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并联机器人数字化设计平台关键技术研究

2015/12/11    来源:互联网    作者:李博  罗振军  牛文铁  田永利      
关键字:并联机器人  数字化设计平台  虚拟数控系统  
本文重点介绍了数字化设计平台构架和虚拟数控系统的研究现状和存在的问题,并综合现有技术提出了相应的方案。

0 引言

    并联机器人也常被称为并联运动机床(Parallel Kinematic Machines),由于其具有比刚度大等特点,因此近三十年来,面向不同应用场合的各种并联机器人的创新设计与理论研究一直是机器入学领域研究的热点,并在工业领域里得到了广泛的应用。然而并联机器人是一类拓扑结构多样性强、铰链类型众多及部件几何形状复杂的机电系统,其设计过程涉及的数学模型(运动学、刚体动力学、弹性动力学、柔体与控制耦合等)、设计变量(尺度、结构、材料、驱动器与控制参数等)以及工艺要求和性能指标等因素众多,实现完整的真实机器设计是一项较复杂的系统工程。

    虽然近年来国内外的高校和科研院所围绕并联机构的基础理论研究均取得了较显著的成果,并出现了一些面向并联机器人的数字化设计软件平台,但是仍存在众多问题,例如:1)设计理论与企业设计流程结合不紧密;2)机构学理论设计与真实机器设计之间容易脱节;3)大部分设计软件缺乏通用CAD平台支持,而且缺少设计及不同服役环境需求的插件或模块。

    本文以天津大学正在开发的并联机器人数字化设计平台为例,第1节探讨机器人数字化设计方法与流程,第2结探讨数字化设计软件平台构架,3节探讨机器人虚拟数控系统,同时围绕上述关键技术问题和一些机器人企业对数字化设计的实际需求提出若干解决方案,最后进行总结与展望,以期为我国企业提升工业机器人设计能力提供重要借鉴。

1 设计方法与流程的研究现状与探讨

    虽然关于并联机器人设计的专著和案例分析日渐丰富,但是大部分面向并联机构设计的理论方法和流程存在理论与流程之间脱节或结合不紧密的问题。一方面是工程人员通常跳过尺度综合与结构参数设计阶段,根据个人经验直接进行结构设计,在没有合理先验知识时难以获得优化解,未能体现机构学理论在前期设计阶段的价值;另一方面是一些机器人研究学者在机构分析与综合理论方面取得了研究成果但缺少软件平台的支持,难以融入实际设计流程。具体来说,近二十年以来,国内外研究者对并联机器人的速度、加速度、刚度和精度等性能的建模及分析提出了众多理论和方法。例如,基于变分原理和增广螺旋理论的一体化建模理论,完善了许动/受限/驱动/约束线性子空间基底和广义雅可比矩阵的计算流程与算法,可有效地分离影响机器人末端的可补偿/不可补偿位姿误差的来源,并自动获得无量纲雅可比矩阵以构造合理的性能评价指标,可系统化地用于并联机器人的构型综合、尺度综合和参数设计。然而,这些成果的主要表现形式仍然是学术论文和私有软件,广大机器人科研人员难以获取和快速应用。有鉴于此,我们根据机器人的典型特征和应用进行分类,提出高速轻载和中速重载两大类并联机器人的数字化设计流程,并考虑以设计流程导航模块的形式固化在以CAD为中心的集成设计平台中。例如,高速轻载机器人设计导航主要涉及刚体动力学建模、动力尺度综合、动态设计、轨迹规划、驱动器/减速器参数选型、控制一多柔体系统仿真、精度分析与综合等模块;中速重载机器人的设计导航主要涉及静刚度建模、静刚度优化设计、刚体动力学建模、动特性校验、驱动器/减速器参数选型、控制一多柔体系统仿真、精度分析与综合等模块。更多细节可参见文献和等,限于篇幅,在此不进行展开。

2 平台构架的研究现状与方案研究

    目前,基于机器人基础理论的研究成果主要集中在概念设计阶段,而采用CAx软件进行机器人设计则主要集中在详细设计阶段,由于从事机器人基础理论与详细设计的研究者之间缺乏共同支撑工具,导致概念设计与详细设计脱节。此外,在获得机器人基本设计之后,如果缺乏后续的高真实度仿真分析流程和知识库管理工具的支撑,仍难以快速验证真实机构的性能。由于缺乏高度集成的机器人设计平台,机器人典型设计流程中通常需要采用多种软件,致使广大科研人员难以掌握机器人设计技术。

