[发明专利]基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法

说明书

基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法，本发明涉及六轴工业机器人动态性能优化方法。本发明为了解决机器人在高速运行过程中定位精度低的问题。本发明包括：一：确定每个零件的低阶模态频率以及刚度分布；二：对每个零件刚度最小的部位进行优化；三：建立六轴工业机器人整机的有限元模型；四：确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率；五：进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模；六：得到六轴工业机器人每个零件在作业过程中的最大应力节点、出现最大应力的时刻、应力分布图以及末端弹性偏移量；七：与六轴工业机器人的设计要求中的对比，若符合设计要求则结束，否则重新执行步骤一至六。本发明用于工业机器人领域。

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，具体涉及六轴工业机器人动态性能优化方法。

背景技术

机电技术的日益成熟为工业机器人技术和相关产业的发展提供了强劲的动力，但是，日益加快的生产节奏和不断提高的产品保护等级，对工业机器人的工作效率和工作质量提出了更高的要求。如何使工业机器人在高速工作条件下，仍能保持运动平稳、定位精度高等优良性能，是当今工业机器人界面临的课题。机械设计已经从刚性体静态强度设计与校核阶段发展到了柔性体动态特性分析与优化的新层次。

目前动态性能分析的方法主要有有限元法、试验模态法或将二者相互结合。而已有的对工业机器人进行分析的方法有：基于ANSYS对机器人滚珠丝杠进行模态、谐响应分析；将机构三维模型导入ANSYS进行有限元分析，再导入ADAMS进行柔性动力学仿真，最后进行瞬态结构应力分析；从柔性多体系统动力学出发，考虑柔性体刚性名义运动与弹性变形间的非线性耦合，并利用瞬态结构假设原理对系统动态特性的分析过程作出合理简化；选取机器人典型的工作状态，对机器人进行多刚体动力分析求得杆件所受最大关节力，据此进行ANSYS静力学分析；从静态角度分析机器人在重力、负载作用下，末端抓手的定位刚度。

目前的方法存在一些问题：只考虑机器人某个零件的模态，未考虑整机模态；或者是只考虑机器人本体，未考虑装在机器人上的电机、减速器、驱动器等对机器人性能的影响；或者是将机器人每个零件都视为刚性体，求得最大关节力，未考虑机器人在运动中存在弹性运动惯性力；或者是仅从静力学角度分析，未考虑机器人的惯性力。

发明内容

本发明的目的是为了解决机器人在高速运行过程中定位精度低以及由于整机低阶模态频率低导致的共振的问题，而提出基于ANSYS的六轴工业机器人动态性能优化方法。

基于有限元的六轴工业机器人动态性能优化方法包括以下步骤：

步骤一：对六轴工业机器人的每个零件进行模态分析，确定每个零件的低阶模态频率以及刚度分布；所述六轴工业机器人的零件包括小臂、手腕、大臂、底座、肘座和腰座；

步骤二：根据步骤一确定的每个零件的刚度分布，对每个零件刚度最小的部位进行优化；

步骤三：步骤二对每个零件进行优化后，建立六轴工业机器人整机的有限元模型；

步骤四：对步骤三建立的六轴工业机器人整机的有限元模型进行模态分析，确定六轴工业机器人在三种关节角配置时的前六阶模态频率；

所述三种关节角配置分别为当关节2和关节3均为0度，当关节2和关节3均为60度，当关节2和关节3均为90度；

所述关节2为大臂摆动关节，关节3为小臂摆动关节；

步骤五：采用步骤二优化后的零件在动力学分析软件中进行六轴工业机器人刚柔耦合动力学建模；

步骤六：采用动力学分析软件对步骤五建立的六轴工业机器人刚柔耦合动力学模型进行分析，得到六轴工业机器人每个零件在作业过程中的最大应力节点、出现最大应力的时刻、应力分布图以及末端弹性偏移量；