工業(yè)機器人動力學仿真及有限元分析

工業(yè)機器人動力學仿真及有限元分析摘要：工業(yè)機器人在汽車、物流、機床、電子和化工工業(yè)等行業(yè)中被廣泛應用，通常用于焊接、運輸、裝配、噴漆、碼垛等工位。機器人技術(shù)的快速發(fā)展大大加快了自動化生產(chǎn)的進程。全球范圍內(nèi)工業(yè)機器人的數(shù)量在不斷增加，特種作業(yè)是工業(yè)機器人的主要應用之一，它從一開始就大大改善了勞動力工作環(huán)境和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了勞動力，提高了生產(chǎn)效率并降低了生產(chǎn)成本，使勞動者技能需求下降，因此廣泛應用于工業(yè)化，文章對工業(yè)機器人動力學和有限元模擬進行了分析。關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；動力學；仿真；有限元分析引言機器人在我國的研究和應用已經(jīng)有20多年，我國的機器人經(jīng)歷了從引進到自行研制的過程。目前為止，雖然我國現(xiàn)在具有高水平的機器人的技術(shù)和應用，并且在某種程度上達到了國際水平，但仍然存在精度和穩(wěn)定性方面的不足。1工業(yè)機器人的靜力學及動力學分析受力分析是機械系統(tǒng)設(shè)計分析中的一項根本任務。機器人臂桿形成一個開式連桿系，因此機器人的動力很大程度上取決于連桿的驅(qū)動器串聯(lián)。這是因為每個臂桿的質(zhì)量、臂端的力、各類慣性力和慣性力矩是密不可分的。機器人的設(shè)計為了優(yōu)化，材料必須選擇受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和質(zhì)量來分析平衡配置。機器人受力分析的控制器設(shè)計和動力學仿真奠定了基礎(chǔ)。靜態(tài)和動態(tài)力是機器人的受力。主要任務是研究機器人受力分析的從動力或從動扭矩與臂桿運動關(guān)系。其主要目的是獲得機器人的控制。如果所述重量以臂末端所述的速度和加速度運輸，且驅(qū)動力或驅(qū)動扭矩的量被確定以滿足這一要求，則重量被包括在動態(tài)分析中。在計算因結(jié)構(gòu)柔軟而產(chǎn)生的動態(tài)誤差和過載時，或者在驅(qū)動力或驅(qū)動扭矩的非線性耦合系數(shù)時，也需要進行運動分析。動力學分析為必要的運動學和運動學提供了依據(jù)，也為機械設(shè)計方法改進操作執(zhí)行動力學提供了依據(jù)。2機器人運動學及動力學仿真近二十年來機器人被應用到各行各業(yè)，其要求的性能(實時控制、運動精度、可靠性等)也隨著發(fā)展的需要越來越高。因此，機器人動力學仿真是研究和改善其動力學特性的重要工具，從而分析機器人的動態(tài)特性并優(yōu)化其機構(gòu)和控制器設(shè)計。由于動力學分析的復雜性、各關(guān)節(jié)動力學中使用的表達式的復雜性和計算量巨大，機器人系統(tǒng)的動力學模型通常具有高自由度、非線性和高耦合的特點，很難構(gòu)建動力學方程的求其精確解。在用牛頓-歐拉方法分析機器人動力學的基礎(chǔ)上，研究了機器人的動力學特性，我們在MATLAB平臺上構(gòu)建了動力學圖形和機器人動力學仿真模型。目前，國內(nèi)機器人仿真軟件還沒有仿真產(chǎn)品，一些新的系統(tǒng)、個別機器人仿真或某個方面上的仿真還不成熟，實際上也沒有用于仿真機器人的運動學、動力學等問題的工具。國外有針對生產(chǎn)部門的機器人仿真平臺，如RobotCAD和deanne，但這些軟件價格昂貴，不適合廣泛使用。如今，機器人行業(yè)需要仿真軟件，以便在輸入和仿真環(huán)境中進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析，操作簡單、成本低廉的Simulink軟件模型。它支持連續(xù)、離散、混合線性和非線性系統(tǒng)，以及不同采樣率與不同采樣頻率不同部分的系統(tǒng)模擬。它提供了一個圖形用戶界面(GUI)，用戶可以通過一次點擊和拖動來建模，提供了比傳統(tǒng)建模軟件更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)勢。這已成為世界上最流行的自動化設(shè)計控制系統(tǒng)軟件工具。3機器人關(guān)鍵部件的有限元分析強度、剛性和穩(wěn)定性是三個不同的概念。強度表示結(jié)構(gòu)中材料可以承受的最大應力，剛性表示材料的抗變形能力，穩(wěn)定性表示結(jié)構(gòu)無法再維持原始平衡并繼續(xù)承受額外負載(盡管最大應力此時無法達到材料的屈服強度)。