CN114061741B - 用于测量工业机器人共振频率的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量工业机器人共振频率的测量装置及测量方法，工业机器人包括机座，按照距离机座由近至远的顺序依次编号的N个关节和N个分别用于带动对应的关节旋转的电机，N≥4；所述测量装置包括与第N个关节连接的末端板，m个三向加速度计,多通道动态信号分析仪,上位机和力锤。本发明具有对工业机器人的共振频率测量效率高、测量精确高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种效率高、精确性高的用于测量工业机器人共振频率的测量装置及测量方法。
背景技术
工业机器人在运输或工作状态下都会产生振动，当激励源振动频率与工业机器人的共振频率接近或相等时，工业机器人会产生剧烈振动，严重影响其工作性能，降低生产效率，因此，需要对工业机器人的共振频率进行测量，以使激励源振动频率避开工业机器人的共振频率，保证工业机器人的正常工作。
现有技术中通常采用单响应点法测量工业机器人的共振频率，存在测量误差大、测量精度低的问题。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中，单响应点法测量工业机器人的共振频率，存在测量误差大、测量精度低的不足，提供了一种效率高、精确性高的用于测量工业机器人共振频率的测量装置及测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于测量工业机器人共振频率的测量装置，工业机器人包括机座，按照距离机座由近至远的顺序依次编号的N个关节和N个分别用于带动对应的关节旋转的电机，N≥4；其特征是，所述测量装置包括与第N个关节连接的末端板，m个三向加速度计，多通道动态信号分析仪，上位机和力锤；1个三向加速度计分别设于末端板外表面中部，另外m-1个三向加速度计分别设于第N-m+2个关节至第N个关节上，m≤N；所述三向加速度计与多通道动态信号分析仪电连接，所述多通道动态信号分析仪与上位机电连接，多通道动态信号分析仪与设于力锤的外周面上的力传感器电连接。
作为优选，所述关节包括一端开口的圆筒，圆筒的底板与对应的电机的转轴固定连接；第N-m+2个关节至第N个关节中，对于圆筒的开口端外端露出工业机器人的外周面之外的关节，三向加速度计安装在圆筒的开口端的外端面上；第N-m+2个关节至第N个关节中，对于圆筒位于工业机器人的外周面之内的关节，三向加速度计安装在靠近圆筒的开口端的外端面的工业机器人的外周面上；位于第N个关节上的三向加速度计安装在圆筒的底板上。
作为优选，第N-m+2个关节至第N个关节中，对于圆筒的开口端外端露出工业机器人的外周面之外的关节，圆筒的开口端的外端面上设有两条滑轨，两条滑轨的延伸方向均与圆筒的开口端的端面的一条直径平行，两条滑轨分别位于所述直径的两侧；
两条滑轨上设有若干组沿滑轨的延伸方向间隔排列的通孔，一组通孔包括两个分别位于两条滑轨相对的侧面上的通孔；两条滑轨通过夹具与对应的三向加速度计固定连接，所述夹具包括基板，设于基板上表面的矩形凹槽，设于矩形凹槽上的螺纹孔，设于基板下表面的螺纹孔两侧的前夹板和后夹板；前夹板和后夹板之间的基板下表面上设有矩形凸块，矩形凸块上表面上设有与螺纹孔相对应的竖孔，竖孔内侧壁上设有螺纹；矩形凸块后侧面与后夹板之间设有后间隙，矩形凸块前侧面与前夹板之间设有前间隙，后间隙和前间隙分别与两条导轨配合连接，设于三向加速度计上的螺纹杆与螺纹孔及竖孔配合连接。
作为优选，矩形凸块的前侧面上设有两个前弹性突起，矩形凸块的后侧面上设有两个后弹性突起，两个前弹性突起分别与2组通孔的2个前通孔配合连接，两个后弹性突起分别与所述2组通孔的两个后通孔配合连接。
前弹性突起、后弹性突起和通孔对的设置，使滑块可以相对滑轨移动，使三向加速度计可以安装在关节的圆筒的开口端外端面的不同位置，使检测的位置更加多变，满足检测的需要。
