机械毕业设计1503校园垃圾拾捡机构行走机构设计说明书.doc

机械毕业设计1503校园垃圾拾捡机构行走机构设计说明书

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机械毕业设计论文
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机械毕业设计1503校园垃圾拾捡机构行走机构设计说明书,机械毕业设计论文
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本 科 毕 业 论 文(设 计) 题目 : 校园垃圾拾捡机构行走机构设计 学 院: 工 学 院 姓 名: 学 号: 专 业: 年 级: 指导教师: 称: 副教授 二 0 一四 年 五 月 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 1 - 摘 要 校园垃圾拾捡机构是为了保持校园环境清洁而设计的一种由抓取机构固定在行走机构上构成的一类的小车机器人的专门工作机构。 校园垃圾拾捡机构是一辆采用直流伺服电机驱动的四轮平面移动小车,该机构采用前轮转向后轮驱动,车上装有摄像头,超声波传感器和碰撞传感器等,用以控制校园垃圾拾捡机构行走机构而躲避障碍物,通过识别废纸、果皮、塑料等垃圾通过控制抓取机构拾捡垃圾放置于垃圾箱内。 关键词 : 行走机构;校园垃圾拾捡机构;机器人 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 2 - Abstract Picking up trash on campus is a special body of a mechanism in order to keep the school environment clean and designed by grasping mechanism fixed on the running gear consisting of a class of car robot. Picking up trash on campus is an organization driven by DC servo motors to move four flat cars, the agency uses rear-wheel drive front-wheel steering, the car is equipped with cameras, ultrasonic sensors and collision sensors, picking up trash on campus organizations to control travel agencies and avoid obstacles by identifying waste paper, peel, plastic and other garbage picking up garbage placed in the trash by controlling the grasping mechanism. Keywords:Walking agencies;Campus garbage pick up agencies; robot nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 3 - 目 录 1 绪论 . - 4 - 1.1 移动机器人概述 .- 4 - 1.2 课题研究意义 .- 4 - 2 校园垃圾拾捡 机构 总原理 . - 5 - 3 校园 垃圾拾捡 机构行走机构 设计与计算 . - 6 - 3.1 行走机构 的工作原理 .- 6 - 3.2 方案设计 .- 7 - 3.3 电动机选型 .- 8 - 3.4 设计链传动 .- 9 - 3.5 链轮的设计及计算 .- 11 - 3.6 轴的设计及计算 .- 12 - 3.7 机架支脚端盖设计 .- 16 - 3.8 轴承选择 .- 16 - 3.9 联轴器的选择 .- 17 - 3.10 减速器的选择 .- 17 - 3.11 转向梯形设计键的选用与校核 .- 17 - 3.12 键的选用与校核 .- 21 - 3.13 纹紧固件选型 .- 21 - 3.14 防松装置 .- 22 - 3.15 密封件选择 .