柔性制造單元中機(jī)器人行走系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

張鵬飛，張伯俊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

柔性制造單元中機(jī)器人行走系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

張鵬飛，張伯俊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

介紹了柔性制造單元中機(jī)器人行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的主要途徑——實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法（EMA）對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了研究，并結(jié)合有限元模態(tài)分析法（FEM）對(duì)2種分析結(jié)果進(jìn)行了比較。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析以及對(duì)比結(jié)果，能夠有效地識(shí)別出行走系統(tǒng)的薄弱部位，為行走系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)性能的提高奠定了理論基礎(chǔ)。

柔性制造單元；機(jī)器人行走系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

柔性制造單元是將工業(yè)機(jī)器人安裝在行走運(yùn)輸?shù)鬃?，可以使得工業(yè)機(jī)器人同時(shí)具有移動(dòng)和操作的功能，從而實(shí)現(xiàn)物料在各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備單元之間的搬運(yùn)、存儲(chǔ)和交換。目前，柔性制造單元已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用，例如德國Honsberg公司的柔性制造生產(chǎn)線中使用了大型龍門式工業(yè)機(jī)械手，瑞典沃爾沃（Valov）公司使用了工業(yè)機(jī)械手環(huán)形磨輪裝置，我國沈陽市第一水泵廠使用泵體全自動(dòng)加工生產(chǎn)線，中國重汽集團(tuán)濟(jì)南橋箱有限公司使用轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)速器殼體2條全自動(dòng)生產(chǎn)線等。模態(tài)分析法作為研究此類機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能、驗(yàn)證其設(shè)計(jì)合理性的最快速、高效的一類方法，也得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其中實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法可以模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下所經(jīng)受的振動(dòng)，通過測試振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，得出更加符合實(shí)際情況和邊界條件的測試結(jié)果，同時(shí)也可以驗(yàn)證有限元分析的合理性。目前，國內(nèi)南京航空航天大學(xué)振動(dòng)工程研究所、中國振動(dòng)協(xié)會(huì)都在致力于研究實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析、工作模態(tài)參數(shù)識(shí)別的相關(guān)工作。本文以某公司研制的用于柔性制造車間物流運(yùn)輸單元的機(jī)器人行走系統(tǒng)為例，通過有限元法和實(shí)驗(yàn)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，并將分析結(jié)果和有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較[1-2]，從而對(duì)機(jī)器人行走系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)法模態(tài)分析

本文中行走系統(tǒng)的工作對(duì)象為安川ES165D工業(yè)機(jī)器人。圖1為機(jī)器人行走系統(tǒng)的三維模型，圖中顯示機(jī)器人行走導(dǎo)軌由多段鑄鐵底座拼裝而成，分布多個(gè)支撐點(diǎn)，采用滾珠直線導(dǎo)軌作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。而機(jī)器人行走系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)、運(yùn)輸?shù)鬃⒒瑝K、導(dǎo)軌、直線運(yùn)動(dòng)及定位檢測機(jī)構(gòu)等共同組成。

圖1 ES165D工業(yè)機(jī)器人行走系統(tǒng)的實(shí)體與三維模型

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本次模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)用到的主要儀器和分析系統(tǒng)包括：美國PCB公司力傳感器、加速度傳感器、模態(tài)力錘和LMS Test 9A振動(dòng)噪聲分析測試系統(tǒng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測試分析系統(tǒng)的組成如圖2所示。主要包括激振系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理3個(gè)部分組成。其中激振主要是通過模態(tài)力錘對(duì)行走系統(tǒng)的激振點(diǎn)進(jìn)行敲擊來完成的，當(dāng)機(jī)器人行走系統(tǒng)受到錘擊時(shí)，本身結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)各加速度傳感器可以測得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)通過傳感器經(jīng)過電荷放大器傳送到LMS數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性參數(shù)的識(shí)別。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分析示意圖

1.3 激勵(lì)方式、測試點(diǎn)和激振點(diǎn)的選擇

激勵(lì)裝置為美國PCB公司的模態(tài)力錘，使用該模態(tài)力錘對(duì)機(jī)器人行走系統(tǒng)進(jìn)行單個(gè)激振點(diǎn)激振、多個(gè)測試點(diǎn)采樣的方式來進(jìn)行錘擊激勵(lì)。對(duì)于像機(jī)床等中小型結(jié)構(gòu)的工程機(jī)械，可以看作是一個(gè)有無限多個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的固有頻率存在無限多個(gè)振型，高階振型對(duì)應(yīng)的剛度和阻尼值都較大，因此對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響較小，并且高頻段的特性測量難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。所以，測試點(diǎn)的布置應(yīng)盡可能地選擇能夠激發(fā)低階振型的位置[3-4]。整體上激振點(diǎn)的選擇要遵循以下幾點(diǎn)：測試點(diǎn)應(yīng)該布置在結(jié)構(gòu)易發(fā)生振動(dòng)變形的部位，并且該部位能夠明確顯示試驗(yàn)頻段內(nèi)的所有模態(tài)的變形特征，以及各模態(tài)振型之間的變形區(qū)別；測量點(diǎn)的布置要包含所有關(guān)心的結(jié)構(gòu)點(diǎn)；布點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮到測試的可行性，避開不便于傳感器安裝的測試點(diǎn)。圖3為在LMS軟件中的Geometry模塊中建立的機(jī)器人行走系統(tǒng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)布置的模型圖。測試位置為各條直線的交點(diǎn)，整個(gè)機(jī)器人行走系統(tǒng)共布置了38個(gè)測試點(diǎn)，其中在機(jī)器人上布置了14個(gè)測試點(diǎn)，工作臺(tái)上布置了8個(gè)測試點(diǎn)，運(yùn)輸?shù)鬃贾昧?6個(gè)測試點(diǎn)。

