机械科学与技术杂志22(2008)722~730
液晶转移机器人的动态负载分析和设计方法
机器人技术实验室，机电一体化制造技术中心
三星电子有限公司，韩国Suwon
韩国首尔韩国国民大学机械与制造工程学院
（手稿2007年7月20日收到; 2007年12月28日修订; 2008年1月16日接受）
摘要
本研究的目的是开发一种大型重型机器人的设计方法以满足由于系统模块暴露于液晶显示器(液晶显示)处理环境下造成的结构组件的振动和应力水平。元件结构显著的振动会影响运动精度和疲劳损伤。采用多体动力学仿真技术，分析和设计一种用于液晶显示传输的重型机器人。使用模态坐标将机器人的链接建模为灵活的身体。在柔性多体动力学模型中考虑了摩擦、减速器和轴承等非线性力学性能。通过对各种设计方案进行研究，利用动态仿真模型进行性能分析以改进结构设计。对振动和应力的灵敏度分析进行了搜索优化设计。以8G (8 - generation) LTR (LCD传输机器人)为例，说明该方法的可行性。最后通过振动试验等实际试验验证该方法的有效性。
关键词:柔性多体动力学 LTR(液晶传输机器人) 振动疲劳
目录
1.简介
液晶显示器广泛应用于电视、电脑、手机等领域。因为它们相对于其他显示技术展现了真正的优势。他们更薄更轻更省电。最近，在新一代的液晶显示器中，生玻璃的尺寸明显增加。为了处理更大、更重的玻璃，必须开发一个大规模的LTR (LCD传输机器人)，以支持各种复杂的LCD制造工艺。这将导致许多设计难题，如振动、处理精度劣化和应力较大产生的动载荷较大，从而导致传递运动不准确和疲劳裂纹。因此，有必要建立一种方法论，利用虚拟计算机模拟模型预测偏转、振动和动态压力时间史。一种集成的设计仿真方法将有助于验证一个基线设计是否有用并提出新的改进设计。为了预测挠度和基于振动设计的动态应力，基于现有的有限元分析和柔性体动力学设计技术，本文提出了一种集成的计算机仿真方法。
该方法适用于能处理7G/8GLCD玻璃的LTR。通过振动模态试验，对振动分析进行了验证，并验证了系统的固有现象。在LTR中，由于大的动态载荷，一些柔性构件可能会遭受严重的振动。模态特性用于考虑柔性多体动态模拟的结构弹性。如果满足设计要求，则可以计算最终效果的倾斜度。动态负荷和动态应力历史可以从动态模拟中得到。在关键区域对应力水平进行研究，以预测疲劳裂纹是否有可能发生。如果应力水平不处于安全区域，则应根据计算机模拟结果和设计敏感性研究进行设计变更。然后，建立了原型LTR，并测试设计验证。本文介绍了目前在三星进行的cae - based持久性分析，以预测疲劳损伤对耐久性测试的影响。该方法可用于在早期设计阶段开发一个新的大型LTR机器人。
2. 引入LCD-transfer机器人
图1显示了各种类型的LTRs。望远镜式LTR由一个基本框架，一个r -框架，两个关节伸出的手臂框架组成，如图1(a)所示。框架结构是用铸铁和铝制作的。纤细的手指是由轻质复合材料制成的。它也有两个手臂(上下两臂)同时处理两副眼镜。LTR有一个圆柱形的工作空间，可以为各种制造过程传送眼镜。对于控制眼镜的精密控制，手指指尖的静态变形必须小于10mm。由于连接臂和连杆的关节包括轴承和减速器，因此必须考虑关节的顺应性来预测末端的静态变形。手臂的灵活性也对静态和动态变形都很重要，因为手臂是一种悬臂式结构，顶端有一个大的应力集中。
（a）伸缩式
（b）门类型
（c）链接类型
图1. LCD传输机器人（LTR）
在现实生活中，LTR应该重复数百万个周期来执行LCD制造过程。因此，它必须通过物理测试来保证机器人系统在静态和周期性负载下的生存能力。耐久性试验包括一种循环加载装置，该装置评估部件结构的耐久性特性。在许多不同的测试中，最关键的一项是拉伸和拉入zframe垂直运动的手运动。这个关键动作模拟了一个手臂支撑支架在装上大杯时可能会产生的震动和扭转的影响。手臂和手是同步的，移动速度约为4米/秒。
由于LTR重复了数以百万计的特殊加载和卸载的循环，它可能导致在一个临界应力区域出现疲劳失效。本文提出了一种基于柔性多体动态仿真的手指指尖和临界应力水平的静态和动态变形的预测方法。连接框架、手臂被建模为柔性体。在线性弹性范围内，假定静态和动态变形很小。为了表示柔性，从有限元振动和静态分析中得到各柔性构件的振动模态和静校正模态。为了表示关节的合规性，采用弹簧和阻尼力元件代替运动关节元件[1]。
3. 柔性多体动力学