- 22 - 3.16一些标准零件一览表 . - 23 - 4 总结 . - 24 - 参考文献 . - 24 - 致 谢 . - 26 - nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 4 - 1 绪论 1.1 移动机器人概述 校园捡拾垃圾移动机器人是用智能化控制技术,在校园环境下机器人系统的自主运动、规划和控制机构的执行。平台小车的移 动用来扩展抓取机构的工作空间,使机抓取机构能以更合适的姿态抓取垃圾,同时校园捡拾垃圾移动机器人中的抓取机构的加入也极大提高了移动机器人的性能。 1.2 课题研究意义 把校园捡拾垃圾移动机器人抓取机构安装在移动平台上,这种把抓取机构安装在行走机构的移动平台上的方法使抓取机构拥有很大的操作工作空间。并同时小车具有移动和操作功能,这样使它好于一般的机器人和传统机械手。因此,研究这类机构的控制问题有十分重要的理论价值和实践意义。 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 5 - 2 校园垃圾拾捡机构总原理 2.1 机构总原 理图 图 2.1 机构总原理 2.2 捡拾垃圾机构的操控过程 校园捡拾垃圾机构工作时,启动遥控控制按钮,点动小车的开关按钮,把电源接通,校园捡拾垃圾机构行至校园内的工作区域,启动小车操作自动化控制按钮,这时机器进入自主运动运动状态。 校园捡拾垃圾机构 通过视觉传感器 摄像头传达垃圾所在位置:当在抓取机构所能抓取的范围内没有发现有垃圾时,小车后轮驱动电机启动小车向前行进,寻找垃圾,直至发现在其范围内发现垃圾时,驱动电机关闭小车停止移动,然后启动抓取机构控制系统,抓取机构通过传感器调整抓取机构位置使爪子对 准垃圾,爪子闭合抓取垃圾,机械手随转台向垃圾箱方向转动,转到垃圾箱上方触碰到一行程开关,将垃圾放入垃圾箱内,随后机械手随转台转回到自由初始状态。小车继续行进寻找垃圾目标。 校园捡拾垃圾机构 在工作过程中,通过周围装有的传感器发现有障碍物时,转向电机启动,控制机构转向,避开障碍物。 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 6 - 3 校园捡拾垃圾机构行走机构设计与计算 3.1 行走机构的工作原理 行走机构是采用传感器技术自动控制小车的向前行进(后退)和转向的一种全自动化的移动平台。校园捡拾垃圾机构通过摄像头 视觉传感器,传达垃圾位置信息,进 而控制小车的前进与否及转向。 (1)行走机构移动平台图 图 3.1 行走机构 ( 2)行走机构向前前后移动 校园捡拾垃圾机通过视觉传感器传达垃圾位置:当在机械手所能达到的范围内没有发现有垃圾时,机器人继续向前行进,寻找目标,直至发现在其范围内发现垃圾时,行走机构停止移动,启动机械手控制系统,将垃圾拾捡入垃圾箱,之后机构继续移动。 ( 3)行走机构转向 机构在工作过程中,小车体上方装有传感器,当发现有障碍物时,控制转向电机启动,进而控制校园 捡拾垃圾机构转向。从而使小车避开障碍物。 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 7 - 小车转向原理如下图: 3.2 方案设计 ( 1)后轮驱动,前轮转向( ) ( 2)前轮驱动,前轮转向 ( 3)四轮驱动,四轮转向 最终采用方案( 1)进行设计 3.2.1 后轮驱动原理(如下图) 后轮驱动路线: 链 传 动 键 联 接电 动 机 启 动 后 驱 动 轴 转 动 车 轮 转 动移 动 平 台 后 轮 驱 动图 3.3 后轮驱动图 图 3.2转向梯形 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 8 - 3.2.2 前轮转向原理(如下图) 前轮转向路线: 联 轴 器 联 轴 器 键 联 接电 动 机 启 动 ( 停 止 ) 减 速 器 前 轮 转 向 轴 车 轮移 动 平 台 前 轮 转 向 3.4 前轮转向图 3.3 电动机选型 选取为 Z4 系列的直流电动机。 额定功率 P=1.1kw 额定电压 220v 额定转速 450r/min 电动机 , 图 3.5 电机 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 9 - 电机安装尺寸: 3.4 设计链传动 图 3.6 链轮和链条 链轮转速分别为: 小链轮:1 4 5 0 / m innr大链轮: 2 1 5 0 / m innr中心距 a不小于 300mm 3.4.1 选择链轮齿数 传动比 12/ 4 5 0 / 1 5 0 3i n n 31221 zznn假设链速 1/u m s 因为齿数一般大于等于 17。