立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),立式,精鍛機(jī),自動(dòng),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目: 立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真
開題報(bào)告填寫要求
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1.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)綜述(題目背景、國內(nèi)外相關(guān)研究情況及研究意義)
⑴、題目背景
工業(yè)機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期,隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來,計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步,向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí),大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展,又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面,核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下,美國于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手,1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手[1]。
機(jī)械手首先是從美國開始研制的,1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手,它的結(jié)構(gòu)是;機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂,頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期,機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動(dòng)條件,解決勞動(dòng)力不足等問題[2]。
機(jī)械手的發(fā)展已有近40年的歷史了?,F(xiàn)在全世界已有近100萬臺(tái)機(jī)械手在運(yùn)行[3],機(jī)械手對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)方面,已產(chǎn)生重要的影響,廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、電子、電器等領(lǐng)域。機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作 ,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的機(jī)械裝置。它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本課題針對(duì)軸類零件精短自動(dòng)生產(chǎn)線上,將加熱后的皮料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上這一過程中所使用的機(jī)械手,為保證順利完成取料、喂料和倒頭等動(dòng)作,專門設(shè)計(jì)一手部結(jié)構(gòu)。
⑵、國內(nèi)外相關(guān)研究情況
目前,在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn),其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下:
① 重復(fù)高精度
精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度,它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)次數(shù)多,機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要,如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確,通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差,這個(gè)誤差是可以預(yù)測的,因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍,它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高,它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊,如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
② 模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù),而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置,使機(jī)械手動(dòng)作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能,擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍,是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
③ 節(jié)能化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步,新型材料的出現(xiàn),構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件,不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境,而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
④ 機(jī)電一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件,使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”,節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng),不僅減少配線、配管和元件,而且拆裝簡單,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今,電磁閥的線圈功率越來越小,而PLC的輸出功率在增大,由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力,能反饋外界條件的變化,作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí),即能更正并自行檢測,重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào),然后送給計(jì)算機(jī),以便分析物體的種類、大小、顏色和位置,并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作,通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制,達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小??傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前,機(jī)械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè),如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域,同時(shí)也已開始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中[4]。
⑶、研究意義
機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用,在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ,加工工件的搬運(yùn)、裝卸,特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前,機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分[5]。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元,它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn),可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置,結(jié)構(gòu)緊湊,而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí),柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變,有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離,應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低,機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高[6],從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此,進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。
⒉本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
1 、主要研究內(nèi)容
根據(jù)組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,設(shè)計(jì)一應(yīng)用于立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu),同時(shí),運(yùn)用三維建模軟件完成該機(jī)構(gòu)的裝配模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。技術(shù)指標(biāo)(1)抓重60kg;(2)手指加持范圍φ30-φ120mm。
由于精鍛機(jī)在加工過程中溫度變化較小,適宜于生產(chǎn)加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、立式精鍛機(jī)的加工對(duì)象確定被夾持對(duì)象為圓軸、圓錐形軸、圓管等零件見圖1、圖2、圖3所示,故被加持工件為φ30-φ120mm,重量為60kg的回轉(zhuǎn)體零件。
圖1 圓柱形工件
圖2 圓管工件
圖3 圓錐工件