在柔性多体动力学中使用模态坐标的主要优点是在分析中必须包含的广义坐标的减少。在柔性多体动力学的组件模式合成中使用了两种模式[1,2]。一个是正常模式，另一个是静态模式。所有使用的正常模式和静态模式都必须被归一化，具有相同的大小，并被正交化以相互独立。
3.1柔性构件的运动学
典型的柔性构件如图2所示。
灵活的组件被离散成大量的有限元素。一个点p的全局位置在一个变量部分i可以表示为：
rip=Ri Aii=Ri AI（oi fi） （1）
其中Ri是X #39; -Y #39; -Z #39;体参照系的全局位置向量，Ai是从三维参考坐标系到全局惯性坐标系的坐标变换矩阵，oi是三维参照系中p点的初始坐标向量。fi如果是由于变形的位移矢量，位移矢量fi可以通过像公式(2)这样的变形模态的线性组合近似：
fi=iդi= （2）
其中i=i（xi,yi,zi）=[ti, ri]是模态矩阵，j是柔性零件i的相应变形方式դi=դi（t）是一个6N1模态向量，դj是模态坐标，M是模态坐标的个数。变形模式可以是正常模式、静态模式，也可以是普通模式和静态模式的组合。使用M模式应该是线性无关的。
3.2柔性多体动力学方程
图2 点p在一个灵活的分量i中的全局位移
如图2所示，在全局参考系中，一个典型点p的节点位置向量可以用公式(3)来表示。
Rip=Ri Aii= Ri Ai(oi riդi)
ip=i riդi （3）
其中i=oi tiդi，定点的转动位移ip由riդi决定。多体动力系统的运动学和驱动约束的组合集可以写成[3,4]
（q,t）=0 （4）
其中广义坐标q=[qrT, qfT]T=[rt, t, դt]T,t是时间，是约束方程利用拉格朗日乘数定理，可以通过对系统中所有的物体和约束进行求和，得到多体系统运动的变分方程，如公式(5)的矩阵形式。
= （5）
这是考虑机械系统弹性效应的微分代数方程的混合系统。为了解决混合微分代数方程组，提出了许多数值算法[3]。采用公式（5），可计算柔性构件的动应力历史[5]。
4. lcd搬运机器人的动态建模
图1(a)所示的8g -伸缩式LTR系统可与86个刚体、30个柔性体、运动学关节和力元素进行建模[3]。在多体动态模拟中考虑的柔性体被命名为图1(a)。图3为8g伸缩LTR柔性多体仿真模型。
图3 柔性多体动力学模型为8g -伸缩式LTR
图4 LTR臂系统的动态建模
表1 轴承和减速器的接头刚度
针对手指和手肘的平行直线运动，以恒速比为模型，建立了各臂系统的正时带。如图4所示，为了表示皮带的弹性和阻尼，弹簧和阻尼力近似成正比于皮带长度变化的位移和速度。即使是对轴承和减速器的合规性，也以类似的方式对旋转弹簧和阻尼元件进行了建模。组件制造商的实验值如表1所示。
主要部件，如手臂和连杆结构是由铸铁或铸铝。这些结构构件可以假定为在正常运行时的线性弹性。然而，这种小的弹性变形可能引起振动和反复的动应力，导致不准确的转移运动和疲劳裂纹。因此，有必要建立一种利用虚拟计算机仿真模型来预测变形、振动和动态应力时间历史的方法。
组件模式合成技术[1-4]，在前一节中解释，可用于大型刚体整体运动的高效计算机模拟，具有小的弹性变形。由于组件模态综合方法采用模态坐标来考虑柔性体的弹性变形，因此可以通过使用少量的精心选择的模式来更有效地执行大型多体动态系统分析。
（a）手指(36)
（b）手臂1（18）
（c）手臂架（42）
（d）Z1-架（24）（e）Z2-架（24）（f）R-架（36）
图5 柔体的组件模式（用于动态模拟的模式数量）
图5为图1(a)中伸缩LTR中柔性构件的第一振动模式。同时，图5给出了柔性多体动力学分析的模态分量合成方法的典型组件模式和模式数。
5. LTR的分析与设计改进
5.1 8g -伸缩式LTR的模态分析
由于大型结构体如臂架和链架被建模为柔性体，适当的运动关节和力元素，总LTR系统的基本振动模式可以被研究。从振动分析计算出的模态可以用来寻找结构的弱点，并用于在前一章中解释的柔性多体动力学仿真。图6为LTR系统振动测试的模态变形。将动态仿真模型计算出的分析振动模态与实验验证结果进行了比较。与模态试验结果的比较表明，仿真结果与试验结果相吻合。从分析和实验模态变形的结果中，我们发现结构的弱点是R-frame。这一信息对于减少系统振动非常重要，如下部分所述。
图6 振动模式通过实验和频率比较
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