机械模态分析综合论文Word文件下载.docx

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0引言

一般的振动问题由激励（输入）、振动结构（系统）和响应（输出）三部分组成，如图1所示。

根据研究目的不同，可将一般振动问题分为以下基本类型。

图1.一般振动问题的组成

（1）已知激励和振动结构，求系统响应

这是振动的正问题，称为系统动力响应分析。

这是研究得最早最多的一类振动问题。

当人们发现仅由静力分析不能满足产品设计要求时，便开始详细研究基于动力学理论的系统动力响应问题。

这一基本分析过程至今仍广泛用于工程问题中，特别是基于线性模型假设的震动理论，已发展至十分成熟的阶段，而许多工程问题应用这一理论能得到相当满意的结果。

求解系统动力响应最成功、最实用的方法莫过于有限元分析法（FEM）。

（2）已知激励和响应，求系统参数

这是振动问题的一类反问题，成为系统识别。

这一类问题的提出实际是源于第一类基本问题，尽管已知激励和振动结构可求得响应，但许多情况下响应结果并不满足要求，需要修改结构。

对于大多数问题，输入、系统和输出三者有着确定性的关系，只有少数非线性问题，这种确定性关系并不存在。

因此，人们以一定假设为前提，以一定理论为基础研究得到了系统重构的多种方法。

经常把一个系统模型分为三种：

①物理参数模型；

②模态参数模型；

③非参数模型。

系统识别也分为三种：

①物理参数识别；

②模态参数识别；

③非参数识别。

这三种系统识别的关系是从已知激励和响应求系统的角度论述的，事实上，三种模型等价。

（3）已知系统和响应，求激励

这是另外一种振动反问题。

如车、船、飞机的运行，地震、风、浪波引起的建筑物振动等问题，在这些问题中，已知振动结构并较容易测得振动引起的动力响应，但激励却不易确定。

为了进一步研究在这些特定激励下原振动结构的动力响应，需要确定这些激励。

一般地，以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，称为模态分析。

更确切地说，模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。

振动结构模态分析则是指对一般结构所做的模态分析。

1模态分析在工业机器人动态设计中的应用

工业机器人最初广泛应用于一些危险的、重复性的、以及某些人类无法完成的工作,但是近年来,工厂和企业引进工业机器人的主要目的更多是为了提高生产效率和保证产品质量.工业机器人主要应用包括焊接、喷涂、搬运和装配等[1]。

随着各种工业机器人的应用越来越广泛,工业机器人除了具有良好的可靠性、一定的工作空间外,其整体结构还必须有很好的动态性能,这将直接影响机器人的工作效率、稳定性和可靠性[2]。

然而,机器人系统结构复杂,机电耦合等参数影响系统的动态性能,因而对其进行准确的理论建模是极其困难的;

各种经过简化处理后所得到的结构动力学模型也难以满足高精度机器人动态分析与控制器设计的需要.基于试验测试的模态分析可获得准确反映实际机器人动态特性的参数,这为了解机器人的动态性能、参数识别以及机器人控制系统的设计提供了重要的技术手段。

作为一种较为成熟的技术方法,模态分析技术在机床和航空等领域已有广泛深入的应用,在机器人领域的应用相对较少[3],尤其是在对实际机器人系统整机进行动态分析的研究工作中应用则更少。

因此，在机器人设计领域内更多地引入一些模态分析方法是十分必要的。

2几种不同的机器人的模态分析方法介绍

2.1某点焊机器人试验模态分析（试验模态分析）

本例用试验模态分析法对结构形式略有差别的2台点焊机器人在相应典型位姿下分别进行动态特性分析,利用测得的各个测点的频响曲线,通过曲线拟合辨识出A型和B型机器人的低阶模态固有频率、振型、阻尼比。

通过对频响曲线和振型的动画显示研究了机器人在典型位姿下的动态特性,并提出机器人结构设计的改进方案[4]。

试验流程及方法：

在动态测试试验中,采用脉冲激振法,这种方法精度高，时间短，并且易于在现场实现。

数据采集和信号处理在丹麦B&

K3560型多功能数据采集分析仪系统上进行。

所有的模态分析和参数识别采用STAR5.23.32进行[5]。

图2.A型和B型机器人外形图

1.小臂　2.大臂　3.小臂连杆　4.腰座　5.底座

试验流程图如下：

图3.机器人模态测试分析流程图

经过对试验结果的分析，可以得出结论：

（1）机器人系统的主要模态集中在低频段,并且不同的机器人以及同一台机器人在不同位姿下相应的模态频率、阻尼比、振型均存在一定的差别。

（2）A型机器人在较高阶模态频率上较B型机器人具有更好的动态性能。

但在低阶模态下,尤其是第1阶模态,虽然两台机器人的振动形态不同,但模态频率基本相同,均较低,因此,二者均有必要通过改进结构设计加强其结构整体刚性,提高系统第1阶模态的频率。

