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一种工业机器人模态分析仿真与试验研究

管恋哲 张振山 崔国华 潘颖

管恋哲, 张振山, 崔国华, 潘颖. 一种工业机器人模态分析仿真与试验研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2022, 36(1): 1-8. doi: 10.12299/jsues.21-0179
引用本文: 管恋哲, 张振山, 崔国华, 潘颖. 一种工业机器人模态分析仿真与试验研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2022, 36(1): 1-8. doi: 10.12299/jsues.21-0179
GUAN Lianzhe, ZHANG Zhenshan, CUI Guohua, PAN Ying. Modal analysis simulation and experimental research of an industrial robot[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2022, 36(1): 1-8. doi: 10.12299/jsues.21-0179
Citation: GUAN Lianzhe, ZHANG Zhenshan, CUI Guohua, PAN Ying. Modal analysis simulation and experimental research of an industrial robot[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2022, 36(1): 1-8. doi: 10.12299/jsues.21-0179

一种工业机器人模态分析仿真与试验研究

doi: 10.12299/jsues.21-0179
基金项目: 上海市自然科学基金(18030501200)
详细信息
    作者简介:

    管恋哲(1997−),女,在读硕士,研究方向为机器人健康评估与故障诊断. E-mail:guanlianzhe@126.com

    通讯作者:

    张振山(1979−),男,讲师,博士,研究方向为摩擦学、流体润滑、机构动力学与可靠性. E-mail: zhangzhenshan0803@163com

  • 中图分类号: TP241.2

Modal analysis simulation and experimental research of an industrial robot

  • 摘要:

    以某工业机器人为研究对象,基于模态理论,通过仿真和试验方法开展机器人的模态分析. 首先建立典型姿态下机器人的三维模型,利用ANSYS Workbench软件与ADAMS软件分析机器人的理论模态,得到固有频率和模态振型等动态特性,并确定了振动薄弱部位. 其次使用力锤法开展机器人试验模态分析,并对机器人进行振动试验验证仿真结果的正确性. 最后针对振动表现剧烈部位提出优化方案. 分析结果表明:该机器人关节2、关节3易引起低频振动,且机器人小臂相对其他部件刚性较弱. 研究结果可对机器人优化设计与工作性能改进提供理论和试验参考.

  • 图  1  有限元模型建立方案

    Figure  1.  Finite element model establishment scheme

    图  2  机器人结构模型

    Figure  2.  Robot structure model

    图  3  机器人网格划分结果

    Figure  3.  Robot meshing result

    4  机器人各阶振型图

    4.  Vibration shape diagram of each order of robot

    图  5  关节1引起的机器人末端加速度响应

    Figure  5.  Acceleration response of robot end caused by the first joint

    图  10  关节6引起的机器人末端加速度响应

    Figure  10.  Acceleration response of robot end caused by the sixth joint

    图  6  关节2引起的机器人末端加速度响应

    Figure  6.  Acceleration response of robot end caused by the second joint

    图  7  关节3引起的机器人末端加速度响应

    Figure  7.  Acceleration response of robot end caused by the third joint

    图  8  关节4引起的机器人末端加速度响应

    Figure  8.  Acceleration response of robot end caused by the fourth joint

    图  9  关节5引起的机器人末端加速度响应

    Figure  9.  Acceleration response of robot end caused by the fifth joint

    图  11  试验平台

    Figure  11.  Experimental platform

    图  12  模态分析试验原理图

    Figure  12.  Schematic diagram of modal analysis test

    图  13  模态拟合结果示意图

    Figure  13.  Modal fitting results schematic diagram

    图  14  模态测试MAC图

    Figure  14.  MAC diagram of modal test

    图  15  关节1运动时机器人末端抖动

    Figure  15.  Robot end vibration with the first joint motion

    图  20  关节6运动时机器人末端抖动

    Figure  20.  Robot end vibration with the sixth joint motion

    图  16  关节2运动时机器人末端抖动

    Figure  16.  Robot end vibration with the second joint motion

    图  17  关节3运动时机器人末端抖动

    Figure  17.  Robot end vibration with the third joint motion

    图  18  关节4运动时机器人末端抖动

    Figure  18.  Robot end vibration with the fourth joint motion

    图  19  关节5运动时机器人末端抖动

    Figure  19.  Robot end vibration with the fifth joint motion

    表  1  机器人材料属性

    Table  1.   Material properties of robot

    材料 结构钢
    密度/(kg•m−3 7850
    泊松比 0.3
    杨氏模量/ GPa 200
    各关节的接触特性 bonded 约束
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    表  2  机器人前4阶固有频率及模态振型描述

    Table  2.   Description of robot’s four natural frequencies and mode shapes

    模态阶次 固有频率 / Hz 振型表现
    第1阶模态 172.19 机器人大臂、小臂和腕部
    绕着关节2的俯仰转动
    第2阶模态 212.16 大臂绕着关节2的俯仰运
    动和小臂及腕部绕着关节
    3的左右摆动
    第3阶模态 461.02 机器人大臂、小臂和腕部
    绕关节2的左右摆动
    第4阶模态 467.79 机器人腕部、小臂与末端
    执行器随关节3的俯仰运动
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    表  3  机器人试验获得的前6阶固有频率

    Table  3.   Six order natural frequencies obtained by robot test

    模态阶次 固有频率 / Hz 阻尼 / %
    1 186.20 0.367
    2 210.70 9.106
    3 479.68 0.452
    4 489.03 6.490
    5 1173.95 2.237
    6 1250.98 0.945
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    表  4  机器人前4阶固有频率

    Table  4.   Four natural frequencies of robot

    模态阶次 固有频率/Hz 误差/%
    数值模态 试验模态
    1 172.19 186.20 7.52
    2 212.16 210.70 0.65
    3 461.02 479.68 3.89
    4 467.79 489.03 4.34
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-02
  • 刊出日期:  2022-09-26

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