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(tǒng)。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(wěn)定性及控制精度，需經過仿真分析及專項試驗驗證，實現(xiàn)機械臂在實際工況載荷下的高精高穩(wěn)控制。

為了解決機械臂在重載下操作精度難題，某工業(yè)大學創(chuàng)新性地引入數(shù)字圖像相關DIC技術，利用DIC技術測量機械臂完全伸展時在載荷下表面的全場應變。機械臂完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(shù)據(jù)有助于提高機器人控制系統(tǒng)的精度和可靠性。

本次實驗是某工業(yè)大學對機械手臂進行靜態(tài)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(tǒng)，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(tài)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）。

機械手不同載荷下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(tǒng)攝像機的空間定位時，覆蓋整個機械臂及關節(jié)處關注區(qū)域，以采集在測試過程中的全視野范圍內變形區(qū)域。

圖1-機械臂空載

圖2-機械臂增加砝碼加載過程

圖3-機械臂進一步增多砝碼加載

采用三維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(tǒng)接觸式測量對試樣變形過程的影響，可以實現(xiàn)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(jié)的剛度，有助于提升機械臂控制系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)部位，根據(jù)全場應變分析得出最大應變?yōu)?/span>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(jié)的弱點或潛在的失效點。分析最大應變點的數(shù)據(jù)，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(jié)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(xù)增加砝碼加載應變情況

工況2：動載力動態(tài)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(tài)響應。

新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)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(qū)域。

機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(shù)值。

圖1-X方向位移曲線

圖2-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(fā)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(wěn)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(jié)變形會直接影響其控制系統(tǒng)的性能。

采用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，通過測量機械臂全伸展載荷下的形變、位移、應變等參數(shù)，驗證機械臂剛度及結構穩(wěn)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。