基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法

摘要

本发明涉及基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，属于机械故障诊断技术领域。本发明包括步骤：首先，将机器人各关节电流信息引入，建立基于关节电流的工业机器人振动响应模型；随后，建立机器人三维模型并通过有限元法获取机器人前n阶振型(n为机器人关节数)，为后续模态试验优化测点布置；接着，在力锤激励实验中，基于优化后的测点测取工业机器人系统质量、刚度等模态参数，并由测试的前n阶模态信息验证机器人三维模型有限元分析的有效性。最后，将测取的模态参数带入所建立的基于关节电流的机器人振动模型并对其数值求解，得到机器人各关节的振动响应。

说明书

技术领域

本发明涉及基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，属于机械故障诊断技术领域。

背景技术

工业机器人末端执行器的精度由各关节健康状态决定，保证机器人各关节的健康状态才能避免由其故障引发的安全、生产效率等一系列问题。为获取足够的工业机器人关节状态信息，通常需采用如温度、振动、声发射等传感器同时测试，采集数据成本高，数据量大，传感器布置繁琐。需停机多次按指定机器人路径重复开展测试并分析，测试效率低。机器人关节电流的获取相对容易，但现有的关节电流诊断方法仅可解决简单故障，若可从关节电流中进一步挖掘出关节振动信息，则可引入成熟的振动诊断法进行精密诊断而大大提升关节故障诊断准确率，而模态分析技术为此提供了纽带。

发明内容

针对工业机器人常表现出的故障及现有采集与检测技术存在的上述问题，本发明提供了基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，先对机器人各关节电流信息引入，建立基于关节电流的工业机器人多自由度振动响应模型；随后通过模态分析获取工业机器人系统质量、刚度等模态参数，最后通过采集关节电流计算关节输入力矩，并将获取的模态参数带入所建立的基于关节电流的机器人振动模型并对其数值求解，得到机器人各关节的振动响应。

本发明的技术方案是：基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，所述方法包括如下步骤：

Step1、将关节电流信息引入，建立基于关节电流的工业机器人振动模型；

作为本发明的进一步方案，所述Step1中：

将关节电流信息引入，通过关节电流计算振动系统激励F(t)＝T

Step2、建立工业机器人三维模型，并利用有限元分析软件进行模态仿真，获得前n阶模态固有频率和振型，其中，n为机器人关节数；

Step2.1、建立对应工业机器人的三维模型，并对模型进行适当简化处理或结构等效简化；

Step2.2、将简化处理好的三维模型导入有限元分析软件中，进行包括模型材料设定﹑模型网格划分﹑定义接触面约束﹑测试环境设定(包含重力﹑外力的加载)以及分析要求的设定等过程的前处理工作；

Step2.3、完成前处理工作后，进行模态分析，得到机器人仿真前n阶固有频率和振型；

Step3、在机器人各关节运动方向，按照测点要反应机器人结构特点的原则，根据模态仿真得到的振型特点优化测点布置，并进行模态实验，获得前n阶模态固有频率、阻尼比、质量与刚度；通过与Step2仿真所得前n阶模态固有频率对比，相互验证实验与仿真的正确性；如果仿真与实验结果相差大循环Step2-Step3，否则进入Step4；

Step3.1、进行实验模态分析，按照测点要反应机器人结构特点的原则，根据有限元模态仿真得到的振型特点，在振型变形最大区域优化布置模态实验的测点并安装振动传感器；

Step3.2、根据布置的测点建立几何模型，开始进行模态实验，先进行通道设置、锤击示波、锤击设置和驱动点设置，再开始进行测试；

Step3.3、开始测试，依次对各个测点进行力锤激励，对每个点激励至少3次取平均，最后显示所有数据检查是否有遗漏节点完成实验；

Step3.4、测量完成，打开模态分析软件进行模态分析，得到机器人前n阶固有频率，并获得阻尼比ζ、质量M和刚度K；通过与Step2仿真所得前n阶模态固有频率对比，相互验证实验与仿真的正确性；如果仿真结果与实验结果相差较大循环Step2–Step3，否则进入Step4；

Step4、通过规划机器人路径，实验采集机器人单关节运动与多关节联动时的关节电流信号，以及各关节运动时的周向加速度信号；

作为本发明的进一步方案，所述Step4中，通过定义机器人各关节角度规划机器人路径，利用电流互感器获取机器人第i关节周期电流信号I

Step5、利用关节电流计算振动系统激励，并带入基于关节电流的工业机器人振动模型求解系统振动响应，因为实验实测加速度为周向加速度，为方便对比验证，通过对系统振动响应进行坐标变换和频域微分，并计算周向加速度，再对周向加速度进行滤波和归一化处理之后得到关节加速度响应。

