基于动力学分析的喷涂机器人电机选择..docx

基于动力学分析的喷涂机器人电机选择学 院（部）：机械与汽车工程学院 专 业： 15机制2班（升） 学 生 姓 名： 李 艳 波 学 号： 1502224005 指 导 教 师： 唐 传 胜 基于动力学分析的喷涂机器人电机选择机械制造及其自动化专业 李艳波 【摘 要】电机驱动负载的计算是喷涂机器人电机选型中的核心问题之一，而喷涂机器人工作时产生高度的动态载荷，增加了电机负载计算的复杂性。针对喷涂机器人电机选型的复杂性，应用虚拟样机技术，建立喷涂机器人的关节电机峰值预估模型，搜索喷涂机器人在工作空间内关节峰值扭矩，从而获得电机的驱动负载。利用峰值扭矩与转速准则进行电机的选型，把驱动负载和候选电机表示在标准峰值扭矩-转速(Tmaxwmax)图中利用该图可以直观、方便选择电机。关键词：机器人；动力学仿真；ADAMS；电机选型【Abstract】The calculation of motor load is one of several key points for motor selection of spraying robot，and high dynamic loads of spraying robot is being generated，which intensifies the calculative complexity of motor load.On the complexity of the motor selection of spraying robot，the peak prediction model of joints servo motor for the robot is modeled with the help of virtual prototype technology to search the maximum of spraying robots joint peak torque in its work space, so that motor driving load is acquired.By applying peak torque and speed limits criterion and the（Tmax -max）graph in which the joint load and all the candidate motors are plotted，motor selection can be intuitive and convenient.Key words:Robot ;Dynamic simulation;ADAMS;Selection 0引言 喷涂机器人是一个复杂的机电系统，电机的选型是机电系统设计的核心问题之一，而电机驱动负载的计算则是电机选型中关键和重要的一步。因而，选型时需要研究喷涂机器人关节负载的计算方法。目前，国内外学者对机电设备的电机选型做了大量的工作。文献1-3提出了基于负载曲线的电机选择方法；文献4针对工业机器人的电机选型中的关节负载的计算，利用理论分析和仿真的方法获得腿式机器人在特定工作任务下的关节负载情况，并基于负载进行了电机选型；文献5利用 MATLAB 分析了工业机器人的高速运动对关节负载的动态影响，并将这种影响考虑到电机的选型中。然而文献4-5是机器人在特定工作条件下基于关节负载的电机选型，而不是针对工作条件不确定（整个工作空间内）情况下的电机选型。针对各个关节在整个工作空间内工作峰值负载计算的复杂性，以 6 自由度喷涂机器人为研究对象，采用虚拟样机技术，以各关节的峰值速度为设计变量，以工作空间内的关节峰值扭矩为优化目标，获得喷涂机器人在工作空间内各关节的峰值载 并以此为出发点，探讨工业机器人电机选型的一般方法。1喷涂机器人的结构分析 机器人本体的结构在设计时需要考虑电机的尺寸，因而喷综合考虑电机的外形尺寸和本体机构的相互影响。与某企业合作开发的喷涂机器人。电机安装在喷涂机器人的内部(（图 1 中的腰部）)因此电机的选型对机器人的外形尺寸会有很大影响。如果采用试算和经验的方法往往会选择过大的电机，致使机器人的腰部和肩部尺寸过大而影响机器人的性能和外观。2喷涂机器人的动力学分析动力分析主要研究机器人的动态性能为伺服电机的选型和机器人的控制提供依据。主要通过机器人运动的速度和加速度求解各关节应施加的广义驱动力的变化规律。根据机器人本体动力学的理论简化模型，分析其动力学性能的影响因素，采用ADAMS 进行动力学仿真分析。2.1 理论分析拉格朗日方程和牛顿方程是当前多体系统动力学建模采用的主要方法6-7。由于喷涂机器人为开环系统，采用拉格朗日方法建模，可以获得相对较为简单的方程形式。基于文献6，机器人本NNN体的拉格朗日方程为： 咬 觶 （）觶 （） dij qj + qj cjm i qm +Gi =Ti tj=1j=1m=1式中：Ti关节 i 的外力矩之和；dij机器人本体各杆件加速度的广义质量矩阵；c（i）依赖于坐标系的离心力和科氏加速度耦合系数，其他（N-1）连杆作用在连杆上。 