CN110991126A - 一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，涉及机器人加工技术领域，采用技术方案需要对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析，采用计算模态分析法建立各组件及组件接触特性的动刚度理论子模型，并通过模态综合理论建立机器人的整机动刚度理论模型；同时，对机器人整机进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立机器人的整机动刚度实验模型与模态模型，辨识出模态参数并进行整机动刚度实验模型的验证；通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正，构建符合精度要求的整机动刚度模型。本发明构建的机器人动刚度模型具有较高精度。

Description

一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法

技术领域

本发明涉及切削加工机器人，具体的说是一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法。

背景技术

工业机器人技术的进步和应用是推动我国智能制造发展的重要手段和关键环节。工业机器人柔性高、成本低、工作空间大、位姿控制灵活，将其应用于切削加工，能够适应多品种、小批量、现场加工的现代生产模式要求，显著降低生产成本，提高设备和加工空间的利用率，有效提升技术创新速度和企业竞争力。但由于工业机器人存在重复定位精度低、刚度差、误差分析控制繁琐等问题，极大限制了机器人在切削加工领域的应用。

如何对切削加工机器人的误差进行有效的分析，有效提高加工精度，是推动机器人切削加工应用的关键问题。对于静态误差，可以通过机器人运动学标定方法建立误差模型并实现修正。对于动态误差的分析，需要建立机器人的动刚度模型。机器人是由各部分组件组成的，机器人各组件和组件间的接触特性构成了其整体动态特性。现有的动刚度建模方法多是基于材料力学形变计算方法，通过刚度矢量叠加计算机器人末端形变，结合机器人负载计算机器人动刚度，该种方法简化了机器人动力学模型，忽略部分结构件质量，且利用刚度叠加法，未考虑机器人动态变形中的耦合作用，不能精确描述实际运动变形过程。

发明内容

本发明针对目前技术发展的需求和不足之处，提供一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法。

本发明的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析，采用计算模态分析法建立各组件及组件接触特性的动刚度理论子模型，并通过模态综合理论建立机器人的整机动刚度理论模型；

同时，对机器人整机进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立机器人的整机动刚度实验模型与模态模型，辨识出模态参数并进行整机动刚度实验模型的验证；

通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正，构建符合精度要求的整机动刚度模型。

进一步的，对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析之前，需要根据机器人本体参数的描述文件调用模型类库；

A)所述机器人本体参数的描述文件即能够完整描述机器人本体参数的规范性文件，所述描述文件的生成过程包括：

a1)依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度进行分析，所述结构参数包括功能组件、关节连接方式、结构组成三类，其中，所述功能组件包括驱动单元，连杆单元，减速器单元，所述关节连接方式包括一体化连接、联轴器连接，所述结构组成包括串联、并联、串并联结合；

a2)根据分析结果制定参数描述的精度准则与规范；

a3)采用标准化的文件格式作为载体，将分析结果生成能够完整描述机器人本体参数的规范性文件；

B)所述模型类库是应用面向对象的方法设计而成的，其设计过程包括：

b1)借助工具SQLserver建立机器人组件误差分析基类，包括ID、误差分析方法和其他属性，用于分析组件误差产生的原因；

b2)由机器人组件误差分析基类派生出功能组件类和关节连接方式类，其中，

功能组件类是组件的刚度对误差影响的分析，功能组件类派生出杆件类、减速器类两个子类；

关节连接方式类是对组件接触刚度影响的分析，关节连接方式类派生出一体式连接和联轴器连接两个子类；

b3)封装基类和派生出的子类，在建立机器人整机动刚度理论模型时，机器人本体参数的描述文件对模型类库的封装信息进行调用。

进一步的，依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度分析，具体操作包括：

依据机器人结构参数建立机器人仿真模型；

依据机器人仿真模型，建立仿真动刚度模型；

以仿真动刚度模型为目标函数，对机器人结构参数进行灵敏度分析；

确定机器人结构参数变化对机器人控制***动态特性的影响的灵敏度，并由机械工程师通过计算编程分析权衡结构参数的灵敏度，随后，人工制定参数描述的精度准则与规范。

更进一步的，依据仿真动刚度模型的灵敏度分析结果，将结构参数划分为敏感参数和非敏感参数；

对敏感参数，使用精度较高的仪器进行更加精确的测量，采用精度更高的算法进行参数计算和描述；

对非敏感参数则可以简化其测量、描述过程；仿真动刚度模型的灵敏度分析结果，可以为机器人切削加工***的动力修改提供依据。

进一步的，作为载体采用的标准化文件格式为XML文件；

根据制定参数描述的精度准则与规范，对功能组件、关节连接方式、结构组成三类参数进行灵敏度分析后，分别生成功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件；

