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螺栓装配机械手结构设计

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螺栓 装配 机械手 结构设计
资源描述:
螺栓装配机械手结构设计,螺栓,装配,机械手,结构设计
内容简介:
大 连 大 学 本科毕业论文(设计)开题报告 论 文 题 目: 螺栓装配机械手结构设计 学 院: 机械工程学院 专 业 、 班 级: 机械设计制造及其自动化 机英 145 学 生 姓 名: 段毅立 指导教师(职称): 王建维(副教授) 2018 年 1 月 12 日 填 1 毕业论文(设计)开题报告要毕业论文(设计)开题报告要求求 开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节,又是完成高质量毕业论文(设计)的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化,特制定本要求。 一、选题依据一、选题依据 1.论文(设计)题目及研究领域; 2.论文(设计)工作的理论意义和应用价值; 3.目前研究的概况和发展趋势。 二、论文(设计)研究的内容二、论文(设计)研究的内容 1.重点解决的问题; 2.拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路); 3.本论文(设计)预期取得的成果。 三、论文(设计)工作安排三、论文(设计)工作安排 1.拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数); 2.论文(设计)进度计划。 四、文献查阅及文献综述四、文献查阅及文献综述 学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料, 并在此基础上通过分析、研究、综合,形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通顺,较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。 五、其他要求五、其他要求 1.开题报告应在毕业论文(设计)工作开始后的前四周内完成; 2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过; 3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生,须重做或补做合格后,方能继续论文(设计)工作,否则不允许参加答辩; 4.开题报告通过后,原则上不允许更换论文题目或指导教师; 5.开题报告的内容,要求打印并装订成册(部分专业可根据需要手写在统一纸张上,但封面需按统一格式打印)。 2 一、选题依据一、选题依据 1、研究领域 机械结构设计,CAD。 2、论文(设计)工作的理论意义和应用价值 机械手正处于一个蓬勃发展的阶段, 它实现了实用化与商品化, 在先进的工业发达国家里,机械手的开发与研制正在形成一个庞大的产业。机械手是自动执行工作的机器装置,是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中机械手被广泛的运用于自动生产线中, 机械手的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门技术。机械手操作的准确性和在各种环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广阔的发展前景。 机械手己广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最多的是汽车工业和电子工业,在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用。机械手的应用可以改善劳动条件、避免人身事故;在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中应用;可以减少人力,便于有节奏的生产,可以改善劳动条件、减少安全事故 ;可以提高经济效益,便于有节奏的生产,减少人工劳动力引起的支出;可以提高生产产品的质量,使产品实现高精度、高质量的生产;可以增加产品的生产速度,提高生产过程的自动化程度,提高了生产效率。 3、目前研究的概况和发展趋势 在装配线上,螺栓的装配是一项很繁琐的工作。对于装配螺栓的机械工具,国内外研究成果显著。包括手动扳手、电动扳手、液压扳手、气动扳手、 装配机械手等工具,这些工具不仅节省人力,而且方便实用。众多国内外学者针对如何利用机械工具代替人工完成螺栓连接的装配这一繁琐工作展开了深入研究。 国内对于拧螺栓工具以及机械手的研究亦获得了相当多的成果。机械手一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。机械手大致可以分为以下几种,按用途分:专用机械手、通用机械手;按主要功能分:操作机械手、移动机械手、信息机械手、人机机械手;按坐标系统来分:直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型;按受控方式分: 点位控制型、 连续控制型; 按驱动方式分: 液压传动机械手、 气压传动机械手、电力传动机械手等。 我国从第七个五年计划开始,政府大大加大了机械手的重视程度,并且为此项目投入大量的资金,在众多学者及研究人员的参与下,研究开发并且制造一系列的机械3 手,其中有北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手,广州机床研究所和北京机床研究所合作设计的电焊机械手,大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手,沈阳工业大学设计制造的装卸载机械手等。这些机械手的控制器,都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时,一系列的机械手关键部件也被开发出来,如机械手专用轴承,减震齿轮,直流伺服电机等,编码器等。我国机械手的起步较晚,相信在不久的将来,机械手在我国会被广泛应用。作为国产自主创新品牌的广东拓斯达机械手目前在国内制造业市场中份额每年逐渐攀升, 广东拓斯达机械手荣获广东省名牌产品,并且拥有自主知识产权、核心技术和关键技术,以及战略性新兴产业、先进制造业产品。 