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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
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