而通过有限元建模分析方法，可以较为准确的模拟机械臂关节的受载变形，但需考虑机械臂关节内部结构、接触状态等多种因素的影响，建模过程复杂，并且由于涉及非线性的接触计算，计算量大，效率低。为解决上述问题，亟需一种仿真精度大，快速方便的有限元建模分析方法，以分析机械臂关节静刚度特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：
[0006]现有的有限元分析方法针对机械臂关节的建模分析过程复杂，并且计算量大、效率低的问题。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种机械臂关节静刚度特性的仿真方法，采用有限元仿真进行实施，包括：
[0009]构建机械臂关节结构模型，模型包括机械臂结构件、轴承及钢带；
[0010]对轴承的静刚度进行仿真计算，构建衬套单元以简化代替轴承；
[0011]在所述钢带上施加预紧力进行仿真计算，以模拟钢带实际预紧状态；
[0012]将机械臂结构件、所述衬套单元和带预紧力的钢带进行装配得到关节验证模型，对机械臂关节静刚度进行仿真计算。
[0013]进一步地，构建机械臂关节结构模型包括：分别构建机械臂结构件、轴承及钢带的三维模型，分别对所述机械臂结构件、轴承及钢带进行有限元网格划分，分别设置机械臂结构件、轴承及钢带各部件的材质属性。
[0014]进一步地，采用4面体网格对机械臂结构件进行有限元网格划分，采用6面体网格对轴承和钢带进行有限元网格划分。
[0015]进一步地，所述轴承的三维模型只保留轴承内圈、外圈与滚动体。
[0016]进一步地，对轴承进行网格划分中，轴承内、外圈的网格基本尺寸确定方法为：轴承外圈厚度的1/4，滚动体的网格基本尺寸确定方法：滚动体直径的1/10。
[0017]进一步地，所述对轴承的静刚度进行仿真计算，包括如下步骤：
[0018]步骤1.赋予轴承内、外圈及滚动体对应的材料应力
‑
应变曲线；
[0019]步骤2.约束轴承外圈外表面的6个方向自由度；
[0020]步骤3.抓取轴承内圈内表面，在抓取点上施加径向位移、轴向位移或垂直于轴承轴线的角位移，释放约束点该方向的自由度，并约束抓取点的其他5个方向自由度；
[0021]步骤4.约束滚动体与保持架接触面上节点的轴向与环向自由度，只释放其径向自由度；
[0022]步骤5.设置动力学参数，调节质量缩放参数，保证轴承仿真模型中动能占内能的5％以下，将轴承整体模型设置为单元外表面自接触关系；
[0023]步骤6.提交计算；
[0024]步骤7.提取加载点的力与位移曲线，获得刚度曲线；
[0025]步骤8.根据轴承的刚度曲线，构建出衬套单元用以简化代替轴承。
[0026]进一步地，在所述钢带上施加预紧力进行仿真计算中，将钢带轮与钢带接触部分设置接触关系。
[0027]进一步地，所述对机械臂关节静刚度进行仿真计算，包括如下步骤：
[0028]步骤1.设置边界条件对所述关节验证模型进行约束加载；
[0029]步骤2.提交计算，求取位移
‑
力的关系；
[0030]步骤3.通过对照试验获取机械臂关节的位移
‑
力的关系，对模型进行标定，计算出仿真与试验的偏差值；
[0031]步骤4.将所述偏差值带入所述衬套单元的刚度曲线进行补偿修正；
[0032]步骤5.将关节验证模型中的机械臂结构件转化成刚性体，重新计算模型X/Y/Z三个平动方向力与位移的对应关系，以及TX/TY/TZ三个转动方向扭矩与转角的对应关系，获取六项刚度曲线；
[0033]步骤6.利用六项刚度构建关节衬套单元，再将衬套单元带入仿真模型中，形成包括机械臂结构件有限元和关节衬套单元的最终模型，提交计算，得到机械臂关节静态刚度结果。
