[发明专利]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

说明书

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。

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_en_i，其中n_i是第i关节减速器的减速比，公式T_e＝K_tI_i，其中K_t是关节转矩常数，I_i为机器人第i关节周期电流信号，并建立基于关节电流的工业机器人振动模型为其中M﹑K分别是质量和刚度；阻尼为C＝αM+βK，其中α﹑β为比例系数，ω_i与ω_j为第i阶与第j阶模态频率，ζ_i与ζ_j为第i阶与第j阶模态阻尼比，i≤n,j≤n，i≠j，n为机器人关节数。

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；