基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法
阅读说明：本技术 基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法 (Temperature estimation method based on mechanical arm steady-state heat transfer model ) 是由 杨跞 杨慧新 陈宏伟 许楠 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法,该温度估算方法包括：对机械臂进行工况测试；建立工况和功耗模型P,并输入测试结果；基于机械臂三维模型建立热仿真模型U；工况和功耗模型P的输出结果作为热仿真模型U的输入值；热仿真模型U输出估算温度值。本发明提供的该温度估计方法的实际需要的机械臂工况测试数据少,且无需过多的测试仪器,大大降低温度估计成本。另外,该温度估计方法的模型建立快速,应对不同机械臂能够快速转变模型参数,且温度估计速度快,精确度高,能够大大降低人员成本。(The invention provides a temperature estimation method based on a steady-state heat transfer model of a mechanical arm, which comprises the following steps: carrying out working condition test on the mechanical arm; establishing a working condition and power consumption model P, and inputting a test result; establishing a thermal simulation model U based on the mechanical arm three-dimensional model; the output result of the working condition and power consumption model P is used as the input value of the thermal simulation model U; and the thermal simulation model U outputs an estimated temperature value. The temperature estimation method provided by the invention has the advantages that the actually required mechanical arm working condition test data are less, excessive test instruments are not needed, and the temperature estimation cost is greatly reduced. In addition, the temperature estimation method has the advantages of quick model establishment, quick model parameter conversion for different mechanical arms, quick temperature estimation speed, high accuracy and capability of greatly reducing personnel cost.)
技术领域
本发明涉及机械臂温度估算技术领域，具体为一种基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法。
背景技术
随着机器人技术的发展，机械臂在各行业得到了广泛的应用，同时对机械臂性能提出了更高的要求，尤其对于协作机械臂，其自重轻，结构件大多用的是铝合金，对这类机械臂结构组成主要有模块化关节和机械臂连杆，模块化关节中集成了减速器、电机和驱动器等重要部件。这类机械臂要求高精度、高负载自重比和高可靠性。而影响这些性能的因素非常多，其中温度会影响机械臂关节中润滑油的润滑特性，进而会影响到关节的摩擦阻尼等特性。由于机械臂结构件材料的固有属性，在温度的变化时会存在热胀冷缩现象，结构件发生热胀冷缩进而会影响机械臂末端的精度。温度还会影响齿轮使用的寿命，若需要建立寿命预估模型，温度是一重要影响因素。所以准确获得机械臂各部件的温度值具有创新性的意义。对机械臂温度特性产生影响的因素包括环境温度和机械臂自身的发热，例如减速器齿轮之间的摩擦、滚动或滑动产生的热量，电机自身的发热和驱动器上功率元件的发热等。
准确估计机械臂各部件的温度对做好机械臂温度补偿和摩擦辨识具有重要意义，一般为了进行机械臂温度补偿或是更复杂的摩擦模型建立，都需要进行温度测试，在关注的部件上设计温度传感器来获得温度值，这样做获得的温度值较可靠，但是具有成本高、工作量较大、维修成本高等缺点。