开源xml文件生成器将功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件整合生成机器人本体参数的描述文件。

进一步的，通过模态综合理论建立机器人的整机动刚度理论模型的具体过程包括：

对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立组件及组件接触特性的动刚度实验子模型与模态子模型，辨识出模态参数并进行动刚度实验子模型的验证；

通过动刚度实验子模型对相应组件及组件接触特性的动刚度理论子模型进行修正，构建符合精度要求的动刚度子模型；

通过模态综合理论将符合精度要求的动刚度子模型综合为机器人的整机动刚度理论模型。

更进一步的，通过动刚度实验子模型对相应组件及组件接触特性的动刚度理论子模型进行修正之前，需要根据理论分析结果去除影响误差分析的极小因素，简化动刚度理论子模型的变量。

具体的，通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正的具体过程为：

步骤1：将工艺参数录入控制器，控制器执行加工轨迹，并通过测力仪与加速度传感器采集实验数据；

步骤2：对采集到的加速度数据进行傅里叶变换，获取振动幅值谱数据，对幅值谱数据进行取对数运算，然后通过傅里叶逆变换构建幅值谱倒谱数据；

步骤3：对步骤2构建的幅值谱倒谱数据进行指数窗滤波运算，然后滤波后的倒谱数据做反倒谱运算，构建随机激励下的振动幅值谱数据；

步骤:4：对采集到的的加速度数据进行傅里叶变换，构建振动相位谱数据；

步骤5：结合步骤3和步骤4构建的幅值谱和相位谱数据，进行傅里叶逆变换，构建加工过程中随机激励下的加速度时域信号；

步骤6：利用步骤5构建的时域信号，通过最小二乘复频域法辨识模态参数，获得切削机器人末端变形与变化切削力之间的函数关系，进而构建符合精度要求的切削加工机器人整机动刚度模型。

本发明的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，与现有技术相比具有的有益效果是：

1)本发明采用模态分析的方法建立机器人的整机动刚度理论模型，通过对机器人整机进行模态实验建立机器人的整机动刚度实验模型与模态模型，最后通过整机动刚度实验模型修正整机动刚度理论模型，构建符合精度要求的整机动刚度模型，以精确描述机器人各组件的实际运动变形过程；

2)本发明的建模过程需要根据机器人本体参数的描述文件调用模型类库，机器人本体参数的描述文件是机器人的功能组件、关节连接方式、结构组成三类结构参数进行灵敏度分析后生成的能够完整描述机器人本体参数的规范性文件，模型类库则是应用面向对象的方法设计而成并封装有机器人组件误差分析基类，机器人本体参数的描述文件对模型类库的调用简化了整机动刚度模型的建模过程，提高了整机动刚度模型的精度。

附图说明

附图1是本发明建立整机动刚度模型的方法流程图；

附图2是本发明建立整机动刚度理论模型的方法流程图；

附图3是本发明中生成机器人本体参数描述文件的流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案、解决的技术问题和技术效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例一：

结合附图1、2，本实施例提出一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，该方法的实现过程包括：

步骤一、根据机器人本体参数的描述文件调用模型类库；

A)所述机器人本体参数的描述文件即能够完整描述机器人本体参数的规范性文件，结合附图3，所述描述文件的生成过程包括：

a1)依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度进行分析，所述结构参数包括功能组件、关节连接方式、结构组成三类，其中，功能组件包括驱动单元、连杆单元、减速器单元，关节连接方式包括一体化连接、联轴器连接，结构组成包括串联、并联、串并联结合；

