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1、模态分析在机器人动态设计中的应用综述摘要：综述振动问题的几种基本类型，引入模态分析的概念，提出工业机器人动态设计的过程中，机械模态分析的必要性，以及综述几种工业中不同的机器人模态分析方法。关键词：模态；机器人；模态分析Abstract：SeveralbasictypesofvibrationaresummarizedtointroducetheconceptofModalAnalysis.ArguetheimportanceofModalAnalysisinthedynamicdesignofindustrialrobotzandsummarizeafewmethodsofModalAnaly
2、sis.Keywords：Modal;robot;ModalAnalysisO引言一般的振动问题由激励（输入）、振动结构（系统）和响应（输出）三部分组成，如图1所示。依据讨论目的不同，可将一般振动问题分为以下基本类型。激励（输入）而|响应，图L一般振动问题的组成（1）已知激励和振动结构，求系统响应这是振动的正问题，称为系统动力响应分析。这是讨论得最早最多的一类振动问题。当人们发觉仅由静力分析不能满足产品设计要求时，便开头具体讨论基于动力学理论的系统动力响应问题。这一基本分析过程至今仍广泛用于工程问题中，特殊是基于线性模型假设的震惊理论，已进展至特别成熟的阶段，而很多工程问题应用这一理论能得到相
3、当满足的结果。求解系统动力响应最胜利、最有用的方法莫过于有限元分析法（FEM）o（2）已知激励和响应，求系统参数这是振动问题的一类反问题，成为系统识别。这一类问题的提出实际是源于第一类基本问题，尽管已知激励和振动结构可求得响应,但很多状况下响应结果并不满足要求，需要修改结构。对于大多数问题,输入、系统和输出三者有着确定性的关系，只有少数非线性问题，这种确定性关系并不存在。因此，人们以肯定假设为前提，以肯定理论为基础讨论得到了系统重构的多种方法。常常把一个系统模型分为三种：物理参数模型；模态参数模型；非参数模型。系统识别也分为三种：物理参数识别；模态参数识别；非参数识别。这三种系统识别的关系是从
4、已知激励和响应求系统的角度论述的，事实上，三种模型等价。(3)已知系统和响应，求激励这是此外一种振动反问题。如车、船、飞机的运行，地震、风、浪波引起的建筑物振动等问题，在这些问题中，已知振动结构并较简洁测得振动引起的动力响应，但激励却不易确定。为了进一步讨论在这些特定激励下原振动结构的动力响应，需要确定这些激励。一般地，以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，称为模态分析。更准确地说，模态分析是讨论系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过肯定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。振动结构模态分析则是指对一般结构所做的模态分析。1模态分析在工业机器人动态设计中的应用
5、工业机器人最初广泛应用于一些危急的、重复性的、以及某些人类无法完成的工作，但是近年来,工厂和企业引进工业机器人的主要目的更多是为了提高生产效率和保证产品质量.工业机器人主要应用包括焊接、喷涂、搬运和装配等1。随着各种工业机器人的应用越来越广泛，工业机器人除了具有良好的牢靠性、肯定的工作空间外，其整体结构还必需有很好的动态性能，这将直接影响机器人的工作效率、稳定性和牢靠性2。然而，机器人系统结构简单，机电耦合等参数影响系统的动态性能，因而对其进行精确的理论建模是极其困难的；各种经过简化处理后所得到的结构动力学模型也难以满足高精度机器人动态分析与掌握器设计的需要.基于试验测试的模态分析可获得精确反