2.2五自由度搬运机器人结构（边界元法分析）

图4是根据机器人的工作空间要求初步设计的五自由度串联式搬运机器人外观图,由底座、立柱、大臂、小臂、手腕及电机等元件组成。

大臂在立柱上的行程为450mm,机器人最大负载为5kg。

该搬运机器人可以在生产线上搬运中小型工件和进行零件装配,也可放在无人驾驶小车上进行零件的起吊和搬运。

在设计过程中,该机器人的大臂和立柱之间有3种可能的联结方案如图4所示。

究竟哪一种方案好,机器人结构中是否有薄弱环节等等,所有这些问题只有通过对该机器人整机结构的动态特性进行预测分析后才能确定[6]。

图4.五自由度串联式搬运机器人外观图

试验流程：

以3种不同联结方案所对应的机器人整机结构动力学模型,其中立柱、大臂、小臂等构件等效为梁元件,而电机、齿轮、皮带轮、抓取的重物等构件等效为集中质量元件。

以该机器人最远的抓取状态为基准对其联结方案进行动态评价。

应用整机动态特性解析软件分别计算3种不同联接的机器人整机动态特性。

3种方案的模型只是联接方式不同,其他结构尺寸相同,这样做便于方案的比较。

利用软件可以得出对应的3种机器人整机振型特性曲线。

根据对振型特性曲线的分析可以得出以下结论：

本试验基于梁元件和集中质量元件构造了机器人整机动力学模型,应用边界元法,通过动柔度合成的方法建立了机器人整机结构的动力学方程式,可以方便地求解出机器人整机结构的固有频率和振型特性,并开发了相应动态特性的预测解析软件,实现了设计阶段机器人整机特态特性的快速预测。

将本方法和软件应用于1个五自由度搬运机器人结构方案的动态评价,为设计方案抉择提供了理论依据,提高了机器人结构的一次设计成功率。

2.3基于ANSYS水轮机修复专用机器人模态分析（有限元分析）

水轮机修复专用机器人特别是补焊后承担打磨的机器人结构复杂,工况恶劣.打磨时,由于焊后叶片表面粗糙度大引起的振动非常剧烈,严重影响机器人的工作稳定性.为研究打磨工况时产生的振动情况,本文基于ANSYS建立了机器人的有限元模型并进行模态分析,为机器人后续的改进和研究提供了依据[7]。

以下是试验的流程。

2.3.1　机器人打磨工况下的模拟

该试验首先进行了机器人在打磨工况下的模拟。

磨削过程中,磨头主要受到磨削力的作用.目前还没有成熟的机器人磨头磨削力的计算公式.为了便于分析问题,将磨削力分解为相互垂直的三个分力,即沿砂轮切向的切向磨削力Ft,沿砂轮法向的法向磨削力Fn以及沿砂轮轴向的轴向磨削力Fa.一般磨削中,轴向力Fa较小,可以忽略不计.磨削力大小与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比等均有直接关系.由于机器人打磨水轮机叶片的表面是曲面,且叶片体积庞大,相对于机器人的打磨头可以近似为平面.因此,机器人打磨磨削力计算可参考平面磨床磨削力计算方法.模拟计算结果为:

法向磨削力Fn=488.34N,等效扭矩T=-16.854N·

m（负号表示扭拒的方向与砂轮角速度的方向相反）.通过对机器人在打磨工况下的模拟与分析可知,切向磨削力和法向磨削力在磨头和机器人本体中势必产生预应力,因此机器人适合有预应力的模态分析。

2.3.2　　有限元模型的生成

利用ANSYS很难建立立体的机器人模型。

可以先用pro/e绘制出其模型，之后用ANSYS提供的与PRO/E的专用接口将模型导入ANSYS中。

然后利用ANSYS划分单元格。

2.3.2　　机器人的模态分析

本例中由于机器人的有限元模型比较大，几何模型复杂,自由划分网格时在形状复杂的地方生成了形状比较差的实体单元.因此选用ANSYS默认的模态提取方法——分块Lanczos法[8]。

加载并求解，得出结果并分析。

本例利用ANSYS对机器人的结构进行了有预应力模态分析,得出机器人结构的固有频率和振型,为响应分析作了前期准备,为机器人的动力修改提供了依据.同时分析结果表明,机器人各部件结合部位振动较剧烈,尤其小臂与腕部结合部、腕部与末端操作器结合部、立柱与移动机构结合部.依据这些结果可对机器人进行结构动力修改,使动力特性达到预定的要求。

3结语

工业机器人领域中的模态分析方法主要分为两种：

数值模态分析和试验模态分析。

一、数值模态分析主要采用有限元法和边界元法。

（1）有限元法是将弹性结构离散化为有限数量的具体质量、弹性特性单元后,在计算机上作数学运算的理论计算法。

它的优点是可以在结构设计之初,根据有限元分析结果,便预知产品的动态性能,可以在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题,并可改变结构形状以消除或抑制这些问题。

只要能够正确显示出包含边界条件在内的机械振动模型,就可以通过计算机改变机械尺寸的形状细节。

有限元法的不足是计算繁杂耗资费时。

这种方法,除要求计算者有熟练的技巧与经验外,有些参数（如阻尼、结合面特征等）目前尚无法定值,并且利用有限元法计算得到的结果,只能是一个近似值。

正因如此,大多数数学模拟的结构,在试制阶段常应做全尺寸样机的动态试验,以验证计算的可靠程度并补充理论计算的不足,特别对一些重要的或涉及人身安全的结构,就更是如此。

（2）边界元法[9]是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元的基本思想不同，边界元法是只在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件。

所以边界元法与有限元相比，具有单元个数少，数据准备简单等优点。

但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难。

二、试验模态分析是模态分析中最常用的,它与有限元分析技术一起成为解决现代复杂结构动力学问题的两大支柱。

利用试验模态分析研究系统动态性能是一种更经济、更有实效的方法[10]。

首先,根据已有的知识和经验,在老产品基础上试制出一台新的模型;

其次,用试验模态分析技术,对样机作全面的测试与分析,获得产品的动力特性,由此识别出传统的模态参数,建立数学模型,进而了解产品在实际使用中的振动、噪声、疲劳等现实问题;

再次,在计算机上改变产品的结构参数,了解动态性能可能获得的改善程度,或者反过来,设计者事先指定好动力特性,由计算机