a2)根据分析结果制定参数描述的精度准则与规范；

a3)采用标准化的文件格式作为载体，将分析结果生成能够完整描述机器人本体参数的规范性文件；

B)所述模型类库是应用面向对象的方法设计而成的，其设计过程包括：

b1)借助工具SQLserver建立机器人组件误差分析基类，包括ID、误差分析方法和其他属性，用于分析组件误差产生的原因；

b2)由机器人组件误差分析基类派生出功能组件类和关节连接方式类，其中，

功能组件类是组件的刚度对误差影响的分析，功能组件类派生出杆件类、减速器类两个子类；

关节连接方式类是对组件接触刚度影响的分析，关节连接方式类派生出一体式连接和联轴器连接两个子类；

b3)封装基类和派生出的子类，在建立机器人整机动刚度理论模型时，机器人本体参数的描述文件对模型类库的封装信息进行调用。

在步骤一的a1)中，依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度分析，具体操作包括：

依据机器人结构参数建立机器人仿真模型；

依据机器人仿真模型，建立仿真动刚度模型；

以仿真动刚度模型为目标函数，对机器人结构参数进行灵敏度分析；

确定机器人结构参数变化对机器人控制***动态特性的影响的灵敏度，并由机械工程师通过计算编程分析权衡结构参数的灵敏度，随后，人工制定参数描述的精度准则与规范。

在步骤一的a3)中，作为载体采用的标准化文件格式为XML文件。根据制定参数描述的精度准则与规范，对功能组件、关节连接方式、结构组成三类参数进行灵敏度分析后，分别生成功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件；开源xml文件生成器将功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件整合生成机器人本体参数的描述文件。

结合附图2，步骤二、对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析，采用计算模态分析法建立各组件及组件接触特性的动刚度理论子模型，并通过模态综合理论建立机器人的整机动刚度理论模型。

结合附图2，在步骤二中，通过模态综合理论建立机器人的整机动刚度理论模型的具体过程包括：

对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立组件及组件接触特性的动刚度实验子模型与模态子模型，辨识出模态参数并进行动刚度实验子模型的验证；

通过动刚度实验子模型对相应组件及组件接触特性的动刚度理论子模型进行修正，构建符合精度要求的动刚度子模型；

通过模态综合理论将符合精度要求的动刚度子模型综合为机器人的整机动刚度理论模型。

步骤三、对机器人整机进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立机器人的整机动刚度实验模型与模态模型，辨识出模态参数并进行整机动刚度实验模型的验证。

步骤四、根据理论分析结果去除影响误差分析的极小因素，简化动刚度理论子模型的变量，通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正，构建符合精度要求的整机动刚度模型。

在步骤四中，通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正的具体过程为：

步骤1：将工艺参数录入控制器，控制器执行加工轨迹，并通过测力仪与加速度传感器采集实验数据；

步骤2：对采集到的加速度数据进行傅里叶变换，获取振动幅值谱数据，对幅值谱数据进行取对数运算，然后通过傅里叶逆变换构建幅值谱倒谱数据；

步骤3：对步骤2构建的幅值谱倒谱数据进行指数窗滤波运算，然后滤波后的倒谱数据做反倒谱运算，构建随机激励下的振动幅值谱数据；

步骤4：对采集到的的加速度数据进行傅里叶变换，构建振动相位谱数据；

步骤5：结合步骤3和步骤4构建的幅值谱和相位谱数据，进行傅里叶逆变换，构建加工过程中随机激励下的加速度时域信号；

步骤6：利用步骤5构建的时域信号，通过最小二乘复频域法辨识模态参数，获得切削机器人末端变形与变化切削力之间的函数关系，进而构建符合精度要求的切削加工机器人整机动刚度模型。

综上可知，采用本发明的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，可以构建高精度的机器人整机动刚度模型，以精确描述机器人各组件的实际运动变形过程。

以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了详细阐述，这些实施例只是用于帮助理解本发明的核心技术内容。基于本发明的上述具体实施例，本技术领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对本发明所作出的任何改进和修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于,包括：

对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析，采用计算模态分析法建立各组件及组件接触特性的动刚度理论子模型，并通过模态综合理论建立机器人的整机动刚度理论模型；

同时，对机器人整机进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立机器人的整机动刚度实验模型与模态模型，辨识出模态参数并进行整机动刚度实验模型的验证；

通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正，构建符合精度要求的整机动刚度模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于，对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析之前，需要根据机器人本体参数的描述文件调用模型类库；