所以取小链轮齿数 1Z 21, 大链轮齿数2 63Z 3.4.2 确定链节数 Lp 初定中心距 a=25p 机座号 安装尺寸 A C1 E K G R S n 22 200 1.05 73 1.05 40 15 14.8-0.12 0 1.5 12 4-0.30 B D H F N M h3 205 1.05 18+0.014 +0.02 140-0.5 5 -0.010 -0.055 130-0.040 165 4-0.30 外形尺寸 p b1 b2 h L1 200 194 158 314.5 437 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 10 - 250 paaop 6 826 42.442 2123 ZZf 8.9322 321 opopP afaZZL 链节数一般取偶数 94PL3.4.3 确定链条节距 按小链轮转速估 计工作点落在线顶点左侧 Km=1.0。 表 5.11 查得: 工作情况系数: KA=1.3, 小齿轮齿数系数 Kz=1.11, 链长系数 Kl=1.06 所以采用单排链, 由表查得单排系数,得到工作条件下的传动功率为 0 1 . 6 8AZ L mKPP k wK K K根据计算得到的齿轮的转速和功率,由图 5.26 选择滚子链型号为 08A,其节距为P=12.7mm 3.4.4 确定链长 L 和中心距 链长: 1 .1 91000PLPLm74.1121 ZZ ZLP查表可得中心距计算系数 24156.01 f 中心距:2212 1 2 2 1842 22PZZpaLPZ Z Z ZL 计算得 a=318.9mm 中心距减少量 0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 6 3 8 1 . 2 7 6a a m m 实际中心距 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 11 - 3 1 7 . 6 3 1 8 . 2 6 3 1 8 3 0 0a a a m ma m m m m 取3.4.5 验算速度 11 1 . 7 3 2 5 /6 0 1 0 0 0n z pu m s与 假 设 相 符3.4.6 作用于在轴上的轴力 1 . 2QK 工 作 平 衡 取 压 力 系 数 1 0 0 0 6 3 4 . 9 2PFNu工 作 拉 力 7 6 1 . 9 0QQF K F N轴 上 压 力 3.4.7 设计结果 滚子型号 08A 1 94 GB1243.1-83 链轮齿数 1 21Z 2 63Z 中心距 a=318mm 7 6 1 . 9 0QFN轴 压 力 3.5 链轮的设计及计算 由以下公式: 分度圆直径180sintdz o23.851 d 02.2552 d 齿根圆直径 frd d d(rd为滚子直径) rd=7.92 最大齿根距离:偶数齿 xfLd奇数齿 90c o sxrL d dzo 齿根最大距离: 180( 1 ) 0 . 8Hd t c tg z o 齿顶圆直径 180( 0 . 5 4 )ad t c tg zo nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 12 - ( 1)小链轮:齿数: 21 分度圆直径 d=85 24mm 齿顶圆直径 da=91mm 齿根圆直径 df=6 71mm 最大齿根距离 Lx=76 48mm 齿根最大距离 dH=70mm 结构形式:实心式 材料: 40 热处理:淬火回火 40-50HRC ( 2)大链轮:链轮齿数: 63 分度圆直径 d=255 02mm 齿顶圆直径 262mm 齿根圆直径 df=246 51mm 最大齿根距离 Lx=246 43mm 齿根最大距离 dH=241mm 结构形式:实心式 材料: 40 热 处理:淬火回火 40-50HRC 3.6 轴的设计及计算 3.6.1 选择轴的材料及热处理 由于小车的驱动轴传递的功率不是很大,故选择常用材料 45 钢 ,调质处理 . 3.6.2 初估轴径 轴承选取:轴主要受径向力的作用,可选用轴承为深沟球轴承 6406,根据轴承确定各轴安装轴承的直径为 :D1=40mm, D2=30mm。 3.6.3 结构设计 确定轴直径:初步估计轴后,轴可安装顺序的一部分,从中间开始,以确定直径。的轴部分安装了一个大链轮,因此为 40mm 的段的直径。 