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文档简介

,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 第 章绪 论工业机械手概况工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从 二十世纪中叶开始的 我国的工业机械 手是从年代 七五科技攻关开始 起步,在国 家的支 持下, 通过 七五, 八 五科 技攻 关,目前已经 基本掌 握了机械手 操作机的 设计制造 技术, 控制系 统硬件 和软 件设计 技术,运 动学和轨 迹规划技术,生产了部分 机器人关键元器件 ,开发出喷漆,孤 焊,点焊, 装配,搬运等机器人,其中有多台喷漆 机器人在二十余 家企业的近 条自动喷漆生 产线(站 )上获得规模应用,孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来,我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。如:可靠性低于国外产品,机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件,硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在 制造业,其中汽车工业 占第一位( 占) ,电器制 造业第二位(占) ,化工第三位(占) 。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为,年产每万辆汽车所拥有的机械手数为(包括整车和零部件):日本台,德国台,法国台,英国台,美国台,意大利台。世界工业机械手的数目虽然每年在递增,但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件,恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透,工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压,气压控制开始向人工智能化转变,并且随着电子技术的发展和科技的不断进步,这项技术将日益完善。上料机械手与卸料机械手相比,其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料,工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动 上料作业 ,最大抓取棒料直径达 ,最大抓握重量 可达 公斤,最大行走距离为。根据作业要求及载荷情况,机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪,小臂,大臂,手臂回转机构,小车行走机构,液压泵站电器控制系统组成,同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上,结构紧凑。1 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 电气控制系统采用可编程控制器,各种作业的实现可以通过编程实现。国内外实际使用的多是定位控制的机械手,没有“视觉”和“触觉”反馈。目前,世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手,使它能够对所抓取的工件进行分辨,能选取所需要的工件,并正确的夹持工件,进而精确地在机器上定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件,它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息,通过计算机进行图形分辨,判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来,一般采用两种方法:一是检测把握物体手臂的变形,以决定适当的握力;另一种是直接检测指部与物件的滑动位移,来修正握力。因此,这种机械手就具有以下几个方面的性能:()能准确地抓住方位变化的物体;()能判断对象的重量;()能自动避开障碍物;()抓空或抓力不足时能检测出来。这种 具有感知 能力并 对感知的 信息做 出 反映的 工业 机械手 称之为“ 智能机械手” ,它是有发展前途的。现在,工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力,其效用是代替从事繁重的工作,危险的工作,单调重复的工作,恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业部分,机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐,但采用机械手只限于一小部分工序,其原因是,工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求,适于机械手工作的范围很狭小,这是主要原因。经济性问题当然也很重要,采用机械手来节约人力从经济上看,不一定总是合算的。然而,利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求,今后还会持续增长,只要技术方面和价格方面存在的问题得到解决,机械手的应用必将会飞跃发展。上料机械手和卸料机械手相对,其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料,工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型机铝棒料的搬运及高 温棒料的自动 上料作业,最大抓取棒料直 径可达,最大抓 握重量可达公斤,最大行走距离为。