工业机器人数字化设计技术探究

工业机器人数字化设计技术探究

廖朝海

广西城市职业大学  广西  崇左  532200

摘要：经过40余年的发展，工业机器人技术已趋于成熟。但即使这样，国外公司还是在不断地进行创新，而我们和先进国家的技术差距仍然很大。由于国内外的研究机构很少出版关于工业机器人的研究报告，这使得从事机器人研究的研究者们对其设计和实际操作过程产生了一定的困惑。因此，文章简要地阐述了工业机器人在数字化设计方面的一些典型问题、重要概念以及当前的发展趋势，希望能对其进行一些有益的探索。

关键词：工业机器人；数字化；设计技术

目前，工业机器人的发展方向是：围绕高速、大功率、精密、轻量化、智能化等方向，进行结构和系统的自主创新和集成创新，从传统的基于理想的机械结构的理论研究转向了以实际的机械产品为对象的工程设计。因此，必须充分考虑使用环境，整合已有的设计理论、软件技术，尽可能地涵盖从概念设计、细节设计到原型试验等各个环节。下面将介绍一些主要的综合、分析和测试工作在数字设计中的最新发展。

1 尺度综合技术研究进展

比例综合一般是指依据运动特性来优化机器人的关键尺寸参数，一般不考虑结构参数和材料特性。此外，在零件高度模块化的机器人(如 Delta、Par4等)中，还经常使用规模综合来进行惯性和速度指标的优化。近几年，机械专家们逐渐认识到条件数指标没有将并(混)机器人的中间环节的转移效率纳入考虑范围，从而引入了局部力转移系数(LTI)，从而将压力角度、结构角度等因素纳入到机械性能中。同时，还可以利用所得到的数据，对 LCI、 LTI等指标进行权重计算。在此基础上，通过对性能指数进行分级分级优化，可以有效地解决因变量众多而导致的收敛困难[1]。此外，应当注意的是，上述指标没有包含诸如摇臂分支和整体结构特征的悬臂梁、二力杆、杆结构和截面(如型材、桁架和加强肋)等因素对力传输特性的影响。

2 构型综合技术研究进展

机器人的构形综合主要是面向并(混)机器人进行的，主要是为了实现机器人的拓扑结构设计与优化。构型综合方法是对典型的案例和专利进行分析，从而得到定性的理解，并在此基础上利用启发，发掘出新的机制。这种方法有助于结合各种机械结构(如伸缩腿型、滑腿型、摆式腿型等)以及应用要求，从而确定设计方案的重点和难点。采用了相似的模块化结构 BiVariant，对大型火箭的薄壁圆柱进行了镜面处理。如六轴混合机床，创新地使用两个动台，既能完成水平、垂直或五轴的加工。该产品无需高精度的旋转工作台，可用于桌面五轴加工。该结构的创新过程和设计流程对新型机器人的研制具有一定的参考价值。

3高真实度建模仿真技术研究进展

在进行了比例综合后，设计人员就可以着手具体的结构设计，选择材料、选择零件，并对其进行简单的动态分析，并对其进行初步的设计。然而，对某些高精度、高速度的机器人来说，这种方法还不能满足要求，需要采用先进的数字设计技术。高逼真度模型和模拟技术是实现高精度工业机器人设计的重要环节。仿真模型的真实性一方面与 CAE软件的性能有关，另一方面又与设计人员采用的方法和精度有关。按照模型的真实度，将其划分为一般精度、较高精度、高精度三个等级。通常的精度模型仅考虑了多刚体的动态特性，且对其进行了简单的简化，通常在工业机器人的初始设计中使用。在高精度的模型中，必须考虑到由杆、减速器等柔性环节引起的刚、柔耦合，而将连续柔性接触简化为一种新的方法。而对于高精度的模型，需要对丝杆、导轨、轮系、轴承、结合面等进行精确建模，并考虑到预压等因素。

高真实度模型的主要用途包括：

(1)贡献率分析。也就是说，在每一次分析中，仅考虑一个构件的非线性，而将其它构件视为理想构件(比如，仅假定大臂是柔性的)，并求出该情况下末端变形量、动刚度等参数。通过对相关组件的遍历，比较相关的数据，找出系统的弱点。

(2)性能上限预估。这就是根据贡献率的计算结果，适当地调整系统的薄弱环节，通过模拟各种性能，从而了解整个系统的总体性能，从而减少参数优化的时间。另外，采用高真实度的全参数化模型，对灵敏度和整机性能进行了分析。但高真实度模型对软件的建模能力和解算能力都有较高的要求，因此一般都要对其进行合理的简化。比如，对多个支座构成的铰接装置，必须确保各支座的分析结果与产品说明书上的资料相符，再利用有限元或经典理论进行求解，得到相应的等效轴套，再用等价单元代替实物。在此基础上，对高真实度模型与实际模型的实验结果进行了比较和检验。通过模拟与实验结果的比较，证明了该模型的可信度较高。

4 常用指标的选取和处理

在工业机器人的设计中，一种常见的设计方法是对最常见的任务进行权重计算。首先，利用运动参数如条件数、压力角度等来选择较好的工作空间，选择具有代表性的终端或典型终端路径，并按其发生次数、重要程度等因素进行权重分配；利用多体动态软件对以上典型的运动进行了模拟，得到了运动的速度、精度等参数，并进行了加权处理；最后，采用参数化建模技术对模型进行更新，并采用最优方法求解。另外一种常用的设计方法是评价在给定的转速和加速指数下，最大的变形量和电动机所需要的扭矩。比较保守的方案是选择最苛刻的工作条件，并应用静力学的方法对其进行评价。但由于大多数工作区并没有在同一时间内产生最大的速度和最大的加速度，因此可以对不同的工作空间进行不同的评价

[2]。

5 多领域耦合仿真研究进展

工业机器人是一个具有多种功能的典型实体。在数字设计中， NC系统对机器人的性能有很大的影响，所以在进行数字设计时要充分考虑 NC的影响，并利用高逼真度的机械模型与 CNC系统进行机电耦合模拟，以估计系统的性能，挖掘出控制系统的潜力。

本文的研究重点是基于高精度的 NC和驱动系统的建模。然而，国内的研究人员认为，目前大多数的驱动器制造商都不会提供详细的伺服组件和驱动电路，因此，实现其准确的模型化和最佳化控制仍具有很大的难度。另外，自抗扰控制和输入整形控制等新的控制算法可以方便地考虑到整个系统的频率响应，并且容易实现，因而在一定程度上得到了推广。

结语

综上，工业机器人的设计既复杂，又简单，其核心是对最佳参数和最重要的概念的精确理解，并精通高级 CAE软件，经过合理假设，物理实验，对比分析，掌握高精度仿真技术，才能适应不同的设计要求。

参考文献

[1] 王彦军,杨霞霞. 工业机器人RV减速器数字化设计与动力学分析[J]. 宁德师范学院学报（自然科学版）,2021,33(3):237-243.

[2] 景会成,王颖. 工业机器人车间数字化设计与性能仿真[J]. 计算机应用与软件,2020,37(12):90-94,168.