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鋁合金工件機(jī)器人自動(dòng)化焊接系統(tǒng)研究與開發(fā)-閱讀頁(yè)

2025-07-13 21:32本頁(yè)面
  

【正文】 柔性裝夾方案。 論文的研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外焊接自動(dòng)化工作站設(shè)計(jì)相關(guān)論文、專著的基礎(chǔ)上,參考國(guó)內(nèi)外同業(yè)者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和即有成品的背景下,緊密聯(lián)系目標(biāo)焊接要求,設(shè)計(jì)了一套基于孔槽結(jié)合焊接工裝夾具的自動(dòng)化焊接工作站。2. 對(duì)焊接工作站關(guān)鍵部件機(jī)器人移載平臺(tái)展開研究,首先分析導(dǎo)軌平臺(tái)各安裝方式利弊,其次對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行選型與分析。3. 針對(duì)焊接中一類常見焊接工件提出DSLD工件概念并對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型。提出了有級(jí)可調(diào)和無(wú)級(jí)可調(diào)兩種裝夾方案。并對(duì)鋁合金腳手架進(jìn)行試焊。針對(duì)目前面向同系列不同尺寸工件的自動(dòng)化焊接工作站研究工作較少的情況提出了自己的研究方向。針對(duì)待焊工件的結(jié)構(gòu)分析、焊縫分布,依據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)焊接工作站各功能模塊的整體結(jié)構(gòu)。繼而為機(jī)器人移載平臺(tái)的關(guān)鍵零部件選擇與校核,并研究其不同的裝配形式。第五章 結(jié)合實(shí)際鋁合金腳手架焊接工件進(jìn)行焊接工作站設(shè)計(jì),建立焊接自動(dòng)化工作站整體組裝三維模型,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合鋁合金腳手架焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接工作站實(shí)體搭建,根據(jù)工件金屬焊接性以及焊縫形狀焊接特性確定焊接參數(shù)并采用固定變量法進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。第六章 總結(jié)與展望 對(duì)本研究課題相關(guān)工作進(jìn)行了總結(jié),反思研究工作中的不到之處,并對(duì)今后類似研究方向的工作進(jìn)行了建議與相關(guān)前景展望。結(jié)合本文研究重點(diǎn)有針對(duì)性、側(cè)重地詳述了自動(dòng)化焊接工作站主要研究方向和目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。最后對(duì)本文內(nèi)容安排和主要研究工作進(jìn)行規(guī)劃。自動(dòng)化焊接工作站設(shè)計(jì)的前提是根據(jù)工廠需求規(guī)劃功能模塊。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的工作站框架結(jié)構(gòu)以利于操作者生產(chǎn)。電氣系統(tǒng)主要包括工作站總控制站、各功能模塊子控制站以及檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的傳感器模塊。作為焊接操作的執(zhí)行部分,執(zhí)行裝置既可以采用工業(yè)機(jī)器人攜帶焊槍完成TIG、MIG焊接,也可以根據(jù)具體焊接任務(wù)設(shè)計(jì)專用焊接操作設(shè)備。安全防護(hù)裝置可以采用高成本高可靠度的光柵圍欄防護(hù),也可以采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的柵欄、耐火布料防護(hù)。本文自動(dòng)化焊接工作站的服務(wù)對(duì)象是同尺寸系列的鋁制品焊件,為了完成焊接任務(wù),焊件必須放置在工作臺(tái)的適當(dāng)位置。工件在焊接過(guò)程中要保持固定的位置,才能保證焊接質(zhì)量。夾緊裝置可以采用氣動(dòng)夾緊和焊接專用夾緊裝置聯(lián)合夾緊。自動(dòng)化焊接工作站需要將以上功能進(jìn)行集成設(shè)計(jì),自動(dòng)化焊接工作站的集成設(shè)計(jì)要考慮的因素非常多,如機(jī)械接口、強(qiáng)電電纜和弱電信號(hào)線的分布,以及氣動(dòng)管線布置等。