根据作用要求和载荷情况,机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪,小臂,大臂,手臂回转机构,小车行2 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 走机构,液压泵站电器控制系统组成,同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上,结构紧凑。电气控制系统采用可编程控制器,各种作业的实现可以通过编程实现。随着机电一体化技术和计算机技术的应用,其研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域,特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想,根据轿车半轴加工的特点提出的,有一定的理论基础,设计水平和应用价值。工业机械手的分类现在对工业机械手的分类尚无明确标准,一般都从规格和性能两方面来分类。按规格(所搬运工件的重量)分类:微型的搬运重量在公斤以下:小型的搬运重量在公斤以下:中型的搬运重量在公斤以下:大型的搬运重量在公斤以上。目前大多数工业机械手能搬运的重量为公斤。最小的为公斤,最大的已达到公斤。按功能分类:简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制:可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动,结构简单,改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制,但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以,目前这种工业机械手数量最多。记忆再现型工业机械手这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍,由磁带(或磁鼓)把程序记录下来,此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种,多为电液伺服驱动。与前者比较有较多的自由度,能进行程序较复杂的作业,通用性较广。计算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作,还可以进行多种控制() 。技术还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。智能工业机械手(机器人)3 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 由电子计算机控制,通过各种传感元件等具有视觉、热感、触觉、行走机构等。按用途分:专用机械手附属于主机的,具有固定程序而无独立控制系统的机械装置,这种工业机械工作对象不变,手动比较简单,结构简单,使用可靠,施用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。通用机械手具有独立控制系统,程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大,定位精度高,通用性强,使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。工业机械手在工业生产中的应用工业机械手在生产中的应用非常广泛,还可以归纳为以下的一些方面: 建造旋转零件体自动线方面建造旋转零件体(轴类、盘类、环类零件)自动线,一般都采用机械手在机床之间传送工件。 在实现单机自动化方面()各类半自动 车床,有自行夹紧 、进刀、切削 、退刀和松开的 功能,但仍需人工上下料,装上机械手,可实现全自动化生产。()注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手自动取料,可实现全自动生产。()冲床有自动上下冲压循环,机械手上下料可实现冲压上产自动化。 铸、锻、焊、热处理等方面总的来说,由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要,进而带来了经济效益。其特点:()对环境的适应 性强, 能代替人从事危险,有害 的操作,在长时 间对人体有害的场所,机械手不受影响。()机械手能 持久、耐劳 、可以把人从单调的 繁重的劳动中解放 出来,并能扩大和延伸人的功能。()动作准确,可保证稳定和提高产品的质量,同时可避免人为操作的错误。()通用性灵活 性好,特别是通 用机械手,能适 应产品品 种迅速变化 的要求,满足柔性生产的需要。()采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。4 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 本章小结本章介绍了工业机械手的概括,工业机械手的分类、应用。工业机械手在国民生产中有广泛的应用,许多机械设备都用到工业机械手,它是近代自动控制领域内出现的一种新型的技术装备。我设计的工业机械手设备简单,动作灵活,经济实用,稳定性好,适于使用。5 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 第章工业机械手的设计方案工业机械手的组成工业机械手是由执行机构,驱动机构和控制部分所组成,各部分关系如下框图:执行机构:图工业机械手各部分关系图执行机构包括抓取部分(手部) 、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。