柔性制造單元中機器人行走系統的實驗模態分析

張鵬飛，張伯俊

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

柔性制造單元中機器人行走系統的實驗模態分析

張鵬飛，張伯俊

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

介紹了柔性制造單元中機器人行走系統的結構設計。通過機械結構動態設計的主要途徑——實驗模態分析法（EMA）對設計結果進行了研究，并結合有限元模態分析法（FEM）對2種分析結果進行了比較。通過實驗模態分析以及對比結果，能夠有效地識別出行走系統的薄弱部位，為行走系統的優化設計和動態性能的提高奠定了理論基礎。

柔性制造單元；機器人行走系統；實驗模態分析

柔性制造單元是將工業機器人安裝在行走運輸底座上，可以使得工業機器人同時具有移動和操作的功能，從而實現物料在各個生產設備單元之間的搬運、存儲和交換。目前，柔性制造單元已經在工業生產過程中廣泛應用，例如德國Honsberg公司的柔性制造生產線中使用了大型龍門式工業機械手，瑞典沃爾沃（Valov）公司使用了工業機械手環形磨輪裝置，我國沈陽市第一水泵廠使用泵體全自動加工生產線，中國重汽集團濟南橋箱有限公司使用轉向節和轉速器殼體2條全自動生產線等。模態分析法作為研究此類機械結構動態性能、驗證其設計合理性的最快速、高效的一類方法，也得到了廣泛的應用和發展。其中實驗模態分析法可以模擬機械結構在實際工作狀態下所經受的振動，通過測試振動響應數據，得出更加符合實際情況和邊界條件的測試結果，同時也可以驗證有限元分析的合理性。目前，國內南京航空航天大學振動工程研究所、中國振動協會都在致力于研究實驗模態分析、工作模態參數識別的相關工作。本文以某公司研制的用于柔性制造車間物流運輸單元的機器人行走系統為例，通過有限元法和實驗法對系統進行模態分析，并將分析結果和有限元分析結果進行比較[1-2]，從而對機器人行走系統的動態性能研究和優化設計提供技術支持。

1 實驗法模態分析

本文中行走系統的工作對象為安川ES165D工業機器人。圖1為機器人行走系統的三維模型，圖中顯示機器人行走導軌由多段鑄鐵底座拼裝而成，分布多個支撐點，采用滾珠直線導軌作為運動導軌。而機器人行走系統主要由驅動系統、工作臺、運輸底座、滑塊、導軌、直線運動及定位檢測機構等共同組成。

圖1 ES165D工業機器人行走系統的實體與三維模型

1.1 實驗儀器

本次模態分析實驗用到的主要儀器和分析系統包括：美國PCB公司力傳感器、加速度傳感器、模態力錘和LMS Test 9A振動噪聲分析測試系統。

1.2 實驗方案

本實驗模態測試分析系統的組成如圖2所示。主要包括激振系統、測量系統和數據分析處理3個部分組成。其中激振主要是通過模態力錘對行走系統的激振點進行敲擊來完成的，當機器人行走系統受到錘擊時，本身結構會產生振動，同時各加速度傳感器可以測得結構的響應。系統的響應信號與輸入信號通過傳感器經過電荷放大器傳送到LMS數據采集分析系統，由數據采集分析系統進行結構特性參數的識別。

圖2 實驗系統的分析示意圖

1.3 激勵方式、測試點和激振點的選擇

激勵裝置為美國PCB公司的模態力錘，使用該模態力錘對機器人行走系統進行單個激振點激振、多個測試點采樣的方式來進行錘擊激勵。對于像機床等中小型結構的工程機械，可以看作是一個有無限多個自由度的振動系統，對應的固有頻率存在無限多個振型，高階振型對應的剛度和阻尼值都較大，因此對系統結構動態特性影響較小，并且高頻段的特性測量難以得到準確的結果。所以，測試點的布置應盡可能地選擇能夠激發低階振型的位置[3-4]。整體上激振點的選擇要遵循以下幾點：測試點應該布置在結構易發生振動變形的部位，并且該部位能夠明確顯示試驗頻段內的所有模態的變形特征，以及各模態振型之間的變形區別；測量點的布置要包含所有關心的結構點；布點時應考慮到測試的可行性，避開不便于傳感器安裝的測試點。圖3為在LMS軟件中的Geometry模塊中建立的機器人行走系統模態實驗測試點布置的模型圖。測試位置為各條直線的交點，整個機器人行走系統共布置了38個測試點，其中在機器人上布置了14個測試點，工作臺上布置了8個測試點，運輸底座布置了16個測試點。

