工业机器人动力学仿真及有限元分析

工业机器人动力学仿真及有限元分析摘要：工业机器人在汽车、物流、机床、电子和化工工业等行业中被广泛应用，通常用于焊接、运输、装配、喷漆、码垛等工位。机器人技术的快速发展大大加快了自动化生产的进程。全球范围内工业机器人的数量在不断增加，特种作业是工业机器人的主要应用之一，它从一开始就大大改善了劳动力工作环境和产品质量，减少了劳动力，提高了生产效率并降低了生产成本，使劳动者技能需求下降，因此广泛应用于工业化，文章对工业机器人动力学和有限元模拟进行了分析。关键词：工业机器人；动力学；仿真；有限元分析引言机器人在我国的研究和应用已经有20多年，我国的机器人经历了从引进到自行研制的过程。目前为止，虽然我国现在具有高水平的机器人的技术和应用，并且在某种程度上达到了国际水平，但仍然存在精度和稳定性方面的不足。1工业机器人的静力学及动力学分析受力分析是机械系统设计分析中的一项根本任务。机器人臂杆形成一个开式连杆系，因此机器人的动力很大程度上取决于连杆的驱动器串联。这是因为每个臂杆的质量、臂端的力、各类惯性力和惯性力矩是密不可分的。机器人的设计为了优化，材料必须选择受力状态、结构设计和质量来分析平衡配置。机器人受力分析的控制器设计和动力学仿真奠定了基础。静态和动态力是机器人的受力。主要任务是研究机器人受力分析的从动力或从动扭矩与臂杆运动关系。其主要目的是获得机器人的控制。如果所述重量以臂末端所述的速度和加速度运输，且驱动力或驱动扭矩的量被确定以满足这一要求，则重量被包括在动态分析中。在计算因结构柔软而产生的动态误差和过载时，或者在驱动力或驱动扭矩的非线性耦合系数时，也需要进行运动分析。动力学分析为必要的运动学和运动学提供了依据，也为机械设计方法改进操作执行动力学提供了依据。2机器人运动学及动力学仿真近二十年来机器人被应用到各行各业，其要求的性能(实时控制、运动精度、可靠性等)也随着发展的需要越来越高。因此，机器人动力学仿真是研究和改善其动力学特性的重要工具，从而分析机器人的动态特性并优化其机构和控制器设计。由于动力学分析的复杂性、各关节动力学中使用的表达式的复杂性和计算量巨大，机器人系统的动力学模型通常具有高自由度、非线性和高耦合的特点，很难构建动力学方程的求其精确解。在用牛顿-欧拉方法分析机器人动力学的基础上，研究了机器人的动力学特性，我们在MATLAB平台上构建了动力学图形和机器人动力学仿真模型。目前，国内机器人仿真软件还没有仿真产品，一些新的系统、个别机器人仿真或某个方面上的仿真还不成熟，实际上也没有用于仿真机器人的运动学、动力学等问题的工具。国外有针对生产部门的机器人仿真平台，如RobotCAD和deanne，但这些软件价格昂贵，不适合广泛使用。如今，机器人行业需要仿真软件，以便在输入和仿真环境中进行动态系统建模、仿真和分析，操作简单、成本低廉的Simulink软件模型。它支持连续、离散、混合线性和非线性系统，以及不同采样率与不同采样频率不同部分的系统模拟。它提供了一个图形用户界面(GUI)，用户可以通过一次点击和拖动来建模，提供了比传统建模软件更直观、更方便、更灵活的优势。这已成为世界上最流行的自动化设计控制系统软件工具。3机器人关键部件的有限元分析强度、刚性和稳定性是三个不同的概念。强度表示结构中材料可以承受的最大应力，刚性表示材料的抗变形能力，稳定性表示结构无法再维持原始平衡并继续承受额外负载(尽管最大应力此时无法达到材料的屈服强度)。强度和稳定性是结构的极限状态，即它不再能够承受载荷和承受其他变形，其刚度为零。因此，刚度的概念对于描述结构的状态更为重要刚性是结构的第一个特性。刚度概念将极限强度的两个概念统一到力和稳定性类别中。终端机器人串联机器人的刚度是在外力作用下克服变形的能力。变形组件包连杆、轴承和齿轮。机器人刚度是影响机器人动力学及其载荷下定位精度的重要因素，这是机器人技术的重要组成部分。3.1建立机器人关键元件的有限元模型第一步是将有限元模型与机械结构相结合。模型的创建主要可以分为直接和间接方法。直接方法是直接根据机械结构系统几何图形建立节点和元素。因此，直接方法适用于具有简单几何图形、较少节点和较少单位的机械结构系统。另一方面，间接方法适用于具有复杂几何形状、节点和大量单位的机械结构系统。此方法首先创建一个图元建立模型(即机械结构系统几何图形)，然后网格划分面实体模型以完成最终项目模型的建立。机器人的关键轴承部件有底座、大小臂。由于大小臂结构复杂，底座结构规则采用ANSYS物理建模方法，大小臂通过SolidWorks接口和ANSYS(格式:x_t)将CAD模型导入ANSYS。3.2对机器人关键元件进行有限元分析网格划分后，可以通过将载荷和约束应用于适当的边界来开始模型的有限元分析。约束是结构有限元分析的重要组成部分。也可以将约束视为载荷。此载荷与其他载荷一样重要。约束的准确性对于成功或失败的计算也至关重要。(1)确定工作条件和计算载荷。在整个运动过程中，机器人处于最危险和变形的状态选取此状态以进行静态分析。当机器人的每条手臂向外延伸一条直线时，重力力臂处于最大强度状态，因为重力臂达到其最大值，这被视为分析工作状态。(2)施加载荷和约束。不能在ANSYS中直接施加弯矩载荷。要在ANSYS中执行此载荷，必须将弯矩等效简化成一对力偶处理。这种处理方法的缺点是，力偶作用点处的应力和变形很大，作用点区域求解的结果不能用作分析的基础，并且对刚度分析有很大影响。在本文中，通过提前创建关键点、创建接触弯矩要施加的面应用于面，然后将弯矩应用关键点。相比之下，该方法具有较高的处理精度。ANSYS可以直接将重力加速度应用于整个有限元模型，以模拟受力场作用的结构。重力加速度的相反方向是接收到的重力方向。例如，在y轴正向上应用重力加速度可在y轴的负方向上实现重力功能。底座，大臂和小臂的结构约束固定在一端，反作用力和计算的弯矩应用于另一端。同时求解多个载荷情况的方法和渐进式加载方法可在不同载荷下取得零件的应力和变形，以确定对刚度影响最大的载荷。(3)模态分析机器人关键部件。在工程结构中，大多数载荷都是动载荷，但结构的自重和某些永久载荷除外。当载荷变化缓慢且变化周期比结构的自振荡周期长得多时，动态响应较弱，结构不会产生明显的加速度。若要简化计算，可以忽略惯性力的影响，并将动态负载视为静态负载。4结语工业机器人技术的研究、开发和应用极大地促进了工业的进步。机器人起着举足轻重的作用，尤其是在高效工业生产中。目前机器人技术在我国的应用比较广泛，在借鉴国外成熟技术的基础上发展很快。参考文献：[1]刘克.发展弧焊机器人自动焊接技术的途径.机械制造与自动化,2019,33(2):12-15[2]刘瑞.焊接机器人的现状与