机械臂全伸展重载效应下全场变形DIC分析

妮子201812

机械臂是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂柔性多体系统。机械臂负载微小变形映射到机械臂末端会产生较大的末端位置偏差。为确保稳定性及控制精度，需经过仿真分析及专项试验验证，实现机械臂在实际工况载荷下的高精高稳控制。为了解决机械臂在重载下操作精度难题，某工业大学创新性地引入数字图像相关(DIC)技术，利用DIC技术测量机械臂全伸展时在载荷下表面的全场应变。机械臂全伸展时受到的载荷和力矩最大，其结构将经历最大的应力和变形，分析机械臂全伸展时在载荷作用下的力学响应，测试数据有助于提高机器人控制系统的精度和可靠性。本次实验是某工业大学对机械手臂进行静态加载变形分析，实验采用新拓三维XTDIC 三维光学全场应变测量系统，对机械臂全伸展时在不同载荷下进行全场变形DIC分析，有助于建立弹性误差与机械臂末端位置误差间的映射关系，建立机械臂综合误差模型；通过补偿机械臂末端位置误差，有效提高机械臂末端绝对定位精度。DIC测试分析实验分为两个工况：1、通过增减砝码的方式对机械手臂进行静态加载，加载共分六级，满级加载后再进行卸载。2、通过砝码的加载卸载，来对机械臂进行载荷变形分析（全场应变测试分析DIC）。



机械手载荷下DIC变形测试

通过在机械臂制作散斑，以便使用DIC设备采集高质量图像进行变形测量。设置两台DIC全场应变测量系统摄像机的空间定位时，覆盖整个机械臂及关节处关注区域，以采集在测试过程中的全视野范围内变形区域。机械臂空载

机械臂增加砝码加载过程

机械臂进一步增多砝码加载采用立体DIC技术测量不同加载重量下结构的变形，非接触的测量方式摆脱了传统接触式测量对试样变形过程的影响，可以实现结构表面全场应变的高精度测量，准确判断最大变形点，直观分析与结构件和关节的刚度，有助于提升机械臂控制系统的精度控制。



载荷变形及抓取力DIC测试结果

工况1：静载力变形DIC测试新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统可以测量点对点的应变信息，输出实验过程中的应变分布云图的变化过程，在进行机械臂载荷及提升力下变形测量时，DIC软件可以生成应变变化曲线，这些曲线可反映在不同载荷条件下机械臂的应变响应。机械臂逐级加大加载重量后，最大变形处为臂关节部位，根据全场应变分析得出最大应变为18993微应变。图1-应变变化曲线DIC软件能够识别应变图中的最大应变点，这些点可能代表了结构刚度及关节的弱点或潜在的失效点。分析最大应变点的数据，有利于进行进一步的分析或与仿真结果进行比较。图2-机械臂关节最大应变点下图就是机械臂在不同载荷过程中的主应变的云图分布情况，图中从蓝到红颜色的深浅，代表着不同重量加载过程中，机械臂对应位置应变量从低到高。图3-空载下应变情况

图4-机械臂增加砝码加载应变情况

图5-机械臂继续增加砝码加载应变情况工况2：动载力动态响应DIC测试工况2主要通过在机械手臂末端通过砝码施加载荷力，再瞬间释放，测试机械臂的动态响应。新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统可进行全场位移计算：基于特征点的跟踪结果，DIC软件能够计算出机械臂表面的全场位移分布，DIC软件可以识别出位移最大的点，这通常是机械臂在动载作用下最大变形的区域。机械臂动载最大位移值

DIC软件具备数据可视化功能，可以生成位移图和应变图，可分析直观展示机械臂的变形情况。另外，利用DIC软件也可以分析X方向、Y方向位移曲线，更直观分析机械臂负载部位的位移变形、偏摆位移等，通过曲线分析反映机械臂载荷下的刚度和测试位移数值。X方向位移曲线Y方向位移曲线当机械臂全伸展时，由于自重和其他外载作用，其结构可能会发生显著的弯曲或扭曲，导致几何非线性效应，同时载荷会影响机械臂的稳定性和变形。在这些情况下，与机器人精度控制相关的结构件和关节变形会直接影响其控制系统的性能。采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过测量机械臂全伸展载荷下的形变、位移、应变等参数，验证机械臂刚度及结构稳定性，以便于在机械臂工具上的相互作用力和扭矩来补偿这些影响，并设计更好的精度补偿算法。