機械臂全伸展重載效應下全場變形DIC分析

妮子201812

機械臂是一個多輸入多輸出、高度非線性、強耦合的復雜柔性多體系統。機械臂負載微小變形映射到機械臂末端會產生較大的末端位置偏差。為確保穩定性及控制精度，需經過仿真分析及專項試驗驗證，實現機械臂在實際工況載荷下的高精高穩控制。為了解決機械臂在重載下操作精度難題，某工業大學創新性地引入數字圖像相關(DIC)技術，利用DIC技術測量機械臂全伸展時在載荷下表面的全場應變。機械臂全伸展時受到的載荷和力矩最大，其結構將經歷最大的應力和變形，分析機械臂全伸展時在載荷作用下的力學響應，測試數據有助于提高機器人控制系統的精度和可靠性。本次實驗是某工業大學對機械手臂進行靜態加載變形分析，實驗采用新拓三維XTDIC 三維光學全場應變測量系統，對機械臂全伸展時在不同載荷下進行全場變形DIC分析，有助于建立彈性誤差與機械臂末端位置誤差間的映射關系，建立機械臂綜合誤差模型；通過補償機械臂末端位置誤差，有效提高機械臂末端絕對定位精度。DIC測試分析實驗分為兩個工況：1、通過增減砝碼的方式對機械手臂進行靜態加載，加載共分六級，滿級加載后再進行卸載。2、通過砝碼的加載卸載，來對機械臂進行載荷變形分析（全場應變測試分析DIC）。



機械手載荷下DIC變形測試

通過在機械臂制作散斑，以便使用DIC設備采集高質量圖像進行變形測量。設置兩臺DIC全場應變測量系統攝像機的空間定位時，覆蓋整個機械臂及關節處關注區域，以采集在測試過程中的全視野范圍內變形區域。機械臂空載

機械臂增加砝碼加載過程

機械臂進一步增多砝碼加載采用立體DIC技術測量不同加載重量下結構的變形，非接觸的測量方式擺脫了傳統接觸式測量對試樣變形過程的影響，可以實現結構表面全場應變的高精度測量，準確判斷最大變形點，直觀分析與結構件和關節的剛度，有助于提升機械臂控制系統的精度控制。



載荷變形及抓取力DIC測試結果

工況1：靜載力變形DIC測試新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統可以測量點對點的應變信息，輸出實驗過程中的應變分布云圖的變化過程，在進行機械臂載荷及提升力下變形測量時，DIC軟件可以生成應變變化曲線，這些曲線可反映在不同載荷條件下機械臂的應變響應。機械臂逐級加大加載重量后，最大變形處為臂關節部位，根據全場應變分析得出最大應變為18993微應變。圖1-應變變化曲線DIC軟件能夠識別應變圖中的最大應變點，這些點可能代表了結構剛度及關節的弱點或潛在的失效點。分析最大應變點的數據，有利于進行進一步的分析或與仿真結果進行比較。圖2-機械臂關節最大應變點下圖就是機械臂在不同載荷過程中的主應變的云圖分布情況，圖中從藍到紅顏色的深淺，代表著不同重量加載過程中，機械臂對應位置應變量從低到高。圖3-空載下應變情況

圖4-機械臂增加砝碼加載應變情況

圖5-機械臂繼續增加砝碼加載應變情況工況2：動載力動態響應DIC測試工況2主要通過在機械手臂末端通過砝碼施加載荷力，再瞬間釋放，測試機械臂的動態響應。新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統可進行全場位移計算：基于特征點的跟蹤結果，DIC軟件能夠計算出機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，這通常是機械臂在動載作用下最大變形的區域。機械臂動載最大位移值

DIC軟件具備數據可視化功能，可以生成位移圖和應變圖，可分析直觀展示機械臂的變形情況。另外，利用DIC軟件也可以分析X方向、Y方向位移曲線，更直觀分析機械臂負載部位的位移變形、偏擺位移等，通過曲線分析反映機械臂載荷下的剛度和測試位移數值。X方向位移曲線Y方向位移曲線當機械臂全伸展時，由于自重和其他外載作用，其結構可能會發生顯著的彎曲或扭曲，導致幾何非線性效應，同時載荷會影響機械臂的穩定性和變形。在這些情況下，與機器人精度控制相關的結構件和關節變形會直接影響其控制系統的性能。采用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統，通過測量機械臂全伸展載荷下的形變、位移、應變等參數，驗證機械臂剛度及結構穩定性，以便于在機械臂工具上的相互作用力和扭矩來補償這些影響，并設計更好的精度補償算法。