工业机器人

验证的前言公司验证了设计工具和仿真模型的正确性。由于资料的保密性，资料不会公开，只会记录施工步骤和过程。作为个人备注，也欢迎业内人士指导交流(内部数据、工具等内容不在交流范围内)。

本次仿真的目的是通过指定模型质量特性，给出运动曲线，设置所需的规格参数，获得模型关节1-关节6的静态重力、负载惯性、RV表面的静态弯矩和关节轴的静态扭矩。动态向心力、动态离心力、动态弯矩和动态扭矩，以与车身结合的传动部件作为CAE校核的参考数据，是初步设计中理论分析的重要环节。顺便说一下，这个设计工具叫做LCE，它在设计中起了很大的作用。一方面确实加快了设计进度，一个月就能做出一个新产品。另一方面，计算原理比较简单，但是我还没有搞清楚校核方法和处理方法，这也是这个建模反向闭环验证的原因。与此同时， 既然从工具的原理来源来研究，我们还是希望从更细致、更原始的东西来推断工具的成型性、科学性、延展性。1建模1.1工作界面设置(1)坐标系(2)工作网格(3)单位(4)重力(因为坐标系设置为X面向右，Z面向上，Y面向内，所以重力方向为Z面向下)1.2设置关键点便于后续参数化设计，先用关键点标注几个关节中心点和RV减速器上表面中心点。这个操作有一个小注意:如果你想继续建立新的，你需要选择最后一行或者你想插入前一行的单元格，然后点击创建。如果鼠标没有选中单元格，可以直接创建。默认情况下，将重新创建数据。要删除一个点， 你需要在界面左侧的模型树中找到该点的位置(比如我的是贴地的)，然后右键选择删除点，在表格中点击对应的点即可删除。1.3设置标志点。标记点可以用来表示零件的局部坐标系，便于后续建模。1.4根据机器人的部件进行几何建模，包括底座、腰部关节、大臂、前臂、手腕、法兰等。依次建立，建立过程中长度和位置由点坐标指定，后面会根据点坐标进行参数化。1.5有运动副的工业机器人都是旋转关节，只是底座固定在地面上， 其余关节都是转动副。1.6初始仿真预判:先通过仿真运行含运动副的模型，看运动逻辑是否正确(此时模型运动正常，但关节间相对运动合理)1.7添加驱动。为了避免重复劳动，这里设置腰部关节的运动曲线，其他关节的驱动设置为0，以便分析单轴运动的正确性。至此，模型建立，然后开始设置。2模型分析2.1双击模型修改质量模式供用户输入，填写质量和转动惯量。2.2修改质心坐标，双击构件的cm，填写构件的质心和相对坐标系。并确认质心坐标系的方向。2.3预模拟分析和再次模拟， 设置步长和模拟时间。模拟完成后，右击新设置的腰部关节-测量-质点角速度-Z方向，然后观察运动曲线是否与设置的运动曲线一致。查看设定运动曲线的步骤如下:双击功能...-画图观察两条曲线是否相同(X轴是对称的，因为旋转方向相反)。这里需要注意一下step函数的用法:STEP( x，x0，h0，x1，h1)是指当x变量为x0~x1时，自变量从h0变为h1。比如我写的这一步(时间，0，0 0)。0.88，140d)+step (time，0.88，0d，1.08，0d)+step (time，1.08，0d，1.5，-140d)表示时间从0到0-0.88s时关节角速度从0到/秒变化；当时间从0.88到1.08时，关节角速度保持恒定/秒；当时间从1.08到1.5时， 关节角速度从/秒变化到0度/秒。注意，当添加阶跃函数时，该值相对于前一个阶跃函数发生变化。2.4模型其他部分的验证在检查完旋转关节的运动曲线后，还需要随机选取一些其他的部件来检查其运动曲线是否合理。因为在这个例子中，只有腰关节转动，因此，任何分量相对于腰关节转动中心的角速度都是相同的。对前臂前方的运动曲线进行验证后，发现整个模型的运动曲线是一致的，说明模型的运动逻辑是正确的，可以用于后续的分析。3后处理分析3.1负载惯性和重力在工业机器人的计算中， 负载惯量的计算非常重要。根据静态可以计算出各轴的负载惯量。在最大载荷偏移状态下，工业机器人各轴的惯性矩产生如下:(1)刀具-总质量；(2)在弹出的对话框中，选择-腰关节后面的所有构件-旋转中心的坐标系选择；(3)点击应用，获得这些部件的总质量和惯性张量。(4)比较对应姿势中的数值，误差很小。3.2静态扭矩机器人关节处的扭矩由关节处的驱动器测量。既然是静态转矩，那么所有驱动的速度都是零，保持当前状态的转矩就是静态转矩。