基于机器视觉的面粉袋码垛机器人研究中直角运动机器人模态分析(上）

4.4直角运动机器人模态分析

本文所设计的码垛直角运动机器人（码垛机器人）跨度相对较大，其运行的平稳与否将对码垛作业的精度产生重要影响，因此需要对其工作过程中的振动特性进行分析研究。码垛机器人在工作过程中，其周围的工作环境相对稳定，一般不会受到外部作用力或外部振动源的干扰，其工作的稳定性主要取决于内部环境。由于直角运动机器人的主要驱动方式是多套伺服电机带动齿轮齿条的形式，因此，伺服电机的振动和码垛作业的工作频率将对整个结构系统产生重要影响，本节通过对码垛机器人的直角运动结构进行模态分析，得出其固有频率以及各阶模态振型，以检验其在工作过程中的稳定性。

4.4.1模态分析原理

模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，也是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态均具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称之为模态分析。其中计算模态分析是通过计算机利用有限元分析计算的方法获得系统的模态参数和振型特点，而试验模态分析是通过对系统输入激励信号并采集相应的输出响应信号进行参数识别，进而得出系统的模态参数。

其中有限元分析法是利用计算机获取模态参数比较常用的方法，对于具有N个自由度的线性定常系统，它的基本振动方程如式(4-1)所示。

通过模态分析方法，分析出结构对应于不同共振频率的模态振型特点，便可以推断出结构在该频率的外部或内部激励源作用下的实际振动响应，为机构的优化及避免共振提供指导和依据。

4.4.2模态仿真分析

(1)建立几何模型并划分网格

在上一节中己经建立直角运动机器人（码垛机器人）的三维模型，为了获得好的网格划分效果和合理的仿真分析时间，在此基础上还需对直角运动机器人模型进行简化处理。去除结构中不重要的圆角和圆边，去除直角运动机器人的各伺服驱动电机及其附属结构，去除直角运动机器人的各齿轮齿条装置，将轴承替换为圆柱环，将滚珠丝杠替换为同等材质和尺寸的圆柱体。为了得到高精确地分析结果，设置网格密度为高品质网格，网格类型为实体网格，划分实体网格的节点数为134618个，单元总数为70338个，网格划分的结果如图4.5所示。