基于有限元分析焊接机器人模型简化方法与流程

本发明涉及计算机辅助设计，尤其是一种基于有限元分析焊接机器人模型的简化方法。

背景技术：

工业机器人结构设计在考虑动态因素的结构修改时，是以经验结合反复实测为主要手段，这种方法大大减缓了设计速度，增加了设计成本，设计质量也难以达到最优。现有解决方法即借助CAE软件在机器人设计阶段预测其整机结构特性，有助于判定机器人结构方案的优劣和实现结构的动态设计，对提高工业机器人的一次性设计成功率具有非常重要的意义。

利用有限元法的基本思想就是将问题的连续求解区域离散为一组有限数目、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，即单元剖分。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。一般来说模型网格划分的越细小，计算的精度越高，但是计算的时间也就越长，对计算平台的要求也就越高。研究表明，当网格划分到一定尺寸时，计算精度并没有得到很大的提高，相反所需要的计算时间确是指数式的增长。而六轴焊接机器人结构复杂，在进行力学分析时，特别是在进行动力学分析时，其动力学模型往往具有较复杂的多自由度、高非线性、高耦合的特点，如果网格数量巨大以及网格质量不好，普通的计算平台无法进行计算或者在计算过程中因为网格质量而出现就算不收敛，导致计算失败。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于有限元分析焊接机器人模型的简化方法，利用有限元的思想对焊接机器人进行模型化，并通过对机器人系统模型的简化提高网格的质量、降低网格的数量，使其易于应用于普通计算平台上进行计算。

技术方案：一种基于有限元分析焊接机器人模型的简化方法，所述焊接机器人的减速机简化包括如下步骤：

(A)将焊接机器人的减速机形状简化为圆柱体；

(B)通过实验测定减速机的物理参数，所述物理参数包括刚度和质量；

(C)对简化后的圆柱体赋予材料，所述材料符合步骤(B)中测定的物理参数；

(D)根据步骤(B)中减速机的刚度计算材料的弹性模量E和剪切模量G；

(E)根据步骤(D)中的弹性模量E和剪切模量G计算泊松比。

进一步的，步骤(A)中所述圆柱体的直径与减速机中面积较小的一个安装面的直径一致。

进一步的，步骤(A)中所述圆柱体的高为减速机两个安装面之间的距离。

进一步的，焊接机器人的伺服电机简化包括如下步骤：

(a)在仿真软件中设置机器人的仿真位姿；

(b)提取机器人在步骤(a)设置的位姿下各个轴上伺服电机的重心坐标；

(c)将伺服电机在其重心坐标处简化为质点单元，并将伺服电机的质量赋予到所述质点单元上；

(d)将质点单元与伺服电机的承载结构相连接，将伺服电机的质量平均分配到承载结构上；

(e)改变机器人的仿真位姿并重复步骤(a)-(d)，直到提取完机器人所有需仿真的位姿下的重心；

进一步的，步骤(d)中所述承载结构为机器人底座底面上的螺栓孔；在所述螺栓孔的顶部和底部之间设置一杆单元将顶面和底面进行连接。

进一步的，焊接机器人的底座简化包括：去除底座上的工艺细节、保留底座底面上的用于承载的螺栓孔并划分网格。

进一步的，在划分网格时将螺栓孔处网格的尺寸设置为2-3mm。

进一步的，去除底座上的工艺细节具体包括将倒角和倒圆复原为直角、删除非承载的台面以及工艺孔。

进一步的，焊接机器人的轴承简化包括：将不影响机器人的刚度和承载能力的轴承去除；将影响机器人的刚度和承载能力的轴承简化为质点弹簧单元，并将该轴承的质量平均分配到质点弹簧单元的两端。

有益效果：本发明通过对机器人系统模型的简化，网格易剖分且剖分后的网格质量高，并且降低了网格的数量缩短了计算时间，使其易于应用于普通计算平台上进行计算。本发明对划分好的模型进行求解并与实测结果进行对比，结果表明计算结果可靠，证明模型的简化方法有效。

附图说明

图1是焊接机器人本体结构示意图；

图2(a)是减速机结构示意图；

图2(b)是本发明减速机简化的模型示意图；

图3是伺服电机的结构示意图；

图4(a)是机器人底座结构示意图；

图4(b)是本发明机器人底座简化的模型示意图；

图5是轴承结构示意图；

图6是采用简谐力激振法测量固有频率的原理图；

图7是采用激光法测量位移的原理图。

具体实施方式

下面通过一个最佳实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。

一种基于有限元分析焊接机器人模型的简化方法，焊接机器人本体结构如图1所示，焊接机器人系统的本体主要包括底座1、肩铸件2、大臂3、肘铸件4、小臂5、腕关节6等，另外还有六个伺服电机7、减速机以及传动链所包含的齿轮副等。六自由度机器人本体，用于提供灵巧的机械结构、执行设定的路径规划和速度规划，伺服电机7将电压信号转化为转矩和转速驱动控制对象，减速机则是降低转速获得大的扭矩。

