機械手夾持器的設計2
機械手夾持器的設計2,機械手,夾持,設計
本科畢業(yè)設計(論文)
題 目:機械手夾持器的設計
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英文題目:The design of mec
hanical hand gripper
學 院:________________________
專 業(yè):________________________
姓 名:________________________
學 號:________________________
指導教師:________________________
2015年11月14日
畢業(yè)設計(論文)獨創(chuàng)性聲明
該畢業(yè)設計(論文)是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。文中除了特別加以標注和致謝的地方外,不包含其他人或其他機構已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。
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作者簽名: 導師簽名: 日期: 年 月 日
摘要
針對國內組裝生產線機械手夾持器的功能和適應性相對于國外的機械手夾持器不足的現(xiàn)狀,來設計機械手夾持器來提高效率,解放人力。
國內機械手夾持器的研發(fā)及制造要與全球號召的高效經濟、安全穩(wěn)定主題保持一致。近期對機械行業(yè)中機械手設備的使用情況進行了調查,發(fā)現(xiàn)在機械行業(yè)中,機械手是提高大型生產線組裝效率和實現(xiàn)自動化程度的最重要的設備之一,通過在組裝生產線使用機械手,可以在很大程度上面減少人工的投入和有效地增加組裝效率和節(jié)省人力的投入。自然而然機械手配備的夾持器的設計加工也非常重要。在組裝時如果使用臨時的組裝設備,不但勞動強度太大而且工作效率極低,所以設計一個專用的機械手夾持器勢在必行。
通過大學所學的知識,提出了機械手夾持器的結構組成、工作原理以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗,構建了機械手夾持器總的指導思想,從而得出了該機械手夾持器的優(yōu)點是工作靈活,運行平穩(wěn)。
關鍵詞:組裝生產線;機械手夾持器;結構;平穩(wěn)
XX學院機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計(論文)
Abstract
Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something,aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools.
It can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading.
in the prescribed procedure work.Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other food, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structure design, can meet the family kitchen generally meat food consisting mainly of minced required.
Key words:sturcermonickouey;the machine cylinder;pneumatic loop;degrees
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1本課題研究的內容 1
1.2 國內外發(fā)展狀況 2
1.3機械手的組成和分類 5
2 機械手夾持器結構的設計 11
2.1 機械手夾持器的總體方案圖 12
2.2 機械手夾持器的工作原理 13
2.3 裝配機械手的功能特點 14
2.4 機械部分的設計計算 16
2.4.1電機在選型設計 17
2.4.2壓縮彈簧的選型計算 19
2.4.3螺栓的選型計算 22
