毕业设计（论文）-喷漆机器人-大臂系统的设计

1、中文摘要本课题主要是研究当前最值得关注和研究的喷漆机器人，我着重对喷漆机器人的大臂系统进行设计与计算。从一开始确立题目和小组讨论，到查阅资料、互相交流以及大量的计算，最终将数据转化为工程图纸和详细的论文，成为一个完整的局部。大臂系统主要是采用关节型坐标，通过步进电机驱动和滚珠丝杠螺母副传动，同时用弹簧来实现大臂的平衡。对于步进电机的选型、滚珠丝杠的选型设计和大臂平衡受力分析进行了详细的公式演算。因此，保证了大臂实现前俯30o和后仰10o。关键词 喷漆机器人 大臂系统 步进电机 滚珠丝杠毕业设计说明书论文外文摘要Title Spray Painting Robot Big Arm System

2、Design AbstractThe main task is to study the most worthy of attention and study of spray painting robot. I emphasize in the design and calculation of the arm system. From the beginning of establishment of subject and group discussions, to refer to the information, communicate with each other and the

3、 amount of calculation, finally put the data into engineering drawings and detailed paper, to be completed. Arm system mainly used the joint coordinates, driven by a stepping motor and ball screw nut pair , at the same time with the spring to realize the balance arm. Detailed in the calculus of form

4、ula for the selection of step motor, ball screw type design and arm balance force analysis . Therefore, to ensure the implementation of the arm bending forwards 30o and backwards 10o.Keywords Spray painting robot Arm system Stepping motor Ball screw目 录 TOC o 1-2 u 1 引言 PAGEREF _Toc262576343 h 11.1 喷

5、漆机器人的开展11.2 喷漆机器人的概述21.3 本课题的研究意义32 喷漆机器人总体方案设计42.1 坐标形式的选择42.2 驱动方式确实定52.3 传动方式的选择5 平衡方式确实定52.5 示教方式确实定62.6 工作空间的计算73 大臂系统的设计93.1大臂的形状结构设计93.2 大臂驱动参数的计算103.3 大臂传动参数计算 PAGEREF _Toc262576355 h 144 大臂的平衡设计214.1 弹簧的受力分析214.2 弹簧的设计计算245 大臂的有限元分析285.1 大臂连接处的静态分析Analysis 1295.2 大臂吊环的静态和模态分析31结束语 PAGEREF _

6、Toc262576359 h 37致 谢 PAGEREF _Toc262576360 h 38参考文献 PAGEREF _Toc262576361 h 391 引言1.1 喷漆机器人的开展1.1.1 概述20世纪以后，工业机器人开始开展起来，它是一种能模仿人的控制功能和某些动作的自动化机械系统，它可以操作可变的预定程序、轨迹及其他要求，实现多种操作的工具。工业机器人技术的最新成果包含了自动控制技术、精密机械技术和检测传感技术等领域，现正在越来越多的生产领域取代操作工人，杰出的完成着极其繁重、复杂、精密或充满危险的各种各样的生产工作。在自动化和柔性制造系统中，工业机器人也起着关键的作用，并广泛应

7、用到工业生产、军事技术和航天航空等各个领域。随着传感技术和工业自动化的开展，20世纪6O年代喷涂领域开始用到工业机器人，到了20世纪60年代末挪威率先推出专用喷漆机器人，这是针对喷漆实际情况而设计的。其中，应用最多的是汽车制造业。1.1.2 机器人的概念机器人的概念对于我们并不陌生，而要真正了解它的概念还是需要科学的定义来标准它。在产业界，国际标准组织ISO曾于1987年对工业机器人进行定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。这与美国工业机器人学会RLA的定义相近，日本工业标准JIS也采用了此定义。在德国VDI标准中，对于工业机器人给出了更具体的定义

8、：工业机器人是具有多自由度的，能进行各种动作的自动机器。它的动作可以顺序控制的、轴的关节角或轨迹可以不靠机械调节、而由程序或传感器加以控制。工业机器人具有执行器、工具及制造用的辅助工具，可完成材料搬运和制造等操作1。1.1.3 喷漆机器人研究现状在改革开放时代下，我国喷漆行业依旧比拟缺乏自主开发的喷漆机器人，因而，这款产品在我国工业生产中有着较好的开展前景。在国外喷漆机器人已经广泛的研发和应用，而我国主要采用进口的机器人。工业机器人主要承当着焊接、喷涂等劳动安系数高全并且反复性高的工作，通常情况下采取示教再现的工作方式。近些年在我国渐渐地出现了许多关于喷漆机器人的研究，其研究的领域涉及许多方面