由圖可見,自動(dòng)化焊接工作站從功能上可以分為以下幾個(gè)模塊:機(jī)器人模塊,機(jī)器人移載平臺(tái)模塊,焊接工作臺(tái)模塊,焊接工裝模塊,氣動(dòng)夾緊模塊,機(jī)器人控制器模塊,總控PLC模塊,伺服驅(qū)動(dòng)模塊,以及各類開關(guān)及傳感器模塊。工作站布置與物料搬運(yùn)規(guī)劃的好壞將直接影響到生產(chǎn)系統(tǒng)的總體性能。因此在焊接工作站設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該將廠房狀況、工藝需求、投資預(yù)算充分納入考慮范圍。還需要根據(jù)這些確定工作站內(nèi)部機(jī)器人系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、焊接電源、工裝夾具的位置關(guān)系,這其中尤其以焊接工裝和焊接機(jī)器人的相對(duì)位置最為關(guān)鍵。對(duì)焊接工作站布局進(jìn)行規(guī)劃,需要提前了解生產(chǎn)情況,做好充分的準(zhǔn)備工作。在焊接自動(dòng)化工作站設(shè)備布局過(guò)程中,應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則:1)物流原則。2)緊湊原則。在保證物流順暢的前提下,保持較小的設(shè)備間距,便于工人操作。某些設(shè)備安排時(shí)有位置要求,如機(jī)器人移載平臺(tái)必須在焊接工位對(duì)稱中間,以利于兩邊焊接。考慮到物流進(jìn)出的快捷、工人活動(dòng)區(qū)域增加,待焊元件區(qū)和成品區(qū)開進(jìn)料門和出料門、工人活動(dòng)區(qū)拓寬到車間其他區(qū)域。2)有效利用待焊原件和成品原件劃分出焊接操作區(qū)域。目前車間中常見的焊接工作站結(jié)構(gòu)形式有以下幾種[[] 李冬蘭. 基于汽車車架機(jī)器人焊接工作站的研究與應(yīng)用,[碩士學(xué)位論文].南昌大學(xué),2010.]:1. 單套固定工裝平臺(tái)+焊接機(jī)器人構(gòu)成工作站,這種結(jié)構(gòu)形式最簡(jiǎn)單,故障率也比較低,但由于工人執(zhí)行上下料任務(wù)的時(shí)候設(shè)備處于閑置狀態(tài),因此機(jī)器人工作效率低。這種焊接工作站的特點(diǎn)在于敞開式工作,適用于物料I/O頻繁,焊縫布置簡(jiǎn)單均布于一面的場(chǎng)合,2. 兩套帶變位機(jī)工裝平臺(tái)+焊接機(jī)器人構(gòu)成焊接工作站,這種結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了前一種工作站不能滿足復(fù)雜空間焊縫要求的缺點(diǎn), 此種機(jī)器人可以固定安裝在地面上也可以懸掛安裝,實(shí)現(xiàn)更大范圍的焊接。3. 搬運(yùn)機(jī)器人+焊接機(jī)器人構(gòu)成工作站,這種工作站由兩個(gè)機(jī)器人本體經(jīng)過(guò)高水平的示教編程后互相協(xié)調(diào)操作實(shí)現(xiàn)的。這種工作站對(duì)于兩臺(tái)機(jī)器人的協(xié)調(diào)程度要求很高,循跡焊接的同時(shí)需要保證兩機(jī)械手臂不發(fā)生干涉。但是這種工作站組成部分較多,占地面積大,成本昂貴。5. 機(jī)器人焊接自動(dòng)生產(chǎn)線,焊接生產(chǎn)線由多臺(tái)焊接機(jī)器人系統(tǒng)、自動(dòng)輸送鏈組成。這種生產(chǎn)線由于每道工序的焊縫數(shù)比較平均,故產(chǎn)品平均焊接變形小、焊接質(zhì)量穩(wěn)定。 多變位外部軸+雙機(jī)器人工作站 機(jī)器人焊接自動(dòng)生產(chǎn)線焊接工作站的設(shè)計(jì)是非常個(gè)性化的過(guò)程,應(yīng)該根據(jù)車間實(shí)際情況、工廠生產(chǎn)要求具體問(wèn)題具體分析,因此實(shí)際生產(chǎn)中的工作站結(jié)構(gòu)方式絕不僅僅限于以上五種情況,但是大多是由上述結(jié)構(gòu)化身出來(lái)的。面向任務(wù)設(shè)計(jì)工作站時(shí),應(yīng)該根據(jù)具體設(shè)計(jì)任務(wù)的不同選擇不同的結(jié)構(gòu)方式。適用于簡(jiǎn)單焊縫焊接。缺點(diǎn)是造價(jià)高,自行設(shè)計(jì)部件多。缺點(diǎn)是控制難度大、價(jià)格昂貴,設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。