6、映实际机器人动态特性的参数，这为了解机器人的动态性能、参数识别以及机器人掌握系统的设计供应了重要的技术手段。作为一种较为成熟的技术方法，模态分析技术在机床和航空等领域已有广泛深化的应用，在机器人领域的应用相对较少3,尤其是在对实际机器人系统整机进行动态分析的讨论工作中应用则更少。因此，在机器人设计领域内更多地引入一些模态分析方法是特别必要的。2几种不同的机器人的模态分析方法介绍1.1 某点焊机器人试验模态分析（试验模态分析）本例用试验模态分析法对结构形式略有差别的2台点焊机器人在相应典型位姿下分别进行动态特性分析，采用测得的各个测点的频响曲线，通过曲线拟合辨识出A型和B型机器人的低阶模态固有频
7、率、振型、阻尼比。通过对频响曲线和振型的动画显示讨论了机器人在典型位姿下的动态特性，并提出机器人结构设计的改进方案4o试验流程及方法：在动态测试试验中,采纳脉冲激振法,这种方法精度高，时间短,并且易于在现场实现。数据采集和信号处理在丹麦B&K3560型多功能数据采集分析仪系统上进行。全部的模态分析和参数识别采纳STAR5.23.32进行5。图2.A型和B型机器人外形图1.小普2.大臂3.小臂连杆4.腰座5.底座试验流程图如下:图3.机器人模态测试分析流程图经过对试验结果的分析，可以得出结论：机器人系统的主要模态集中在低频段，并且不同的机器人以及同一台机器人在不同位姿下相应的模态频率、阻尼比、振
8、型均存在肯定的差别。(2)A型机器人在较高阶模态频率上较B型机器人具有更好的动态性能。但在低阶模态下，尤其是第1阶模态，虽然两台机器人的振动形态不同，但模态频率基本相同，均较低，因此，二者均有必要通过改进结构设计加强其结构整体刚性，提高系统第1阶模态的频率。1.2 五自由度搬运机器人结构（边界元法分析）图4是依据机器人的工作空间要求初步设计的五自由度串联式搬运机器人外观图，由底座、立柱、大臂、小臂、手腕及电机等元件组成。大臂在立柱上的行程为450mm,机器人最大负载为5kgo该搬运机器人可以在生产线上搬运中小型工件和进行零件装配,也可放在无人驾驶小车上进行零件的起吊和搬运。在设计过程中，该机器
9、人的大臂和立柱之间有3种可能的联结方案如图4所示。毕竟哪一种方案好,机器人结构中是否有薄弱环节等等，全部这些问题只有通过对该机器人整机结构的动态特性进行猜测分析后才能确定6。图4.五自由度串联式搬运机器人外观图试验流程：以3种不同联结方案所对应的机器人整机结构动力学模型，其中立柱、大臂、小臂等构件等效为梁元件,而电机、齿轮、皮带轮、抓取的重物等构件等效为集中质量元件。以该机器人最远的抓取状态为基准对其联结方案进行动态评价。应用整机动态特性解析软件分别计算3种不同联接的机器人整机动态特性。3种方案的模型只是联接方式不同,其他结构尺寸相同,这样做便于方案的比较。采用软件可以得出对应的3种机器人整机
10、振型特性曲线。依据对振型特性曲线的分析可以得出以下结论:本试验基于梁元件和集中质量元件构造了机器人整机动力学模型,应用边界元法,通过动柔度合成的方法建立了机器人整机结构的动力学方程式,可以便利地求解出机器人整机结构的固有频率和振型特性,并开发了相应动态特性的猜测解析软件,实现了设计阶段机器人整机特态特性的快速猜测。将本方法和软件应用于1个五自由度搬运机器人结构方案的动态评价,为设计方案选择供应了理论依据,提高了机器人结构的一次设计胜利率。1.3 基于ANSYS水轮机修复专用机器人模态分析（有限元分析）水轮机修复专用机器人特殊是补焊后担当打磨的机器人结构简单，工况恶劣.打磨时，由于焊后叶片表面粗
11、糙度大引起的振动特别猛烈，严峻影响机器人的工作稳定性.为讨论打磨工况时产生的振动状况，本文基于ANSYS建立了机器人的有限元模型并进行模态分析，为机器人后续的改进和讨论供应了依据7。以下是试验的流程。机器人打磨工况下的模拟该试验首先进行了机器人在打磨工况下的模拟。磨削过程中，磨头主要受到磨削力的作用.目前还没有成熟的机器人磨头磨削力的计算公式.为了便于分析问题，将磨削力分解为相互垂直的三个分力，即沿砂轮切向的切向磨削力Ft,沿砂轮法向的法向磨削力Fn以及沿砂轮轴向的轴向磨削力Fa.一般磨削中，轴向力Fa较小，可以忽视不计.磨削力大小与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比等均有直接关系.由于机器人