強度和穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，即它不再能夠承受載荷和承受其他變形，其剛度為零。因此，剛度的概念對于描述結(jié)構(gòu)的狀態(tài)更為重要剛性是結(jié)構(gòu)的第一個特性。剛度概念將極限強度的兩個概念統(tǒng)一到力和穩(wěn)定性類別中。終端機器人串聯(lián)機器人的剛度是在外力作用下克服變形的能力。變形組件包連桿、軸承和齒輪。機器人剛度是影響機器人動力學及其載荷下定位精度的重要因素，這是機器人技術(shù)的重要組成部分。3.1建立機器人關(guān)鍵元件的有限元模型第一步是將有限元模型與機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合。模型的創(chuàng)建主要可以分為直接和間接方法。直接方法是直接根據(jù)機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)幾何圖形建立節(jié)點和元素。因此，直接方法適用于具有簡單幾何圖形、較少節(jié)點和較少單位的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。另一方面，間接方法適用于具有復雜幾何形狀、節(jié)點和大量單位的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。此方法首先創(chuàng)建一個圖元建立模型(即機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)幾何圖形)，然后網(wǎng)格劃分面實體模型以完成最終項目模型的建立。機器人的關(guān)鍵軸承部件有底座、大小臂。由于大小臂結(jié)構(gòu)復雜，底座結(jié)構(gòu)規(guī)則采用ANSYS物理建模方法，大小臂通過SolidWorks接口和ANSYS(格式:x_t)將CAD模型導入ANSYS。3.2對機器人關(guān)鍵元件進行有限元分析網(wǎng)格劃分后，可以通過將載荷和約束應用于適當?shù)倪吔鐏黹_始模型的有限元分析。約束是結(jié)構(gòu)有限元分析的重要組成部分。也可以將約束視為載荷。此載荷與其他載荷一樣重要。約束的準確性對于成功或失敗的計算也至關(guān)重要。(1)確定工作條件和計算載荷。在整個運動過程中，機器人處于最危險和變形的狀態(tài)選取此狀態(tài)以進行靜態(tài)分析。當機器人的每條手臂向外延伸一條直線時，重力力臂處于最大強度狀態(tài)，因為重力臂達到其最大值，這被視為分析工作狀態(tài)。(2)施加載荷和約束。不能在ANSYS中直接施加彎矩載荷。要在ANSYS中執(zhí)行此載荷，必須將彎矩等效簡化成一對力偶處理。這種處理方法的缺點是，力偶作用點處的應力和變形很大，作用點區(qū)域求解的結(jié)果不能用作分析的基礎(chǔ)，并且對剛度分析有很大影響。在本文中，通過提前創(chuàng)建關(guān)鍵點、創(chuàng)建接觸彎矩要施加的面應用于面，然后將彎矩應用關(guān)鍵點。相比之下，該方法具有較高的處理精度。ANSYS可以直接將重力加速度應用于整個有限元模型，以模擬受力場作用的結(jié)構(gòu)。重力加速度的相反方向是接收到的重力方向。例如，在y軸正向上應用重力加速度可在y軸的負方向上實現(xiàn)重力功能。底座，大臂和小臂的結(jié)構(gòu)約束固定在一端，反作用力和計算的彎矩應用于另一端。同時求解多個載荷情況的方法和漸進式加載方法可在不同載荷下取得零件的應力和變形，以確定對剛度影響最大的載荷。(3)模態(tài)分析機器人關(guān)鍵部件。在工程結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)載荷都是動載荷，但結(jié)構(gòu)的自重和某些永久載荷除外。當載荷變化緩慢且變化周期比結(jié)構(gòu)的自振蕩周期長得多時，動態(tài)響應較弱，結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生明顯的加速度。若要簡化計算，可以忽略慣性力的影響，并將動態(tài)負載視為靜態(tài)負載。4結(jié)語工業(yè)機器人技術(shù)的研究、開發(fā)和應用極大地促進了工業(yè)的進步。機器人起著舉足輕重的作用，尤其是在高效工業(yè)生產(chǎn)中。目前機器人技術(shù)在我國的應用比較廣泛，在借鑒國外成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展很快。參考文獻：[1]劉克.發(fā)展弧焊機器人自動焊接技術(shù)的途徑.機械制造與自動化,2019,33(2):12-15[2]劉瑞.焊接機器人的現(xiàn)狀與