用Adams多体仿真软件设计更出色的工业机器人

    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，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。