機(jī)械臂全伸展重載效應(yīng)下全場變形DIC分析

妮子201812

機(jī)械臂是一個(gè)多輸入多輸出、高度非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜柔性多體系統(tǒng)。機(jī)械臂負(fù)載微小變形映射到機(jī)械臂末端會產(chǎn)生較大的末端位置偏差。為確保穩(wěn)定性及控制精度，需經(jīng)過仿真分析及專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在實(shí)際工況載荷下的高精高穩(wěn)控制。為了解決機(jī)械臂在重載下操作精度難題，某工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新性地引入數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)，利用DIC技術(shù)測量機(jī)械臂全伸展時(shí)在載荷下表面的全場應(yīng)變。機(jī)械臂全伸展時(shí)受到的載荷和力矩最大，其結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷最大的應(yīng)力和變形，分析機(jī)械臂全伸展時(shí)在載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，測試數(shù)據(jù)有助于提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的精度和可靠性。本次實(shí)驗(yàn)是某工業(yè)大學(xué)對機(jī)械手臂進(jìn)行靜態(tài)加載變形分析，實(shí)驗(yàn)采用新拓三維XTDIC 三維光學(xué)全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，對機(jī)械臂全伸展時(shí)在不同載荷下進(jìn)行全場變形DIC分析，有助于建立彈性誤差與機(jī)械臂末端位置誤差間的映射關(guān)系，建立機(jī)械臂綜合誤差模型；通過補(bǔ)償機(jī)械臂末端位置誤差，有效提高機(jī)械臂末端絕對定位精度。DIC測試分析實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)工況：1、通過增減砝碼的方式對機(jī)械手臂進(jìn)行靜態(tài)加載，加載共分六級，滿級加載后再進(jìn)行卸載。2、通過砝碼的加載卸載，來對機(jī)械臂進(jìn)行載荷變形分析（全場應(yīng)變測試分析DIC）。



機(jī)械手載荷下DIC變形測試

通過在機(jī)械臂制作散斑，以便使用DIC設(shè)備采集高質(zhì)量圖像進(jìn)行變形測量。設(shè)置兩臺DIC全場應(yīng)變測量系統(tǒng)攝像機(jī)的空間定位時(shí)，覆蓋整個(gè)機(jī)械臂及關(guān)節(jié)處關(guān)注區(qū)域，以采集在測試過程中的全視野范圍內(nèi)變形區(qū)域。機(jī)械臂空載

機(jī)械臂增加砝碼加載過程

機(jī)械臂進(jìn)一步增多砝碼加載采用立體DIC技術(shù)測量不同加載重量下結(jié)構(gòu)的變形，非接觸的測量方式擺脫了傳統(tǒng)接觸式測量對試樣變形過程的影響，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面全場應(yīng)變的高精度測量，準(zhǔn)確判斷最大變形點(diǎn)，直觀分析與結(jié)構(gòu)件和關(guān)節(jié)的剛度，有助于提升機(jī)械臂控制系統(tǒng)的精度控制。



載荷變形及抓取力DIC測試結(jié)果

工況1：靜載力變形DIC測試新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)可以測量點(diǎn)對點(diǎn)的應(yīng)變信息，輸出實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)變分布云圖的變化過程，在進(jìn)行機(jī)械臂載荷及提升力下變形測量時(shí)，DIC軟件可以生成應(yīng)變變化曲線，這些曲線可反映在不同載荷條件下機(jī)械臂的應(yīng)變響應(yīng)。機(jī)械臂逐級加大加載重量后，最大變形處為臂關(guān)節(jié)部位，根據(jù)全場應(yīng)變分析得出最大應(yīng)變?yōu)?8993微應(yīng)變。圖1-應(yīng)變變化曲線DIC軟件能夠識別應(yīng)變圖中的最大應(yīng)變點(diǎn)，這些點(diǎn)可能代表了結(jié)構(gòu)剛度及關(guān)節(jié)的弱點(diǎn)或潛在的失效點(diǎn)。分析最大應(yīng)變點(diǎn)的數(shù)據(jù)，有利于進(jìn)行進(jìn)一步的分析或與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。圖2-機(jī)械臂關(guān)節(jié)最大應(yīng)變點(diǎn)下圖就是機(jī)械臂在不同載荷過程中的主應(yīng)變的云圖分布情況，圖中從藍(lán)到紅顏色的深淺，代表著不同重量加載過程中，機(jī)械臂對應(yīng)位置應(yīng)變量從低到高。圖3-空載下應(yīng)變情況

圖4-機(jī)械臂增加砝碼加載應(yīng)變情況

圖5-機(jī)械臂繼續(xù)增加砝碼加載應(yīng)變情況工況2：動載力動態(tài)響應(yīng)DIC測試工況2主要通過在機(jī)械手臂末端通過砝碼施加載荷力，再瞬間釋放，測試機(jī)械臂的動態(tài)響應(yīng)。新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)可進(jìn)行全場位移計(jì)算：基于特征點(diǎn)的跟蹤結(jié)果，DIC軟件能夠計(jì)算出機(jī)械臂表面的全場位移分布，DIC軟件可以識別出位移最大的點(diǎn)，這通常是機(jī)械臂在動載作用下最大變形的區(qū)域。機(jī)械臂動載最大位移值

DIC軟件具備數(shù)據(jù)可視化功能，可以生成位移圖和應(yīng)變圖，可分析直觀展示機(jī)械臂的變形情況。另外，利用DIC軟件也可以分析X方向、Y方向位移曲線，更直觀分析機(jī)械臂負(fù)載部位的位移變形、偏擺位移等，通過曲線分析反映機(jī)械臂載荷下的剛度和測試位移數(shù)值。X方向位移曲線Y方向位移曲線當(dāng)機(jī)械臂全伸展時(shí)，由于自重和其他外載作用，其結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生顯著的彎曲或扭曲，導(dǎo)致幾何非線性效應(yīng)，同時(shí)載荷會影響機(jī)械臂的穩(wěn)定性和變形。在這些情況下，與機(jī)器人精度控制相關(guān)的結(jié)構(gòu)件和關(guān)節(jié)變形會直接影響其控制系統(tǒng)的性能。采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，通過測量機(jī)械臂全伸展載荷下的形變、位移、應(yīng)變等參數(shù)，驗(yàn)證機(jī)械臂剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以便于在機(jī)械臂工具上的相互作用力和扭矩來補(bǔ)償這些影響，并設(shè)計(jì)更好的精度補(bǔ)償算法。