作为本发明的进一步方案，所述Step5具体为：

通过电流互感器采集各关节规定角度的工业机器人第i关节电流信号I

通过关节电流计算振动系统激励F(t)＝T

由模态坐标变换X(t)＝ΦQ(t)和

最后对求解所得周向加速度

通过加速度传感器获取机器人第i关节周向加速度信号

本发明的有益效果是：

1、通过有限元模态仿真分析为实验模态分析优化测点布置，提高精确度；

2、直接通过关节电流获取关节加速度响应，避免外置振动传感器进行逐一测试。

附图说明

图1为本发明中机器人结构示意图；

图2为本发明基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解流程；

图3为本发明机器人单关节运动时，理论计算与实验对比图；

图4为本发明机器人多关节联动时，理论计算与实验对比图；

图1中：1-第1关节、2-第2关节、3-大臂、4-第3关节、5-第4关节、6-小臂、7-第6关节、8-第5关节、9-控制柜、10-电流传感器。

具体实施方式

实施例1：如图1-图4所示，基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，图1为机器人结构示意图，其包括第I关节1、第II关节2、大臂3、第III关节4、第IV关节5、小臂6、第VI关节7、第V关节8、控制柜9、电流互感器10；实施对象为机器人六个关节，运动角度分别为：第I关节为90°、第II关节为60°、第III关节为60°、第IV关节为90°、第V关节为30°、第VI关节为90°；所述方法包括如下步骤：

Step1、将关节电流信息引入，建立基于关节电流的工业机器人振动模型；

作为本发明的进一步方案，所述Step1中：

将关节电流信息引入，通过关节电流计算振动系统激励F(t)＝T

Step2、利用Solidworks建立钱江QJR6-1机器人的三维模型，并对模型进行适当简化处理或结构等效简化；将简化处理好的三维模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench中，进行包括模型材料设定﹑模型网格划分﹑定义接触面约束﹑测试环境设定(包含重力﹑外力的加载)以及分析要求的设定等过程的前处理工作；完成前处理工作后，开始进行模态仿真分析计算，得到机器人前6阶模态；

Step3、进行实验模态分析，根据模态仿真得到的振型特点，按照测点要反应机器人结构特点的原则，根据有限元模态分析结果，在振型变形最大区域优化布置测点并安装振动传感器；根据布置的测点建立几何模型，开始进行模态实验，通过模态实验步骤：通道设置、锤击示波、锤击设置和驱动点设置；开始测试，依次对各个测点进行力锤激励，对每个点激励5次取平均，最后显示所有数据检查是否有遗漏节点完成实验；测量完成，经由LMS-Modal Analysis模块进行模态分析，得到机器人前6阶固有频率，并获得阻尼比ζ、质量M和刚度K；通过与Step1仿真所得前6阶模态固有频率对比，相互验证实验与仿真的正确性；如果仿真结果与实验结果相差较大循环Step2–Step3，否则进入Step4；

Step4、通过规划机器人路径，实验采集机器人单关节运动与多关节联动时的关节电流信号，以及各关节运动时的周向加速度信号；

作为本发明的进一步方案，所述Step4中，通过定义机器人各关节角度规划机器人路径，利用电流互感器获取机器人第i关节一个周期电流信号I

分别在机器人单关节运动和多关节联动时，采用电流互感器获取机器人第i关节一个周期电流信号I

Step5、利用关节电流计算振动系统激励，并带入基于关节电流的工业机器人振动模型求解系统振动响应，因为实验实测加速度为周向加速度，为方便对比验证，通过对系统振动响应进行坐标变换和频域微分，并计算周向加速度，再对周向加速度进行滤波和归一化处理之后得到关节加速度响应。

作为本发明的进一步方案，所述Step5具体为：

通过电流互感器采集各关节规定角度的工业机器人第i关节电流信号I

通过关节电流计算振动系统激励F(t)＝T

由模态坐标变换X(t)＝ΦQ(t)和

最后对求解所得周向加速度

将机器人关节单独运动和多关节联动时的求解结果与实际测试的关节振动对比验证。单关节运动时对比结果如图3，从对比结果来看，工业机器人关节理论振动求解和关节实测振动结果在时域、频域上基本吻合；多关节联动时对比结果如图4，从理论与实测关节振动信号频域的对比验证结果来看，此振动求解方法结果与实测结果基本吻合，求解结果较理想。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。