缺點(diǎn)是占地面積大,成本昂貴。 工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定了車間中焊接工作區(qū)域布局后,需要對(duì)焊接工作站進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文所面向的焊接工件是一個(gè)尺寸系列內(nèi)所有的工件,包含兩類14種主體焊接件。焊接工裝需要能夠適應(yīng)所有尺寸種類,因此工裝平臺(tái)要能夠滿足最大工件尺寸裝配。同時(shí)當(dāng)工件型號(hào)變化時(shí),構(gòu)成工件的主型材長(zhǎng)度會(huì)增加,為保證工件的強(qiáng)度,中間加強(qiáng)條的個(gè)數(shù)和相對(duì)位置也會(huì)變化,因此還需要相應(yīng)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)不同定位、夾緊位置轉(zhuǎn)換的可調(diào)節(jié)夾具。同時(shí)因?yàn)楹缚p布置均勻,且均分布在工件一側(cè)上,無(wú)空間分布焊縫,因此方案2結(jié)構(gòu)中的變位器也不需要配備,故焊接工作站的基本結(jié)構(gòu)采用方案1的形式。因此必須采用外部軸配合焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工作范圍的擴(kuò)展。 方案一:外部軸安裝在工裝夾具下 方案二:外部軸安裝在機(jī)器人下分析對(duì)比前兩種外部軸安裝方法,可以發(fā)現(xiàn)方法1將工裝平臺(tái)安裝在外部軸上,通過(guò)工裝平臺(tái)移動(dòng)來(lái)解決超長(zhǎng)工件時(shí)焊接機(jī)器人,由于本文焊接任務(wù)需求,這樣外部軸的長(zhǎng)度需求就長(zhǎng),另外也造成在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的輕度飛濺熔渣容易落在外部軸上。綜合考慮方法2的優(yōu)劣,認(rèn)為焊接精度要求不高,方法2對(duì)精度的影響不會(huì)嚴(yán)重到產(chǎn)生廢件的程度,因此采用第二種方法。、。安全防護(hù)方面,除外圍采用安全柵欄外,在焊接機(jī)器人移載平臺(tái)和工件工裝平臺(tái)之間用防火布幔懸掛隔離。這樣的好處是當(dāng)機(jī)器人在一個(gè)工位進(jìn)行自動(dòng)焊接時(shí),防火布簾可以將在另一個(gè)工位手動(dòng)操作的工作者和焊接機(jī)器人隔離,這樣可以防止焊接強(qiáng)光或飛濺損害工人健康。機(jī)器人設(shè)計(jì)最高移動(dòng)速率為14m/min,累計(jì)工人操作時(shí)間,以EURO鋁臺(tái)板型號(hào)的工件(26焊縫/件)為例,預(yù)計(jì)每件最大消耗工時(shí)310秒,相較原工作速率可以提升30%。在功能模塊分析的基礎(chǔ)上結(jié)合工作站布局方法,對(duì)自動(dòng)化焊接工作站整體布局方式進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。 第三章 機(jī)器人移載平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì) 概述本章首先根據(jù)研究了幾種機(jī)器人安裝方式對(duì)基座受力的影響和定位精度的不同的研究,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人移載平臺(tái)的設(shè)計(jì)。 焊接機(jī)器人安裝方式的研究焊接機(jī)器人是焊接工作站的核心部件,是焊接操作的執(zhí)行器,其安裝方式和運(yùn)動(dòng)形式直接關(guān)系到焊接的精度和質(zhì)量。外部軸安裝則分為頂棚式吊裝、側(cè)墻式吊裝、地面式平裝三種常用的安裝方式[[] 梁杰,畢樹生. 制孔執(zhí)行器的安裝方式對(duì)機(jī)器人性能的影響. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,21(46):13~18.]。針對(duì)大工件時(shí)需要增設(shè)多個(gè)焊接機(jī)器人。這種安裝方式適合大型工件的焊接。所以本文焊接機(jī)器人采用外部軸安裝方式,外部軸采用滾珠絲杠帶動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌及機(jī)器人移載平臺(tái)的方式。在這三種安裝方式中機(jī)器人均有等速、靜止、加速、減速的狀態(tài),因此機(jī)器人基座的受力狀態(tài)和對(duì)精度的影響也十分不同。