3 機械手夾持器中關鍵零部件的強度計算與校核 24
3.1 彈簧的強度計算與校核 25
3.2 套筒的強度計算與校核 27
結論 28
致謝 29
參考文獻 30
I
1 緒論
工業(yè)機械手技術和產品強度的可靠性得到了增強,有望應用于教學,免費的產品系統(tǒng)和一些新的領域。
只有我們創(chuàng)建的模式可十分完美地與網絡技術結合在一起,才能建立一個滿是生機的社會環(huán)境,幫助型機械手也才能服務大眾的各類活動。如果多個應用程序可以為我們創(chuàng)造的,他們提供快速,安全的服務,滿足他們的需求,將是非常愉快的。所以,我們應該抓緊實現(xiàn)建設這樣一個好的平臺。
此外,因為教育是人才的培養(yǎng),社會和工業(yè)的各個領域也要由它來服務。教育以及教育系統(tǒng)以機械手為目標的不僅得提高應付難處的能力;他們也喜歡傳統(tǒng)的技術,在不同的方向、在合作領域,但關鍵是要把機械手技術對社會和高級人才使用。
1)實現(xiàn)的潛力
2010年,國家各部委進行詳細的調查和論證后認為:智能機械手這個大產業(yè)在接下來的幾十年內產值和市場占有率都會是井噴式的。
在2013七月,在測量市場大小的根本上行使2010之“機械手產業(yè)的市場趨勢考查”后續(xù)。情況即中國市場正在急劇膨脹,然后韓國,日本和德國都在拼命瓜分市場。
2)工業(yè)機械手的定義和需求
在日本,工業(yè)機械手從開始普及到現(xiàn)在已然30年。工業(yè)機械手對全球制造業(yè)發(fā)展提供了很多的幫助,像戰(zhàn)勝了困難的,污濁的,無法掌握的應用情況,供應了優(yōu)秀的產品品質,補充了貧乏的現(xiàn)場人力。 能理解,在將來數(shù)年,由于老齡化加劇,現(xiàn)場人力數(shù)目縮小,會發(fā)生很多的用人貧乏。因此,產業(yè)機械手的希冀變得更多。產業(yè)機械手在全新范疇的施行(像食物,藥劑以及消費物的研發(fā),建設以及制造范圍)亦然有很好的遠景。特別是在醫(yī)學范疇,試劑以及樣品分析前處理,可能獲得類似于高度精準的技術實驗數(shù)據。人力也能夠防止于在危急境況下作業(yè),如病毒和細菌。
另一面來說,怎么去教依舊是產業(yè)機械手的很大問題。利用口令進行示范,必須鍛煉的非常好,方能嫻熟的操縱各式各樣產業(yè)機械手。在當下的機械手體系里,多臂互相配合鏈接操縱的境況下,操縱要用去巨額的工夫。早前的機械手體系愈來愈艱巨,是讓教授更易學的一個大難點。在將來的時間里邊,達成不必講授成了終極的目的。更由于這樣,智能的機械手會成為不可或缺的。我們需求各式各類的研發(fā)成效,聯(lián)合科研院所的協(xié)助。
3)機械手在社會中的定義和需要
由于全球都邁進了衰老型社會,想讓老弱病殘幼在存活和環(huán)境容納中獲得援手。估計機械手會給以充分的反饋,好比訊號的供應以及撐持,幫助那些居家討生活的人,向組建社團給以幫助,縮小休養(yǎng)之包袱,給身體功能施以幫助,以及增加商業(yè)設施。這會能使得老人以及殘疾人覺得就是貌似孩子們、孫子們和他們呆在一塊兒似的。歷經實踐,這是愈來愈明朗,在以后,服務型機械手的成長會加快環(huán)境容納度,我們會使得延續(xù)康健的時期愈來愈長,用自幫自助的存在方法,有目的地工作和參與社會。所以有,它可以變成構建更好環(huán)境以及衰老境況乃至世界上生長的能量。
B)機械手服務平臺
如果我們必須領會服務機械手體系的運作方法,就得懂得實際情況、顧客還有產品中的懸殊,包括領導大批機械手還給以幫助。不只是增添了很多額外花費,以及能否賺錢的疑惑。誠然我們可以建造出來服務機械手體系,若是服務的回報無法回本更無盈利,就更不能擴大利用了。假如一個多服務系統(tǒng)機械手可以建造出來,可給他人用的嶄新的幫助方式已初露鋒芒,制造者才敢去想走到了這一步,得到的回報能否順利地抵消甚至超出用去的本金。所以,現(xiàn)在極大的障礙是創(chuàng)造出一個體系,這體系會滲透進幫助型機械手的發(fā)展范疇,也更容易滲透進IT行業(yè)。
4)機械手在教育中的定義和需求
C)機械手在教育中的需求
