小型喷浆机器人虚拟样机开发设计本科论文.doc

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小型喷浆机器人虚拟样机开发

摘要：

基于SolidWorks对小型喷浆机器人进行虚拟样机的开发。并建立了小型喷浆机器人的虚拟样机模型。通过对机器人完成虚拟样机的造型建模，部分工作情况的静态分析、动态仿真，为机器人某些分析提供必要的理论数据，并在机器人虚拟样机的基础上，实现对机器人有关零部件的有限元分析、运动仿真。

指导教师意见：

指导教师签名：

引言：
本课题研究的目的是通过对小型喷浆机器人虚拟样机的开发，进一步学习虚拟样机技术的应用，对SolidWorks三维造型软件的灵活运用及利用COSMOSMotion软件中提供的可对运动仿真中的干涉帧进行显示的功能、并进行有限元分析。
通过本次研究，加深了对专业知识的掌握及灵活运用，提高了动手能力，增强了解决和处理问题的能力。对今后的学习和工作起到了很大的帮助。

一、查阅资料和学习。
首先，查找有关虚拟样机方面的书籍和论文，学习对虚拟样机技术的了解和应用。再次，通过对SolidWorks零件设计、SolidWorks高级曲线曲面实例解析、SolidWorks高级装配、SolidWorks动画演示和运动分析实例解析、SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真等其他SolidWorks方面书籍的学习，加强了对SolidWorks的掌握及灵活运用。
二、用SolidWorks三维造型软件对小型喷浆机器人进行三维建模。
人在设计零件时的构思是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、等等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。用三维CAD软件，就能实现装配等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程；随着零件复杂程度的增加，更需要用三维软件来设计，以便能更好的表达设计意图。在三维软件设计中，产品的装配关系和所属的父子关系很清晰，可以把产品的设计BOM带到PDM系统内，为在PDM内生成采购BOM,制造BOM提供正确的信息。

图1 RPJ-X型喷砼机器人结构示意图
依据小型喷浆机器人图纸，基于SolidWorks进行三维建模、装配及部分分析。
其中：主要部分零件示意图：

图2 喷枪管 图3 齿轮壳

图4 齿轮轴

图5 小旋转臂

图6 支柱体 图7 摆臂

图8 大臂

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图9 大拉杆

图10 底座 图11 摆柄体

图12 轴承底座 图13 齿轮箱

图14 油箱

图15 油马达 图16 连接架体

图17‘ 蜗壳背面 图17 蜗壳前面

图18 联轴器
由于小喷浆机器人结构复杂，零件很多，只能例举出部分主要零件，多数零件不可能都列出来。在进行三维造型中，遇到的问题是一些曲面造型，因曲面造型需设定多个基准面，通过几个不同的特征完成曲面造型；由于图纸都是二维的，在三维造型中，需要一定的空间思维能力、想象能力。在造型过程中，增强了立体感、空间想象能力；机械原理、机械设计等专业知识的进一步加深 。
三、对各个零件进行装配。
用虚拟装配技术检查并消除了装配干涉问题提高了工作效率，避免了返工浪费；对所有零部件的重量、质心、惯性张量等一些参数得到了及时、准确的提取，为机器人的运动分析等提供了科学的依据。装配部件示意图如下：

图19 喷枪装配
图

2 图20 枪杆装配

图21 小旋转臂装配

图22 大臂装配 图23 从动体装配

图24 驱动车轮装配 图26 箱体装配

图25 行走部件装配
在完成对各个部件的运动检查之后，又实现了对机器人的整体装配。对虚拟装配后的喷砼机器人样机，同样进行了运动与碰撞检验，获得了可靠的设计依据。

图27 整体装配
四、基于虚拟样机的力学分析
下面以大臂为代表，说明对机器人构件的力学分析过程。大臂后端固定，中间加铰链，前端加力如下：竖直向下的力：2000N，包括部件1、2、3的总重量和管子、浆的质量。沿大臂的力：25000N。大臂受力情况，可以转入到COSMOSWorks软件中进行处理。
在COSMOSWorks软件中对大臂的伸缩臂，在静态分析模式下，首先对其进行了网格划分，对其有限元分析的网格划分情况如图28所示。然后按照实际的边界条件，代入上述的力学分析结果，对其进行了静力学分析运算，并且输出了该工件的应力分析云图、位移云图和应变云图等分析结果。
由有限元分析结果可知，相对来说其应变和应力方面是比较安全的，其应力和应变都远远安全范围之内。对大臂设计的主要关注对象应该是它的刚性问题。

图28 有限元网格划分

图29 位移云图

图30 应变云图

图31 应力云图
采用参数化实体造型技术，为小型喷浆机器人完成了虚拟样机的实体造型。获得了机器人的一些物理参数，为机器人分析提供了准确的分析数据。同时，完成了对机器人虚拟装配和虚拟关节运动的测试，找出了干涉部位，消除了设计隐患。
还可以运用虚拟样机，结合机器人运动学分析理论，基于COSMoSmotion对机器人实现了工艺运动过程仿真。
下图为机器人运动仿真截图：

分析喷枪的速度及加速度情况：
（1）质心速度幅值：

（2）质心加速度幅值：

（3）平均加速度幅值：

（3）平均动量幅值：

总结：
在机电学院各位领导的亲切关怀下，在樊教授亲自指导下终于完成了《小型喷浆机器人虚拟样机开发》的科研立项工作，在此表示衷心的感谢。
此项目主要对小型喷浆机器人进行造型设计，并对部分部件进行分析，以达到实用要求。在设计造型中主要用到了Solidworks软件，以及里面的cosmosworks、cosmosmotion插件。
科研立项虽然完成，有能力有限、时间等原因，还有很多工作没做。还需要进一步的学习与研究，以便做得更好。希望老师在以后学习中多加批评与指导。
科研立项旨在培养同学们的动手实践的能力和专业技能。通过对此项目的研究提高对行业软件的（Solidworks）熟练运用，对以后的工作是一笔宝贵的财富。

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