作为优选，还包括用于带动力锤运动的移动机构，所述移动机构包括后立板，设于后立板前表面上部的水平支撑臂，设于水平支撑臂下表面前部的竖向支撑板，设于竖向支撑板和水平支撑臂连接处内侧的气缸；竖向支撑板上设有条形开口，气缸的伸缩杆右端伸出条形开口的前方之外并与杠杆上端连接，杠杆中部与设于条形开口边缘上的支撑件转动连接，杠杆下端与水平杆右端铰接，水平杆左端与力锤连接，竖向支撑板下端设有水平板，水平板板上表面上设有横向滑槽，力锤下侧与导向杆连接，导向杆与横向滑槽滑动连接，支撑件与杠杆上端之间的距离大于与支撑件与杠杆下端之间的距离；工业机器人位于后立板和竖向支撑板之间，力锤位于第N个关节的圆筒外周面前方。
本发明的移动机构的气缸的伸缩杆带动杠杆上端前后移动，从而带动力锤前后移动，当力锤靠近并击打第N个关节的圆筒外周面前侧时，力锤上的力传感器检测出激励信号，各个三向加速度计检测出响应信号。移动机构的气缸可以通过对伸缩杆的行程的控制，保证每次测试时力锤前后移动的幅度相同，从而使每次测试时，力锤的击打力度保持稳定。
一种用于测量工业机器人共振频率的测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤1，使每个三向加速度计的X、Y、Z方向与工业机器人的机座坐标系重合，在工业机器人的机座和地面之间安装隔震底座；使各个电机通电工作，带动各个关节转动；
步骤2，使用力锤敲击第N个关节，向工业机器人提供一个瞬态的冲击力，动态信号分析仪读取力传感器检测到的输入激励信号δ(t)，动态信号分析仪读取每个三向加速度计的响应信号y(t)，t为时间；
上位机对每个三向加速度计的响应信号y(t)进行傅里叶变换，得到频率响应函数，对频率响应函数按频率值从小到大的顺序，读取频率响应函数的曲线的极大值点，读取的极大值点对应的频率即为每个三向加速度计测到的工业机器人的共振频率；
步骤3，设定m个三向加速度计测得的共振频率分别为f1、f2、…、fm，利用f1，f2，…，fm计算工业机器人的共振频率f。
作为优选，步骤3包括如下步骤：
步骤3-1，已知Z自由度工业机器人的传递函数为：
其中，b为m个三向加速度计的序号，1≤b≤m；k表示第k个激励点，k≥1；Ab,k,i根据工业机器人结构辨识得到的留数；λi为工业机器人的第i阶模态的极点，是Ab,k,i的对偶形式，/>为λi的对偶形式，ω为传递函数的角频率，j为虚数；
步骤3-2，设定传递函数的误差e(ω)为：
其中，
其中，Hb,k(ω)为工业机器人在ω处的函数频率响应预测值，为工业机器人各个关节在ω处的实际频率响应测量值的平均值，H′b,k,i1(ω)为工业机器人每个关节在ω处的实际频率响应测量值；而传递函数的误差是各个关节误差的综合结果，即：
其中，Hb,k,i1(ω)为各关节传递函数；
步骤3-3，采用最小二乘算法对e(ω)进行优化，设定优化后获得的函数f(e(ω))为权函数W(ω)；
步骤3-4，计算f1，f2，…，fm的平均值
步骤3-5，计算f1，f2，…，fm的加权w1，w2,...,wm:
步骤3-6，利用如下公式计算工业机器人的共振频率f：
本发明的工业机器人的机座安装在隔震底座上，减少了测量过程中工业机器人的振动，三向加速度计连接至多通道动态信号分析仪，多通道动态信号分析仪通过USB口与上位机实现数据交换与通讯，用于实现工业机器人振动数据的处理与分析，并得出工业机器人的共振频率，同时多通道动态信号分析仪将与力传感器连接，力锤用于敲击工业机器人的第N个关节，从而产生末端板和各个关节的振动。
本发明通过高效、准确的测量及计算，得到工业机器人的共振频率，从而使激励源振动频率可有效避开工业机器人的共振频率，提高了工业机器人的工作性能，提高了工业机器人的生产效率和使用寿命。
因此，本发明具有如下有益效果：可以高效、准确的测量及计算，得到工业机器人的共振频率，使激励源振动频率可有效避开工业机器人的共振频率，提高了工业机器人的工作性能、生产效率和使用寿命。
附图说明
图1是本发明的移动机构的一种侧视图；
图2是本发明的一种原理框图；
图3是本发明的导轨的一种俯视图；
图4是本发明的夹具的一种俯视图；
图5是本发明的夹具的一种仰视图；
图6是本发明的实施例中的工业机器人的一种结构示意图；