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來抓持工件(或工具)的部件,根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式,如夾持型、托持型和吸附型等。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)(擺動(dòng))、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作,改變被抓取物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由液壓、氣動(dòng)、電氣裝置驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式,稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體,需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多,機(jī)械手的靈活性越大,通用性越廣,其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜[7]。一般專用機(jī)械手有2~3個(gè)自由度??刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制,來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息,形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制??刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成,通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能[8]。
2 、擬采用的方案、研究方法或措施
①研究方法
擬采用黑箱法對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行初步分析[9],黑箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。
自動(dòng)機(jī)械手
工 件
驅(qū)動(dòng)能
信 息
工件位置改變
夾持
圖4 黑箱結(jié)構(gòu)
通過對(duì)機(jī)械手動(dòng)作分析及運(yùn)動(dòng)分析,確定其周期運(yùn)動(dòng)可以表現(xiàn)為(按動(dòng)作表現(xiàn)):夾緊 上升 回轉(zhuǎn) 延伸 放松 收回 反轉(zhuǎn) 下降。流程圖見圖2。
通過對(duì)各動(dòng)作功能原理的具體分析從而進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)[10]。
夾緊工件
大臂回轉(zhuǎn)
手腕回轉(zhuǎn)
大臂上升
手臂延伸
放松工件
手臂收縮
手腕反轉(zhuǎn)
手臂反轉(zhuǎn)
大臂下降
圖5 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程圖
從系統(tǒng)功能分解出發(fā),將系統(tǒng)功能元與功能元的解分別列為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo),做成如表1的形態(tài)學(xué)矩陣。
表1 立式精鍛機(jī)上料機(jī)械手的低層形態(tài)學(xué)矩陣
分功能
1
2
3
4
5
手抓結(jié)構(gòu)形式
外抓式
內(nèi)抓式
真空吸盤
電磁吸盤
手部傳力機(jī)構(gòu)
滑槽杠桿式
連桿杠桿式
齒輪齒條式
絲杠螺母式
平行連桿式
腕部運(yùn)動(dòng)形式
單自由度式手腕
二自由度式手腕
三自由度式手腕
手抓驅(qū)動(dòng)形式
液壓式
氣壓式
電動(dòng)式
機(jī)械式
②研究方案的設(shè)計(jì)
Ⅰ.手抓結(jié)構(gòu)形式
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)立式精鍛機(jī)的被加持對(duì)象已經(jīng)明確為已加熱工件,故真空吸盤和電磁吸盤都不能運(yùn)用,工件為圓柱形工件時(shí),內(nèi)抓式手抓不能用,因此選擇外抓式手部形式。
Ⅱ.手部傳力結(jié)構(gòu)
滑槽式手爪:當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí),滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并,產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力,當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí),手爪松開。鉗爪的調(diào)整范圍在0-10mm[11]。
連桿杠桿式手爪:這種手爪在活塞的推力下,連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊(放松)運(yùn)動(dòng),由于杠桿的力放大作用,這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。
齒輪齒條式手爪:這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條,齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。
絲杠螺母機(jī)構(gòu):結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能,但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低(30%~40%)。
平行連桿式手爪:采用平行四邊形機(jī)構(gòu),因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng),比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。
本設(shè)計(jì)的對(duì)象是抓取回轉(zhuǎn)體工件的機(jī)械手。且回轉(zhuǎn)直徑φ30-φ120mm,變化范圍大,故不能選擇滑槽式手抓,這里選擇齒輪齒條式手爪,使用V形鉗爪[12],適用于抓取多種規(guī)格的工件。
Ⅲ.腕部運(yùn)動(dòng)形式
在上料時(shí)工件需要手腕的回轉(zhuǎn),這里選用單自由度式手腕。
Ⅳ.手抓驅(qū)動(dòng)形式
如果機(jī)械手采用機(jī)械傳動(dòng),則自由度少,難于實(shí)現(xiàn)特別復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于組合機(jī)床自動(dòng)上下料的機(jī)械手,其工件的運(yùn)動(dòng)需要多個(gè)自由度才能完成,故不宜采用機(jī)械傳動(dòng)方案[13]。如果機(jī)械手采取氣壓傳動(dòng),由于氣控信號(hào)比光、電信號(hào)慢得多,且由于空氣的可壓縮性,工作時(shí)容易產(chǎn)生抖動(dòng)和爬行,造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和定位精度不可靠,效率也較低。電氣傳動(dòng)必須有減速裝置和將電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的裝置,結(jié)構(gòu)龐大,速度不易控制。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜[14]。綜上所述,我們選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式,將液壓馬達(dá)直接裝在手腕上,可以使結(jié)構(gòu)十分緊湊。
因此方案確定機(jī)械手采用外抓式手爪形式,齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式,單自由度式手腕,驅(qū)動(dòng)形式為液壓驅(qū)動(dòng)方式。
⑶、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的是機(jī)械構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)軌跡及受外力所產(chǎn)生外力的變化。一般分析速度、力、力矩等宏觀力。運(yùn)動(dòng)學(xué)是考慮結(jié)構(gòu)在正常工況下有沒有干涉運(yùn)動(dòng),和質(zhì)量,外力沒有關(guān)系,注意:外力不會(huì)影響系統(tǒng)的自由度。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真包括位置,速度,加速度仿真[15]。
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn):COSMOSMotion 插件是一個(gè)集成在 Solidworks中的運(yùn)動(dòng)分析和仿真模塊,其操作簡單,容易掌握,給工程師們設(shè)計(jì)分析帶來了巨大的便利。COSMOSMotion 可以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)態(tài)靜力學(xué)分析。若將其仿真得到的大量機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù) (諸如每個(gè)零部件的約束力曲線、加速度曲線、系統(tǒng)平衡力矩曲線等),運(yùn)用Excel 電子表格進(jìn)行處理就可以建立起機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,求解出機(jī)械系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。用 Solidworks 對(duì)零件進(jìn)行三維造型、裝配,然后轉(zhuǎn)到 COSMOSMotion,裝配約束將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為仿真模型的約束,添加必要的驅(qū)動(dòng)力、工作阻力,建立仿真模型就可以模擬機(jī)械運(yùn)行狀況,對(duì)機(jī)械進(jìn)行動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)分析[16]。
⒊本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn),前期已開展工作
⑴、研究重點(diǎn)及難點(diǎn)
研究重點(diǎn)是確定該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。難點(diǎn)是完成機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的裝配圖、裝配模型和運(yùn)動(dòng)分析。
⑵、前期已開展的工作
收集了大量國內(nèi)外文獻(xiàn),了解了設(shè)計(jì)內(nèi)容的背景情況、主要內(nèi)容及研究意義,采用黑箱法,初步確定了設(shè)計(jì)方案。
⒋完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃(按周次填寫)
1—3周:調(diào)研并收集資料;
3—6周:確定該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu);
7—11周:完成該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算;
12—15周:完成機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的裝配圖、裝配模型和運(yùn)動(dòng)分析;
16-18周:完成論文撰寫,準(zhǔn)備答辯。
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立式
精鍛機(jī)
自動(dòng)
機(jī)械手
結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)
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立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),立式,精鍛機(jī),自動(dòng),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)
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