在日本,那樣的向來肩負著本國對外競爭力的研發(fā)科技、生產制造人員卻是在急劇銳減,現(xiàn)在,他們加快應對著居民衰老化,真正境況是,依托相應調研報告,眼下的事實卻是,日本群眾用在高端科技的精力以及會意程度非常明顯的愈來愈少了。即使如此,機械手和機械手應用工程課堂展示教學也收獲了重視,是一種很好的鍛煉制造員工以及淡化對科學害怕的技術措施。機械手活動比賽被承辦在各式各樣的地區(qū),傳統(tǒng)刊物也錄用了興趣者們的作品,還有機械手知識亦然在人民里邊傳播開來。
1.1本課題研究的內容
本次設計的題目是機械手夾持器的設計,該機械手夾持器采用壓縮彈簧的張力實現(xiàn)該機械手夾持器的張開,驅動機械手夾爪開合的動力來做標準型氣缸,本次設計的機械手夾持器研究的主要內容為:
(1)功能分析與方案設計;
(2)結構設計與三維造型;
(3)控制系統(tǒng)設計。
技術指標與基本要求:
(1)要求理論分析正確;
(2)要求完成所有設計功能;
(3)根據該機械手夾持器的具體設計對設計說明書里面的相關傳動進行設計計算以及對驅動裝置進行選型設計等等。
1.2 國內外發(fā)展狀況
我們在1986之木牛流馬基礎鉆研四腳機器人制造的來歷,來自于王健的以前的資料,他數(shù)十年的廢寢忘食建造了一個單體七環(huán)節(jié)機構,開純機械行走機。王健更設計出單腿八桿機構,創(chuàng)建王木車馬。在這之后,臺灣教授顏洪森以木制車馬為基礎,開發(fā)了一系列的步行機,如四連桿式,六連桿式等等步行機,查建中和其他人一起以單腿八桿機構為對象,共同鉆研考慮怎樣改良按壓力引發(fā)的角度以及零部件的分理??傊?,傳統(tǒng)的對象加上科學的分析和先進的理論,使得機器人在國內的研究范圍和深度得到了極大的豐富和發(fā)展。只了解到外國科學家在十九世紀末建造出了一部類似于騾馬,整體部分是用齒輪以及連接桿件機構組裝,人可以騎在上面用腳蹬踏板推動運行的機器人,但是卻沒有做出實物來加以佐證.20世紀初又有人運用齒輪以及連接桿件體系制造出類似的機器人,然而相關資料中并沒有找到對這個作品的介紹,所以那個時候有關機器人的研究還僅能思索腿的組成以及運動起來的行程路徑。20世紀中期Shigley已然放進步態(tài)研究的思維制造出來在每一條腿上都用成組的連接桿件體系拼裝而且安裝兩個搖桿體系結構以操縱機器人的步伐軌跡,已然加入步態(tài)設計的思路。同期,又有兩位發(fā)明家麥吉以及弗蘭科創(chuàng)作了首部徹底用計算機操縱的行走機器人。接下來幾年有關此機器的設計被充分的融入了運行操縱理論。1979年席羅思在行進機器人里加入了操縱水平行走的儀器,同樣在腿上加入了保持和校對偏向的裝置。20世紀末布朗、羅布特以及莎普恩斯研究了加入了液壓部件和直流電機的相應機器人。這都意味著人類對四桿動力體系的認識已從簡單的考慮邁入了整體操縱、計算機和高新科技的相互融匯貫通的康莊大道。
1.3機械手的組成和分類
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1-1所示。
圖1-1 機械手組成方框圖
2 機械手夾持器結構的設計
2.1 機械手夾持器的總體方案圖
本次設計的題目是機械手夾持器的設計,該機械手夾持器采用壓縮彈簧的張力實現(xiàn)該機械手夾持器的張開,氣缸提供驅動機械手夾爪開合的動力。該機械手夾持器具體的總體方案圖如下圖所示:
2.2 機械手夾持器的工作原理
該機械手夾持器采用壓縮彈簧的張力實現(xiàn)該機械手夾持器的張開,旋轉氣缸提供驅動機械手夾爪開合的動力,當需要夾緊工件時,只需要通過直流電機的旋轉就能夠使該機械手的夾爪夾緊,然后當需要松開工件的時候,需要電機反轉就可以使夾爪松開工件,然后移載工件到指定的位置。
2.3 裝配機械手的功能特點
本文所設計的機械手夾持器所配套的機械手,具有全程懸浮功能,模塊化結構和符合人機工程學操作原理的特性能夠更好的滿足客戶需求?,F(xiàn)有產品,主機負載能力可從80Kg~350Kg(含夾具);提升有效行程可達1400mm,最大工作半徑可達R3m;也可通過鋪設滑軌來實現(xiàn)覆蓋范圍的有效擴展,以滿足不同的現(xiàn)場工作情況。
裝配機械手在機械結構上來說,主關節(jié)旋轉角度可以實現(xiàn)360度自由旋轉,特有的四連桿機構能夠有效保證機械手前段始終處于水平狀態(tài),以達到工件狀態(tài)的始終如一;本身的剛性特點能夠有效抵抗工件的偏心,以滿足更復雜的工序裝配移載要求。
裝配機械手在安全上也做有足夠的保護措施,在給定的氣壓下只能夠提起相應的負載,有效的避免超負荷工作而帶來的風險。設備設有斷氣保護功能,當氣源突然斷氣時,止回閥可以有效的防止因工作氣體回流而導致的工件下墜現(xiàn)象的方式。同時還可以根據工況需要選配增壓穩(wěn)壓系統(tǒng),以提高設備的穩(wěn)定性,保護操作人員在正常使用過程中不會受到傷害。