图7是本发明和单点法的测量结果的一种对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图6所示的实施例是一种用于测量工业机器人共振频率的测量装置，工业机器人10包括机座11，按照距离机座由近至远的顺序依次编号的6个关节12和6个分别用于带动对应的关节旋转的电机13；测量装置包括与第6个关节连接的圆形的末端板14，如图2所示，5个三向加速度计1，多通道动态信号分析仪2，上位机3和力锤4；1个三向加速度计设于末端板外表面中部，另外4个三向加速度计分别设于第3个关节至第6个关节上；三向加速度计与多通道动态信号分析仪电连接，多通道动态信号分析仪与上位机电连接，多通道动态信号分析仪与设于力锤的外周面上的力传感器401电连接。
从图6中可以看出，机座通过第一电机与第1个关节连接，第1个关节通过第一连杆与第二电机连接，第二电机通过第二连杆与第三关节连接，第三关节通过第三连杆与第四电机连接，第四电机与第四关节连接，第四关节通过第四连杆与第五电机连接，第五电机通过皮带轮和皮带与第五关节连接，第五关节与第六电机连接，第六电机与第六关节连接；
如图6所示，关节包括一端开口的圆筒121，圆筒的底板与对应的电机的转轴固定连接；第3个关节和第6个关节的圆筒的开口端外端露出工业机器人的外周面之外，三向加速度计安装在圆筒的开口端的外端面上；第4个关节的圆筒位于工业机器人的外周面之内，三向加速度计安装在靠近圆筒的开口端的外端面的工业机器人的外周面上；第6个关节上的三向加速度计安装在圆筒的底板上。
如图3、图4、图5所示，第3个关节和第6个关节的圆筒的开口端的外端面上设有两条滑轨2，两条滑轨的延伸方向均与圆筒的开口端的端面的一条直径平行，两条滑轨分别位于所述直径的两侧；
两条滑轨上设有5组沿滑轨的延伸方向间隔排列的通孔，一组通孔包括两个分别位于两条滑轨相对的侧面上的通孔；两条滑轨通过夹具3与对应的三向加速度计固定连接，夹具包括基板31，设于基板上表面的矩形凹槽32，设于矩形凹槽上的螺纹孔33，设于基板下表面的螺纹孔两侧的前夹板34和后夹板35；前夹板和后夹板之间的基板下表面上设有矩形凸块36，矩形凸块上表面上设有与螺纹孔相对应的竖孔，竖孔内侧壁上设有螺纹；矩形凸块后侧面与后夹板之间设有后间隙，矩形凸块前侧面与前夹板之间设有前间隙，后间隙和前间隙分别与两条导轨配合连接，设于三向加速度计上的螺纹杆与螺纹孔及竖孔配合连接。
矩形凸块的前侧面上设有两个前弹性突起，矩形凸块的后侧面上设有两个后弹性突起，两个前弹性突起分别与2组通孔的2个前通孔配合连接，两个后弹性突起分别与所述2组通孔的两个后通孔配合连接。
如图1所示，还包括用于带动力锤运动的移动机构，移动机构包括后立板40，设于后立板前表面上部的水平支撑臂41，设于水平支撑臂下表面前部的竖向支撑板42，设于竖向支撑板和水平支撑臂连接处内侧的气缸43；竖向支撑板上设有条形开口，气缸的伸缩杆右端伸出条形开口的前方之外并与杠杆44上端连接，杠杆中部与设于条形开口边缘上的支撑件45转动连接，杠杆下端与水平杆46右端铰接，水平杆左端与力锤连接，竖向支撑板下端设有水平板47，水平板板上表面上设有横向滑槽，力锤下侧与导向杆48连接，导向杆与横向滑槽滑动连接，支撑件与杠杆上端之间的距离大于与支撑件与杠杆下端之间的距离；工业机器人位于后立板和竖向支撑板之间，力锤位于第6个关节的圆筒外周面前方。
一种用于测量工业机器人共振频率的测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤1，使每个三向加速度计的X、Y、Z方向与工业机器人的机座坐标系重合，在工业机器人的机座和地面之间安装隔震底座；使各个电机通电工作，带动各个关节转动；
步骤2，气缸的伸缩杆带动杠杆上端前后移动，从而带动力锤前后移动，使力锤靠近并击打第6个关节的圆筒外周面前侧，向工业机器人提供一个瞬态的冲击力，动态信号分析仪读取力传感器检测到的输入激励信号δ(t)，动态信号分析仪读取每个三向加速度计的响应信号y(t)，t为时间；
上位机对每个三向加速度计的响应信号y(t)进行傅里叶变换，得到频率响应函数，对频率响应函数按频率值从小到大的顺序，读取频率响应函数的曲线的1阶极大值点，将1阶极大值点作为每个三向加速度测到的工业机器人的共振频率；