国外机械手的发展趋势是大力研制模块化、智能化的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,既能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。视觉功能即在机械手上安装有点视照相机和光学测距仪以及微型计算机。 触觉功能是在机械手上安装有触觉反馈控制装置; 随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。目前装配机械手的发展趋势是: (1)向多元化、高精度发展; (2)向精密、自动化、智能化方向发展; (3)向标准化、模块化方向发展; (4)机电一体化发展。 总之国内企业只有不断引进吸收国外先进技术,进行自主创新并在机械手机构加大研发力度,国内螺栓装配设备才能取得长足发展,才能走向世界。 4 二、论文(设计)研究的内容二、论文(设计)研究的内容 1.重点解决的问题 (1)螺栓装配机械手总体结构的方案设计 (2)螺栓装配机械手的详细结构设计 2.拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路) (1)收集装配机械手相关的文献资料,掌握其机械手的结构组成及工作原理,各部件功能; (2)根据机械手的初始条件,确定了机械手的总体方案的设计,机械手的坐标形式和自由度的确定,运动空间的计算等;螺栓装配机械手的工作过程: 1 基座 2 立柱 3 手臂 4 手腕及手爪 图 1 螺栓转配机械手的方案简图 手臂 3 绕立柱 2 转动 90 度; 手爪在抓取螺栓头并保持夹紧状态; 手臂 3 绕着立柱 2 转回 90; 机械手整体沿着导轨水平运动,手臂 3 在沿着立柱 2 移动;通过水平方向与垂直方向实现对机械手的手抓位置调节,从而保证螺栓与螺栓孔的精确定位; 手爪的旋转带动螺栓转动,同时手臂沿着轴线方向进给,将螺栓旋紧; 手爪张开,手臂 3 回到初始位置,循环到下一个装配动作。 (3)对机械手的驱动方式、动力机构、回转机构、移动机构、手爪执行机构等进行详细的设计与计算,包括电机的选型,轴承的选择,轴的结构设计等做了具体计算; 5 (4)绘制装配图及主要零件图,编写设计说明书。 3.本论文(设计)预期取得的成果 (1)一套完整的螺栓装配机械手的装配图及零件图; (2)一份螺栓装配机械手的设计说明书; (3)一篇外文文献翻译。 6 三、论文(设计)工作安排三、论文(设计)工作安排 1.拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数) (1) 根据螺栓装配的工艺要求,设计一种四个自由度机械手实现对螺母的抓取、定位、旋紧等一系列动作,确定机械手的总体设计方案,进而采用传统的理论力学计算方法和现代计算机辅助设计方法对机械手各组成部件完成设计。 (2)机械手主要的参数 夹持力:250N; 机械手的移动速度:5m/min; 手爪夹持螺母的尺寸范围:M10-M40; 自由度:4个; 机械手结构类型:采用圆柱坐标式与直角坐标式组合的形式。 2. 论文(设计)进度计划 第 1-4 周:根据毕业设计任务书要求,收集参考文献资料,撰写开题报告等; 第 5 周:拟定螺栓装配机械手结构设计方案; 第 6-8 周:机械手的动力机构,回转机构,移动机构,夹持机构及关键元器件的选择计算; 第 9-10 周:绘制机械手的装配图,各零部件的图纸; 第 11-12 周:绘制装配机械手组件或部件 3D 图; 第 13 周:书写毕业设计说明书,翻译与本设计相关的英文文献; 第 14 周:准备毕业设计答辩。 7 四四、需要阅读的参考文献需要阅读的参考文献 1 王世伟,自抗扰控制器参数整定方法研究及其在螺栓装配机械手中的应用D. 兰州交通大学硕士论文. 2015. 2 舒志斌,谢福亮,郑之开.专用机械手控制系统设计与分析J.南京工业大学,2013. 3 张博,圆柱坐标型机械手结构与控制系统设计J.北京大学工程训练中心,2014. 4 汪新中.平面关节型装配机器人拧螺钉手抓的研究J.机电工程,2015,25(9):18-20. 5 杨育林,包倩倩,段昌生,赵楠楠. 车轮装配机械手气动控制系统设计J. 制造技术与机 床,2017,(08):131-134. 6 郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势D.山西华电广灵风力发电有限公司,2012. 7 赵云伟,耿德旭.气动柔性五指机械手的运动学及抓持能力 J. 机器, 2014,36(2):171-178. 8 张兆阳. 一种适合狭窄空间下零部件装配机械手的设计与研究D.燕山大学,2013. 9 陈国良,黄心汉,周祖德.微型装配机器人系统J.机械工程学报,2014,45(2):288-293. 10 罗璟,刘克定,陶湘厅等.工业机器人的控制策略探讨J.机床与液压,2016,36(10):95-100. 11 杨帅,邹智慧.多自由度 工业机器人运动控制系 统的研究 J.制造业 自动化,2013, 35(5):117-121. 12 陶珍军, 陈坤, 螺栓装配自动化的关键技术研究J. 华南理工大学学报, 2014, 22 (4):36-39. 13 李玉航,梅江平,刘松涛等. 一种新型 4 自由度高速并联机械手动力尺度综合J.机械工程学报, 2014,50(19):32-40. 14 Alexander Winkler, Jozef Suchy. Robot Force/Torque Control in Assembly TasksJ. IFAC Proceedings Volumes, 2013,46(9):796-801. 15 Afshin T, Jorge A, Larry L. Constraint-wrench analysis of robotic manipulatorsJ. Multibody System Dynamic, 2013, 29:139-168. 16Han Yuan, Zheng Li. Workspace analysis of cable-driven continuum manipulators based on static modelJ. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2017,49(2): 240-252. 17 Han Y, Eric C, Dominique D. Static and dynamic stiffness analyses of cable-driven parallel robots with non-negligible cable mass and elasticityJ. Mechanism and Machine Theory, 2015, 85(12):64-81. 