A)所述机器人本体参数的描述文件即能够完整描述机器人本体参数的规范性文件，所述描述文件的生成过程包括：

a1)依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度进行分析，所述结构参数包括功能组件、关节连接方式、结构组成三类，其中，所述功能组件包括驱动单元，连杆单元，减速器单元，所述关节连接方式包括一体化连接、联轴器连接，所述结构组成包括串联、并联、串并联结合；

a2)根据分析结果制定参数描述的精度准则与规范；

a3)采用标准化的文件格式作为载体，将分析结果生成能够完整描述机器人本体参数的规范性文件；

B)所述模型类库是应用面向对象的方法设计而成的，其设计过程包括：

b1)借助工具SQLserver建立机器人组件误差分析基类，包括ID、误差分析方法和其他属性，用于分析组件误差产生的原因；

b2)由机器人组件误差分析基类派生出功能组件类和关节连接方式类，其中，

功能组件类是组件的刚度对误差影响的分析，功能组件类派生出杆件类、减速器类两个子类；

关节连接方式类是对组件接触刚度影响的分析，关节连接方式类派生出一体式连接和联轴器连接两个子类；

b3)封装基类和派生出的子类，在建立机器人整机动刚度理论模型时，机器人本体参数的描述文件对模型类库的封装信息进行调用。

3.根据权利要求2所述的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于，依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度分析，具体操作包括：

依据机器人结构参数建立机器人仿真模型；

依据机器人仿真模型，建立仿真动刚度模型；

以仿真动刚度模型为目标函数，对机器人结构参数进行灵敏度分析；

确定机器人结构参数变化对机器人控制***动态特性的影响的灵敏度，并由机械工程师通过计算编程分析权衡结构参数的灵敏度，随后，人工制定参数描述的精度准则与规范。

4.根据权利要求3所述的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于，依据仿真动刚度模型的灵敏度分析结果，将结构参数划分为敏感参数和非敏感参数；

对敏感参数，使用精度较高的仪器进行更加精确的测量，采用精度更高的算法进行参数计算和描述；

对非敏感参数则可以简化其测量、描述过程；仿真动刚度模型的灵敏度分析结果，可以为机器人切削加工***的动力修改提供依据。

5.根据权利要求2所述的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于，作为载体采用的标准化文件格式为XML文件；

根据制定参数描述的精度准则与规范，对功能组件、关节连接方式、结构组成三类参数进行灵敏度分析后，分别生成功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件；

开源xml文件生成器将功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件整合生成机器人本体参数的描述文件。

6.根据权利要求1所述的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于，通过模态综合理论建立机器人的整机动刚度理论模型的具体过程包括：

对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立组件及组件接触特性的动刚度实验子模型与模态子模型，辨识出模态参数并进行动刚度实验子模型的验证；

通过动刚度实验子模型对相应组件及组件接触特性的动刚度理论子模型进行修正，构建符合精度要求的动刚度子模型；

通过模态综合理论将符合精度要求的动刚度子模型综合为机器人的整机动刚度理论模型。

7.根据权利要求6所述的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于，通过动刚度实验子模型对相应组件及组件接触特性的动刚度理论子模型进行修正之前，需要根据理论分析结果去除影响误差分析的极小因素，简化动刚度理论子模型的变量。

8.根据权利要求1所述的一种基于模态分析的切削加工机器人动刚度建模方法，其特征在于，通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正的具体过程为：

步骤1：将工艺参数录入控制器，控制器执行加工轨迹，并通过测力仪与加速度传感器采集实验数据；

步骤2：对采集到的加速度数据进行傅里叶变换，获取振动幅值谱数据，对幅值谱数据进行取对数运算，然后通过傅里叶逆变换构建幅值谱倒谱数据；

步骤3：对步骤2构建的幅值谱倒谱数据进行指数窗滤波运算，然后滤波后的倒谱数据做反倒谱运算，构建随机激励下的振动幅值谱数据；

步骤:4：对采集到的的加速度数据进行傅里叶变换，构建振动相位谱数据；

步骤5：结合步骤3和步骤4构建的幅值谱和相位谱数据，进行傅里叶逆变换，构建加工过程中随机激励下的加速度时域信号；

步骤6：利用步骤5构建的时域信号，通过最小二乘复频域法辨识模态参数，获得切削机器人末端变形与变化切削力之间的函数关系，进而构建符合精度要求的切削加工机器人整机动刚度模型。

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