2段装轴承 6406,为了便于安装,取 2段为 30mm。左端用轴肩固定 ,计算得轴肩的高度为 5mm,取 3段为 20mm。4 段与车轮用键联接,取直径 14mm。 各轴段长度的确定:轴段 1的长度取 L1=450mm。 2为轴承 6406 宽度和轴承到支撑脚内壁的距离加上支撑脚内壁之间的距离段取为 L2=125mm。 3 段的长度按轴肩宽度公式计算 L3=1.4h;取 L3=90mm, 4 段: L4=25mm。 3.6.4 轴上零件的周向固定 为了保证良好的对中性。与轴承内圈配合轴均选用 H7/p6, l 链轮与轴采用 A 型普通平键联接,为键 GB/T 1096 2003 键 6*6*18 3.6.5 轴上倒角与圆角 3.6.6 为了确保对轴承内 环 6406 定位肩的端面的端面,根据推荐的轴承的使用说明书,取肩圆角半径为 1mm。其他肩圆角半径是 2 毫米。根据标准 GB6403.4-1986,绕轴两端被倒角 1* 45。 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 13 - 3.6.7 轴的校核 图 3.7 轴 轴的校核图 ( 1) 判断危险截面 显然 , B 剖面是危险截面; ( 2)轴的弯扭合成强度校核 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 14 - 初步估计校园捡拾垃圾机器人的总质量为 150Kg。 Fy 剪力 =Mg/4=375N Fx 剪力 =F/2=317.46N T=40.5N.m My=Fy 剪力 *l=375*0.2=75N.m 22x y = 3 4 2 . 8 5M M M 2 2 2 2 3= / = 4 0 . 5 3 4 2 . 8 5 / ( / 3 2 ) / 1 . 5ST M D =236MPa 则可以得到 3 63 2 * 3 4 5* 2 3 6 * 1 0D =24.6mm 此处轴的直径为 40mm,满足要求。 3.7 机架支脚端盖设计 机架支脚端盖都采用铸铁,铸铁机架能适应结构形状比较复杂的情况,有非常好的吸振性能和机加工性能。由于小车结构小,重量轻,所以采用整体式车 架。 机架支脚端盖都采用 HT200 ( 1) 后支脚 图 3.8 后支脚 ( 2)前支脚 图 3.9 前支脚 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 15 - ( 3)端盖 图 3.10 端盖 3.8 轴承选择 3.8. 1 轴承选型 ( 1)后轮 采用轴承受很小的轴向应力作用,主要受径向力作用,且径向力作用不大时,选取深沟球轴承系列, 6406。结构参数见下表 ( 2)前轮受两方面的力的作用,所以选用圆锥滚子轴承, 30307。结构参数见下表 d DBDAA / 215TdBa3.8.2 轴承的轴向紧固方式 采用端盖紧固轴承外圈和轴肩紧固轴承内圈。 3.8.3 轴承的安装形式 除轮毂轴承外, 轴承均是成对出现的,均采用背对背方式安装定位。如下图: 轴承代号 尺寸( mm) d D B 6406 30 90 23 轴承代号 基本尺寸 mm d D T B C a 30307 35 80 22.75 21 18 17 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 16 - 3.9 联轴器的选择 3.9.1 确定联轴器的计算转矩caTcaT=AK TAK-工作情况系数,取AK=1.3 3.9.2 由 caTT和maxnn选择联轴器的型号与尺寸 T -为所选用型号的许用转矩 Nm n -被联接轴转速 /minr maxn-联轴器的最高转速 /minr 由 4 0 .5caT N m和 150 / m innr 再加上电动机和减速齿轮减速器输出轴与前轮转向传动联轴器的输出轴用于联接连接。