[0034]一种机械臂关节静刚度特性的仿真系统，包括：
[0035]机械臂关节结构模型构建模块，用于构建机械臂关节结构模型，模型包括机械臂结构件、轴承及钢带；
[0036]轴承静刚度仿真计算模块，用于对所述轴承的静刚度进行仿真计算，构建衬套单元以简化代替轴承；
[0037]钢带仿真计算模块，用于在所述钢带上施加预紧力进行仿真计算，以模拟钢带实际预紧状态；
[0038]机械臂关节静刚度进行仿真计算模块，用于将机械臂结构件、所述衬套单元和带预紧力的钢带进行装配得到关节验证模型，对机械臂关节静刚度进行仿真计算。
[0039]相较于现有技术，本专利技术的有益效果是：
[0040]本专利技术一种机械臂关节静刚度特性的仿真方法及系统，考虑了机械臂中结构件刚度的影响、机械臂中钢带预紧的影响、轴承刚度的影响，同时考虑了几何非线性、材料非线性及接触非线性的影响，及关节中间隙带来的影响；全面、准确的对机械臂关节静刚度进行建模分析，关节简化后，使用力
‑
位移曲线的方式描述关节刚度的非线性变化；带入整机，基本不影响计算时间；相较于刚性连接，仿真精度大幅提升。本专利技术方法适用于多种有限元分析软件，在有限元仿真中将各因素综合考虑，设计合理。
附图说明
[0041]图1为本专利技术实施例中机械臂关节三维模型图；
[0042]图2为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂关节静刚度特性的仿真方法，其特征在于，采用有限元仿真进行实施，包括：构建机械臂关节结构模型，模型包括机械臂结构件、轴承及钢带；对轴承的静刚度进行仿真计算，构建衬套单元以简化代替轴承；在所述钢带上施加预紧力进行仿真计算，以模拟钢带实际预紧状态；将机械臂结构件、所述衬套单元和带预紧力的钢带进行装配得到关节验证模型，对机械臂关节静刚度进行仿真计算。2.根据权利要求1所述的所述机械臂关节静刚度特性的仿真方法，其特征在于，构建机械臂关节结构模型包括：分别构建机械臂结构件、轴承及钢带的三维模型，分别对所述机械臂结构件、轴承及钢带进行有限元网格划分，分别设置机械臂结构件、轴承及钢带各部件的材质属性。3.根据权利要求2所述的所述机械臂关节静刚度特性的仿真方法，其特征在于，采用4面体网格对机械臂结构件进行有限元网格划分，采用6面体网格对轴承和钢带进行有限元网格划分。4.根据权利要求3所述的所述机械臂关节静刚度特性的仿真方法，其特征在于，所述轴承的三维模型只保留轴承内圈、外圈与滚动体。5.根据权利要求4所述的所述机械臂关节静刚度特性的仿真方法，其特征在于，对轴承进行网格划分中，轴承内、外圈的网格基本尺寸确定方法为：轴承外圈厚度的1/4，滚动体的网格基本尺寸确定方法：滚动体直径的1/10。6.根据权利要求5所述的所述机械臂关节静刚度特性的仿真方法，其特征在于，所述对轴承的静刚度进行仿真计算，包括如下步骤：步骤1.赋予轴承内、外圈及滚动体对应的材料应力
‑
应变曲线；步骤2.约束轴承外圈外表面的6个方向自由度；步骤3.抓取轴承内圈内表面，在抓取点上施加径向位移、轴向位移或垂直于轴承轴线的角位移，释放约束点该方向的自由度，并约束抓取点的其他5个方向自由度；步骤4.约束滚动体与保持架接触面上节点的轴向与环向自由度，只释放其径向自由度；步骤5.设置动力学参数，调节质量缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：任国宝，姜喜耀，杜贞棉，苏衍宇，冯海生，
申请(专利权)人：哈尔滨思哲睿智能医疗设备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：