9、。第一，广西大学机械工程学院研究的六自由度喷漆机器人，它具有六个旋转关节，分别指六个交流伺服电机和六个谐波减速器驱动，并应用牛顿-欧拉方法推导出六自由度机器人的运动学方程，在MATLAB中进行了编程求解。并应用ADM5软件建立虚拟样机模型进行仿真，用仿真的结果验证了编程计算的正确性2。第二，山东科技大学机器人研究中心研制出一种新型的油罐喷砂/喷漆机器人，它具有以下特点：低本钱、易拆装、稳定性、独特性和实用性等。同时嵌入式实时操作系统UC/OS-和ARM7微控制器LPC2210的采用，使得机器人命令有着稳定可靠的系统和极其流畅的动作3。第三，关于喷漆机器人应用离线编程技术的研究，指出离线或交互示

10、教式生成的轨迹方式低于自动生成轨迹的方式，自动生成方式将是今后开展的方向。另外也探讨最优轨迹设计问题OTPP，先从一些根本假设和定义入手，由此导出OTPP目标泛函并给出其约束条件，在此根底上提出沿指定空间路径的OTPP及一般约束条件的OTPP4。在国外，使用喷漆机器人已经成为了主流，因为喷漆生产作业的恶劣环境，人们越来越重视环保和健康。目前世界上用得最多的喷漆机器人绝大多数是挪威人Trallfa机器人，它有以下特点：6个自由度，电液或全电动伺服驱动，关节式，采用示教再现方式，既可实行点位控制，也可实行连续轨迹控制。1.2 喷漆机器人的概述1.2.1 喷漆机器人特点喷漆机器人可以减少废品的数量，

11、提高稳定性和产品质量，减少劳工数量，同时减少漆料和能量的消耗，并提高劳动生产效率，防止了过去人工喷漆时人接触有毒性的涂料而造成急性或慢性中毒，到达平安生产的目的。眼下，喷漆机器人被广泛引入汽车车身、汽车零部件、家电制品、塑料制品等的喷涂作业中，从所占的数量和金额来看，汽车车身喷涂占有的比重最大。汽车车身喷涂广泛采用往复式自动喷涂机，与工人手工操作相比，机器人的通用性相当高。因此很多制造业单位正在逐步引入喷涂机器人，以淘汰往复式自动喷涂机。20世纪90年代，喷涂机器人已经成为主流。由喷涂机器人的工作任务及场合，采用关节型机器人，拥有5个自由度。喷漆机器人的小臂与大臂关节的轴线相互平行。它的特点：

12、紧凑的结构，灵活的动作，占地面积小，工作空间大，在工作空间内手臂的干预最小，驱动关节的力矩比拟小，较少的能量消耗，关节相对运动局部采用密封防尘。喷涂机器人整体组成由机身、大臂、小臂、手腕组成。该机器人的5个自由度分别为：机身的回转、大臂的俯仰、小臂的俯仰、腕部的俯仰和回转。1.2.2 喷漆机器人组成喷涂机器人一般由以下局部组成，包括执行系统、驱动系统、控制系统、传感系统和输入/输出系统接口。绝大数机器人系统由以下几个局部组成：控制局部微型处理器单片机和软件或者硬件逻辑电路；执行部件电动马达/丝杠/气压或者液压部件/推进器；传感局部齿轮/螺杆/连杆；传感局部直接接触测量比方接触传感器，应变仪，压

13、力传感器、非接触测量比方红外线，光感，声感，电波探测器，声波定位仪，激光测距；能源局部主要是电力/电池/太阳能5。1.3 本课题的研究意义为了满足目前我国喷漆生产的要求，我们做了喷漆机器人的研究课题，它的目的是能够到达优异的喷涂质量、稳定的工作性能、降低生产本钱等等。在当代整个制造业中，以保障产品的质量、提高生产的效率为目的的企业越来越多，同时也重视自动化和半自动的生产过程，喷漆机器人作为自动化生产线上的炙手可热的成员，渐渐地被更多的企业认同和采用。喷漆机器人是现代工业生产的必然产物，它的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。它是一种模仿人身体某些局部功能，按照预定要求