本发明对焊接机器人的简化主要包括对减速机、伺服电机7、底座1和轴承的简化，对每个部件的简化都是相对独立的，可以采用本方法选取一个部件进行简化，未进行说明的其余部件均可按照本领域的常规技术手段设置仿真模型。

焊接机器人的减速机如图2(a)所示，减速机的作用就是降低转速而获得大的转矩，其内部含有齿轮、轴承以及其他结构，结构复杂。而减速机又位于机器人各个部件之间的结合部位，如果减速机模型简化不合理，结合处就会成为薄弱环节，在进行力学分析时，导致本体的固有频率降低，从而导致计算结果偏差太大。

对减速机简化如图2(b)所示，包括如下步骤：

(A)将焊接机器人的减速机形状简化为圆柱体；减速机通过螺栓与其它构件相连接，减速机与构件通过螺栓相结合的平面为安装面，一般包含两个安装面，而这两个安装面的面积不相等，而圆柱体的直径与减速机中面积较小的一个安装面的直径一致，即图中减速机最右侧面(B面)的直径，圆柱体的高为减速机两个安装面之间的距离，即图中A面与B面之间的垂直距离，这样简化后的圆柱体方便安装，A面与结合面之间的连接在仿真软件中直接设置。

(B)通过实验测定减速机的物理参数，所述物理参数包括刚度和质量，其中刚度包括扭转刚度和弯曲刚度；

(C)对简化后的圆柱体赋予材料，所述材料符合步骤(B)中测定的物理参数；

(D)根据步骤(B)中减速机的刚度计算材料的弹性模量E和剪切模量G：

其中：K弯曲是减速机弯曲刚度；K扭转是减速机扭转刚度；Ip是圆柱体极惯性矩；

(E)根据步骤(D)中的弹性模量E和剪切模量G计算泊松比ν。

焊接机器人的伺服电机7如图3所示，伺服电机7是机器人系统中的驱动系统，数量较多，而且质量较大，不合理的简化将导致承载位受力不均匀，而将导致机器人本体重心发生偏移。

焊接机器人的伺服电机7简化包括如下步骤：

(a)在仿真软件中设置机器人的仿真位姿；

(b)提取机器人在步骤(a)设置的位姿下各个轴上伺服电机7的重心坐标；

(c)将伺服电机7在其重心坐标处简化为质点单元，并将伺服电机7的质量赋予到所述质点单元上；

(d)将质点单元与伺服电机7的承载结构相连接，将伺服电机7的质量平均分配到承载结构上；本实施例中承载结构为机器人底座1底面上的螺栓孔，并在螺栓孔的顶部和底部之间设置一杆单元将顶面和底面进行连接。

(e)改变机器人的仿真位姿并重复步骤(a)-(d)，直到提取完机器人所有需仿真的位姿下的重心；

焊接机器人的底座1如图4(a)所示，焊接机器人的底座1简化如图4(b)所示，包括：去除底座1上对机器人刚度性能及承载能力影响不大的工艺细节、保留底座1底面上的用于承载的螺栓孔并划分网格，在划分所述网格时将螺栓孔处网格的尺寸设置为2-3mm。由于在底座1底面上的螺栓孔起主要的承载作用，因此将底面上用于承载的螺栓孔全部保留下来，在划分网格时还要将螺栓孔处网格的尺寸设置的较小。其中，去除底座1上的工艺细节具体包括包括将倒角和倒圆复原为直角、删除非承载的台面(即小台和转折面)以及工艺孔。

焊接机器人的轴承如图5所示，焊接机器人的轴承简化包括：将不影响机器人的刚度和承载能力的轴承去除；将影响机器人的刚度和承载能力的轴承简化为质点弹簧单元，并将该轴承的质量平均分配到质点弹簧单元的两端；其中，整个系统是由各个部件装配起来的，零部件之间相结合的部位为结合部，其结合属于柔性结合，它将导致系统的刚度降低，阻尼增加，从而导致系统的固有频率降低。当轴承处于结合部时，将会对系统的固有频率产生影响，即为影响机器人的刚度和承载能力的轴承；轴承的刚度可以通过下式进行计算。

其中：Kr是轴承刚度；Ff是径向负载；Z是滚动体数目；L是轴承内滚动体的有效接触长度；α是轴承接触角。

图6示出了采用简谐力共振法测试机器人固有频率的示意图。采用简谐力对机器人进行激振，从而就会引起机器人的共振，采用传感器找出机器人系统的各阶固有频率，本发明将得到的固有频率与按照本实施例进行简化仿真得到的频率进行对比。

图7示出了采用激光法测试机器人在重载条件下的位移。将机器人调好位姿，然后将激光的三个探头按标准对准测试台，将探头对应的传感器置零，然后在机器人上悬挂重载，基座就会产生偏移，探头就会捕捉到这种改变，从而会引起传感器上面数值的变化。而传感器上面的数值就是机器人在此位姿以及这一负载条件下分别在X、Y、Z方向的位移，以此方法分别测取不同位姿下挂重载机器人的位移，并与通过仿真软件获得的机器人位移结果相对比，来验证模型优化的有效性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。