因此下面只側(cè)墻吊裝、地面平裝兩種安裝方式進(jìn)行研究。分為慣性力為零和慣性力不為零兩種。、。四個(gè)滑塊受力與導(dǎo)軌間距、滑塊間距、重心作用點(diǎn)距幾何中心的距離、關(guān)系如下式332所示: (31) (32)本文只對(duì)四個(gè)滑塊及相應(yīng)導(dǎo)軌部分的最大受力狀態(tài)感興趣,即在這里只取導(dǎo)軌最大作用力研究。在階段導(dǎo)軌受力與靜止時(shí)相同,不需要考慮加速度影響,當(dāng)在階段時(shí)加速度為,在階段時(shí)加速度為。因此會(huì)增加沿滾珠絲杠徑向方向的推力。在加速度為零時(shí)其滑塊、導(dǎo)軌受力最大值分別為: (38) 側(cè)壁吊裝機(jī)器人底座受力模型當(dāng)考慮速度參量,則在加速階段時(shí)的最大受力為: (39)當(dāng)在加速階段時(shí)的最大受力為: (310)本文采用的焊接機(jī)器人為Panasonic TA1400 6P6R單臂機(jī)器人。可見機(jī)器人在地面平裝工作在多數(shù)狀態(tài)下均為懸臂狀態(tài)。懸臂狀態(tài)下的極端情況,重心距離基座中心最遠(yuǎn)時(shí)(此時(shí)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂完全向前伸直),支座滑塊最大支撐力為,在絕大多數(shù)的機(jī)器人應(yīng)用中,加速度、均遠(yuǎn)小于。考慮側(cè)壁吊裝的情況。現(xiàn)在對(duì)兩種安裝方式下的最大受力情況進(jìn)行討論。因此不失一般性的假設(shè)和相同。在本文的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移載平臺(tái)的最大加速度為。因此從受力的角度分析以地面平裝的焊接機(jī)器人導(dǎo)軌平臺(tái)更可靠。 機(jī)器人移載平臺(tái)研究 絲杠導(dǎo)軌平臺(tái)關(guān)鍵部件研究機(jī)器人移載平臺(tái)即機(jī)器人外部軸負(fù)責(zé)機(jī)器人在工件長(zhǎng)度方向上的工位轉(zhuǎn)換,增加焊接機(jī)器人的工作空間,常見的直線傳動(dòng)方式有絲杠傳動(dòng)、直線電機(jī)等方式。這是因?yàn)榕c其他傳動(dòng)方式相比,滾珠絲杠副有以下特點(diǎn):1. 滾珠絲杠副發(fā)熱率低、溫升小以及在加工過(guò)程中對(duì)絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù)緊的方法消除軸向間隙,因此滾珠絲杠副相比其他傳動(dòng)方式具有高的定位精度和可重復(fù)定位精度。滾珠絲杠導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率比其他傳動(dòng)形式高。4. 由于滾珠絲杠采用滾珠—滾道接觸方式,材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)化,壽命長(zhǎng)本文選擇臺(tái)灣上銀滾珠絲杠導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人外部軸,首先對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作條件進(jìn)行分析。將根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算選擇合適的滾珠絲杠及配套模塊。 焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)速度曲線計(jì)算滾珠絲杠導(dǎo)程,本機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)與滾珠絲杠直連控制,中間無(wú)傳動(dòng)模塊。此處取導(dǎo)程。因此可計(jì)算達(dá)到最高速度時(shí)行走的距離、等速時(shí)行走的距離、減速行走距離: (312)去程等加速階段加速度為: (313)因此可得所需電機(jī)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算式為: (314)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,同理可求得當(dāng)機(jī)器人平臺(tái)處于穩(wěn)速階段、勻減速階段的時(shí)候,、分別為: (315)可求得滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)軸向負(fù)荷與行走距離、時(shí)間、。