圖3 工業(yè)機(jī)器人行走系統(tǒng)測試點(diǎn)模型圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

選擇合適的測試點(diǎn)，可以在LMS Impact Testing模塊中分析這些測試點(diǎn)在X、Y、Z 3個(gè)方向上的相關(guān)函數(shù)曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)這些測試點(diǎn)在X方向的相干函數(shù)在低頻段和高頻段受到環(huán)境的影響比較明顯，而在其余的頻段內(nèi)的相關(guān)性都近似為1，這說明了輸出信號(hào)是由輸入信號(hào)引起的[5]。將LMS Impact Testing模塊中測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Modal Analysis模塊中進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的提取和分析。圖4為基于LSCE（最小二乘復(fù)數(shù)法）的極點(diǎn)穩(wěn)態(tài)圖。圖中S表示穩(wěn)定，S點(diǎn)越多穩(wěn)態(tài)性越好。故選取圖中S所占比例多的極點(diǎn)，該極點(diǎn)的頻率和振型即為結(jié)構(gòu)的頻率和振型。

圖4 基于LSCE的穩(wěn)態(tài)圖

表1為機(jī)器人行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的11階模態(tài)頻率及振型描述，在這11階模態(tài)頻率中，第3階頻率和第4階頻率、第6階頻率和第7階頻率、第8階頻率和第9階頻率、第10階頻率和第11階頻率，振型基本一致，但振幅略有差別，因此，可以認(rèn)為是同一階模態(tài)。將有限元模態(tài)分析的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果中頻率相差不大且對(duì)應(yīng)的振型大體一致的模態(tài)提取出來進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表2所示，并以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)振型和有限元模態(tài)振型等為例進(jìn)行說明，如圖5所示。

表1 各階實(shí)驗(yàn)頻率階振型描述

表2 有限元模態(tài)分析頻率與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析頻率對(duì)比表

由表2可以看出，有限元分析與實(shí)驗(yàn)分析除第1、2階頻率結(jié)果相差較大以外（分別為 111.2%和60.57%），其余各個(gè)階次頻率結(jié)果的差值均小于20%。并且從第7階之后，差值已低于10%。前兩階差值較大的原因是在建立機(jī)器人行走系統(tǒng)有限元模型時(shí)，對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)、減速機(jī)連接處近似認(rèn)為是剛性連接，并且對(duì)減速機(jī)進(jìn)行簡化所造成的。整體來看，前10階平均差值為25.47%，其中第3階至第10階的平均差值僅為10.36%。結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果可以看出，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的簡化并未影響對(duì)整個(gè)行走系統(tǒng)剛度的分析。因此，可認(rèn)為本文建立的機(jī)器人行走系統(tǒng)的有限元模型是合理的。

結(jié)合機(jī)器人行走系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)振型圖和有限元模態(tài)分析振型圖可以看出，機(jī)器人行走系統(tǒng)具有較高的剛度，從實(shí)驗(yàn)振型圖和有限元振型圖中均可看出，機(jī)器人行走系統(tǒng)的運(yùn)輸?shù)鬃⑽窗l(fā)現(xiàn)明顯的薄弱部位。整個(gè)機(jī)器人行走系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生在機(jī)器人腕部和與手抓相連接的部位，引起這一部位剛度不足的原因是機(jī)器人手抓和腕部的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于整個(gè)機(jī)器

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元模態(tài)分析振型圖的比較

人行走系統(tǒng)其他部件的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小。因此，要提高整個(gè)機(jī)器人行走的剛度，可以通過增大機(jī)器人腕部手抓的結(jié)構(gòu)尺寸來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

本文介紹了柔性制造單元中機(jī)器人行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且利用LMS振動(dòng)噪聲測試分析系統(tǒng)通過錘擊法對(duì)整個(gè)機(jī)器人行走系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，得出了機(jī)器人行走系統(tǒng)的各階頻率和振型。通過與有限元模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出由于相應(yīng)部件的簡化，前兩階頻率差值百分比較大，但其余差值百分比均小于20%，驗(yàn)證了建立的有限元模型的合理性，找出了機(jī)器人行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，獲得了結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化的設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］ 張力，林建龍，項(xiàng)輝宇．模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2011：132-133．

［2］ VIVO A，BRUTTI C，Leofanti J L．Modal shape identification of large structure exposed to wind excitation by operational modal analysis technique［J］．Mechanical Systems and Signal Processing，2013（6）：443-447．

［3］ 李奎．基于結(jié)合面參數(shù)的高檔數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化［D］．南京：南京理工大學(xué)，2007．

［4］ 李柳林．機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)制造及振動(dòng)測試［D］．南京：廣西大學(xué)，2012：4-6.

［5］ 張金才．臥式精密數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析與修改［D］．天津：天津大學(xué)，2010．

［6］ 楊天時(shí)，張伯俊.柔性制造系統(tǒng)中機(jī)器人行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23（3）：26-28.

Experimental modal analysis of robot walking system in flexible manufacturing system

ZHANG Peng-fei，ZHANG Bo-jun
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

This paper first introduces the structure design of the robot walking system in a flexible manufacturing cell.Then through the main way of dynamic design of mechanical structure——the experimental modal analysis method (EMA)，the results of design were studied.And combined with the finite element modal analysis method (FEM)，these two kinds of analysis results were compared.The results of experimental modal analysis and comparing，which can effectively recognize the weak parts of the walking system，lay a good foundation for the optimized design of the walking system and improvement in dynamic performance of the walking system.

flexible manufacturing systems；walking robot system；experiment modal analysis

TP242

A

2095－0926（2014）03－0005－03

2014-04-22

張鵬飛（1988—），男，碩士研究生；張伯俊（1956—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)仿真.