桁架機器人動態特性分析及實驗研究

陳 駿，陳 威

(安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237010)

0 引言

機器人在運行狀態時其性能具有不穩定性，使用條件和環境的變化都會對其造成影響，因此有必要對機器人的動態特性進行分析和研究。

本文對桁架機器人進行模態分析，在此基礎上進行系統動力學特性實驗，對采集的信號進行處理分析，研究工作速度和負載情況下對機器人動態特性的影響。

1 桁架機器人結構組成

桁架機器人由本體、驅動系統和控制系統組成，如圖1所示。其中本體包括橫梁、導軌、十字滑座、立柱和基座等[1]。

圖1 桁架機器人本體結構示意圖

作為本文研究對象的桁架機器人可實現沿X、Z軸方向的直線運動和手爪沿Z軸的擺動。其直線運動由交流伺服電機通過行星減速機驅動斜齒輪與固定于X向橫梁上的齒條作滾動，驅動十字滑座和Z向滑枕沿導軌快速運動[2]。

2 桁架機器人動態性能分析

2.1 模態分析基本理論

機械系統的動態特性即系統結構的動態特性，是表示結構動態特征的基本物理量，一般指結構的固有頻率和振型[3]。通常采用模態分析的方法研究結構的動態特性，在有限元軟件中的操作步驟依次為模型構建、加載求解、擴展模態和模態后處理。為提高仿真精度并縮短求解時間，需對模型結構進行簡化和特征刪除[4]。

2.2 運行狀態下的機器人模態分析

選取運行狀態下的機器人進行模態分析，在ANSYS Workbench中提取Modal模塊導入三維模型文件，十字滑座和Z向滑枕選取鋁合金材料，其他均為結構鋼，立柱與地面之間添加固定約束作為邊界條件。求解得到的桁架機器人前6階固有頻率和振型如表1和圖2所示。

表1 桁架機器人前6階固有頻率

由圖2可知，1階振型表現為機器人整機沿Y軸方向的來回擺動；2階振型表現為機器人整機沿X軸方向的擺動；3階振型表現為機器人整機繞豎直中心的扭轉；4階振型表現為機器人X向橫梁沿Y軸方向的擺動；5階振型表現為機器人Z向滑枕沿X軸方向的擺動和X向橫梁的上下擺動；6階振型表現為機器人整機繞豎直中心的扭轉與Z向滑枕沿Y軸方向擺動的耦合振動。

3 桁架機器人系統動力學特性實驗研究

3.1 實驗目的

機器人Z向滑枕末端的振動與齒輪齒條嚙合有關，為排除機構耦合的影響，研究工作速度和負載變化情況下的機器人系統動力學特性。

3.2 實驗變量控制及信號采集

機器人手爪系統中安裝有兩套手爪，采用改變抓取工件的質量和抓取組合方式可以實現控制負載。抓取組合方式如表2所示。其中:①為質量3.5 kg的工件；②為質量1.5 kg的工件。

振動信號采集系統如圖3所示，機器人系統的振動信號由加速度傳感器獲取，將其轉換成電壓信號經輸出同軸電纜線輸入數據采集卡中進行A/D轉換，最終傳送至計算機中以波形圖顯示。

3.3 實驗方案

在動力學特性實驗中，機器人必須以相同的運動軌跡完成整個行程，且在溫度、濕度相對穩定的環境內完成整個實驗。由于實驗條件的限制以及為了保護傳感器，將傳感器連同基座粘接在十字滑座上。

默認水平向右為X軸正方向，設定機器人運動軌跡為從原點O′沿X軸正方向運動2 000 mm至A點停止，如圖4所示。采集由原點O′至A點過程中機器人系統三個方向的加速度數據。

在不同實驗條件下采集振動信號進行處理分析，不同實驗條件設置如表3所示。

圖3振動信號采集系統圖4桁架機器人實驗運動軌跡

表3 動力學特性實驗條件

3.4 振動信號時域分析

通過時域分析可以提高信噪比，求取振動信號波形在不同時刻的相似性和關聯性。

當機器人抓取負載為3.5 kg，得到工作速度分別為25 mm/s、100 mm/s、200 mm/s、300 mm/s時系統三個方向的加速度時域波形,如圖5所示。當機器人工作速度為200 mm/s，得到抓取負載分別為1.5 kg、3.5 kg、5 kg、7 kg時系統三個方向的加速度時域波形，如圖6所示。

圖5 不同工作速度下機器人系統加速度時域波形

由圖5和圖6可知，機器人系統在三個方向上的加速度幅值隨工作速度和負載的增大而增大，運行過程中有沖擊成分的存在；工作速度變化對機器人動態性能的影響比負載變化更加明顯。

圖6 不同負載下機器人系統加速度時域波形

4 結語

本文以桁架機器人為研究對象，采用有限元軟件對運行狀態下的機器人進行模態分析，得到系統易受影響的頻率范圍及結構變形趨勢。在此基礎上進行機器人系統動力學特性實驗，采集不同實驗條件下的振動信號進行時域分析，得到機器人系統動力學特性變化趨勢，通過比較可知工作速度變化對機器人動態性能的影響比負載變化對機器人動態性能的影響更加明顯。

參考文獻：

[1] 權占群,張樹禮.桁架機械手及在柔性加工自動線上的應用[J].金屬加工，2014 (12)：23-25.

[2] 叢明, 石會立, 宋鴻升,等. 桁架機械手動態特性的有限元分析[J]. 組合機床與自動化加工技術，2008(6):19-22.

[3] 苗登雨. 重載搬運機器人結構設計與動態性能分析優化[D]. 合肥:合肥工業大學, 2014: 39-40.

[4] 王鑫. 四自由度高速重載工業機器人動態特性的研究[D]. 秦皇島:燕山大學, 2014： 29-34.