滾珠絲杠傳動(dòng)通過(guò)螺紋與滾珠結(jié)合,螺紋底徑的大小影響滾珠絲杠的剛度。首先根據(jù)定位精度確定滾珠絲杠允許的最大軸向變形量。 (319)根據(jù)式59,可以確定情況①時(shí)允許最大軸向變形量,②時(shí)。又本工作平臺(tái)滾珠絲杠安裝選擇預(yù)拉伸消除軸向間隙,并采用一端固定一端支承的安裝方式。代入前述參數(shù)計(jì)算出滾珠絲杠底徑。因此采用前者。因?yàn)楸緳C(jī)器人外部軸滾珠絲杠采用預(yù)緊安裝方式,應(yīng)計(jì)算出消除軸向間隙所需的預(yù)緊力。絲杠工作時(shí)由于溫升和載荷引起杠體沿軸向的伸長(zhǎng),為修正由此造成的誤差,需要在額定行程外計(jì)算并增加行程補(bǔ)償量為 (321)式中:,并查手冊(cè)可得:;代入以上參數(shù)可以計(jì)算出滿行程時(shí)行程補(bǔ)償值。本文機(jī)器人縱向移動(dòng)的過(guò)程中軸承所承受的最大軸向載荷,其中為滾珠絲杠上的預(yù)拉伸力。且軸承內(nèi)圈直徑應(yīng)略小于滾珠絲杠底徑。角接觸推力球軸承內(nèi)徑、背對(duì)背安裝。下面將就伺服電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選擇??紤]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔和負(fù)載容量并不大,因此本文不自行設(shè)計(jì)減速裝置,選用SY型的鼠籠型交流伺服電機(jī)外配一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)卡,其功能是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速控制。折算表達(dá)式如下式:(322)由聯(lián)軸器手冊(cè)可查為,因此,本傳動(dòng)系統(tǒng)為單向直線傳遞,因此不需要折算,即也是電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以求出電機(jī)在等速、等加速、等減速階段的輸出扭矩、分別為: (323)根據(jù)上述參數(shù)可以選擇伺服電機(jī), 伺服電機(jī)參數(shù)型號(hào)額定功率額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速額定電流適配驅(qū)動(dòng)器電壓轉(zhuǎn)子慣量130STM07725 kw 18 2500 rpm AAC220V10。滾珠絲杠的安裝過(guò)程中兩端軸承的支撐形式是影響其工作特性最重要的環(huán)節(jié)。其各自的安裝形式與性能如下所示: GZ安裝方式GZ安裝方式下固定端軸承采用對(duì)列角接觸球軸承支撐,自由端不采取支撐措施。但是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,故機(jī)械影響鏈短,且易于安裝。 GJ安裝方式,另一端游動(dòng)。徑向負(fù)載能力減少絲杠自重產(chǎn)生的懸臂彎曲的同時(shí)深溝球軸承的機(jī)械特性允許絲杠產(chǎn)生微量的軸向位移,從而減輕絲杠應(yīng)力。 JJ安裝方式這種安裝方式兩端均采用深溝球軸承支承,軸向力承受能力比較弱。這種安裝方式主要用于中速輕載的應(yīng)用場(chǎng)和。車間現(xiàn)場(chǎng)中這種安裝方式常用于大型、重型數(shù)控機(jī)床或高精度的鏜床、銑床中。綜合研究上述四種方式的優(yōu)劣,認(rèn)為目前市場(chǎng)上應(yīng)用的焊接工作站的機(jī)器人質(zhì)量一般在之間。且焊接精度要求比機(jī)加工精度要求低。 機(jī)器人移載平臺(tái)整體安裝方式根據(jù)前述對(duì)移載平臺(tái)安裝方式、滾珠絲杠兩端支撐方式的研究與計(jì)算,結(jié)合本文自動(dòng)化焊接工作站的布局方式,從機(jī)械穩(wěn)定性、機(jī)器人移動(dòng)敏捷性、生產(chǎn)節(jié)奏有序的角度考慮,本文采用松下TA1400焊接機(jī)器人,并將焊接機(jī)器人進(jìn)行可移動(dòng)式外部軸安裝,為優(yōu)化機(jī)器人執(zhí)行焊接操作的過(guò)程中基座平臺(tái)受力狀況,機(jī)器人移載平臺(tái)采用地面平裝安裝方式。 本章小結(jié)本章針對(duì)焊接機(jī)器人移載平臺(tái)的安裝方式、關(guān)鍵零部件選擇方法、滾珠絲杠的四種安裝方法展開研究工作。研究目前幾種基座安裝方式的特性和對(duì)機(jī)器人定位的影響。最后針對(duì)滾珠絲杠四種常見的安裝方式進(jìn)行比較,選擇最優(yōu)
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