此類機械手廣泛運用于食品、醫(yī)療、化工、印刷、機械制造、電子、陶瓷及汽車等行業(yè)的生產加工車間的物件移載與裝配工位,對偏心工件的移載與裝配,或工件的探入操作具有很強的適應性。
2.4 機械部分的設計計算
2.4.1電機的選型計算
已知整個機械手夾持器的總重量50KG,其他重量150KG,我們取總重量為200Kg,移動速度為1~2r/min。即:
具體的電機設計計算如下:
1、確定運行時間
本次設計加速時間
負載速度(m/min)
有速度可知每秒上升50mm,
電機轉速
3.負載轉矩
式中:
4.電機轉矩
啟動轉矩
必須轉矩
S為安全系數(shù),這里取1.0。
根據以上得出數(shù)據,我們選用電機型號為160BL-A,此電機廠家為機電產品。根據電機的特性曲線以及參數(shù)表如下:
根據計算和特性曲線以及電機基本參數(shù)表,我們選用電機型號為160BL-4030H1-LK-B,電機額定功率為0.2KW,額定轉矩為7.62N.m,最大轉矩為9N.m,額定轉速為 3000r/min。電機大致圖如下:
外形尺寸110x150,電機輸出軸徑為25mm。
2.4.2壓縮彈簧的選型計算
本次進行壓縮彈簧的計算,先大概選取纏繞比C,彈簧材料:65Mn,系統(tǒng)的扭轉剛度:怠速級剛度Kl,行駛級剛度Krz對于兩級壓縮。已知條件可知,則彈簧剛度的計算為:
壓縮器總剛度K,彈簧的剛度K1,彈簧的剛度K1=4282. 1 N/m外層彈簧的剛度Kz=11065.0 N/m;
彈簧極限變形:彈簧的極限變形Sz: Sz=0.0821m;
彈簧的極限變形S1=0.0977m;
彈簧極限受力:彈簧的極限受力F1,彈簧的極限受力:F2
彈簧的極限受力:Fl=K1 x 51=42. 7kgf;
彈簧的極限受力:Fz=Kz x 52=92. 7kgf;
彈簧直徑:內外彈簧d.>>彈簧直徑的公式>_1.6倍;
彈簧dl=2. 98mm;
其中Kl=1. 34 C1=4. 6 [ z ] =76;
彈簧中徑:彈簧的中徑D1和D,彈簧的中徑計算公式:D=Cd;
彈簧的中徑D1=13. 708mm,查表取整Dl=12mm;
彈簧的中徑D.,=23. 24mm,查表取整D.,=2 5mm ;
彈黃有效圈數(shù):n1=40,彈簧實際圈數(shù)n1=60;
彈簧有效圈數(shù):n2=30, 彈簧實際圈數(shù)n2=50;
彈簧節(jié)距:t,=4. 63mm;
彈簧節(jié)距:t,=7. 54mm;
自由高度:彈簧自由高度H1和H,,自由高度計算公式:
H=(n一0.5 )d+1.2F
彈簧自由高度:H1=330. 56mm;
彈簧自由高度:H2=243. 95mm;
彈簧材料長度:內外彈簧L1和L,.計算公式:;
彈簧長度:L1=3103. 6mm;
彈簧長度:L2=2366. 58mm;
彈簧螺旋角:彈簧螺旋角a層彈簧螺旋角a1和a2
彈簧螺旋角a1=6.14
彈簧的內外徑:內徑D1=D2-d,外徑:D=D2+d;
彈簧內徑D1=10;
彈簧固有頻率:內外彈簧fl和f,計算公式:;
內層彈簧:f,=80574.2Hz;
彈簧壓并高度:彈簧Hb2=15. 43mm;
2.4.3螺栓的選型計算
螺栓的強度在機械聯(lián)接中至關重要,特別是在重要的場合,其強度校核和計算尤其重要。其受力簡圖如上圖所示,圖中以合力代替均勻分布的作用力假設應力在剪切面內是均勻分布的,若為剪切面面積,則應力為:?
與剪切面相切,故為剪應力。
2、擠壓實用計算
在工程上也采用類似剪切的實用計算方法,假定擠壓應力是均勻分布的,則?
擠壓面面積為擠壓面的正投影面積。對于平鍵接觸面面積就是擠壓面面積;對于螺栓擠壓面面積就是直徑平面面積,其值為。?
3、強度條件?
剪切和擠壓的強度條件如下:?
剪切強度條件:≤
擠壓強度條件:≤
式中
塑性材料:
?
脆性材料:
?先按剪切強度設計:?
≤??≤
d≥
再用擠壓強度條件設計,擠壓力為,所以?
≤? ?≤
d≥
最后得到螺栓的抗大強度和抗剪強度是合適的。
3 機械手夾持器中關鍵零部件的強度計算與校核
3.1 彈簧的強度計算與校核
其中臨界載荷可按下式計算:
Fcr?=?CB*kH 式中,C?B?為不穩(wěn)定系數(shù),查表可得。??