圖3 工業機器人行走系統測試點模型圖

2 實驗數據及分析

選擇合適的測試點，可以在LMS Impact Testing模塊中分析這些測試點在X、Y、Z 3個方向上的相關函數曲線圖，可以發現這些測試點在X方向的相干函數在低頻段和高頻段受到環境的影響比較明顯，而在其余的頻段內的相關性都近似為1，這說明了輸出信號是由輸入信號引起的[5]。將LMS Impact Testing模塊中測得的數據導入到Modal Analysis模塊中進行模態參數的提取和分析。圖4為基于LSCE（最小二乘復數法）的極點穩態圖。圖中S表示穩定，S點越多穩態性越好。故選取圖中S所占比例多的極點，該極點的頻率和振型即為結構的頻率和振型。

圖4 基于LSCE的穩態圖

表1為機器人行走系統結構的11階模態頻率及振型描述，在這11階模態頻率中，第3階頻率和第4階頻率、第6階頻率和第7階頻率、第8階頻率和第9階頻率、第10階頻率和第11階頻率，振型基本一致，但振幅略有差別，因此，可以認為是同一階模態。將有限元模態分析的結果和實驗模態分析的結果中頻率相差不大且對應的振型大體一致的模態提取出來進行比較，比較結果如表2所示，并以實驗模態振型和有限元模態振型等為例進行說明，如圖5所示。

表1 各階實驗頻率階振型描述

表2 有限元模態分析頻率與實驗模態分析頻率對比表

由表2可以看出，有限元分析與實驗分析除第1、2階頻率結果相差較大以外（分別為 111.2%和60.57%），其余各個階次頻率結果的差值均小于20%。并且從第7階之后，差值已低于10%。前兩階差值較大的原因是在建立機器人行走系統有限元模型時，對機器人各個關節、減速機連接處近似認為是剛性連接，并且對減速機進行簡化所造成的。整體來看，前10階平均差值為25.47%，其中第3階至第10階的平均差值僅為10.36%。結合實驗模態分析的結果可以看出，相應結構的簡化并未影響對整個行走系統剛度的分析。因此，可認為本文建立的機器人行走系統的有限元模型是合理的。

結合機器人行走系統的實驗振型圖和有限元模態分析振型圖可以看出，機器人行走系統具有較高的剛度，從實驗振型圖和有限元振型圖中均可看出，機器人行走系統的運輸底座并未發現明顯的薄弱部位。整個機器人行走系統的薄弱環節發生在機器人腕部和與手抓相連接的部位，引起這一部位剛度不足的原因是機器人手抓和腕部的結構尺寸相對于整個機器

圖5 實驗模態分析和有限元模態分析振型圖的比較

人行走系統其他部件的結構尺寸相對較小。因此，要提高整個機器人行走的剛度，可以通過增大機器人腕部手抓的結構尺寸來實現。

3 結束語

本文介紹了柔性制造單元中機器人行走系統的結構特點，并且利用LMS振動噪聲測試分析系統通過錘擊法對整個機器人行走系統進行了模態分析實驗，得出了機器人行走系統的各階頻率和振型。通過與有限元模態分析結果進行比較，得出由于相應部件的簡化，前兩階頻率差值百分比較大，但其余差值百分比均小于20%，驗證了建立的有限元模型的合理性，找出了機器人行走系統結構的薄弱部位，獲得了結構改進及優化的設計依據。

［1］ 張力，林建龍，項輝宇．模態分析與實驗［M］．北京：清華大學出版社，2011：132-133．

［2］ VIVO A，BRUTTI C，Leofanti J L．Modal shape identification of large structure exposed to wind excitation by operational modal analysis technique［J］．Mechanical Systems and Signal Processing，2013（6）：443-447．

［3］ 李奎．基于結合面參數的高檔數控機床動態特性分析與優化［D］．南京：南京理工大學，2007．

［4］ 李柳林．機器人樣機設計制造及振動測試［D］．南京：廣西大學，2012：4-6.

［5］ 張金才．臥式精密數控加工中心結構動態特性分析與修改［D］．天津：天津大學，2010．

［6］ 楊天時，張伯俊.柔性制造系統中機器人行走系統的結構設計［J］．天津職業技術師范大學學報，2013，23（3）：26-28.

Experimental modal analysis of robot walking system in flexible manufacturing system

ZHANG Peng-fei，ZHANG Bo-jun
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

This paper first introduces the structure design of the robot walking system in a flexible manufacturing cell.Then through the main way of dynamic design of mechanical structure——the experimental modal analysis method (EMA)，the results of design were studied.And combined with the finite element modal analysis method (FEM)，these two kinds of analysis results were compared.The results of experimental modal analysis and comparing，which can effectively recognize the weak parts of the walking system，lay a good foundation for the optimized design of the walking system and improvement in dynamic performance of the walking system.

flexible manufacturing systems；walking robot system；experiment modal analysis

TP242

A

2095－0926（2014）03－0005－03

2014-04-22

張鵬飛（1988—），男，碩士研究生；張伯俊（1956—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為車輛動力學仿真.