14、进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推开工业生产的进一步开展起着重要作用。强大的生命力赋予喷漆机器人越来越多的魅力，越来越受到人们的广泛欢送和重视。2 喷漆机器人总体方案设计技术要求：自由度数： 5驱动方式： 步进电机驱动负载重量： 2.5 kg运动范围： 机身： 120大臂： 前俯30，后仰10小臂： 俯仰30腕转： 120腕摆： 120 工作空间： 28006001600 mm3 喷枪最大工作速度： 0.8 m/s 控制方式： 开环连续轨迹控制重复定位精度： 36 mm示教方式： 手把手CP示教2.1 坐标形式的选择工业机器人有五种坐标形式：圆柱坐标型；极坐标型；直角坐标型；多

15、关节型；SCARA型6。1圆柱坐标型有两个滑动关节和一个旋转关节来确定位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态，工作范围呈圆柱形状。2极坐标型即用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。3直角坐标型结构简单，刚度高；关节之间运动相互独立，没有耦合作用。4多关节坐标型三个自由度均为回转运动，构成机器人的回转运动、俯仰运动和偏转运动。5SCARA型机器人体积小，重量轻，传动原理简单，外形美观本钱低。关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。其特点：动作灵活，工作空间大；关节运动部位密封性好。为了到达目标：大臂实现前俯30，后

16、仰10，因此采用多关节型。2.2 驱动方式确实定机器人的驱动方式有液压、气动和电动三种方式5。1液压驱动介质的可压制性小，工作平稳可靠，位置精度高且该传动较易实现自动控制。但是，工作性能会因高温受到较大影响；液压油泄漏问题难于克服。2气压驱动的压缩空气粘度小，容易到达高速，空气对环境无污染。气动元件工作压力低，制造要求低。但是为了获得较大工作压力，就必须增大结构；排气会带来噪音。3电动有异步电机、直流电机、步进或伺服电机等电动驱动方式。此外，电动驱动适合中等负载，特别适合动作复杂，运动轨迹严格的工业机器人。步进电机驱动适合中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。因

17、而选择步进电机驱动。2.3 传动方式的选择机器人传动方式包括直线传动齿轮齿条装置、普通丝杠、滚珠丝杠和旋转传动齿轮链结构，皮带结构7。直线传动方式：行程小时，采用油缸或汽缸直接驱动；当行程较大时，采用步进电机或伺服电机驱动，并通过滚珠丝杆螺母来转换为直线运动。旋转传动方式：常见的有链轮传动机构，活塞及连杆传动机构，齿轮传动机构等。喷漆机器人的传动系统要求重量轻，传动惯量和体积小，结构紧凑，要求消除传动间隙，提高其位置和运动精度。滚珠丝杠摩擦小，运动响应速度快，传动效率高消除低速时产生的爬行现象，假设在装配时施加一定预紧力还可以消除回差。因此机身采用齿轮传动、大臂和小臂采用滚珠丝杠传动、腕部采用

18、链轮传动。 平衡方式确实定采用平行四边形机构构成平衡系统广泛应用于工业机器人系统中。其工作原理是在系统中增加一个质量，与原构件的质量形成一个力的平衡，该平衡系统不随机器人的位置的变化而失去平衡。为了减小驱动力矩和保证大臂的运动平稳，需要给大臂安装平衡装置。机构的平衡有质量平衡a、弹簧力平衡b、气动和液压平衡方法c三种，如图2.1所示。质量平衡就是在质量较轻的一侧增加重物块，使机构两侧到达平衡。但这种平衡方法适用于运动平稳和重心位置移动不大的机构。气动和液压力平衡的原理和弹簧力平衡的原理相似，其显著的优点是平衡缸中的压力是恒定的，不会随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制。

19、但平衡缸的制造和安装比拟复杂，考虑经济性和工艺性，决定不用气缸平衡。弹簧结构简单，对整体质量影响不大而且不需要动力源，所以应用很普遍，而且给弹簧加上调节装置可在安装机器人时将机器人的平衡调节到最正确位置8。所以采用弹簧力平衡原理来进行实现大臂系统的平衡。图2.1 大臂平衡方式的选择2.5 示教方式确实定如今，机器人位姿的示教有两种方式：直接示教和离线示教，而随着计算机虚拟现实技术的快速开展，出现了虚拟示教编程系统。位姿示教框图，如图2.3所示。图2.3 位姿示教框图本课题采用手把手CP示教和开环连续轨迹控制。所谓直接示教，就是指通常所说的手把手示教，由于直接搬运机器人的手臂对机器人进行示教，如