手部:直接与工件接触的部分,一般是回转型或平移型。传动机构形式多样,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。腕部:是联接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物体的方位。臂部:手臂是支撑被抓物体,手部,腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到给定位置。该设计的手臂有三个自由度,采用关节式坐标(绕横轴旋转,上下摆动和左右摆动)关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性,机械臂的结构性容易进行优化,便于提高机械手的动态操作性能。行走机构:有的工业机械手带有行走机构。驱动机构:有气动,液动,电动和机械式四种形式。控制系统:有点位控制和连续控制两种方式。机身:它是整个工业机械手的基础。规格参数工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标,一般包括以下几个方面:抓重(又称臂力):额定抓取重量或称额定负荷,单位为公斤;6 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 自由度数目和坐标形式:整机,手臂和手腕等运动共有几个自由度,并说明坐标形式;定位方式:固定机械挡块,可调机械挡块,行程开关,电位器及其他各种位置设定和检测装置;驱动方式:气动,液动,电动和机械式四种形式;手臂运动参数;手腕运动参数;手指夹持范围和握力;定位精度:位置设定精度和重复定位精度;轮廓尺寸:长宽高(毫米) ;重量:整机重量。设计路线与方案设计步骤查阅相关资料;确定研究技术路线与方案构思;结构和运动学分析;根据所给技术参数进行计算;按所给规格,范围,性能进行分析,强度和运动学校核;绘制工作装配图草图;绘制总图及零件图等;总结问题进行分析和解决。研究方法和措施使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计,采用关节式坐标(四个自由度,可以绕横,纵轴转动和上下左右摆动) 。 本章小结本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容,这种设计的机械手组成全面,配置合理,能达到一定的使用要求。7 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 第章机械手各部分的计算与分析手部计算与分析手部按其夹持工件的原理,大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式,本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指,传动机构和驱动装置三部分组成,它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性,可以抓取轴,盘,套类零件,一般情况下多采用两个手指。滑槽杠杆式手部设计的基本要求()应具有适当的夹紧力和驱动力。()手指应具有一定的开闭范围。()应保证工件在手指内的夹持精度。()要求结构紧凑,重量轻,效率高。()应考虑通用性和特殊要求。手部的计算和分析()手部受力分析图手部受力图()8 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 图手部受力图()()手指尺寸初步设定由拉杆的力平衡条件:yP2sin 1 Fx 0 得 P1 P2 P 1 P1由 M (F )0 得 P1h NL AB又由工件的平均半径h c cos p b *tg * N 2oL初取型手指的夹角 120AB 55 , 2C 100mm , b 53mm , LCD()夹紧力计算53mm ,滑杆总长 又由于工件的直径不影响其轴心的位置即定位误差为零,手指水平位置夹取水平位置放置的工件。9 F 0. P 50 25R 37.5 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 由工业机械手设计基础表 查得又因为c当 取最小值时,则增力比较大,手指走到最小行程时则有 min 则 min 30c取安全系数 k 1 1.5 ,工作情况系数 k2 1.5 传动机构的机械效率 0.9 手指夹紧时:夹紧缸活塞移动范围 ,其动作时间 (由机械手的动作节拍时间得之) ,所以夹紧活塞移动得平均速度 为:t 1.5运动部件得总重估算夹紧力与驱动力的关系:由 于 结 构 左 右 对 称 , 在 驱 动 力 的 作 用 下 , 每 一 滑 槽 杠 杆 受 力 相 等图夹紧力与驱动力的关系图10 2bPN cos () o 2b又因为 N cos P 理k kP P实P 50kg () 实l 13v8.67 cm s ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 在不计摩擦力的情况下2co s 12co s 1根据各力对回转支点 O1 的力矩平衡条件,同样在不计摩擦力的情况下 2co s 1垂直距离。