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氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的plc控制設(shè)計(jì)-畢業(yè)論-在線瀏覽

2024-08-02 16:52本頁(yè)面
  

【正文】 圖 11 機(jī)械手動(dòng)作周期 機(jī)械手右旋轉(zhuǎn) 機(jī)械手上升 機(jī)械手手臂伸長(zhǎng) 機(jī)械手下降 機(jī)械手加緊 機(jī)械手上升 機(jī)械手手臂收縮 機(jī)械手左旋 機(jī)械手下降 機(jī)械手手臂伸長(zhǎng) 機(jī)械手下降 機(jī)械手松開(kāi) 機(jī)械手手臂收縮 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū) 7 機(jī)械手發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于 20世紀(jì) 50年代初,是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類(lèi)變 更,具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化 。 1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。 1962年,美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔,臂回轉(zhuǎn)、俯仰,用液壓驅(qū)動(dòng);控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司( Unimaton) ,專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn),臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。 1978年美國(guó) Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種UnimateVicarm型工業(yè)機(jī)械手,裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,用于裝配作業(yè),定位誤差可小于177。 美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性,改進(jìn)結(jié)構(gòu),降低成本。德國(guó) KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手,采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。據(jù)報(bào)道, 1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專(zhuān)院校、研究單位多達(dá) 50多個(gè)。截止 1979年,機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá) 56900臺(tái)。使用機(jī)械手最多的是汽車(chē)工業(yè),其次是電機(jī)、電器。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力,甚至聽(tīng)、想的能力。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。它與電子計(jì)算機(jī)和電第一章緒論 8 視設(shè)備保持聯(lián)系。 圖 12 搬運(yùn)機(jī)械手 隨著工業(yè)機(jī)器手(機(jī)械人)研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大,國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍,歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的,主要是在危險(xiǎn)作業(yè)(廣義的)、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)械手可以完成許多工作,如搬物、裝配、切割、噴染等等 ,應(yīng)用非常廣泛。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高,現(xiàn)代化加工車(chē)間,常配有機(jī)械手,以提高生產(chǎn)效率,完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。 據(jù)資料介紹,美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有 75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū) 9 量中有四分之三在 50 件以下,零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5%。 目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作 有:注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工序;機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料;澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī); 2.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高,控制柜日見(jiàn)小巧,且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性 和可維修性; 3.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù); 4.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門(mén)式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì);柔性仿形噴涂機(jī)器人開(kāi)發(fā),柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā),仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究,控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā); 5.焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化 研究;以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真; 、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 設(shè)計(jì)大綱 在設(shè)計(jì)之前,先確定一個(gè)大綱。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì),電氣控制設(shè)計(jì)的順序,在滿(mǎn)足工藝要求的基礎(chǔ)上,盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練,盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件,以降低成本,同時(shí)提高可靠性。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū) 11 第二章 機(jī)械手方案設(shè)計(jì)及計(jì)算 機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手的總體方案論證 對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地搬運(yùn)物件,這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度等特性。 圖 21 機(jī)械手的組成 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng),液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn): ( 1)液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的 能量損失 (摩擦損失、泄露損失等 );液壓傳動(dòng)易泄漏,不僅污染工作場(chǎng)地,限制其應(yīng)用范圍,可能引起失火事故,而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性; ( 2)工作時(shí)受溫度變化影響較大。且當(dāng)油污染到一定程度還需更換,降低了經(jīng)濟(jì)效益; ( 3)因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣,易產(chǎn)生噪聲; ( 4)為了減少泄漏,液壓元件的制造工藝水平要求較高,故價(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。氣 壓傳動(dòng)工作壓力較低,工作介質(zhì)提取容易,介質(zhì)清潔,管道不易堵塞,不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題 ; ( 2)阻力損失和泄漏較小,空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要 即可建立起所需的壓力和速度。在易燃、易爆、多塵埃、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中,氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越,而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。所以本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是光軸氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手。相應(yīng)的機(jī)械手具有三 個(gè)自由度) ; 坐標(biāo)形式:圓柱坐標(biāo) ; 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu),圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu),球坐標(biāo)結(jié)構(gòu),關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,如圖22。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 1mm。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍,即開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。 (3) 在保證本身剛度,強(qiáng)度的前提下,盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,以利于減輕手臂負(fù)載 手指除受到被夾持工件的反作用力外,還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響,要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形,此外,應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,自重輕,并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上,以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 第二章 機(jī)械手方案設(shè)計(jì)及計(jì)算 14 手部選型及計(jì) 算 手部是用來(lái)直接握持工件的部件,由于被握工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同,所以手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的,歸結(jié)起來(lái)常用的手部,按其握持工件的原理,大致可分為夾持和吸附兩大類(lèi)。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多,如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。按夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí),就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理,當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí),就成為移動(dòng)型。移動(dòng)型應(yīng)用較少,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大,當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置,能適應(yīng)不同直徑的工件。 下面 對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析: 滑槽杠桿 : 下圖為常見(jiàn)的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 其力的方向垂直于滑槽的中心線 1oo 和 2oo 并指向 o 點(diǎn),交 1F 和 2F 的延長(zhǎng)線于 A及 B。1F 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū) 15 αααα αα 由 ?Mol(F) =0 得 39。h cosah ?? F= 2cosNb Fa ? (21) 式中 a—— 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心的距離 (mm) ? —— 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角 。 手部夾緊力和驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力,是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù) 。一般來(lái)說(shuō),需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷,以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)??山瓢聪率?估 ga1K2 ?? 其中 a第二章 機(jī)械手方案設(shè)計(jì)及計(jì)算 16 是重力方向的最大上升加速度 maxva t?響, g= m/s ; maxv —— 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度; t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間,一般選取 ~; 3K —— 方位系數(shù),根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇; G—— 被抓取工件所受重力( N)。;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為 ,求夾緊力 NF ,驅(qū)動(dòng)力 F 。 179。 300=225N 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得: (2) 計(jì)算F = abcos2 2? NF = 22550 30c os1502 2 ???? = 取 ?? (3) ?計(jì)算實(shí)際 FF ?= =1192N 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū) 17 圖 23 手爪及氣缸 氣缸的直徑確定 本氣缸屬于單向作用氣缸。 彈簧反作用按下式計(jì)算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? fG = nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度, N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量, m 第二章 機(jī)械手方案設(shè)計(jì)及計(jì)算 18 s 活塞行程, m 1d 彈簧鋼絲直徑, m 1D 彈簧平均直徑, m n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量,一般取 PaG ?? 在設(shè)計(jì)中,必須考慮負(fù)載率 ? 的影響,則 :tFpDF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 :??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關(guān)數(shù)據(jù),可得 ?fGnDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ? ? )(4 ?? ??? )( mm? 查有關(guān)手冊(cè)圓整,得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 圓整后,取活塞桿直徑 mmd 18? 校核,按公式 ][)4//( 21 ?? ?dF 有 : ])[/14( ??Fd ? 其中, [? ] MPa120? , NF 11921 ? 則 : )120/11924( ??? ?d ?? mm 故其 滿(mǎn)足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于 1/10,其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算 : ][2/ ?? pDP? 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū) 19 式中 :? 缸筒壁厚, mm D 氣缸內(nèi)徑, mm pP 實(shí)驗(yàn)壓力,取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù),則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ,則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手腕是連接手部和手臂的部件,它的作用是調(diào)整或改變工件的方位,因而它具有獨(dú)立的自由度,以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。它的結(jié)構(gòu)緊湊,但回轉(zhuǎn)角 度小于 ?360 ,并且要求嚴(yán)格的密封。機(jī)械手手腕自由度數(shù)目愈多,各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大,則機(jī)械手腕部的靈活性愈高,機(jī)械手對(duì)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。因此,手腕的自由度數(shù),應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)確定。一般的機(jī)械手手腕的自由度數(shù)為 2至 3個(gè),有的需要更多的自由度,而有的機(jī)械手手腕 不需要自由度,僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。為了減輕機(jī)械手腕部的重量,腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。 ,因此,要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭,結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)(包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)),給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作 空間中的運(yùn)動(dòng)位置,而安裝在機(jī)械手手臂末端的手腕,則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 腕部的總體設(shè)計(jì)要求如下: (1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端,它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。因此,在腕部設(shè)計(jì)時(shí),必須力求結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕。 (3) 必須考慮工作條件 對(duì)于本設(shè)計(jì),機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料,因此不太受環(huán)境影響,沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中,所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。在本設(shè)計(jì)中手腕不需要自由度,作為手爪與手部的鏈接裝置。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。 臂部設(shè)計(jì)要求 臂部的設(shè)計(jì)要求主要如下: ,相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn),
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