步骤3，设定m个三向加速度计测得的共振频率分别为f1、f2、…、fm，利用f1,f2,…,fm计算工业机器人的共振频率f：
步骤3-1，已知6自由度工业机器人的传递函数为：
其中，b为5个三向加速度计的序号，1≤b≤5；k表示第k个激励点，本发明用力锤敲击第6个关节的圆筒的前侧，力锤只敲击此位置，本发明只有一个激励点，k＝1；如果力锤还可以敲击其它位置，则有多个激励点；
Ab,k,i表示根据工业机器人结构辨识得到的留数；λi为工业机器人的第i阶模态的极点，是Ab,k,i的对偶形式，/>为λi的对偶形式，ω为传递函数的角频率；
步骤3-2，设定传递函数的误差e(ω)为：
其中，
其中，Hb,k(ω)为工业机器人在ω处的函数频率响应预测值，为工业机器人各个关节在ω处的实际频率响应测量值的平均值，H′b,k,i1(ω)为工业机器人每个关节在ω处的实际频率响应测量值；而传递函数的误差是各个关节误差的综合结果，即：
其中，Hb,k,i1(ω)为各关节传递函数；
步骤3-3，采用最小二乘算法对e(ω)进行优化，设定优化后获得的函数f(e(ω))为权函数W(ω)；
步骤3-4，计算f1，f2，…，fm的平均值
步骤3-5，计算f1，f2，…，fm的加权w1，w2,...,wm:
步骤3-6，利用如下公式计算工业机器人的共振频率f：
对多个关节同时进行测量是为了保证测量结果的准确性，也可以在第1、2关节增加2个三向加速计共形成7个加速度数据，再经过数据平均加权法获得工业机器人的共振频率。
实验效果分析：
采用六轴工业机器人S5A901，利用扫频法测量六轴工业机器人S5A901的共振频率，确定其1阶共振频率为10.2HZ，但是扫频法存在测量时间较长，需要的设备较多，操作复杂，测量成本高的不足。
同时采用本发明的方法和扫频法测量六轴工业机器人S5A901的共振频率，每种方法共测量5次取平均值。
采用的三向加速度计为MEMS零频传感器，型号为BWJ38511，灵敏度2000mV/g，测量范围2g，频率范围(±3dB)0-200Hz，外形23mm×23mm×20mm。
动态信号分析仪型号为：MI-7008，A级；
冲击力锤型号为：086D05，0.23mV/N；单响应点法简称为单点法。
两种测试方法得到的实验结果如下表所示：
从上图可以看出，采用多点法测量共振频率误差只有1.3％，而采用单点法测量误差达到6.9％，多点法测量的准确度比单点法测量法有明显提高，多点测量共振频率的测量结果比只测量1个点的测量方法更加准确。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于测量工业机器人共振频率的测量装置，工业机器人(10)包括机座(11)，按照距离机座由近至远的顺序依次编号的N个关节(12)和N个分别用于带动对应的关节旋转的电机(13)，N≥4；其特征是，所述测量装置包括与第N个关节连接的末端板(14)，m个三向加速度计(1),多通道动态信号分析仪(2)，上位机(3)和力锤(4)；1个三向加速度计分别设于末端板外表面中部，另外m-1个三向加速度计分别设于第N-m+2个关节至第N个关节上，m≤N；所述三向加速度计与多通道动态信号分析仪电连接，所述多通道动态信号分析仪与上位机电连接，多通道动态信号分析仪与设于力锤的外周面上的力传感器(401)电连接；所述关节包括一端开口的圆筒(121)，圆筒的底板与对应的电机的转轴固定连接；第N-m+2个关节至第N个关节中，对于圆筒的开口端外端露出工业机器人的外周面之外的关节，三向加速度计安装在圆筒的开口端的外端面上；第N-m+2个关节至第N个关节中，对于圆筒位于工业机器人的外周面之内的关节，三向加速度计安装在靠近圆筒的开口端的外端面的工业机器人的外周面上；位于第N个关节上的三向加速度计安装在圆筒的底板上；
第N-m+2个关节至第N个关节中，对于圆筒的开口端外端露出工业机器人的外周面之外的关节，圆筒的开口端的外端面上设有两条滑轨(2)，两条滑轨的延伸方向均与圆筒的开口端的端面的一条直径平行，两条滑轨分别位于所述直径的两侧；