如果F?>?Fc?r?,應重新選擇有關參數(shù),改變b?值,提高;Fcr?的大小,使其大于F m;
一般受變應力作用的彈簧,其應力變化規(guī)律有τmax =常數(shù)和τmin =常數(shù)兩種。因此,可根據力學疲勞強度理論與相應計算公式,進行應力幅安全系數(shù)、最大應力安全系數(shù)的計算。對于彈簧鋼絲也可按簡化公式進行驗算:
Fcr=0.3x1000xK=300X0.65=1950N,符合設計要求。
3.2 套筒的強度計算與校核
根據根據條件,套筒預計壽命16×365×8=48720小時;
(1)已知nⅡ=458.2r/min?套筒承受徑向反力:FR1=FR2=500.2N?;
初先套筒為角接觸球套筒7206AC型。
根據課本P265(11-12)得套筒內部軸向力FS=0.63FR則FS1=FS2=0.63FR1=315.1N?;
(2)∵FS1+Fa=FS2;Fa=0?故任意取一端為壓緊端,現(xiàn)取1端為壓緊端
FA1=FS1=315.1N?FA2=FS2=315.1N;
(4)計算當量載荷
P1、P2根據課本P263表(11-9)取f?P=1.5;根據課本P262(11-6)式得P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5×(1×500.2+0)=750.3N;?
P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5×(1×500.2+0)=750.3N;?
∵P1=P2故取P=750.3N;?
∵角接觸球套筒 ε=3?;
套筒運動和換向時承受過大的沖擊負荷,或當套筒靜止時,由于機器振動等因素都會使接觸處形成凹坑。外界硬粒進入套筒內,也可在接觸表面形成壓痕,這種永久變形量超過一定限度,就會防礙直線運動平穩(wěn)性,引起振動和噪音,振動會進一步沖擊凹坑周圍材料,造成惡性循環(huán),使凹坑面積擴大,這種永久變形量用基本額定靜載荷限定。鋼球和套圈接觸點兩者永久變形量之和等于鋼球直徑的萬分之一時的靜載荷,定義為基本額定靜載荷C0。
套筒使用時,沖擊力很難測定,常用選取適當?shù)撵o載荷安全系統(tǒng)來保證套筒靜載荷不超過基本額定靜載荷。選型時使套筒承受的靜載荷P0 C0/FS,不受振動和沖擊場合FS取1.0 1.5,受振動和沖擊工作場合FS取2.0~7.0。
套筒由于反復承受工作載荷,首先在表面下一定深度處,強度較弱部分形成裂紋,繼而發(fā)展到接觸表面,使金屬成片狀剝落下來,這種剝落稱為疲勞剝落。在安裝、潤滑、密封正常的情況下,絕大多數(shù)套筒的破壞是疲勞破壞,一般所說的套筒壽命就是指套筒的疲勞壽命。直線套筒額定壽命規(guī)定為5萬米, 通過限定基本額定動載荷C來保證。由于套筒壽命具有分散性,即同一批材料、相同工藝生產、相同使用條件下的套筒壽命不相同,所以套筒基本額定動載荷C定義為一批相同的套筒在相同條件下運行5萬米,套筒不生任何疲勞剝落現(xiàn)象所能承受的動載荷。
結 論
在最近的一段時間的畢業(yè)設計,使我們充分把握的設計方法和步驟,不僅復習所學的知識,而且還獲得新的經驗與啟示,在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計,會遇到不清楚的作業(yè),老師和學生都能給予及時的指導,確保設計進度,本文所設計的是機械手夾持器,通過初期的定題,查資料和開始正式做畢設,讓我系統(tǒng)地了解到了所學知識的重要性,從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易,需要不斷鉆研,不斷進取才可能做的好,總之,本設計完成了老師和同學的幫助下,在大學研究的最感謝幫助過我的老師和同學,是大家的幫助才使我的論文得以通過。
致 謝
至此在論文完成之際,給予我人生的啟迪,使我在順利地完成大學階段的學業(yè)同時,也學到了很多有用的做人的道理,明確了人生目標。知道自己想要什么了,不再是從前那個愛貪玩的我了。經過近半年努力的設計與計算,查找了各類的機械手夾持器的設計資料,論文終于可以完成了,我的心里無比的激動和開心。雖然它不是最完美的,也不是最好的,但是在我心里,它是我最珍惜的,因為我自己已經盡力的做了,它是我用心、用汗水成就的。四年的學習和生活,不僅豐富了我的知識,而且鍛煉了我的個人能力,更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多有用的知識,在此對所有關心我?guī)椭业谋磉_我由衷敬意,謝謝各位同學老師。
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