20、示教盒示教或操作杆示教等。在直接示教中，工作者可以选择在不同坐标系下示教，为了示教方便以及获取信息的快捷而准确，例如，可以选择在关节坐标系Joint Coordinates、直角坐标系Rectangular Coordinates以及工具坐标系Tool Coordinates或用户坐标系User Coordinates下进行示教9。2.6 工作空间的计算机器人的工作空间是指机器人在工作时，其腕部中心或者喷枪安装点能够到达的所有空间区域不包括腕部或者工具本身所到达的区域10。喷漆机器人工作空间的示意图，如图2.4所示。图2.4 喷漆机器人工作空间的示意图图中： 、分别为大臂、小臂的长度； 大臂的

21、仰俯角度分别为：10、30； 小臂的仰俯角度分别为：30、30； 机身的回转角度分别为：120、120。由喷漆机器人工作空间的示意图，根据工作空间的范围：长宽高=28008001600mm3，列出方程组计算出的大、小臂长度。方程组如下： 为了方便计算与制造，将计算结果圆整为：，。喷漆机器人总装图、各个局部的名称及装配关系，如图2.5所示。1小臂 2腕部 3大臂 4大臂步进电机 5小臂步进电机 6机身步进电机 7机身 8婉转步进电机 9婉摆步进电机图2.5 喷漆机器人总装图3 大臂系统的设计3.1大臂的形状结构设计大臂形状设计需要考虑以下几个方面：第一，根据喷漆机器人工作任务提出的工作空间要求，

22、选择大臂的尺寸和结构；第二，选择高强度轻质材料，减轻自身的重量，合理选择大臂的截面形状，同时考虑安装驱动系统；第三，为尽量减小驱动装置的负荷，应减小大臂关节回转轴的转动惯量和偏重力矩以及大臂重量。因此，对应上面有如下解决方案：根据受力情况以及零件的尺寸合理的选择横截面和尺寸；大臂两边尽量平衡，使各作用力变相的抵消；使用弹簧平衡。初选大臂杆件结构：采用箱型结构，铝合金箱体结构。大臂形状初步设计，如图3.1所示。图3.1 大臂结构横断面示意图大臂的摆动由滚珠丝杠和丝杠螺母的摇杆一起配合实现。大臂俯仰示意图，如图3.2所示。图3.2 大臂俯仰示意图大臂传动方式为如下：由步进电机驱动，带动滚珠丝杠旋转

23、，与大臂在左右方向位置相对固定的丝杠螺母因丝杠的旋转沿丝杠轴向运动，同时螺母带动大臂绕大臂与底座的连接部作俯仰运动。大臂与小臂采用铰接连接，其连接示意图，如图3.3所示。图3.3 大臂与小臂大连接示意图3.2 大臂驱动参数的计算步进电机的选型1113计算大臂俯仰所需的转矩： Nm (3.1) Nm (3.2) rad/s (3.3) Nm (3.4) (kgm2) (3.5) (3.6)式中： 大臂转动所需的转矩Nm； 大臂转动产生的惯性转矩(Nm)； 摩擦所产生的转矩(Nm)； 大臂的长度mm，mm； 大臂材料的密度kg/m3，kg/m3； 大臂的外宽mm，mm； 大臂的外长mm，mm； 大

24、臂的内宽mm，mm； 大臂的内高mm，mm； 旋转中心的偏移量mm，mm； 大臂摆动的角速度 rad/s； 喷枪的工作速度m/s，m/s； 启动时间s，=0.5s； 电机安装位置，mm。设大臂为实心时的质量为，对应的转动惯量为；用大臂材料填充大臂空心局部所需的质量为，对应的转动惯量为。代入数据得： kg kg kg考虑大臂内部链轮及链条等附件质量： kg 取kgkgm2kgm2 kgm2同理有：kgm2 kgm2 kgm2kgm2大臂俯下30时有： rad/sNmNmNmN查表14暂取滚珠丝杠的公称直径mm，螺旋升角。 丝杠径向工作载荷：N Nm图3.4是北京和利时电机技术局部110BYG系列