两条滑轨上设有若干组沿滑轨的延伸方向间隔排列的通孔，一组通孔包括两个分别位于两条滑轨相对的侧面上的通孔；两条滑轨通过夹具(3)与对应的三向加速度计固定连接，所述夹具包括基板(31)，设于基板上表面的矩形凹槽(32)，设于矩形凹槽上的螺纹孔(33)，设于基板下表面的螺纹孔两侧的前夹板(34)和后夹板(35)；前夹板和后夹板之间的基板下表面上设有矩形凸块(36)，矩形凸块上表面上设有与螺纹孔相对应的竖孔，竖孔内侧壁上设有螺纹；矩形凸块后侧面与后夹板之间设有后间隙，矩形凸块前侧面与前夹板之间设有前间隙，后间隙和前间隙分别与两条导轨配合连接，设于三向加速度计上的螺纹杆与螺纹孔及竖孔配合连接。
2.根据权利要求1所述的用于测量工业机器人共振频率的测量装置，其特征是，矩形凸块的前侧面上设有两个前弹性突起，矩形凸块的后侧面上设有两个后弹性突起，两个前弹性突起分别与2组通孔的2个前通孔配合连接，两个后弹性突起分别与所述2组通孔的两个后通孔配合连接。
3.根据权利要求1所述的用于测量工业机器人共振频率的测量装置，其特征是，还包括用于带动力锤运动的移动机构，所述移动机构包括后立板(40)，设于后立板前表面上部的水平支撑臂(41)，设于水平支撑臂下表面前部的竖向支撑板(42)，设于竖向支撑板和水平支撑臂连接处内侧的气缸(43)；竖向支撑板上设有条形开口，气缸的伸缩杆右端伸出条形开口的前方之外并与杠杆(44)上端连接，杠杆中部与设于条形开口边缘上的支撑件(45)转动连接，杠杆下端与水平杆(46)右端铰接，水平杆左端与力锤连接，竖向支撑板下端设有水平板(47)，水平板板上表面上设有横向滑槽，力锤下侧与导向杆(48)连接，导向杆与横向滑槽滑动连接，支撑件与杠杆上端之间的距离大于与支撑件与杠杆下端之间的距离；工业机器人位于后立板和竖向支撑板之间，力锤位于第N个关节的圆筒外周面前方。
4.一种基于权利要求1所述的用于测量工业机器人共振频率的测量装置的测量方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1，使每个三向加速度计的X、Y、Z方向与工业机器人的机座坐标系重合，在工业机器人的机座和地面之间安装隔震底座；使各个电机通电工作，带动各个关节转动；
步骤2，使用力锤敲击第N个关节，向工业机器人提供一个瞬态的冲击力，动态信号分析仪读取力传感器检测到的输入激励信号δ(t)，动态信号分析仪读取每个三向加速度计的响应信号y(t)，t为时间；
上位机对每个三向加速度计的响应信号y(t)进行傅里叶变换，得到频率响应函数，对频率响应函数按频率值从小到大的顺序，读取频率响应函数的曲线的极大值点，读取的极大值点对应的频率即为每个三向加速度计测到的工业机器人的共振频率；
步骤3，设定m个三向加速度计测得的共振频率分别为f1、f2、…、fm，利用f1,f2,…,fm计算工业机器人的共振频率f。
5.根据权利要求4所述的用于测量工业机器人共振频率的测量装置的测量方法，其特征是，步骤3包括如下步骤：
步骤3-1，已知Z自由度工业机器人的传递函数为：
其中，b为m个三向加速度计的序号，1≤b≤m；k表示第k个激励点，k≥1；Ab,k,i表示根据工业机器人结构辨识得到的留数；λi为工业机器人的第i阶模态的极点，是Ab,k,i的对偶形式，/>为λi的对偶形式，ω为传递函数的角频率，j为虚数；
步骤3-2，设定传递函数的误差e(ω)为：
其中，
其中，Hb,k(ω)为工业机器人在ω处的函数频率响应预测值，为工业机器人各个关节在ω处的实际频率响应测量值的平均值，H′b,k,i1(ω)为工业机器人每个关节在ω处的实际频率响应测量值；而传递函数的误差是各个关节误差的综合结果，即：
其中，Hb,k,i1(ω)为各关节传递函数；
步骤3-3，采用最小二乘算法对e(ω)进行优化，设定优化后获得的函数f(e(ω))为权函数W(ω)；
步骤3-4，计算f1，f2，…，fm的平均值
步骤3-5，计算f1，f2，…，fm的加权w1，w2,...,wm:
步骤3-6，利用如下公式计算工业机器人的共振频率f：
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