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正文內(nèi)容

噴涂機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

2025-07-07 21:46 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 自由度 6 活動范圍 ?1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?6 100186。 75186。 70186。 210186。 210186。 420186。 最大速度 2m/s 手腕最大負(fù)荷 5kg 驅(qū)動方式 電液伺服驅(qū)動 重復(fù)定位精度 177。 2mm 示教方式 示教手柄直接示教或修正盤示教 電源 AC100V,單向 50/60Hz,260VA 防爆級 本質(zhì)安全防爆 2i 4G 環(huán)境溫度 0~40 各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式和平衡方式 一般的工業(yè)機(jī)器人有 5 個左右的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件,即:底座 、 腰部轉(zhuǎn)動臺支架 、大臂、小臂和手腕部。目前大臂和小臂的結(jié)構(gòu)比較流行燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 12 的是中間有多層圓筒形套裝梁結(jié)構(gòu),外型像啞鈴,多為焊鑄件組合結(jié)構(gòu)。還有就是箱形結(jié)構(gòu),就整體來說就是比較復(fù)雜的箱體,多為鑄件。為了減輕小臂的重量和大臂的負(fù)載,小臂采用空心管結(jié)構(gòu),材料是鋁合金。為了增強(qiáng)大臂的強(qiáng)度,同時盡可能的降 低大臂的重量,大臂采用實心的立方體結(jié)構(gòu),材料同樣是鋁合金。 手臂的平衡:為了減小驅(qū)動力矩和增加運(yùn)動的平穩(wěn)性,大臂和小臂原則上說都要進(jìn)行平衡。但當(dāng)負(fù)載較小,臂桿的重量較輕,關(guān)節(jié)力矩不大,驅(qū)動裝置有足夠的容量時,可以省去平衡。對于噴漆機(jī)器人的設(shè)計,由于末端執(zhí)行器的重量約為 3kg,大臂和小臂的總重量約為 60kg 至 70kg,因此在這里采取一定的平衡措施。對于小臂的平衡,在這里小臂采用鉸鏈四桿的結(jié)構(gòu)方式,這種結(jié)構(gòu)通過后桿的質(zhì)量來平衡腕部的質(zhì)量。 該機(jī)器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置,如下圖所示。經(jīng)計算其平衡彈簧力 未能做到手臂的完全平衡,但不平衡力矩量值不大。 小臂 小臂的平衡彈簧鉸接在平衡支架的 A 點(diǎn)上,另一端固定焊接在小臂內(nèi)的彈簧座上。平衡支架、大臂、拉桿和轉(zhuǎn)臺組成一平行四連桿機(jī)構(gòu)。它使平衡支架在下臂運(yùn)動時做平面運(yùn)動,保證小臂在大臂運(yùn)動時其夾角227。 不變。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉(zhuǎn)角 3? 變化,也隨轉(zhuǎn)角 2? 變化,其算法如下: 小臂對轉(zhuǎn)軸軸線 3O 的偏重力矩 M3G 為 ?COSLGM G 333 ? 式中: G3 小臂及手腕部件重量 3L — 小臂及手腕部件的合重心與 O3 的距離 ? — 小臂梁與水平線的夾角 彈簧的平衡力矩 M3s = 333 hfK 式中: 3K — 小臂平衡彈簧剛性系數(shù) 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 3f — 小臂平衡彈簧變形量 3h — 彈簧力對 O3 的力臂 通過結(jié)構(gòu)的尺寸關(guān)系可算得: 3213 /sin lRRh ?? 301233 )( fRRlf ???? 式中 3l = )c o sRR2RRR(2 212211 ???R 為彈簧長度(包括支撐螺栓等長度)是隨 β 角變化的值, 30f 為安裝時彈簧的預(yù)變形量。 由于存在著驅(qū)動油缸活塞與剛桶的靜阻力,其方向沿活塞桿 DO39。3 ,它對 3O 的力矩亦起著平衡一部分偏重力矩的作用,因而小臂的平衡力矩3333 PSG MMMM ???? 式中 M 3p 為油缸對 3O 的靜阻力矩。 大臂 大臂的平衡由對稱于大臂中心線的左右兩根彈簧承擔(dān),同理大臂的燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 14 不平衡力矩 2M? 也同時受 3,2?? 轉(zhuǎn)角的影響,另外,小臂沒有完全平衡,在計算時還應(yīng)考慮小臂加于大臂上部的力和力矩作用。 此時,大臂的偏重力矩 2GM 應(yīng)為 32222232 s i n])39。[( MLGaGGM G ????? ? 39。2G — 關(guān)節(jié)軸 3 的重量(包括軸上 零件) a2 — 大臂長 L2 — 大臂合重心矩 2O 的長度 2222 2 hfkMS ? 其算法與小臂相同。 考慮大臂驅(qū)動油缸的靜阻力矩 2pM 則可得大臂的不平衡力矩 2222 pSG MMMM ???? 