25、混合式步进电机的技术数据。图3.4 110BYG系列混合式步进电机的技术数据所以根据计算所得数据选择110BYG350DH-SAKRMA型号的电机，图3.5是110BYG系列混合式步进电机的型号说明。图3.5 110BYG系列混合式步进电机的型号说明110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸，如图3.6所示。图3.6 110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸110BYG系列混合式步进电机的矩频特性曲线，如图3.7所示。图3.7 110BYG350DH型电机矩频特性曲线初定滚珠丝杠的参数如下：导程mm；公称直径mm；螺旋升角。假定丝杠与大臂在大臂下部200mm处连接，那么丝杠传递的线速度为： m/

26、s rad/s m/s 3.7 3.8式3.7中为滚珠丝杠的轴缘线速度，为电机转速。把上面两个速度代如公式3.7得： m/s m/s所得结果代入公式3.8得电机的转速范围。r/minr/min所以电机的转速范围为r/minr/min。对应的电机频率为7KHZ，在此频率下电机输出转矩9Nm， 满足滚珠丝杠所要求的参数。3.3 大臂传动参数计算滚珠丝杠的传动设计滚珠螺旋传动的突出优点是可用较小的驱动转矩获取高精度、高刚度、高速度和无侧隙的进给。滚珠丝杠的传动分为正传动和逆传动，正传动指由丝杠转动变为螺母的直线运动，而逆传动指由螺母直线运动变为丝杠的回转运动13。因此采用正传动，如图3.8所示。 图

27、3.8 丝杠支撑简图螺旋角对滚珠丝杠的轴向弹性变形有着重要的影响(如图3.9所示)。从轴向弹性变形量与螺旋升角的关系图分析可得，滚珠丝杠的轴向弹性变形量随着螺旋升角的增大而减小。在410内，法向弹性位移变化不明显；在1036内，法向弹性位移由减到，变幅变化较大。因此为有利于提高滚珠丝杠副的性能应选择大导程的滚珠丝杠副16。图3.9 轴向弹性变形量与螺旋升角的关系丝杠参数初选为： 导程mm；公称直径mm；螺旋升角。2进行滚珠丝杠校核a等效轴向工作载荷 3.9式中： N； N。Nb静载荷计算 3.10式中： 轴向载荷N，变载荷时用代入，N； 静载荷硬度影响系数，； 载荷系数，轻微冲击，。代入数据得

28、： N查表14得满足静载荷条件。c等效转速当转速在和之间变化时， 3.11 其中r/min；r/min。代入计算： r/mind寿命计算 3.12式中： 寿命系数，； 工作寿命h，普通机床，； 载荷系数，轻微冲击，； 动载荷硬度影响系数，； 短行程系数，； 转速系数，； 工作转速r/min,用代入，r/min。由参数及公式得： 查表得满足寿命要求。 图3.10 D-CZM大导程系列滚珠丝杠综上所述，确定预选丝杆参数能满足工作要求，确定丝杠的导程mm，公称直径mm，螺旋升角，螺纹旋向为右旋，负荷钢球圈数为3圈，定位滚珠丝杠，返向器固定式内循环，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式，精度等级为5级 。标注

29、为D-CZM2520-1.5-P5如图3.10所示。在丝杠安装前和日常维护中要涂油脂润滑，在生产作业中要套上防护套防止灰尘和喷雾的污染腐蚀。3链传动的设计计算传动链有短节距精密滚子链简称滚子链、齿形链等类型，其中滚子链使用最广，本设计中使用的也是滚子链。链传动的设计主要与链速与功率有关15。初始条件：传动比，中心距a=800mm。 3.13 由上式可得： 式中： 转矩，=7.3N.m； 转速，=130r/min； 功率kW。代入数据：kWa选择链轮的尺寸为使结构更加紧凑，选择，。b根据功率曲线选择链条类型 初定中心距mm，结合功率得到。 3.14式中： 工况系数； 小链轮齿数系数； 多排链系数