选取 GB5843-86 凸缘联轴器 ,选用 YL 型的 YL2 和 YL6 凸缘联轴器 82 5 8 4 3 8 63 0 8 2426 5 8 4 3 8 61 8 4 2GBJY L G BJ J30型 号 分 别 为 YL2 联 轴 器J18联 轴 器凸缘联轴器的参数如下所示: (1)YL2 凸缘联轴器 : 额定转矩 nT =16Nm 许用转速 n=7200r/min 轴孔直径 d=18mm 轴孔长度 L=30mm D1=80mm D=64mm 螺栓 M6 L0=64mm 质量 :1.5Kg 转动惯量 0.0035 2.kgm (2)YL6 凸缘联轴器 : 额定转矩 nT =100Nm 许用转速 n=5200r/min 轴孔直径 d=30mm 轴孔长度 L=60mm nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 17 - D1=110mm D=90mm 螺栓 M6 L0=124mm 质量 :3.99Kg 转动惯量 0.017 2.kgm 3.9.3 外形结构,技术参数如下表 3.10 减速器的选择 选用型号为 KWO63 的锥面包络圆柱蜗杆减速器, 其外形如下: KWO63 的锥面包络圆柱蜗杆减速器 结构尺寸如下表: 3.11 转向梯形设计 转向连杆梯形用来保证在小车转弯时,前轮轮子都尽可能绕一个瞬时转向中心,在尺寸 型号 a B1 B2 C1 C2 h H H1 d3 l1 d1 KWO63 63 146 140 115 120 160 160 221 M10 28 18j6 b1 t1 L1 d2 l2 b2 t2 L2 L3 L4 质量(不含油) kg 6 20.5 118 30j6 58 8 33 136 86 65 17 图 3.11 减速器 D1d(h7)LLODn-Mnts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 18 - 不同的圆周上做无滑动的纯滚动。常用的转向梯形有整体是和断开式两种,本设计采用的是整体式转向梯形。 要确定两个参数:一是梯形底角 ;二是梯形臂长 m。两个梯形臂延长线的交点 T,通常在距后轴 2/3L 附近,所以,可按照下式初选梯形底角 3cot =4 KL梯形臂的长度 m,可以参考现有汽车梯形臂长度与主销中心距 K 的比值的统计数据来进行初选,一般 m 的范围如下: m=( 0.11 0.15) K 初选了 和 m 后,还需要校核这个梯形是否能满足要求,可以用作图法进行校核。如下图 如图所示, A, B 是的交点延伸的主销的中心线与地面的点, BD 和 AC 都平行于纵向轴线的两条直线,相交于后轴,分别, C, D 点, E 是纵轴交点 AB,连接乳油,线任取一点点楼这一个, B由两个连接的,是符合,外眼角 要求。 证明如下: nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 19 - 过 F 作 AB 的垂线,与 AB 交与 G。设0i00c o t =c o t =2c o t c o t i=22 2c o t c o t i= =B G B E E GF G F GA G A E E G B E E GF G F G F GEGFGE G F E A CKE G KF G L L由 于 相 似 于 , 所 以(外轮转角);i=FAE(内轮转角),则 0i00c o t =c o t =2c o t c o t i =22 2c o t c o t i = =B G B E E GF G F GA G A E E G B E E GF G F G F GEGFGE G F E A CKE G KF G L L由 于 相 似 于 , 所 以因此,直线 EC 就是保证内、外轮转角正确关系的理想特性线。有了这条线,用图解法来校核就比较方便了。具体做法如下: ( 1)首先按初选转向梯形臂长 m;按初选底角,画出中间位置时的转向梯形图,所得图形如下 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 20 - ( 2) 再给出一系列内轮转角 i,通过作图求得相对应的外轮转角0。 ( 3)分别以 A、 B 为原点,把 i 和0画在图上,如下图所示。每对射线有一个交点,把这些交点连接起来,就得到在选定的梯形底角下的实际特性曲线。 转向梯形连杆机构如下图所示: 图 3.12 转向梯形连杆机 构 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 21 - 3.12 键的选用与校核 3.12.1 键的选型 选用平头普通平键( B 型) GB/T1096-2003 键 B6 6 16 和 GB/T1096-2003 键 B8 7 20 3.10.2 键的校核 挤压强度条件公式 4pTdhl B=6 h=6 l=16 d=18 T=14Nm 由轴与链轮 联轴器的材料选取 110paMP(轻度冲击载荷) 4 4 1 4 1 0 0 0 3 2 . 4 1 1 1 01 8 6 1 6 a p aT M P M Pdhl 故满足挤压强度条件 同理 4 4 1 4 1 0 0 0 1 3 . 