8 附:文献综述 文献综述 1.机械手的目的与意义 机械手是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。有些人认为,最高级的机械手要做的和人一模一样,其实非也。实际上,机械手是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备,他是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。然而,机械手的样子不一定必须像人,只要能独立完成一些人类的技能或有一定危险性的工作,就属于机械手大家族的成员。 机械手己广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最多的市汽车工业和电子工业,在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用,并逐渐向纤维加。食品工业、家用产品制造等行业发展。焊接作业包括点焊和弧焊,是机械手用得最多的作业之一。机械手对于改善劳动条件、减少安全事故 ,减少人受危险环境的伤害等方面都有显著的效果。兰州交通大学王世伟【1】提出鉴于螺栓装配与拆卸作业是制造业中重复性高、 劳动强度大的一项工作,因此有必要设计实现螺栓自动装配的工业机器人。 2 .机械手的结构组成 机械手一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 执行机构即机械手本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副常称为关节,关节个数通常即为机械手的自由度数。出于拟人化的考虑,常将机械手本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动力元件使机械手进行动作。它输入的是电信号,输出的是线、角位移量。机械手使用的驱动装置主要是电力驱动装置,此外也有采用液压、气动等驱动装置。 检测装置的作用是实时检测机械手的运动及工作情况,根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机械手的动作符合预定的要求。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制,即机械手的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散式控制,即采用多台微机来分担机械手的控制。根据作业任务要求的不同,机械手的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力控制。 3. 机械手的分类 (1)按用途分: 专用机械手:它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、实用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产。南京工业大学舒志斌【2】等人指出专用机械手控制系统设计与分析。 通用机械手:它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械9 手。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变化生产品种的中小批量自动化的生产。 (2)按坐标系统来分: 直角坐标型:只具有移动关节,它的特点是结构简单,定位精度高,适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差,限制了它的使用范围。 圆柱坐标型:具有一个转动关节、其余为移动关节的机械手。它与直角坐标式相比较,占地面积小且活动范围大,结构较简单,并能达到较高的定位精度,因此应用较广泛。但由于机械手结构的关系,移动的最低位置受到限制,故不能抓取地面上的物件。北京大学工程训练中心张博【3】指出了圆柱坐标型机械手结构与控制系统的设计。 球坐标型:具有两个转动关节、其余为移动关节的机械手。这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件,为了使手部能适应被抓取物件方位的要求,常常设有手腕上下摆动,使其手部保持水平位置或其它状态。这种机械手具有动作灵活,占地面积小而工作范围大等特点,它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构复杂,此外手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。 关节型:具有三个转动关节的机械手。它的特点是工作范围大,动作灵活,通用性强,能抓取靠近机座的物件,并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的,所以定位精度较差,控制装置和机械结构比其它形式的机械手均复杂。 杭州电子科技大学机械工程学院汪新中【4】设计了一种拧螺钉多关节机械手,其手部采用结构较复杂的机械夹持实现螺钉的夹持,保证螺钉的准确定位和高可靠性。 (3)按受控方式分: 点位控制型:它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置, 不能控制其运动轨迹。 若欲控制的点数多, 则必然增加电气控制系统的复杂性。 连续控制型:它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。 (4)按驱动方式分: 液压传动机械手:其主要特点是抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大影响,且不宜在高温、低温下工作。 气压传动机械手:其主要特点是介质来源较方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。 但是由于空气具有可压缩的特性, 工作速度的稳定性较差, 而且气源压力较低,适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作;燕山大学机械工程学院杨育林等【5】提出针对不同重量车轮的装配问题,提出了一种新型机械手气动控制系统,该控制系统通过对减压阀的结构进行改良,仅用一个平衡回路完成空载和负载之间的无级切换。 电气传动机械手:即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。 4.