5349 浏览基于机电耦合的工业机器人关节振动特性研究
摘要：随着国内工业机器人的高速发展,对工业机器人的动静态性能指标要求越来越严苛。关节是工业机器人的重要部件,其健康作业是保障工业机器人良性运转的关键。由于工业机器人长期不间断作业,其关节处易产生机械疲劳而使机器人发生异常振动,导致机器人末端的定位与跟踪精度受到影响。在匹配负载时,仅通过电流反馈获取载荷信息,而较少考虑关节控制系统中的非线性与机电耦合等因素,加剧了末端定位与跟踪精度退化,使加工产品产生劣化,导致企业经济损失,严重时可能造成停机,甚至波及人身安全。综上,本文以钱江QJR6-1型六自由度串联工业机器人关节作为研究对象,开展对工业机器人关节振动特性的研究,以准确掌握工业机器人关节健康信息,确保工业机器人工作精度。首先,对工业机器人关节系统中存在的机电耦合事实进行提取,将伺服电机子系统与机械传动子系统做局部与全局的机电耦合分析,由拉格朗日动力学方程和麦克斯韦方程推导出关节系统的机电耦合动力学模型,计算关节系统固有频率。随后,建立关节系统的电机-负载双惯量模型,对关节系统的轴系扭转振动进行时、频域分析,找出影响关节系统振动的因素,掌握其振动机理。其次,对关节机电耦合振动系统进行仿真研究,以解释关节异常振动原因。分析由关节伺服控制系统产生的电流谐波分量导致关节系统发生转矩脉振的现象,研究发现,关节系统中含有大量的高次谐波,其中第3次谐波含量较为突出。对关节系统开展传动刚度、转动惯量等机械参数对系统谐振频率影响的研究,并通过数值方法研究了电感系数、磁链系数、电流谐波频率等电气参数对系统振幅与调节时间的影响。仿真结果表明,刚度增加则系统谐振增益变小且带宽变宽,动态性能更好。转动惯量增大则谐振频率变小且减小的速率也随之降低。随着上述电气值的增加,系统振幅波动随之变大,调节时间增加。同时研究了关节各关键部件的振动特性,研究发现,低频段中各部件的频率在9.8Hz附近时的振动幅值最大,此时关节系统易发生共振。最后,综合分析了关节系统的非线性特性及其来源,对常见的死区、饱和、间隙与摩擦等非线性因素开展了对系统振动影响的分析。进一步,针对关节系统中的摩擦非线性,建立了Stribeck摩擦模型,设计了摩擦辨识实验,利用遗传算法对模型参数辨识,并对关节系统进行摩擦补偿,以提高机器人关节跟踪精度。研究结果表明,通过仿真分析出关节系统需要提供6N·m的力矩来克服摩擦,经由上述方法对工业机器人关节系统进行摩擦补偿,系统的跟踪精度提高了13%。
关键词：工业机器人关节;机电耦合;振动特性;关节系统非线性;摩擦辨识;
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.2 课题研究的来源
1.3 国内外研究现状
1.3.1 关节系统伺服控制
1.3.2 关节机电耦合研究
1.3.3 关节系统扭转振动研究
1.3.4 关节系统非线性振动因素的研究
1.4 主要研究工作与总体框架
第二章 关节机电耦合建模分析
2.1 关节传动动力学模型
2.2 关节伺服电机控制模型
2.2.1 关节电机数学模型
2.2.2 关节伺服控制策略
2.3 关节机电耦合全局分析
2.4 关节机电耦合模型
2.5 本章小结
第三章 关节系统扭转振动特性
3.1 关节扭振机理
3.2 关节机电耦合系统扭振模型
3.3 关节固有频率计算
3.4 关节等效双惯量模型
3.4.1 双惯量模型
3.4.2 关节双惯量频域特性分析
3.5 机械参数对关节扭振的影响
3.6 本章小结
第四章 关节系统机电耦合振动特性仿真
4.1 关节系统机电耦合振动模型
4.2 关节系统机电耦合脉振分析
4.3 电气参数对关节系统机电耦合振动影响
4.3.1 磁链系数对关节系统振动的影响
4.3.2 电感参数对关节系统的振动影响
4.4 关节系统关键部件的振动特性
4.4.1 减速机振动特性
4.4.2 联轴器振动特性
4.4.3 负载振动特性
4.5 本章小结
第五章 机电耦合关节系统非线性振动特性分析
5.1 关节非线性振动特性研究
5.1.1 关节系统非线性振动因素
5.1.2 关节非线性振动特性研究方案
5.2 机电耦合关节系统非线性振动特性
5.2.1 死区非线性振动特性
5.2.2 饱和非线性振动特性
5.2.3 间隙非线性振动特性
5.3 摩擦非线性振动特性研究
5.3.1 非线性摩擦模型
5.3.2 摩擦非线性振动特性
5.4 基于遗传算法的非线性摩擦辨识
5.4.1 遗传算法概述
5.4.2 实验设计及摩擦力矩测量
5.4.3 摩擦模型参数辨识
5.4.4 基于摩擦补偿的模型验证
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 本文总结
6.2 主要创新点
6.3 研究展望
致谢
参考文献
