六轴串联机械臂末端抖动因素及解决方法研究

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六轴串联机械臂的轨迹精度是衡量机械臂精密程度和作业质量的重要标准之一,在其众多影响因素中,六轴串联机械臂末端执行关节的抖动严重制约其在高精密加工中的应用。本文以六轴串联机械臂为研究对象,系统的研究其末端抖动特性及关键影响因素,并从机械理论及力学角度提出解决方法。以下为本文开展和完成的主要研究工作:(1)设计了机械臂末端抖动信号特征获取实验。基于LMS Test Lab?声学测试系统采集机械臂在特定工况下的末端抖动加速度时间信号,通过快速傅里叶变换及二次积分获取机械臂末端抖动的位移时间信号及频谱函数,从而获取末端抖动的频率及振幅等特征。研究发现末端抖动最大振幅为0.3mm及其相应的频率主要集中在9.6 Hz左右。(2)提出了机械臂末端抖动因素猜想及验证猜想的的三种实验方案。首先设计机械臂模态测试及机械臂在不同负载条件下进行了末端抖动测试,用于验证机械臂末端抖动是否由模态共振引起。发现机械臂固有频率与抖动频率相差较大,同时机械臂在不同负载条件下抖动频率仍然主要集中在9.6 Hz左右,其抖动并不是由机械臂的共振引起。接着在ROS控制系统中对机械臂驱动系统进行振动分析,发现引起机械臂末端抖动主要原因是机械臂的主要驱动关节的驱动系统输出不稳定且相互耦合所造成的末端受迫振动。(3)提出了解决机械臂末端抖动的方法。鉴于引起机械臂末端抖动因素的复杂性,基于一阶模态共振原理设计了二自由度动力减振器。该减振器使机械臂末端的抖动信号与减振器内层质量块儿形成共振,消减其外部的抖动能量实现了无延迟减抖的效果,而且可独立安装在机械臂末端不需究其引起抖动的原因。(4)开展了机械臂末端减抖的数值模拟实验及实体实验验证。研究了机械臂实体关节刚度对机械臂整体刚度的影响规律,设计了关节刚度精确获取的实验方案。对安装在机械臂末端的二自由度动力减振器模型进行多刚体动力学模拟仿真。设计了减振器的实际结构,并安装在机械臂末端进行实地验证。仿真及实验结果均表明末端抖动平均振幅可达到50%。
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