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(下）

 (2)定义材料属性和边界条件

模态分析中需要定义的材料属性主要有材料的泊松比、弹性模量和材料的密度等参数，本文设计的直角运动机器人码垛机器人主要材料为普通碳钢，其牌号为Q235，具体的材料属性值如表4-3所示。

直角运动码垛机器人在实际的工况中，立柱是被固定于地面上，因此对立柱的底面添加固定约束。因在模型的简化过程中将手爪简化，所以以一个竖直向下的作用力代替手爪对纵向移动臂的作用。直角运动机器人的边界加载情形如图4.6所示。

(3)运算求解与结果分析

上述条件设置完毕后，运行Simulation中的频率分析算例，并在算例属性中设置模态分析的阶数为6阶，运算结束得到直角运动机器人的频率响应图表，如表4-4所示。

实际的各种零件与结构自身都具有无数个固有频率和与之相对应的振动模型，但当结构受到动载荷的作用时，往往只有少数的几个振型对其的影响重大。一般在最初的几个低阶频率的振型中，结构的振幅比较大，在高阶频率的振型中，结构的振幅也相对较小。因此只需要考虑几个低阶频率的模态振型，直角运动机器人的前3阶模态振型分别如图4.7、图4.8和图4.9所示。

码垛机器人由上述振型图可以看出，一阶模态振型表现为纵向移动支架前倾并带动横梁上导轨发生扭曲变形，最大振幅主要集中在纵向移动支架的顶端，使滑块与横梁上导轨的摩擦增大，沿Y轴的运动困难，间接影响了码垛的精度。二阶模态振型表现为横梁所在位置的纵梁向上隆起，使横梁以上所有结构出现最大振幅，横梁中部也向上隆起，造成拾取机械手爪在Z轴方向的位移发生偏移，严重影响抓取和码垛的精度。三阶模态振型表现为纵梁和导轨出现波浪形扭曲变形，影响横梁沿X轴的运动，造成末端拾取手爪的震颤现象，容易出现抓取不牢和掉包现象。对比直角运动机器人的三阶模态振型，其中第一阶的振动位移最大，并且最大位移基本出现在纵向移动支架末端。

直角运动机器人的码垛工作效率为400袋/小时，即频率为0.111Hz。对应于该工作效率的伺服电机的转速为200r/min，工作频率均低于其最小的共振频率12.873Hz，因此该直角运动机器人的动态特性良好，不会在码垛作业过程中发生共振现象。

4.5本章小结

本章首先分析了面粉码垛系统的主要工作参数及码垛系统的整体布局，对比各类型机器人的优缺点，设计了4自由度的直角运动机器人并建立了直角运动机器人的三维模型。利用有限元分析软件SolidWorks Simulation对机器人的整体结构进行了模态分析，得出各阶共振周期、频率和模态振型，分析结果表明机器人在工作的过程中不会发生共振，其动态特性良好。