设定的初始速度和角度，如腰部关节的运动如下:所有运动关节修改完毕后，开始模拟， 运动结果进入后处理状态。在后处理界面，先将布局格式修改为三栏，左侧放置仿真动画，右侧放置图形。在三列中，选择左侧，右键单击以加载模拟动画，右键单击以选择其他两列的加载曲线。鼠标选中右上方的方框图后，再在下面的方框中选择各个关节的对象———————— MAG加载曲线，然后用图像工具对曲线进行适当的处理或读取，选择需要读取的数据，依次将得到的静态扭矩与LCE的数据进行比较，验证结果。3.3静弯矩接头处的静弯矩主要是测量在基础与地面的接触面上，以及各接头连接处的界面上，由于重力引起的弯矩。这里， 需要测量添加运动副的关节的应力。由于运动副提供了固定的支撑反作用力和扭矩，因此可以通过测量运动副来获得静态弯矩。测量步骤同上，不再赘述。3.4动力在考虑动力时，需要去掉重力场，只考虑运动引起的惯性力和离心力。因此，它将被设置为0，以如下方式设置腰部和底部的移动，并且当以恒定加速度移动时，其余关节的速度将保持为零，并且模拟时间将被设置为0.88。模拟后会得到结果曲线:这里需要明确的是动态力是如何计算的。比如6轴运动对6轴本身有强大的和扭矩的作用，但同时， 也会对前面1-5轴产生强大的作用。这时我们的计算规则是:当I轴运动时，I轴和I轴之前的所有部件是一个整体，I轴之后运动的部件是一个整体。动态受力分析是前端整体上运动部件的受力，以关节I轴为受力点，分为惯性力和离心力。当各轴独立运动时，会在轴上产生相应的惯性力和离心力。此时分两种情况考虑:第一种情况，运动部分是多根轴串联，那么除了运动轴处的惯性力和离心力，其他轴在没有电机保持力矩的情况下如何受力？比如五轴绕手腕旋转，那么6轴关节是如何受力的？在第二种情况下，整个部件被分成几个串联的轴， 那么当运动的轴受到惯性力和离心力时，在没有电机持矩的情况下，其他轴如何受力呢？比如五个轴绕手腕旋转，那么1、2、3、4轴的关节是如何受力的？我实际上是通过计算来分析5轴运动的力和力矩。对5轴运动的分析表明，5轴运动时6轴末端和法兰处都有力，力的大小是轴及其后所有部件的质量与角加速度和质心之间的力公式关系。而1-4轴上的力与5轴上的力完全相同。因此可以得出结论，当各轴独立运动时，固定轴上的力与运动轴上的力相等， 与运动轴相连的其他轴上的力与轴后的质量特性和运动轴的运动参数有关。3.5动态力矩在分析力矩时，计算条件仍局限于各轴单独运动时关节处的最大力矩。与受力情况类似，此时仍有两种情况需要考虑:施加在6轴上的动态力矩和5轴单独运动时施加在1-4轴上的动态力矩。还用来模拟5轴运动，5轴扭矩(上)和6轴扭矩(下)5轴运动，5轴扭矩(上)和2轴扭矩(下)结果显示，5轴运动时，5轴扭矩为73Nm，3轴扭矩为267.74 Nm，2轴扭矩为452.59Nm；；第一个轴是4.4，第四个轴是0。，第六个轴是0...以第六轴为例分析其原理:当第六轴运动时，法兰提供扭矩和加速度， 其驱动法兰和负载旋转。此时法兰和载荷在扭矩的作用下旋转，从这个运动可以分析出法兰和载荷上产生的向心力和离心力。那么向心力和离心力分别乘以各自力臂的结果就是产生运动所需的力矩。所以用上面得到的6轴运动产生的向心力和离心力来计算6轴的动态力矩。4检查条件在工业机器人中有一个“机械分析”工作类别，包括机构分析、动态分析和结构分析，其中机构分析主要研究工作空间和可达性；灵巧性、奇异性和耦合性；速度和静力(力矩)。机械手的动力学分析主要服务于电机和减速器的选择和验证。机械臂的结构有限元主要包括关键部件的刚度和强度校核以及整机的振动模态分析。这个模拟的最终目的是选择和检查服务。首先说一下惯性匹配这个词:“负载到”，就是负载加速度最大化条件下的惯性比。请参考以下文章。惯量匹配原理是指，齿轮传动的减速比等于sqrt(负载惯量/电机转子惯量)，即负载转化到电机轴上的惯性矩等于电机本身的惯性矩，即惯量比为1: 1。在满足减速器允许输入速度、电机本身最高速度和电机成本的情况下， 应选择最大减速比以改善负载响应。然后，就是判断电机和减速器的扭矩和转速是否合理。后续的参数化和脚本封装，并作为新的检查工具使用，只需要填写需求即可输出结果，不再展示。本文结束。