30、，单排。 代入数据得到： kW结合功率和转速，可选用的10A。c链轮的主要尺寸计算分度圆直径： 3.15 式中: p链条的节距mm； Z链轮的齿数。代入数据有： mm 齿顶圆直径： 3.16式中: p链条的节距mm； Z链轮的齿数。代入数据得：mm齿根圆直径： 式中: 滚子直径；由链轮的选取得到其相关尺寸数据mm所以得：mm。d链条的主要尺寸计算确定链节数由于初定中心距，那么链节数：圆整，取。链长计算：计算中心距： 3.17 代入数据得：可通过中心距调整取得mm。e求链速，确定润滑方式m/s 采用人工润滑。f求作用在轴上的力工作拉力： N轴上的作用力： N4 大臂的平衡设计4.1 弹簧的受力分

31、析当大臂带上弹簧时的受力情况如图4.1所示。 图4.1 带平衡弹簧时的大臂受力图分别为大臂、小臂、腕部和负载的重力，为弹簧因形变产生的拉力： 4.1大臂质量kg；小臂质量kg； 腕部质量kg；负载质量kg。 可利用大臂旋转中心两侧的力矩平衡先求得弹簧需要提供的拉力。大臂初始状态时的位置情况如图4.2所示。图4.2 大臂垂直时的位置图由公式4.1有：大臂前俯角度为30时位置情况如图4.3所示。图4.3 大臂前俯30时位置图 由公式4.1有：大臂后仰10时的位置情况如图4.4所示。图4.4 大臂后仰10时的位置图由公式4.1有：以上为各不同位置时为保持大臂平衡弹簧所需提供的力矩。图解法计算不同位置

32、时弹簧力的力臂如图4.5所示。图4.5 图解法计算各特征位置时的弹簧力力臂分别为弹簧在不同位置时的弹簧力对应的力矩半径； 分别为弹簧在不同位置时的弹簧装置长度。通过公式可求得不同位置时所需弹簧提供的拉力： NNN由于本课题中采用两根对称且平行的弹簧来平衡大臂，后面的弹簧计算是指其中一根弹簧的设计计算。 圆整为146N 圆整为452N 圆整为78N4.2 弹簧的设计计算弹簧是整体设计不可或缺的局部，以下为弹簧的设计计算步骤17。1现选用碳素弹簧钢丝GB4357-89C级第类弹簧。设钢丝直径d=4mm。取G=82000MPa，查表得MPa。MPa2确定钢丝直径 取旋绕比 曲度系数 丝杠直径计算公式

33、： 4.2其中弹簧的工作拉力，这里取N。各数据代入公式4.3得： mm取d=4mm。 弹簧中径: mm查表取D=25mm,K=1.24mm。 mm与原值相近。取d=4mm。此时D=25mm是标准值。 弹簧内径: mm 弹簧外径: mm3计算弹簧刚度 4.3式中： 弹簧的工作拉力，这里取N； 与对应的弹簧长度，mm； 与对应的弹簧长度，mm见图4.5。代入公式得： N/mm4计算弹簧圈数 4.4 代入各数据得： 圈 取n=95圈6弹簧初拉力 N 极限工作应力 取 那么MPa极限工作载荷 N9计算弹簧的变形 4.5 式中： 变形量； 与形变对应的拉力。将分别代入公式4.5得：mmmm10特性校核

34、根本满足要求。11计算其他结构参数 4.6 4.7式中： 自由长度； 螺旋角； 弹簧节距，mm。代入数据得：自由长度： mm 弹簧变形后长度： mm mm根据以上计算，选定的有关参数为：材料为碳素弹簧钢丝，钢丝直径为4mm，旋绕比为6.25，弹簧中径25mm，弹簧右旋，螺旋角为，自由长度为434mm。为尽量使弹簧能满足不同平衡的平衡要求，在弹簧两端加上螺纹结构，安装时用螺母调节弹簧的长度以改变拉力大小，使大臂保持平稳。5 大臂体的有限元分析通过CREO Simulate Structure进行有限元分析可以得出大臂结构(大臂工程图，如图5.1所示)的合理性。进而提出改良方案，实现结构优化。大臂