又因为cos 1 co s502cos 12cos5 012.5当夹紧半径为的工件时, 1 70cos 1 cos702cos 1p 2b cos 150 2 b cos 50b 243mm ()动作特性和传动特点定位到最大行程时, 50 11 PPP , 为夹紧状态得倾斜角 夹紧工件半径为为例PP P ()PCNb PC ,为杠杆动力臂,即驱动销对滑槽杠杆作用力 p 对支点 O 的a 50 77.8 78mmpc则 Pc 50 7812.5b 38.9 78b243mm oa 50c146.2 147mm opc则p c N a212.5 50o,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 Lmaxcosmax2滑槽杠杆手指最大开闭角为 Vrmax max 120滑槽倾斜角的变化范围可以为 60 60可见机构传动比将在下列范围内变化2b P b P所以开始所初步取的,与 均符合要求。()确定夹紧油缸外径驱动杆行程与手指开闭范围关系1.2 分别为手指夹紧工件范围值时,滑槽相对于两支点连接的倾斜角。L atg1 atg2 78mm 机构效率考虑到机构效率,传力比的公式应力P 2b cos 1又因为,夹紧力, 2 60FW 工作负载即为重物重力 FW 。Ff 导轨摩擦阻力负载,对于平导轨 Ff f (G FRn ) FRn 垂直于导轨的工作负载, FRn 。导轨摩擦系数,取静摩擦系数为,动摩擦系数为。Ffs 0.2 250 50 N , F f 0.1 250 25 N g t12 acosa则L 80mm 取 L 130mm 1又因为cos , 60 oo oa N a N 2 , 0. 1 0.4 N a2oG vF ,一般取 t : , v t 时间内速度变化量,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 9.8 0.05 60启动: F F fs Fa 54.23 N 稳态: F F fa FW 275 N 工作压力 的确定,工作压力根据 负载大小及机器 的类型来初步确 定。参阅机械设计手册表按载荷选择工作压力为 MPa 。计算液压缸内径和活塞杆直径,由负载可知最大负载为。根据液压系统设计手册表可取 P2 为 MPa , cm 为,为。又因为根据液压系统设计 手册表 ,将液压缸 内径圆整 为标准系列直径 ,活塞杆直径按及表活塞直径系列取。按工作要求夹紧力为一个夹紧缸提供,考虑到夹紧力的稳定性。夹紧缸的工作压力应大于复位弹簧的弹力。又因为进油缸在有杆腔,则其有效工作面积4液压缸壁厚和外径计算2 a3.125mm D1 D 225 2 4 33mm 液压缸工作行程的确定,并参照表中的系列尺寸选取标准值。缸盖厚度的确定一般液压缸为平底缸盖,其有效厚度按强度要求计算。t 0.433D 2 Py ()13 25 5F 4.23N 4FD0.0223m ()2P 1 1 1 cm P D2 A D d 0. 188cm ()P D , P 为最大工作压力 P 的倍, P M P 。高强度铸铁, M P ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 t 0.27mm 现取。活塞的宽度一般取( 0.6 : 1.0)。 夹紧缸弹簧的确定。弹簧工作载荷最大轴直径 Dmax 18mm 最小筒直径 Dmin 25mm f mm查机械设计手册表圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得材料直径,弹簧中径,节距mmPmax 100 N 8PmaxCd曲度系数 k1 ,弹簧材料的剪切弹性模量,钢材 810 cm 2 ,则活塞缸总长。腕部计算与分析腕部设计的基本要求手腕部件置于手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位,以扩大机械手的动作范围,适应性更强。手腕具有独立的自由度,此设计手腕有绕轴转动和沿轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动机构为回转油缸,摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑,灵活,自由度符合设计要求,它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。腕部处于臂部的前端,它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。14 F NNGdZ () 3DC10 5,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 腕部作为机械手的执行机构,又承担联接和支承作用,除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响(如热膨胀,压力油的粘度和燃点,有关材料及电控电测元件的耐热性等问题) 。腕部回转力矩的计算腕部回转时,需要克服以下几种阻力:? ? ? 转? ? 处? ? ? ? ? M 摩21 2轴承的摩擦系数,对于滚动轴承 0.01 : 0.02 为简化计算取 M 摩 0.1M 总阻力矩图腕部回转支承处的受力图起G1 工件重量() , G2 手部重量() , G3 手腕转动件重量()克服由于 G1 重心偏置所引起的力矩 M 偏M 偏 G1 e ()式中工件重心到手腕回转轴线的垂直距离()克服启动惯性,所需的力矩 M 惯启动 过程近似 等加速运 动, 根据 手腕回 转的 角加速 度 及启 动所用的角速 度:15 f从图可知:M R D R D kgf m D D 轴承直径()式中: R R 轴承处支反力 kgf m ;可静力学平衡方程求得。 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 2工件手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量 kgf m s 秒启动过程所转过的角度(度)手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和。