如何設(shè)計(jì)出更出色的工業(yè)機(jī)器人 |
由于工業(yè)機(jī)器人在速度、強(qiáng)度、精度及靈活性方面擁有諸多優(yōu)勢，因此被越來越多地用于各類應(yīng)用中。隨著機(jī)器人變得越來越輕并且在較高的負(fù)載下工作，傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法會喪失其效用，這使得動態(tài)因素在機(jī)器人性能方面的重要性與日俱增。
機(jī)器人設(shè)計(jì)師可采用Adams多體仿真（MBS）軟件對整個機(jī)器人機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)動力學(xué)行為及控制算法進(jìn)行仿真，從而提高產(chǎn)品性能。Adams不僅能通過運(yùn)動學(xué)建模建立機(jī)器人的完整工作樣機(jī)，還能對其所執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行仿真。在制造樣機(jī)之前，Adams能對在任何操作情景下機(jī)器人的動力學(xué)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真和診查，通過評估多種不同的設(shè)計(jì)配置和控制算法，提升機(jī)器人的性能，同時縮短所需的實(shí)物試驗(yàn)時間，將機(jī)器人盡快推向市場。
工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)師面臨哪些挑戰(zhàn)？
設(shè)計(jì)師需要用盡可能低的成本，獲得盡可能高水準(zhǔn)的速度、準(zhǔn)確度、耐用性及其他性能參數(shù)。能否贏得訂單的差別往往不過是速度上5%的優(yōu)勢，因此機(jī)器人設(shè)計(jì)師需要**設(shè)計(jì)過程的束縛。
隨著機(jī)器人設(shè)計(jì)師提升性能，機(jī)械臂及其他部件會彎曲至一定角度，因此在計(jì)算機(jī)器人到達(dá)指定位置所進(jìn)行的關(guān)節(jié)運(yùn)動時，這一變形就變得極為重要。更高的扭矩和更輕的機(jī)械臂也使得機(jī)器人更易出現(xiàn)振動，因此與以前相比，確定機(jī)器人的固有頻率并確保其遠(yuǎn)離機(jī)器人的所有工作頻率就變得更加關(guān)鍵。功率更大的機(jī)器人也會增加對機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的需求，這提升了齒輪敲擊及嚙合間隙等因素的重要性，并使軸承設(shè)計(jì)變得更加重要。
但大多數(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)師仍然采用他們過去數(shù)十年一直沿用的同一設(shè)計(jì)工具。但即便使用了超高精度的編碼器，機(jī)器人移動至**XYZ位置以及ABC方位的能力仍然會受到變形、齒輪嚙合間隙、熱膨脹及制造偏差等因素的限制。分析法的復(fù)雜性隨機(jī)器人的自由度和幾何復(fù)雜度的增加而呈指數(shù)增加。
目前機(jī)器人設(shè)計(jì)師所面臨的另一個挑戰(zhàn)是了解機(jī)器人各種關(guān)節(jié)的受載大小。關(guān)節(jié)作用力在很大程度上取決于機(jī)器人的軸承和橫梁的剛度，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具無法提供準(zhǔn)確的預(yù)測。
同時，在當(dāng)今競爭日趨激烈的環(huán)境下，機(jī)器人控制算法的設(shè)計(jì)也變得越來越關(guān)鍵、越來越困難。為滿足交貨日程表，通常需要在設(shè)計(jì)機(jī)器人本身的同時設(shè)計(jì)控制算法，但對于做出**設(shè)計(jì)決策所需的動態(tài)因素，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法所能提供的信息卻****。
在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，需要考慮的另一個動態(tài)效應(yīng)的例子是電纜的管理和導(dǎo)引。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在樣機(jī)測試階段之前無法得知電纜變形的形狀。
AdamsMBD軟件超越了傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)工具，它提供了大位移動力學(xué)仿真功能，可**捕獲真實(shí)環(huán)境中的復(fù)雜性。Adams可簡化剛體與柔性體、齒輪、軸承、電機(jī)、關(guān)節(jié)及其他機(jī)器人部件的動態(tài)性能建模，從而克服運(yùn)動學(xué)解決方案的局限性，在處理與機(jī)器人互動的對象時更是易如反掌。因此，Adams使機(jī)器人設(shè)計(jì)師能夠在設(shè)計(jì)過程初期、得到樣機(jī)之前，將其產(chǎn)品作為一個整體系統(tǒng)對其動態(tài)性能進(jìn)行評估。
Adams提供了各種柔性體建模選擇，可準(zhǔn)確地了解機(jī)器人任何部件的動態(tài)行為。
Adams如何設(shè)計(jì)性能更出色的工業(yè)機(jī)器人考慮部件的柔性，計(jì)算機(jī)器人手臂軌跡Adams能整合柔性體與齒輪，仿真得到部件變形，與傳動方法相比，能夠更準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)器人手臂的軌跡。由于將零部件變形整合到動力學(xué)模型中，還使設(shè)計(jì)師能夠準(zhǔn)確地預(yù)測所有機(jī)器人零部件承受的負(fù)載。通過增加電機(jī)扭矩并降低零部件重量，機(jī)器人設(shè)計(jì)師可使用Adams仿真盡量提高機(jī)器人的速度，而且既不會超過規(guī)定的加載值，也不會產(chǎn)生劇烈振動。如果特定零部件負(fù)載過大，機(jī)器人設(shè)計(jì)師可修改機(jī)器人的設(shè)計(jì)或控制算法，并確定其對零部件加載的影響。在出現(xiàn)碰撞時，機(jī)器人設(shè)計(jì)師還可以輕松地確定作用到操作員身上的負(fù)載，以簡化協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程。
同時，Adams還能使機(jī)器人設(shè)計(jì)師能夠確定機(jī)器人設(shè)計(jì)的固有頻率，并預(yù)測具體應(yīng)用中所經(jīng)歷的振動水平；機(jī)器人設(shè)計(jì)師還可以在設(shè)計(jì)初期精調(diào)控制算法，將機(jī)器人臂和傳動機(jī)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)考慮在內(nèi)，從而提高機(jī)器人的定位精度；Adams還使機(jī)器人設(shè)計(jì)師能夠在設(shè)計(jì)初期，通過對機(jī)器人手臂移動時，電纜的變形和電纜運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行仿真分析，從而評估不同的電纜導(dǎo)引及管理方式的性能；還可以使用Adams開發(fā)可管理復(fù)雜包裝操作的機(jī)器人，并能配合所開發(fā)的新包裝款式。
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