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 大小臂平衡彈簧參數(shù) 小臂彈簧 大臂彈簧 彈簧直徑( mm) 67? 80? 彈簧鋼絲直徑( mm) 10? 10? 圈數(shù) 70 40 剛度系數(shù)( kgf/mm) 彈簧總長度 ? 708 410 螺旋方向 右旋 右旋 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 16 平衡彈簧材料選用 60si2 MnA 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 小臂的傳動機(jī)構(gòu) 圖 小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 小臂關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示。 小臂做 +135186。至 90186。范圍內(nèi)的俯仰運(yùn)動,從而調(diào)節(jié)整個腕部的空間位置。 小臂軸和大臂末端 連接在一起,連接形式可以是鍵連接或者是無鍵連接,由于此處的鍵連接的軸向定位比較麻煩,所以這里采用無鍵連接,具體采用在包裝機(jī)械中被廣泛運(yùn)用的脹緊套。脹緊套具有對中精度高、安裝 /拆卸方便、強(qiáng)度高、連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。這里的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的后桿與底桿可以平衡手腕部分和部分小臂的重量,減少大臂所承受的負(fù)載。這個四桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)該盡可能的減少底桿和后桿的重量,使之與腕部的質(zhì)量接近,而且燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 18 其所占空間也應(yīng)該盡可能的小,綜合考慮選擇曲柄搖 桿機(jī)構(gòu),具體尺寸會在下一章根據(jù)工作空間所設(shè)計的手臂的長度給出。 大臂的傳動機(jī)構(gòu) 圖 大臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 大臂關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)示意圖如圖 。 大臂的俯仰運(yùn)動和小臂的俯仰運(yùn)動的配合將實現(xiàn)手腕部分在工作空間內(nèi)的定位。 大臂一端與底座連接,一端與小臂連接液壓缸在外側(cè)驅(qū)動,一同固定在轉(zhuǎn)臺上,能隨轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動 。 這種傳動方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔有效 、 傳動精度較高 、通過自身的調(diào)速減輕了整個腰部的負(fù)載 。在安裝時,驅(qū)動大臂的電機(jī)和驅(qū)動小臂的液壓缸 對稱布置的方式這樣有利于腰部回轉(zhuǎn)盤的重量平衡,使整個結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定,防止了顛覆。這種結(jié)構(gòu)也減小了腰部回轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動力矩,減輕了帶動腰部回轉(zhuǎn)的 液壓缸 的負(fù)擔(dān)。 第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 腰部的傳動機(jī)構(gòu) 圖 腰部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 腰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。 腰部旋轉(zhuǎn)和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合將實現(xiàn)腕部在空間任意位置定位。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤用螺釘相聯(lián),大臂和小臂的驅(qū)動電機(jī)固定在腰部回轉(zhuǎn)盤上的電機(jī)座上。腰部主軸是空心軸,通過鍵與力矩電機(jī)相連。因此,力矩電機(jī)帶動腰部主軸旋轉(zhuǎn),從而使腰部回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。精度控制方面,會在電機(jī)后部安裝光柵編碼器來實現(xiàn)對電機(jī)回轉(zhuǎn)角度的控制 [15]。 這種傳動方案是通過直流力矩電機(jī)直接帶動整個腰部回轉(zhuǎn),免去了不必要的結(jié)構(gòu),簡潔有效,降低了成本。 本章小結(jié) 本章主要介紹了噴漆機(jī)器人的驅(qū)動方案的選擇以及確定了技術(shù)指標(biāo)。完成了機(jī)器人的總體傳動系統(tǒng)的設(shè)計。