35、三维实体图，如图5.2所示。图5.1 大臂工程图图5.2 大臂三维实体图AutoGEM工具创立了边为29634、面为42642以及四面体为18919如图5.3所示。由此模型建立是没有错误，可以进行下面分析了。图5.3 大臂有限元网格划分5.1 大臂连接处的静态分析Analysis 1静态分析给以指定的载荷和约束，通过详细的分析，计算出大臂的应力、变形和应变。进行静态分析有以下特点：判断能否承受得住指定的载荷条件；判断零件所能承受的临界点在何处；判断零件变形后的位移量是多少。前期准备如图5.4所示载荷：300N 向下；约束：大臂下端固定；材料：AL2021。图5.4 大臂载荷、约束和材料新建静态

36、分析Static，如图5.5所示。图5.5 新建静态分析Static1在应力StressMPa图5.6中，绿色局部范式等效应力为6.609e-018.812e-01MPa。图5.6 连接处范式等效应力Von Mises2在位移Displacementmm图5.7中，最大位移为0.0076mm。图5.7 连接处位移大小Displacement Mag3在应变Strain图5.8中，绿色局部应变为7.167e-069.636e-06。图5.8 连接处主应变Strain Max Prin5.2 大臂吊环的静态和模态分析前期准备如图5.9所示载荷：400N 斜向下45o；约束：大臂下端固定；材料：AL

37、2021。图5.9 大臂载荷、约束和材料新建模态分析Model，如图5.10所示。图5.10 新建模态分析Model5.2.1 吊环静态分析Analysis 21在应力StressMPa图5.11中，绿色局部范式等效应力为4.337e+014.812e+01MPa。图5.11 吊环范式等效应力Von Mises2在位移Displacementmm图5.12中，最大位移为0.03692mm。图5.12 吊环位移大小Displacement Mag3在应变Strain图5.13中，绿色局部应变为5.797e-046.524e-04。图5.13 吊环最大主应变Strain Max Prin5.2.2

38、 吊环模态分析Analysis 3在受约束的情况下，计算大臂上的自然频率和模式形式如图5.14所示。图5.14 大臂所受约束模态分析结果定义窗口，如图5.15所示。图5.15 模态分析结果定义窗口分析工程应力Stress：1在图5.16中，绿色局部范式应力为1677.842097.29MPa。图5.16 146.566HZ下范式等效应力Von Mises2在图5.17中，绿色局部范式等效应力为1080.861351.08MPa。图5.17 167.35HZ下范式等效应力Von Mises3在图5.18中，淡蓝色局部范式等效应力为860.8171291.15MPa。图5.18 219.628HZ

39、下范式等效应力Von Mises4在图5.19中，蓝色局部范式等效应力为0.034771101.35MPa。图5.19 231.241HZ下范式等效应力Von Mises分析工程为位移Displacement：如图5.20，图5.21，图5.22，图5.23所示，最大位移都是1.00mm。图5.20 146.566HZ下位移大小Displacement Mag图5.21 167.35HZ下位移大小Displacement Mag图5.22 219.628HZ下位移大小Displacement Mag图5.23 231.241HZ位移大小Displacement Mag最终，得出结果大臂结构趋于

40、合理。在受力比拟大的地方加倒圆角和加强筋处理，来进一步实现大臂的结构趋于完美化，以实现结构的刚度和强度。结束语经过四个月以来郭钢教授的指导以及本人和同小组成员的共同努力，终于完成了本次毕业设计的内容。本人的设计任务是喷漆机器人大臂系统的设计，由于个人经验和能力有限，尚有许多缺乏的地方有待完善，恳请老师提出珍贵的意见。在喷漆机器人大臂系统的设计过程中，主要完成了以下任务：1通过大量收集、阅读、分析关于喷漆机器人的资料文献，对工业机器人尤其是喷漆机器人的开展历史、研究概况以及用途有了一定的了解。通过这些资料，顺利的完成了外文资料的翻译和开题报告的撰写。2在参阅了其他喷漆机器人的设计方案以及观看了喷漆机器人工作视频之后，通过与同组成员的协商论证以及老师的指导下确定了喷漆机器人的总体方案，采用关节型结构，机身的转动由齿轮传动实现，臂的摆动通过滚珠丝杠螺母副配合实现，腕部的转动利用链传动与圆锥齿轮传动，将驱动大臂的电机放于机身转盘的支架上，将驱动小臂的电机放于大臂腰部，将驱动手腕转动的电机放于转盘对称两侧，可以避开偏置力矩，保持平衡。3在总体方案确定后，经过大量的设计计算确定了大臂的具体方案，采用箱型臂体，选择110BYG350FH-SAKRM