3 3 1 1 03 0 7 2 0 a p aT M P M Pdhl 满足挤压强度条件 3.13 纹紧固件选型 选型见下表 名称 个数 用途 螺钉 GB/T 65 M10 35 24 后轮端盖用的联接螺钉 螺栓 GB5780-86 M15 70 16 底板与电动机底座的紧固联接 螺母 GB/T 6172 M15 32 底板与电动机底座的紧固联接 螺栓 GB5780-86 M20*80 12 支脚与底座的联接 螺母 GB6172-86 M20 24 支脚与底座的联接 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 22 - 螺栓 GB5780-86 M10 60 4 减速器的联接螺栓 螺母 GB6172-86 M10 8 减速器的联接螺栓 螺栓 GB5780-86 M6 35 4 联轴器的联接螺栓 螺栓 GB5780-86 M8 35 4 联轴器的联接螺栓 螺母 GB6172-86 M6 8 联轴器的联接螺栓 螺母 GB6172-86 M8 8 联轴器的联接螺栓 螺栓 GB5780-86 M20 80 2 转向连杆联接螺栓 螺钉 GB75-85 M8*12 3 紧定链轮的紧定螺钉 螺钉 GB75-85 M5*6 3 紧定链轮的紧定螺钉 螺母 GB6172-86 M16 2 链轮预紧螺母 螺母 GB6172-86 M20 2 链轮预紧螺母 3.14 防松装置 防松装置采用双螺母防松和采用开口销防松 选用 销 5 60 GB91(大链轮防松) 双螺母防松 开口销防 松 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 23 - 3.15 密封件选择 轴的外表面均采用毡圈密封,材料为半粗羊毛毡。见下表 型号 个数 材料 毡圈 40 ZB68-62 4 半粗羊毛毡 毡圈 40 ZB68-62 2 半粗羊毛毡 毡圈 30 ZB68-62 2 半粗羊毛毡 3.16 一些标准零件一览表 型号名称 个数 型号名称 个数 毡圈 40 ZB68-62 4 螺钉 GB75-85 M5*6 3 毡圈 40 ZB68-62 2 螺钉 GB75-85 M8*12 3 毡圈 30 ZB68-62 2 螺栓 GB5780-86 M20 80 2 销 5 40 GB91 2 螺母 GB6172-86 M8 8 螺母 GB6172-86 M20 2 螺母 GB6172-86 M6 8 螺母 GB6172-86 M16 2 螺栓 GB5780-86 M8 35 4 螺栓 GB5780-86 M6 35 4 螺母 GB6172-86 M10 8 螺栓 GB5780-86 M10 60 4 螺母 GB6172-86 M20 24 螺栓 GB5780-86 M20*80 12 螺母 GB/T 6172 M15 32 螺栓 GB5780-86 M15 70 16 螺母 GB/T 6172 M16 16 螺栓 GB/T 5782-86 M16*40 16 螺钉 GB/T 65 M10 35 24 82 5 8 4 3 8 63 0 8 2 GBJ J30YL2 联 轴 器 1 426 5 8 4 3 8 61 8 4 2Y L G BJ J18联 轴 器 1 轴承 30307 4 轴承 6405 2 轴承 6406 6 GB/T1096-2003 键 B6 6 16 4 GB/T1096-2003 键 B8 7 20 4 减速器 KWO63 1 nts校园垃圾拾捡机构行走机构设计 - 24 - 4 总结 在大学的学习过程,毕业是我们社会的参与到实际的项目中一个很好的演示文稿的规划和建设的一个重要方面。是毕业四年的学习和提高,并做同样的研究和开发工作的总结,必须有严谨求实的科学态度。毕业设计有一定的学术意义和实用价值,能够看出解决问题的能力体现的专业知识和分析。毕业后的整整两个月就要结束了,我的大学生活将结束。这是我们大学的最后也是最重要的一个设计阶段之中。毕业,是我们大学的一个试验已经学会在过去的四年中,它要求我们的大学四年能够消化所学知识,熟练应用和 要求我们能够理论联系实际,培养我们的综合能力解决实际问题和能力。 在两个月内,我们继续学习,不断积累,并不断提高。在饶老师的指导的指导下,我们从最初的开题,整体规划设计方案开始 ;大小后制定,选择和各部分的计算,绘制几个阶段装配图,零
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