由上式可知，本体关节 i 的外力/力矩不仅仅受单一因素影响，其他关节运动也会对该关节的驱动力矩产生作用，因而在分析某一关节的驱动力矩时，要综合考虑各方面的因素。在考虑惯性力矩时应该充分考虑惯性耦合，取最大力矩作为该关节力矩的计算值，计入关节驱动力矩。2.2 动力学仿真 机器人的工作空间由无数运动轨迹构成，其中任何一条具体轨迹求解出的关节峰值扭矩，都不能保证是该关节在工作空间中的全局峰值扭矩。为了得到机器人在工作空间内各关节的峰值扭矩，利用 ADAMS 软件的优化工具箱8，通过调整关节的峰值驱动速度，搜索机器人各个关节在设计速度下的峰值扭矩。关节峰值扭矩搜索的流程图,如图 2 所示。 对于机器人各关节的峰值扭矩和功率的计算，其过程可以分成如下几个步骤： 1）优化目标：使各关节的扭矩最大；（fX）=max Timag 2)设计变量：以各关节的角速度的峰值作为设计变量，关节（16）的角速度峰值所对应的设计变量分别为 DV1-DV6。驱动关节的模拟速度函数为正弦函数 DVi*sin（2t）。 3）约束条件：根据喷涂机器人的设计要求，设定各个设计变量（角速度峰值）的取值范围及各关节角位移约束。 4）灵敏度分析：为了降低问题的求解规模，可对各设计变量进行灵敏度分析。利用设计研究方法，计算各设计变量对目标的灵敏度。通过灵敏度分析可知四至六关节的速度变化对一关节扭矩的影响不大，因此在搜索一关节的峰值扭矩时，可仅以一至三关节的角速度为设计变量，优化求解一关节的峰值扭矩。 5)优化分析:在进行优化之前，通过实验设计获得设计变量的初始值，以一关节的峰值扭矩为优化目标，通过优化设计来获得一关节在工作空间内的峰值扭矩，如图 3 所示。其中实线是扭矩，短虚线是角速度，长虚线是角加速度。其余关节的峰值扭矩和功率的计算参考一关节峰值扭矩的求解方法。一关节的峰值功率，如图 4 所示。实线是功率，虚线是角加速度。由于四至六关节的电机选用相同的型号，对四至六关节综合考虑，仅关心其中最大的峰值扭矩和峰值功率，其中四关节的峰值扭矩最大，五关节的峰值功率最大。最后将各关节的峰值扭矩和峰值功率汇总成。如表1所示 3电机选择实例以一关节电机的选择为例，由表 1 可知，一关节的负载要求为：Tpl=1474.7Nm，pl=115/s；关节的候选电机为某公司针对机器人研制的电机，具体参数，如表 2 所示。 根据图 5 可以方便的区分候选电机的性能，A 处于曲线下方，不适合驱动一关节负载，可从电机 B、C、D 中选择合适的电机。根据各电机的标准减速比范围计算与之对应的实际减速比范围：电机 B 允许的传动比范围是（80.3147），电机 C 允许的传动比范围是（57.6139），电机 D 允许的传动比范围是（51.4140）。4结论首先对喷涂机器人的本体进行了动力学理论分析,在此基础上并利用虚拟样机技术完成了电机选型。通过 ADAMS 的参数化和优化功能搜索出机器人工作空间内的各个关节的峰值扭矩和峰值功率。参考文献1Van de Straete HJ，De Schutter J，Belmans R.An efficient procedure for checking performance limits in servo drive selection and optimizationJ. IEEE/ASME Trans Mech，1999，4（4）：378-386.2Johansson，Jan Wikander.Optimal selection of motor and gearhead in mechatronic applicationsJ.Mechatronics，2006，16（1）：63-72.3 Giancarlo Cusimano. Choice of electrical motor and transmission in mechatronic applications：The torque peakJ.Mechanism and Machine Theory，September 2011，146（9）：1207-1235.4Avik De，Goran Lynch，Aaron Johnson，Daniel Koditschek. Motor Sizing for Legged Robots Using Dynamic Task SpecificationC/.Technologies for Practical Robot Applications （TePRA），2011 IEEE Conference on 2011：64-69.5Changhwan Choi，Seungho Jung，Seokhwan Kim，Jeongyeob Lee，TokSonChoe，Sangchul Chung，Yongwoon Park. A motor selection technique for designing a manipulatorC/.Control Automation and Systems，Internati-onal Conference，2007，10（17-20）：2487-2492