因此本领域技术人员亟需一种快速建模、成本低、速度快、精确度高且能够应对不同工况的温度估计方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法。该温度估计方法的实际输入的工况测试数据少，且无需过多的测试仪器，温度估计成本较低。另外，该温度估计方法的模型建立快速，应对不同机械臂能够快速转变模型参数，且温度估计速度快，精确度高，能够大大降低人员成本。
本发明提供了一种基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法，该温度估算方法包括：对机械臂进行工况测试；建立工况和功耗模型P，并输入测试结果；基于机械臂三维模型建立热仿真模型U；工况和功耗模型P的输出结果作为热仿真模型U的输入值；热仿真模型U输出估算温度值。
进一步的，对机械臂进行工况测试的步骤，具体测试机械臂的速度和负载。
本发明的实施方式中，工况和功耗模型P具体为：
E＝a·load2+b·load+c·Vel+d；其中，速度vel(deg/s)；
负载load(Nm)；a、b、c、d均为系数。
进一步的，工况和功耗模型P输出的功耗结果为：减速器效率Eq、电机功耗Em和驱动板功耗Ed。
本发明的实施方式中，热仿真模型U具体为：
T＝A·Eq+B·Em+C·Ed+D·Te+E；其中，减速器效率Eq；电机功耗Em；驱动板功耗Ed；环境温度Te；A、B、C、D、E均为系数。
进一步的，热仿真模型U输出估算的温度值包括：减速器温度、电机温度、杆件温度和外框温度。
本发明的实施方式中，所述系数均为通过最小二乘法进行模型识别获得的待定系数。
本发明的实施方式中，基于机械臂三维模型建立热仿真模型U的步骤具体包括：
输入机械臂结构设计三维模型；
定义材料参数；
建立热仿真模型U；
根据机械臂实验测试时的边界条件和载荷值确定仿真分析的边界条件和载荷值；
将边界条件、载荷值和等效参数输入热仿真模型U；
将输出的仿真结果与机械臂温度测试结果进行对比；
改变仿真分析的边界条件和载荷值，并输入热仿真模型U；
根据改变的边界条件和载荷值对机械臂进行实际温度测试；
将改变边界条件和载荷值后输出的仿真结果与实际温度测试结果进行对比；
完成热仿真模型U的建立。
进一步的，将输出的仿真结果与机械臂温度测试结果进行对比的步骤具体包括：如果输出的仿真结果与机械臂温度测试结果一致或在限定误差范围内，则进行下一步操作；
如果输出的仿真结果与机械臂温度测试结果不一致或在限定误差范围外，则重新进行上一步操作。
进一步的，将改变边界条件和载荷值后输出的仿真结果与实际温度测试结果进行对比的步骤具体包括：如果输出的仿真结果与实际温度测试结果一致或在限定误差范围内，则认为稳态热仿真模型建模完成；
如果输出的仿真结果与实际温度测试结果不一致或在限定误差范围外，则重新进行将边界条件、载荷值和等效参数输入热仿真模型U的步骤。
根据上述实施方式可知，本发明提供的一种基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法具有以下益处：相比于现有的在关注的机械臂部件上设计温度传感器来获得对应部件的温度值的做法，这样做虽然获得的温度值较可靠，但是具有成本高、工作量较大、维修成本高等缺点。该温度估算方法无需输入过多的参数，只需去的机械臂工况参数，以及环境温度，即可通过工况和功耗模型P以及热仿真模型U估算出机械臂对应部件的温度值。另外，该温度估计方法的模型建立快速方便，应对不同机械臂能够快速转变模型参数，且温度估计速度快，精确度高，能够大大降低人员成本。
应了解的是，上述一般描述及以下
具体实施方式
仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
图1为本发明提供的基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法的流程简图。
图2为本发明提供的基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法的流程图。
图3为本发明提供的基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法的热仿真模型U的建立流程图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
本发明提供了一种基于机械臂稳态传热模型的温度估算方法，如图2所示为该温度估算方法的流程图。本发明的具体实施方式中，该温度估算方法包括：
步骤S1：对机械臂进行工况测试。工况测试是有用于得出机械臂对应工况下的各个部件的工况数据，其中包括机械臂关节部件的速度和负载等。这些数据信息可以通过机械臂上现有的传感器得出。
步骤S2：建立工况和功耗模型P，并输入测试结果。利用机械臂测试数据建立工况和功耗模型P。如图1所示，通过将不同工况下的机械臂部件的数据输入工况和功耗模型P中，能够得到对应工况下的机械臂各处发热部件的功耗以及效率。本发明的具体实施方式中，工况和功耗模型P具体为：E＝a·load2+b·load+c·Vel+d，
