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1、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：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
2、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
3、、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
4、体 图7 摆臂 图8 大臂图图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
5、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
6、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3
7、0 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。