    国内外研究者针对上述问题开展了若干探索。意大利国科院工业技术与自动化研究所的Bianchi等在欧盟的资助下从1996年开始开发并联设备虚拟设计平台VPE-PKMAD,并应用于欧盟发展规划框架Manufuture项目中的多种并联设备研制,此后又在MECOMAT项目中用于机床及重载机器人数字化设计。该平台较好的融合了机器人设计基础理论和CAx软件,利用Matlab/Maple自编代码实现工作空间和机构学指标计算,同时基于ADAMS软件的状态矩阵和静力平衡计算功能,实现刚度预估、工作空间评估、误差分析、灵敏度分析和弹性力学分析,进一步借助有限元软件进行验证和模态分析。但该平台的误差分类与分析功能尚不完整,此外存在刚度预估准确性不高和功能扩展不便等问题。德国不伦瑞克理工大学的Stechert等、卡尔斯鲁厄理工学院的Munzinger等分别针对模块化并联机器人提出了通用模型描述方法和设计框架,利用NX、Matlab、Simpack等软件分阶段实现不同真实度模型的分析,该设计平台特别适合已具有通用模块的并联设备快速设计,但开放性和通用性略有不足。德国杜伊斯堡一埃森大学的Pott和Kecskemethy等基于Lie群理论和运动静力学传递单元理论建立了位置、一阶运动学、误差分析等分析任务的与坐标系选择无关化流程,并开发了可面向对象编程的MOBILE多体系统分析包,但对工程人员的要求过高,而且由于分析包为源代码形式,只适合对少数企业开放。此外,德国开姆尼斯大学的Neugebauer等基于Octave和ANSYS等软件开发了一个切削加工并联机器人的设计平台,但考虑的分析流程较为简化。加拿大安大略理工大学的Zhang等采用Java语言开发了基于机构运动学和静力学理论的机器人设计平台,但缺少标准化开放接口,不利于扩展。最近,土耳其多库兹爱吕尔大学的Akdag等提出基于Solidworks、CosmosMotion和CosmosWorks应用编程接口二次开发的机器人设计及仿真分析平台,并提供控制代码的快速生成与测试。该平台较好地满足了企业对机器人初步设计的一般需求,但与机器人真实工作性能分析还有一定距离。清华大学等研究单位在国家863项目等资助下从2002年开始进行了并联类装备虚拟设计系统的开发,主要研究涉及概念设计、运动学设计、整机组合设计、动力学设计、作业仿真和切削性能分析等,并结合产品数据管理(PDM)进行管理,为并联设备的研制流程供了重要参考。天津大学的韩海生等利用商业化CAx软件及其接口实现并联机构的较完整分析流程,但未形成独立平台。

    另一方面,一些面向一般机电产品建模仿真的通用软件在近年来获得了较大发展,这为机器人设计提供了便利。例如,基于现代多体动力学理论的Recurdyn软件和Samcef软件等提供了较丰富的机电建模分析和有限元分析功能:基于Modelica建模语言的仿真软件(如Dymola,SimulationX等)则提供了丰富的多领域统一能力,在可重用性和持续性研发方面提供重要支持;更进一步,CATIA和Creo等主流CAx软件也开始集成了Modelica建模分析能力。

    鉴于机器人设计平台在高真实度设计和模块化设计方面有着长远需求,建立一套支持机构学、CAD、多体运动学、有限元分析、多领域耦合等领域专家共同参与的设计框架有着重要的价值。我们认为理想的数字化设计平台应提供从概念设计到详细设计的完整流程。考虑到企业对设计周期的要求和设计人员对设计技巧的认知等方面的因素,并联机器人设计适宜采用“尺度设计一尺寸设计”分层递阶流程、多目标优化设计方法和功能齐全的数字化设计平台来完成。这首先要求数字化设计平台对相关CAx软件具备很强的系统集成能力,以便使得设计平台具有很好的通用性、可扩展性和开放性。同时为便于设计人员掌握并联机器人设计的基础理论,也为了使用过程更加直观和方便,数字化设计平台应综合采用设计导航和设计案例库的形式,并根据企业的需求持续补充案例库和相应的分析特征库。

    在综合已有数字化设计平台的特点的基础上,天津大学正在研究的数字化设计平台在软件集成、误差分析和性能评估等方面均有创新和突破。此外考虑到企业对机器人指标的差异,同时开发两种设计平台:一种是以CAD软件为核心开发的基于现代多体动力学软件的平台,主要针对包含丝杆导轨等建模因素且要求高真实度建模仿真的机器人应用;另一种是以CAD软件为核心开发的基于多领域耦合建模语言及求解器的平台,主要面向机械系统非线性因素不突出且对真实度要求相对不高的机器人应用。两种设计平台在CAD软件部分的代码可以共用。如图1所示,第二种设计平台中包含尺度综合阶段和尺寸综合两个阶段。在尺度综合阶段,用户根据拓扑结构数据库进行选型,同时利用Python运动学分析库进行概念设计,可选自定义运动正逆解等方法;然后基于获得的尺度参数、条件数指标、力传递指标等数据调用零件结构数据库和运动副模型/参数库进行初步结构设计(包括零部件选型、自动化装配、参数驱动/协调及分析特征等),结构设计在国产CAD软件Sinovation中完成;基于初步模型以及任务轨迹、加速度等用户需求,由虚拟数控系统Virtual CNC驱动进行运动学/动力学仿真和设计,完成位置/工作空间仿真、运动仿真/干涉检查、速度/加速度分析和轨迹规划等;再由Modelica软件包进行详细动力学仿真和设计,完成驱动器参数选型和性能仿真;最后,根据基频、轨迹精度等用户需求,由动力学仿真计算得到较真实的电机参数、支座反力等数据,通过Modelica柔性体建模仿真及与CAE集成,完成整机性能预估(弹性静力分析和模态分析等)和真实工作轨迹仿真(弹性动力学和控制多体仿真)。

并联搬运机器人数字化设计平台的架构

图1 并联搬运机器人数字化设计平台的架构

责任编辑:程玥
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