轻型机械臂模块化关节伺服性能优化分析.pdf
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1、 第4 1卷 第4期 佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)V o l.4 1N o.4 2 0 2 3 年0 7月 J o u r n a l o f J i a m u s iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 8-1 4 0 2(2 0 2 3)0 4-0 1 0 6-0 3轻型机械臂模块化关节伺服性能优化分析葛 勇,沈晔超(安徽机电职业技术学院,安徽 芜湖2 4 1 0 0 2)摘 要:模块化关节是一个高度集成的机电一体化伺服装置,不仅能够实
2、现对位置的伺服控制,而且能进行力矩控制,还具有大负载重量比等一系列优点,被广泛应用于生产制造,医疗卫生等多个领域。但由于模块化关节结构动态特性造成机械臂伺服性能不佳,限制了模块化关节的应用,新设计模块化关节且建立了数学模型,通过S i m u l i n k仿真分析得出提升优化模块化关节的伺服性能的方式。关键词:模块化关节;伺服性能;S i m u l i n k仿真;优化中图分类号:T P 2 4 文献标识码:A1 模块化关节设计通过分析关节设计指标、设计需求以及结合传统的设计法进行模块化关节的设计,设计模块关节装配图如图1所示。图1 模块化关节1.关节壳体2.输出法兰3.关节力矩传感器4.
3、轴卡5.平键6.轴承座7.深沟球轴承8.固定法兰盖9.内六角螺钉1 0.定子加固环1 1.一字圆头螺钉1 2.电机1 3.关节传动轴1 4.紧定螺钉1 5.编码器1 6.永磁离合器1 7.永磁制动器1 8.驱动控制电路板1 9.内六角螺钉2 0.平键2 1.端盖2 2.螺钉2 3.关节壳体组件 2 对伺服性能影响因素的分析影响关节伺服性能因素包括电机伺服性能和传动系统的结构等1-2,其中电机伺服性能又受固有频率、功率密度、电枢电气参数的影响。2.1 电机对伺服性能的影响电机的电气参数以及结构参数对模块化关节的伺服性能有重大的影响。有两个原因:电机作为收稿日期:2 0 2 3-0 5-1 6基金
4、项目:2 0 2 0年度安徽教育厅高校科学研究项目(K J 2 0 2 0 A 1 1 1 1)。作者简介:葛勇(1 9 8 6-),男,河南周口人,讲师,硕士,研究方向:机械电子工程。第4期葛 勇,等:轻型机械臂模块化关节伺服性能优化分析模块化关节的的动力部件3-4,对关节有着十分重要的意义;同时电机还作为控制策略的被控对象。下面具体分析电机中的影响因素。2.1.1 固有频率的影响模块化关节电机的谐振频率e对电机的带宽有限制作用。能达到加强电机的反应能力,提高电机的电气系统带宽。I0(s)u0(s)=(Jms+C)/(KeKt+(L s+R)(Jms+C)(1)分析式(1)可知,反电动势常数
5、为Ke;力矩常数为Kt,电感为L;轴系惯量为Jm,电枢电阻为R;轴系阻尼系数为C。2.1.2 功率密度的影响关节的电机在选用时需要选型的电机达到规定的转速和力矩,这样便于电机的输出。为了达到以上两个参数,还对电机功率密度P K g有一定的要求。适当的提升P K g的值,使得在输出相同功率时选用的电机质量就越小5,可以使设计模块化关节达到轻量化的目标。在机械手中不仅有一个关节,机械手中的各个关节都是以上关节的负载惯量6,让关节轻量化可以大大减轻机械手的质量,相当于提升了机械手的动态特性。因此大功率密度的电机一般为设计关节的首选。2.1.3 电枢电气参数的影响对于永磁同步电机,电机电流对电机电枢端
6、施加电压响应的快慢用电气时间常数度量表示,如式(2):e=L/R(2)公式(2)表明,电机L越小,电枢R越大,电机的时间常数越小,电机电流响应速度越快,电机应对外界变化时响应就越快。2.2 传动系统结构对伺服性能的影响模块化的关节本就是属于具有伺服性能的传动系统7,对伺服性能有影响的原因有很多。对模块化关节伺服性能具有主要的影响因素有:结构固有频率、传动比、转动回差、传动惯量。下面具体分析影响因素。2.2.1固有频率的影响关节的谐振特性有两个参数:阻尼系数以及固有频率0。这两个参数影响着速度伺服截止频率c r以及位置伺服截止频率B。公式(2)为0与c r之间的联系,而开环截至频率c与c r之间
7、的联系为公式(3)8。依据公式(3)和公式(4)之间的联系可以得到公式(5),公式(5)为开环截至频率c与固有频率0之间的联系9。c r0.80(3)C0.5c r(4)C0.40(5)如公式(1-5)所示为0与B之间的联系。在正常的情况下阻尼系数一般取0.1 0.3 5之间,为了便于计算设=0.2 5,可得到公式(6,7)1 0。B20(6)B0.2 50(7)通过上述分析可以知道为了增强传动系统的反应能力、跟踪的精准度以及开环截止频率C,可以通过提高固有频率0来实现1 1。2.2.2 传动比的影响如公式(8)所示,为传动比与总转动惯量之间的关系。从公式中可以得知提升传动比N可以降低总传动惯