并給出了各關(guān)節(jié)的傳動方案,同時進(jìn)行了必要的分析論證,在這之后設(shè)計了各個關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)和大體上的連接方案。說明了每個傳動方案的優(yōu)點(diǎn)和不足,并給出了需要校正的零部件的方法。 第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 20 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析 設(shè)計的噴漆機(jī)器人所需要達(dá)到的最大覆蓋范圍是 ? ? 3m 。根據(jù)設(shè)計方案和預(yù)先假設(shè),暫定大臂長 1m,俯仰范圍 +135186。至 90186。,小臂長 ,俯仰范圍是 +168186。至 80186。,腰部直徑 ,回轉(zhuǎn)范圍是177。170176。 在建立數(shù)學(xué)模型之前,假設(shè)噴槍是一個不計體積的點(diǎn),由于小臂末端至噴槍的距離約為 ,所以在討論時小臂的長度為原小臂桿長度加上 ,一共為 。需要論證的數(shù)學(xué)模型是:假設(shè) 大臂和小臂為不計體積的細(xì)長直桿 1 和直桿 2,長度分別為 1m和 。細(xì)桿 1 固定在回轉(zhuǎn)范圍是177。 170176。的圓盤上,其俯仰范圍是 +135186。至 90186。細(xì)桿 1 的另一端連接著細(xì)桿 2,細(xì)桿 2 的長度是 ,同時細(xì)桿 2 可以相對于細(xì)桿1 做俯仰范圍是 +168186。至 80186。俯仰運(yùn)動。需要驗證的是,細(xì)桿 2 末端的最大運(yùn)動范圍是否是噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍 ? ? 3m 。如果超過噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍,則假設(shè)的尺寸符合要求,如果小于噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍,則需要重新制定各部分的尺寸。 圖 工作的空間模型 論證的細(xì)桿 2 末端所要達(dá)到的運(yùn)動范圍如圖 所示。在論證時,假設(shè)大臂與腰部回轉(zhuǎn)盤的鏈接點(diǎn) i 在線段 da 的延長線上,由于腰部回轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)范圍是 177。 170176。,所以只需要驗證一般空間即可,另一半與之對稱。綜上所述,我們現(xiàn)在的論證空間是 abcdefgh,在論證時只需要驗第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 21 證細(xì)桿 2 的末端能否達(dá)到空間 abcdefgh 的八個頂點(diǎn)即可。如果能在各個細(xì)桿的運(yùn)動范圍內(nèi)達(dá)到這八個頂點(diǎn) ,那么細(xì)桿 2 的末端必然能夠達(dá)到空間內(nèi)的其他點(diǎn)。 圖 平面 abcd 工作極限位置模型 假設(shè)細(xì)桿 1 和圓盤的連接點(diǎn) i 在 da 線段的 延長線上, ij 代表細(xì)桿 1,i 與 a 的距離為 。如圖 所示,當(dāng)工作平面在 abcd 時,達(dá)到各極限位置時細(xì)桿 1 與細(xì)桿 2 的位置狀態(tài)。 讀圖可知達(dá)到 d 點(diǎn)時 ,細(xì)桿 1 的俯仰角度最 大 為 51 186。, 根據(jù)設(shè)計方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角為 +135 186。達(dá)到 a 點(diǎn)時,細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小為 75 186。,根據(jù)設(shè)計方案知 細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的最小俯仰角度 80 186。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時,細(xì)桿 1 與細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為 abcd 時,手臂長度符合要求。 當(dāng)圓盤回轉(zhuǎn)過一定角度時,使得細(xì)桿 2 的末端 ife 平面運(yùn)動時,如圖 所示細(xì)桿 1 和細(xì)桿 2 的極限位置。讀圖可知達(dá)到 e 點(diǎn)時,細(xì)桿 2相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小 55 186。,根據(jù)設(shè)計方案知 細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿1 的最小俯仰角度 80 186。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時,細(xì)桿 1 與細(xì)桿 2相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為 ife 時,手臂長度符合要求。