M 总 M 偏 M 摩 M 惯 ()工 件力矩也不大,为了简化 计算 ,可以将计算 M 偏 , M 摩 适当放大,而省略掉 M 惯 ,这总 偏 摩()设手指, 手指驱动油缸 及回转油缸转动 件为一个等效圆柱 体, ,直径,则。()摩擦阻力矩 M 摩 M 总阻力矩s2212代入 M 惯 ()M 偏 ; M 摩 M 总阻力矩 ; M 摩 M 总阻力矩 0.9确定转轴的最小尺寸WT 0.2 d , WT 抗扭剖面模量16 2M 0.0175J J ()惯2式中:J 工件对手腕回转轴线的转动惯量 kgf m s2度手腕回转过程的角加速因为手腕回转部分的转动惯量 J+J 不是很大,手腕起动过程所产生的转动时 M 1.1 M Mo()设起动过程所转过的角度 20 ,等速转动角速度 1002计算:求 M 0.0175J J 偏 工件1查型钢表有: J mR 0.034 kgf m s1J m L 3 R 6.028 kgf m s工件265 294.4 kg m3,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 T 294.410M 驱0.2d 3 T ,查得 T 60MPa d 30.2 T, d 15mm ,取转轴直径。回转油缸所产生的驱动力矩计算回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M 总 ,机械手的手腕回转运动所采用的单叶片回转油缸,定片 与缸体 固连,动片 与转轴 固连,当 ,口分别进出油时,动片带动转轴回转达到手腕回转目的。2式中: M 总 手腕回转总的阻力矩()回转油缸的工作压力缸体内径半径()输出轴半径()动片宽度注:可按外形要求或安装空间大小,先设定 , 中两个:d D-d d D-d又因为 ,则 ,去顶回转油缸工作压力:b(R r ) 6 (8 4 )由于 系统工 作压力 远远大 于此 压力,因 此回转油 缸的工 作压力 足以克 服摩擦力。腕部摆动油缸设计M M 摩 M 偏 M 惯偏离重心 的计算及 M 偏17 3 2 2pb(R -r ) M ()D 2b D 2b, 2 ,取 , 2M 2p8.01( kg/ cm ) ()2 2 2 2,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 图 腕部摆动油缸设计尺寸图估计 , e116cm, e2 45cm, R 5cm , m 杆 29. 7kg e ( m 杆 e1 m件e2 ) / m杆m 件克服重心偏置所需的力矩 M克服摩擦所需力矩 M 摩M 摩 克服运动惯性所需的力矩 M2偏惯Ge 16.41(kgf m) 2 2 2J杆 m(L23R )/12 me12( s2)J件 me2 0. 45( s2)J总 ( s)0M惯 o设 50/ s , 起202M惯 J 总w 起()则摆动所需的驱动力矩18 ,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 M M 摩 M 偏 M 惯()确定转轴的最小直径Tt M 驱 /WT T 16所需驱动力矩取 所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸,定片与缸体固连,动片与转轴固连,当两油口分别进出油时,动片带动转轴转动达到腕部摆动目的。2d D-d d D d所以:,所以 ,确定回转油缸工作压力b(R r )由于系统工作压力远远大于此压力,因此该缸的工作压力足以克服摩擦力。 选键并校核强度转轴直径 ,由 选键为 转轴直径 ,由 选键为 键校核如下公式p 10 p ,接触面的高度0.4h 0.4 83.2mmp 32.24mpa p k 0.4h 0.410 4mmp 13.208 p 取接方式:静连接,轻微冲击,查得 p Pa 19 总P10.58kg / cm ()2 23抗拒剖面摸量W d (mm ) 16M32 2pb(R r )M M ()D 2b D 2b又因为: , 2 ,取 , 2M,!黑龙江工程学院本科生毕业设计 所以满足要求臂部计算与分析臂部设计的基本要求手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工作) ,并带动它们作空间转动。 臂部运动的目的:把手部送到空间范围内的任意一点。因此,臂部具有两个自由度才能满足基本要求:即手臂,左右回转和俯仰运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现,从背部的受力情况分析,它在工作中既直接承受腕部,手部和工件的静动载荷,而且自身运动又较多,故受力复杂。因而,它的结构,工作范围,灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。 机身是固定的,它直接承受和传动手臂的部件,实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动,需满足下列各项基本要求: 机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力,取决于其刚度,结构上采用水平悬伸梁形式。显然,伸缩臂杆的悬伸长度愈大,则刚度逾差,而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化,对于机械手的运动性能,位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度,尽量缩短臂杆的悬伸长度,还应注意:

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