其中，速度vel(deg/s)；负载load(Nm)；a、b、c、d均为系数，系数均为通过最小二乘法进行模型识别获得的待定系数。
通过上述工况和功耗模型P能够得到减速器效率Eq、电机功耗Em和驱动板功耗Ed等机械臂关节部件的功耗或效率数值。
步骤S3：基于机械臂三维模型建立热仿真模型U。热仿真模型U是基于机械臂三维模型进行搭建的有限元稳态热仿真模型，不同的机械臂三维模型，对应的热仿真模型U不同。
步骤S4：工况和功耗模型P的输出结果作为热仿真模型U的输入值。如图1所示，将步骤S2中得到的功耗和效率结果输入热仿真模型U中，另外还应考虑到环境温度，需要将环境温度加入到热仿真模型U中，并进行仿真计算。
本发明的具体实施方式中，热仿真模型U具体为：
T＝A·Eq+B·Em+C·Ed+D·Te+E
其中，减速器效率Eq；电机功耗Em；驱动板功耗Ed；环境温度Te；A、B、C、D、E均为系数，所述系数均为通过最小二乘法进行模型识别获得的待定系数。A、B、C、D、E这些系数，是根据热电偶实验测试修正仿真模型里面的热传导率等仿真的边界条件。
通过热仿真模型U进行估算，最终输出的温度值包括：减速器温度、电机温度、杆件温度和外框温度等。
步骤S5：热仿真模型U输出估算温度值。通过步骤S4的热仿真计算，能够得出机械臂对应工况下的温度值。其中包括减速器温度、电机温度、机械臂连杆温度和关节外框温度。
本发明的具体实施方式中，如图3所示，基于机械臂三维模型建立热仿真模型U的步骤具体包括：
步骤S301：输入机械臂结构设计三维模型。热仿真模型的建立是基于有限元仿真，建立机械臂结构设计的三维模型是为了便于进行有限元仿真。这其中还需要对所述三维模型进行必要的简化，去除例如倒角、圆角、小孔等特征。
步骤S302：定义材料参数。材料参数是有限元仿真的必须参数，其中，材料参数包括导热系数、密度和比热。
步骤S303：建立热仿真模型U。热仿真模型是以有限元模型为基础，所述有限元模型是划分完网格并且定义了材料参数的有限元分析模型。对于相同设计原理不同型号的机械臂，想要基于该模型估计温度时，只需对该模型进行简单辨识即可，辨识的目的是确定模型中的一些系数值，以便进行热仿真处理。对于不同设计原理的机械臂，则需要重新进行三维建模并建立热仿真模型U。
步骤S304：根据机械臂实验测试时的边界条件和载荷值确定仿真分析的边界条件和载荷值。所述边界条件和载荷值为环境温度、与外界的换热系数、各发热部件的热损耗功率值等。
步骤S305：将边界条件、载荷值和等效参数输入热仿真模型U。其中，所述边界条件和载荷值为环境温度、与外界的换热系数、各发热部件的热损耗功率值等。等效参数主要是各部件之间的热阻需要进行等效，这是由于关节内部出了热传导，还会存在一定的热辐射和局部对流传热，综合三种传热形式的作用结果，等效出接触热阻，即等效参数。
步骤S306：将输出的仿真结果与机械臂温度测试结果进行对比。该步骤具体包括：
如果输出的仿真结果与机械臂温度测试结果一致或在限定误差范围内，则进行下一步操作。
如果输出的仿真结果与机械臂温度测试结果不一致或在限定误差范围外，则重新进行上一步操作。即返回步骤S305，并适应性调整等效参数与换热系数，然后进行热仿真处理，并将结果继续与机械臂温度测试结果进行对比。
步骤S307：改变仿真分析的边界条件和载荷值，并输入热仿真模型U。这是对热仿真模型进一步验证，与上述步骤相比进行反向验证。将边界条件、载荷值进行改变和等效参数一起输入热仿真模型U中，得出新的仿真结果。其中，所述边界条件和载荷值为环境温度、与外界的换热系数、各发热部件的热损耗功率值等。
步骤S308：根据改变的边界条件和载荷值对机械臂进行实际温度测试。将步骤S307中的边界条件和载荷值应用到现实中的机械臂上，并对机械臂各部件进行实际的温度测试。
步骤S309：将改变边界条件和载荷值后输出的仿真结果与实际温度测试结果进行对比。该步骤具体包括：
如果输出的仿真结果与实际温度测试结果一致或在限定误差范围内，则认为稳态热仿真模型建模完成。
如果输出的仿真结果与实际温度测试结果不一致或在限定误差范围外，则重新进行将边界条件、载荷值和等效参数输入热仿真模型U的步骤。即返回步骤S305，并适应性调整等效参数与换热系数，然后进行热仿真处理。然后依次进行后续步骤，直到步骤S309对比时，输出的仿真结果与实际温度测试结果一致或在限定误差范围内。
步骤S3010：完成热仿真模型U的建立。经过两次验证后，最终完成热仿真模型U的建立。
本发明提供的于机械臂稳态传热模型的温度估算方法的具体实施如下。如图1所示，将机械臂工况测试数据输入到工况和功耗模型P中，得到机械臂各发热部件的功耗数据。将功耗数据与环境温度数据输入到热仿真模型U中，最终得到仿真温度值，即机械臂各部件的温度值。其中包括减速器温度、电机温度、机械臂连杆温度和关节外框温度。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
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