用Adams多体仿真软件设计更出色的工业机器人

用Adams多体仿真软件设计更出色的工业机器人互联网

引言

由于工业机器人在速度、强度、精度及灵活性方面拥有诸多优势，例如可提高质量、降低生产成本，因此被越来越多地用于各类应用中。新一代工业机器人的设计师面临着大量挑战，例如金属切削机器人，受到很大的作用力，不仅要加快操作速度，还要保持定位精度并避免剧烈振动。随着机器人变得越来越轻并且在较高的负载下工作，传统的机器人设计方法（包括采用方程式或软件对运动学及初级动力学进行建模）会丧失其效用，这使得动态因素（例如结构变形和齿轮啮合间隙）在机器人性能方面的重要性与日俱增。

机器人设计师可采用Adams多体仿真（MBS）软件对整个机器人机构的瞬态动力学行为及控制算法进行仿真，从而提高产品性能。Adams不仅能通过运动学建模建立机器人的完整工作样机，还能对其所执行的任务进行仿真，其中包括搬运、制造以及现实生活中的一切活动。这种方法使机器人设计师能够了解零部件变形、接触力、摩擦力、齿轮啮合间隙、振动等因素，从而更精确地计算机器人的轨迹。在制造样机之前，Adams能对在任何操作情景下机器人的动力学性能进行准确的仿真和诊查，通过评估多种不同的设计配置和控制算法，提升机器人的性能，同时缩短所需的实物试验时间，将机器人尽快推向市场。

机器人设计师面临提升性能的挑战

设计师需要用尽可能低的成本，获得尽可能高水准的速度、准确度、耐用性及其他性能参数。能否赢得订单的差别往往不过是速度上5%的优势，因此机器人设计师需要突破设计过程的束缚。例如，机器人设计师可采用扭矩更高的电机或者使用更轻的机械臂来缩短机器人到达其最终位置所需的时间。

随着机器人设计师提升性能，机械臂及其他部件会弯曲至一定角度，因此在计算机器人到达指定位置所进行的关节运动时，这一变形就变得极为重要。更高的扭矩和更轻的机械臂也使得机器人更易出现振动，因此与以前相比，确定机器人的固有频率并确保其远离机器人的所有工作频率就变得更加关键。功率更大的机器人也会增加对机器人传动机构的需求，机器人维修，这提升了齿轮敲击及啮合间隙等因素的重要性，并使轴承设计变得更加重要。

但大多数机器人设计师仍然采用他们过去数十年一直沿用的同一设计工具。他们通常采用运动学模型或简单动力学模型相结合的轨迹规划器，确定末端执行器到达目标空间位置所遵循的路径，同时在电机加速及减速阶段对平稳的连续运动进行追踪。但即便使用了超高精度的编码器，机器人移动至绝对XYZ位置以及ABC方位的能力仍然会受到变形、齿轮啮合间隙、热膨胀及制造偏差等因素的限制。可通过方程式分析解决连杆柔性问题，但这种方法需要高水平的数学能力和大量的时间。分析法的复杂性随机器人的自由度和几何复杂度的增加而呈指数增加。

目前机器人设计师所面临的另一个挑战是了解机器人各种关节的受载大小。随着轻量化越来越多地被用来改进机器人零部件，需要在设计过程初期准确地对这些作用力进行估算，以便确定机器人部件的尺寸，从而交付具有竞争力的产品。关节作用力在很大程度上取决于机器人的轴承和横梁的刚度，因此传统的设计工具无法提供准确的预测。当前的大趋势是开发一种保证操作员在场进行安全操作的协作机器人。在设计这些机器人时的一个关键因素是：确定在出现碰撞时机器人作用到操作人员身上的作用力大小，以免操作人员受伤。

同时，在当今竞争日趋激烈的环境下，机器人控制算法的设计也变得越来越关键、越来越困难。为能提供高速的同时保持或提高定位精度，控制算法通常需要将动态因素（例如机器人和轴承的柔性以及齿轮系的刚性）考虑在内。为满足交货日程表，通常需要在设计机器人本身的同时设计控制算法，但对于做出完美设计决策所需的动态因素，现有的设计方法所能提供的信息却寥寥无几。

在机器人设计中，需要考虑的另一个动态效应的例子是电缆的管理和导引。最近，一些系统集成商将机器人单元中出现停机的头号原因归咎于电缆管理。传统的设计方法在样机测试阶段之前无法得知电缆变形的形状。

AdamsMBD软件可在样机阶段之前预测机器人的动态性能

AdamsMBD软件超越了传统的机器人设计工具，它提供了大位移动力学仿真功能，可全面捕获真实环境中的复杂性。Adams可简化刚体与柔性体、齿轮、轴承、电机、关节及其他机器人部件的动态性能建模，从而克服运动学解决方案的局限性，在处理与机器人互动的对象时更是易如反掌。因此，Adams使机器人设计师能够在设计过程初期、得到样机之前，将其产品作为一个整体系统对其动态性能进行评估。

Adams提供了各种柔性体建模选择，可准确地了解机器人任何部件的动态行为。AdamsFlex能够导入来自大多数主要FEA软件的有限元模型，并能与Adams软件全面集成。AdamsView的ViewFlex模块使用户能够在Adams环境中将刚性部件转换成基于MNF的柔性体。FEPart是Adams原生建模工具，可快速建模系统模型中的几何非线性部件。Adams-Marc的协同仿真功能使用户能够基于一流的非线性有限元软件Marc和Adams执行真正的协同仿真。AdamsMaxFlex以隐式非线性有限元分析为基础，能够在Adams模型中表征几何非线性（大变形）、材料非线性及边界非线性。

机器人设计师可采用AdamsMachinery创建刚体齿轮，从而准确地仿真齿轮啮合间隙和敲击效应；还可以使用AdamsGear高级技术（AT）插件创建更加准确的柔性齿轮模型。机器人设计师还可以使用Adams轴承高级技术（AT）工具包创建柔性轴承模型，该过程只需定义少量的几何参数和材料属性。

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Adams提供三种电机仿真方式

Adams提供了三种不同的电机建模方法。在基于曲线的方法中，通过用户自定义的扭矩速度曲线定义电机扭矩。采用这种分析方法时，可通过用户自定义参数的方程组定义电机扭矩。用户还可以选择外部方法，使用Easy5或MATLABSimulink模型来定义电机扭矩。还可以使用电机模块，用精确的扭矩表达进行精细的位置控制。用户还可以评估电机扭矩特有的振荡属性产生的振动对系统的影响。它们还可以研究在配备大功率电机的系统中，电机内的旋转质量所产生的动态效应，例如安装点处的负载预测或者噪声、振动与声振粗糙度（NVH）问题。最后，与简单地在模型中施加运动并考察所需扭矩相比，该模块还提供了更加完善的电机结果测试方法。

然后可以将Adams机械模型与使用Easy5(r)或MATLAB(r)等软件包开发的控制系统模型集成在一起。与编写运动方程或采用简单的一维机理模型的常规方法相比，工程师能以更高水准的逼真度对机械系统进行形化建模。此外，还可以将控制系统设计软件设计的真实控制器导入到多体动力学仿真环境中。

Adams如何设计性能更出色的机器人