8、量J,从侧面拉高传动系统的反应速度。而且提升传动比。J=Jm+JaN2(8)2.2.3 转动回差的影响转动回差的影响大概可以概括为以下两个方面:可以使模块化关节传动系统自发的出现震动现象,伴随出现静态误差;模块化关节的传动系统会有相位滞后,使系统不稳定1 2。但是传动回差与谐波减速器有关,且产生的传动回差不是很大,对系统影响较小,故对传动回差不做详细分析。2.2.4 总转动惯量的影响公式(9)为电机机电时间常数m和总传动惯量J的关系,公式(1 0)为开环截至频率C和总传动惯量J的关系。m=J RKeKt(9)c=MF S CJ2(1 0)从公式(9)可以得出,在其他条件不变的情况下,转动惯量J
9、和电机时间常数m成正比。当降低总转动惯量可以使时间常数降低,有利于系统响应。在公式(1 0)中表示,转动惯量J和电机时间常数C成反比,当其他条件不变时,降低总传动惯量J会使开环截至频率C变大,这样使过度的时间变短和提高了系统的精度。结合上述对影响关节伺服性能因素的分析,每个影响因素之间有着很多的联系,无法通过改变某一影响因素来提升关节的伺服性能。要提升关节的伺服性能不能够只考虑改变某一影响因素,要综合上述所有影响因素来进行设计,使模块化关节的伺服性能达到最佳状态。701佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年3 提升伺服性能优化的分析3.1 伺服性能优化的方向为让模块化
10、关节的伺服性能的设计达到最优设计,采用优化设计的方式进行设计。选定出设计变 量x=x1,x2,xnT,由此得到f(x1,x2,x3,xn)m a x或m i n。并且得到的目标函数满足公式(1 1)和公式(1 2)。hv(x1,x2,x3,xn)=0v=1,2,pn(1 1)gu(x1,x2,x3,xn)0u=1,2,m(1 2)通过上述的分析得知,模块化关节的伺服性能和许多的因素有关,所以针对模块化的优化需要优化多个问题。将优化目标函数简化为公式(1 2)。0是机械共振频率,e是电机电气共振频率,ma l l是模块化关节的总重。G=0.6 1 8(0.6 1 801 2 4.4+0.3 8
11、22.5ma l l)+0.3 8 2e1 1 6 2.7(1 3)3.2 伺服性能优化的前提条件设计研究模块化关节有着比较繁琐的步骤,在设计研究中牵涉的要求和公式有很多,优化的前提条件也是有很多。影响关节传动系统固有频率的因素为输出端传动链刚度K,谐波减速机速比N,电机轴系的转动惯量以及输出端惯量。影响电机电气频率的是电枢电阻R,电机电感L,电机反电动势常数和力矩常数,以及转轴阻尼系数C。同时将关节的重量分为:电机部分为可变部位、其他归为不可变部位。下面列举2 5、3 2型谐波减速机,如表1所示。表1 两种谐波减速机比较参数(单位)3 2型2 5型M(K g)2.0 81.4 5K(1 04
12、Nm/r a d)6.6 33.9 9 5r(mm)2 11 6r0(mm)4 6.54 1N1 0 0.1 6 01 0 0.1 6 0L(mm)5,5 05,5 0Nt5,6,5 05,6,5 0hm(mm)1,8,31,8,3PK g(Kw/K g)0.40.4Ia(A)993.3 优化结果分析通过使用S i m u l i n k进行仿真,得出模块化关节优化前及优化后的伯德图如图2、图3所示。表2为优化后数据表。从图中可以明显看出,优化后的关节输出端的谐振频率提高了。表2 关节输出端优化表参数(单位)优化后数值优化前数值谐波型号(-)2 5型2 5型总刚度值(1 04Nm/r a d)
13、42.4速比(-)1 0 01 6 0轴系惯量(1 0-4K g m2)1.3 31.0 2谐振频率(H Z)3 3.61 5.9输出端总惯量(K g m2)1.3 82.7 3图2 输出端优化前伯德图图3 输出端优化前后的对比4 结 语首先设计了模块化关节本体结构,其次分析了影响模块化关节伺服性能的主要因素为模块化关节的优化设计提供了优化方向和前提,通过数学建模分析发现影响模块化关节的主要因素为电机的电气影响和传动结构部分耦合的影响,最后通过S i m u l i n k进行仿真分析,结果表明关节的动态性能得到提升。(下转1 2 4页)801佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2
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