12、打磨水轮机叶片的表面是曲面，且叶片体积浩大，相对于机器人的打磨头可以近似为平面.因此，机器人打磨磨削力计算可参考平面磨床磨削力计算方法.模拟计算结果为:法向磨削力Fn=488.34N,等效扭矩T=-16.854Nm（负号表示扭拒的方向与砂轮角速度的方向相反）.通过对机器人在打磨工况下的模拟与分析可知，切向磨削力和法向磨削力在磨头和机器人本体中势必产生预应力，因此机器人适合有预应力的模态分析。2. 3.2有限元模型的生成采用ANSYS很难建立立体的机器人模型。可以先用pro/e绘制出其模型，之后用ANSYS供应的与PRO/E的专用接口将模型导入ANSYS中。然后采用ANSYS划分单元格。3. 3
13、.2机器人的模态分析本例中由于机器人的有限元模型比较大，几何模型简单，自由划分网格时在外形简单的地方生成了外形比较差的实体单元.因此选用ANSYS默认的模态提取方法一一分块LanCZOS法8。加载并求解，得出结果并分析。本例采用ANSYS对机器人的结构进行了有预应力模态分析，得出机器人结构的固有频率和振型，为响应分析作了前期预备，为机器人的动力修改供应了依据.同时分析结果表明，机器人各部件结合部位振动较猛烈，尤其小臂与腕部结合部、腕部与末端操作器结合部、立柱与移动机构结合部.依据这些结果可对机器人进行结构动力修改,使动力特性达到预定的要求。3结语工业机器人领域中的模态分析方法主要分为两种：数值
14、模态分析和试验模态分析。一、数值模态分析主要采纳有限元法和边界元法。(1)有限元法是将弹性结构离散化为有限数量的具体质量、弹性特性单元后,在计算机上作数学运算的理论计算法。它的优点是可以在结构设计之初,依据有限元分析结果,便预知产品的动态性能,可以在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题,并可转变结构外形以消退或抑制这些问题。只要能够正确显示出包含边界条件在内的机械振动模型,就可以通过计算机转变机械尺寸的外形细节。有限元法的不足是计算繁杂耗资费时。这种方法,除要求计算者有娴熟的技巧与阅历外,有些参数(如阻尼、结合面特征等)目前尚无法定值,并且采用有限元法计算得到的结果，只能是一个近
15、似值。正因如此,大多数数学模拟的结构,在试制阶段常应做全尺寸样机的动态试验，以验证计算的牢靠程度并补充理论计算的不足,特殊对一些重要的或涉及人身平安的结构,就更是如此。(2)边界元法9是一种继有限元法之后进展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元，用满足掌握方程的函数去靠近边界条件。所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少，数据预备简洁等优点。但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点四周有猛烈的奇异性，使求解遇到困难。二、试验模态分析是模态分析中最常用的,它与有限元分析技术一起成为解决现代简单
16、结构动力学问题的两大支柱。采用试验模态分析讨论系统动态性能是一种更经济、更有实效的方法10。首先,依据已有的学问和阅历,在老产品基础上试制出一台新的模型;其次,用试验模态分析技术,对样机作全面的测试与分析,获得产品的动力特性，由此识别出传统的模态参数,建立数学模型,进而了解产品在实际使用中的振动、噪声、疲惫等现实问题;再次,在计算机上转变产品的结构参数，了解动态性能可能获得的改善程度,或者反过来,设计者事先指定好动力特性，由计算机来回答所需要的结构参数（质量、刚度、阻尼）的转变量。以上方法均可以用于工业机器人的动态特性设计，应当结合机器人具体的工况和各种分析法的优缺点来打算选取哪种分析方法。参考文献:1田东升，胡明，邹广平，等.基于ANSYS的六自由度工业机
