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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 減速器

工業機器人的電機與減速器選型優化

發布日期：2022-10-09 點擊率：231

引言

為了滿足在各種工況下,機器人的電機和減速器都能正常工作并且發揮其最大性能,需要對以下參數進行校核對比,如電機的最高轉速、最大轉矩、最大轉動慣量、功率等,以及減速器的額定扭矩、啟停容許扭矩(即加減速時允許的最大扭矩）、容許彎矩、瞬間最大容許彎矩、傳動比等。通過動力學仿真分析校核以上參數,以初步確定兩者選型,再以大量的實驗數據作為對比,最終確認電機與減速器的選型。

1動力學研究方法

常見的機器人動力學研究方法有以下幾種:Newton-Euler(牛頓-歐拉法）、Lagrange(拉格朗日法）、Gauss(高斯法）、Kane(凱恩法）及Roberson-wittenburg(羅伯遜-魏登堡法）等,各種方法都有各自的特點。由于機器人動力學方程相當繁冗,想以手工計算求解整個空間位置內運動關節的力矩分布情況或是僅僅求解一條路徑上的力矩都顯得極為困難。即使利用Matlab求解矩陣方程,其計算量也非常大,然而利用ADAMS分析計算功能對其進行仿真求解就顯得簡便許多,該軟件的求解器采用多剛體系統動力學理論中的Lagrange方法來建立系統動力學方程,對虛擬機械系統進行動力學分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力、力矩等曲線。

2動力學仿真方法

機器人電機與減速器的選型就是對機器人各軸所需最大速度、最大轉矩、最大功率關系的求解。對于機器人各關節峰值轉矩7max的求解,文獻提出了無路徑搜索理論,即在機器人全局范圍內列舉出所有可能的試驗點進行搜索,求解7max,其特點是無時間、無路徑、面向整個空間。然而在樣機設計階段,可以用有路徑搜索對其求解,即結合經驗和機器人實際操作情況,選定一些工作路徑(該路徑位于工作空間的極限位置,代表各軸的極限工作狀況）進行動力學仿真,求解7max從而簡化問題,縮短研發周期。

有路徑搜索的思路為:根據理論力學知識可知,電機轉矩需要平衡桿件自身重力矩7g、慣性矩7a等。其中重力矩和慣性矩所占比例最大,其余可忽略不計,即7max=7g＋7a。因此,只需考慮在何種工況下,機器人各軸的重力矩和慣性矩疊加起來最大,則電機和減速器需要在這一最大值下能夠保持最大速度穩定運行即可。

2.1虛擬樣機的建模與簡化

使用Soli+words軟件進行建模,裝配成機器人零位狀態,并進行以下簡化:(1）各轉軸運動時相對靜止,且密度相同的零件可以建模為一個零件體:(2）把各個減速機按比例分為兩部分,一部分和電機相連接,另一部分和輸出端零件相連接。檢查裝配模型干涉情況和相對位置、桿長參數、零件質量屬性等。

2.2虛擬樣機模型的導入與設置

將模型另存為xt格式并在ADAMS軟件中打開,新建模型,設置統一單位,設置力矩的單位為牛米,選擇通過設置零件密度賦予零件質量屬性等。在konneCtors中選擇設置零件間的約束關系,例如底座與地面設置為固定約束[3],各關節相對運動的減速器部分設置為旋轉約束。約束設置完成后,根據電機個數,在各關節相對運動處添加Motion。

2.3驅動函數的設置

選擇所需設置的Motion,在cTye中選擇peloCitT,在FunCtion(time）中輸入驅動函數ScEP(time,0,0+,1.5,150+）＋ScEP(time,2.5,0+,4,-150+）,此函數表示0～1.5s期間,該關節由速度為0o/s逐漸加速到150o/s:1.5～2.5s期間,保持150o/s速度轉動:2.5～4s期間,速度由150o/s逐漸減速為0o/s。加減速時間主要取決于各廠家機器人程序的設定。為了求得最大的轉矩,需要滿足最大重力矩與最大慣性矩的疊加,因此機器人位姿要求達到極限狀態,速度要求達到最大速度。

2.4仿真與數據處理

選擇Simulation,設置仿真時間為4,仿真步數為400,開始仿真。選擇Results-PostyroCessor,在表格的數據源SourCe中選擇0bjeCts,導出對應Motion的Elementcorque和AngularpeloCitT等數據曲線。根據導出的數據曲線與傳動關系,可以得知機器人在某一位姿和速度下,電機所需輸出的轉矩與速度、減速器的受力情況,以此來校核電機和減速器的選型。

3仿真數據與實驗數據對比

選擇六關節機器人為實驗對象,對比相同工況下第二關節所需輸出最大轉矩的仿真結果與實驗結果。對于J2關節的仿真,設置如圖1位姿作為初始位姿,即機器人大小臂伸展至最遠處,使得機器人整體的質心偏離J1軸回轉中心達到最大值,并使J2軸在較短的時間內反重力方向旋轉加速到速度最大值,此時電機所需輸出轉矩最大。

圖1J1軸仿真的位姿圖

仿真結果(圖2)最大為轉矩為1268N·m,根據傳動效率與模型簡化誤差,取65%傳動效率,除以105傳動比,則電機所需輸出轉矩為18.6N·m。實驗測試結果(圖3)顯示啟動時最大電流為27.23A,電機額定電流為11.2A,額定轉矩為8N·m,則此時電機輸出最大轉矩約為27.23/11.2×8=19.45N·m,低于電機最大轉矩24N·m。