国内外的发展状况 机械手首先是从美国开始研制的,美国联合控制公司首先研制出第一台机械手,它的结构是:机体上安装一个回转臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是10 示教形的, 随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期,机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题构成。 从第七个五年计划开始,我国政府大大加大了工业机器人的重视程度,并且为此项目投入大量的资金,在众多学者及研究人员的参与下,研究开发并且制造一系列的工业机器人,其中有北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人,广州机床研究所和北京机床研究所合作设计的电焊机器人,大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人,沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等。这些机器人的控制器,都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时,一系列的机器人关键部件也被开发出来,如机器人专用轴承,减震齿轮,直流伺服电机等,编码器等。我国机械手的起步较晚,相信在不久的将来,机械手在我国会被广泛应用。作为国产自主创新品牌的广东拓斯达机械手目前在国内制造业市场中份额每年逐渐攀升,广东拓斯达机械手荣获广东省名牌产品,并且拥有自主知识产权、核心技术和关键技术,以及战略性新兴产业、先进制造业产品。 国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。 使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。 工作是电视照相机将物体形象变成视频信号,然后送给计算机,以便分析物体的种类、大小、颜色和位置,并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作, 通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。总之,随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。山西华电广灵风力发电有限公司郭洪武【6】指出了机械手的概念,发展历史,以及机械手在国内外的研究动态。 国外机械手的控制类型大致可分为四类:简易控制型机械手,定位用机械制动器或者行程开关, 这种机械手结构简单, 价格便宜, 在一般的上下料作业中较为适用;示教再现控制的机械手,UNIMATE 型机械手是示教再现的控制系统,日本川崎重工生产的川崎 UNIMATE 机械手也属于此类;用电子计算机群控多台机械手,若在一条生产线上使用多台机械手,往往用一台小型计算机控制几台机械手,这样成本大大降低,自动化程度反而提高;智能机械手,机械手具有视觉、触觉、嗅觉等感觉机能,还能识别图形,进行分析判断,可以行走等。该类机械手目前仍处于实验阶段。我国机械手的控制类型分为:全继电器控制,控制系统的各个环节都用继电器进行控制,它适用于专用的或通用的具有固定程序或可变程序的机械手。定位方式采用机械制动器,此类型控制形式都称为简易型,具有线路简单,成本低等优点,缺点是动作速度慢,体积较大,定位精度较差;无触点程序控制的通用机械手,这种机械手在国内已经有了比较成熟的制造经验,研制单位甚多。优点是通用性强,程序变换简单可靠,循环周期短,提高机械手的工作效率;简易数控机械手,简易数控分为开环和闭环两种,优点是定位精度高,反应速度快,可实现多点停留和连续轨迹的运动方式。 国外机械手定位在发展初期,由于技术的不成熟,利用气压驱动的机械手的定位精度很低,更无法实现在任意位置的起停,能靠气缸两个终点位置来实现机械手的定位,无法实现机械手在任意位置得起停。以早期的气动机械手不能实现任意位置的定位,因此大大限制气动工业机械手的发展随着气动技术的发展,气动伺服技术的出现11 实现了气缸在任意位置定位, 世界上各国都相继开发出了可在任意位置实现起停的气动工业机械手,且定位精度可以达到0.5mm,如日本 SMC 公司、德国 FESTO 公司等。气动伺服技术的出现,大大提高了气动机械手的定位精度,实现了气动机械手在任意位置的定位,扩大了气动机械手在自动化领域的应用范围。国内应用的机械手定位方法有机械方法,电气控制方法,机械挡块的方法。电气定位方法可分为简易型与伺服型两类。上海电器塑料厂 15 克立式注塑机采用简易数控机械手,能达到给定精度约 5 毫米,重变定位精度1 毫米左右;一机部机械院机电所与北京汽车厂合制的CJS-1 机械手采用点位计检测的定位方法, 配合液压节流缓冲, 重复定位精度约为3毫米。 美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手,原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩,采用液压驱动,控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础 。 美 国Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 学 、 麻 省 理 工 学 院 联 合 研 制 一 种Unimate-Vic-arm 型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于1 毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性,改进结构,降低成本。比如 Unimate 公司建立了 8 年机械手试验台,进行各种性能的试验。把故障前平均时间,由 400 小时提高到 1500 小时,精度可提高到0.1 毫米。 德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。 瑞士 RETAB 公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机械手后, 大力研究机械手。 在数量上已占世界首位, 约占 70%, 并以每年 50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业,其次是电机、电器。 5.机械手未来的发展趋势 机械手在许多生产领域的使用实践证明,它在提高生产自动化水平,提高劳动生产率和产品质量以及经
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