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 22 圖 達(dá)到 f、 e 極限時位置模型 圖 達(dá)到 g、 h 極限時位置模型 同理,當(dāng) 圓盤 再次回轉(zhuǎn)一個角度 時,使得細(xì)桿 2 的末端 igh 平面運(yùn)動時 , 如圖 所示細(xì)桿 1 和細(xì)桿 2 的極限位置。讀圖可知達(dá)到 h 點(diǎn)時,細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 45 186。,根據(jù)設(shè)計方案知 細(xì)桿 1 的最大俯仰角度為 +135 186。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時,細(xì)桿 1 與細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為 igh 時,手臂長度符合要求。 經(jīng)過上面的計算和分析可證明小臂的末端可達(dá)的覆蓋范圍大于空間 abcdefgh。由于論證時的前提條件是把噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍一分為二 。所以滿足一半覆蓋范圍時,必然能夠達(dá)到對整個機(jī)器人提出的覆蓋范圍的要求 ? ? 3m 。故噴漆機(jī)器人足可滿足要求的最大覆第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 23 蓋范圍,證明方案正確,小臂和大臂的長度和俯仰角度確定的合適。 腕部設(shè)計 電機(jī)的選擇 手腕部分的電機(jī)的安裝:帶動噴槍旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 1 安裝在回轉(zhuǎn)套內(nèi)帶動噴槍夾做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而使噴槍時刻正對被加工。在回轉(zhuǎn)套外,帶動回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 2 安裝在回轉(zhuǎn)套支架的外側(cè),帶動整個回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。這兩處的電機(jī)的安裝如圖 所示。帶動整個腕部旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 3 與安裝在回轉(zhuǎn)套外側(cè)的帶有法蘭盤的空心軸通過脹緊套連接在也一起,這個安裝面與電機(jī) 2 的安裝面垂直,減速電機(jī) 3 帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 電機(jī) 1 帶動噴頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,故此電機(jī)應(yīng)小巧靈便以減輕電機(jī) 2 的負(fù)擔(dān),因此電機(jī) 1 應(yīng)該質(zhì)量輕、體積小且能滿足功率滿要求。同時電機(jī)軸要與噴槍夾末端的空心軸通過脹緊套連接在一起,因此電機(jī)輸出端的軸要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L?;剞D(zhuǎn)套的質(zhì)量也要盡量的小,所以材料為鋁合金類材料。假設(shè)噴頭的尺寸為φ 50200 的圓柱體,由已知條件知質(zhì)量為 3 kg。 圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量為: J = 112 m(3 R2+L2) = 112 3(3 + 20. ) = 取噴槍的轉(zhuǎn)動角速度為 ω =2? rad/s, n=60r/min 取啟動時間為 由此轉(zhuǎn)動角加速度 ? =20? rad/s2 計算力矩 T 為: T=J? = P=Tω =2? = 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 24 故訂做的減速電機(jī) 1 的額定電壓為 220V,輸出功率至少為 4w,輸出轉(zhuǎn)矩至少為 ,轉(zhuǎn)速為 1400r/min,減速箱的減速比為 23。電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L。 電 機(jī) 2 帶動回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 200200200 的立方體。設(shè)回轉(zhuǎn)套 、電機(jī)、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質(zhì)量 共 5kg。 長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為: J=112 m( 22bh? ) 由于回轉(zhuǎn)套為正方體,故 b=h= 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中
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