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1、 第1章概述機(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)或操作動(dòng)作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)械手稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)又可分為抓取,送放和機(jī)身三部分,如圖1.1所示1-執(zhí)行系統(tǒng)2-控制系統(tǒng)3-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)a-手爪b-手腕c-手臂d-機(jī)身e-行走裝置圖1.1機(jī)械手的組成執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是直接握持物件實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部分,它包括以下機(jī)構(gòu)(1)抓取機(jī)構(gòu)抓取機(jī)構(gòu)又稱(chēng)手部或手爪,是機(jī)械手直接與被抓取物件接觸并施加約束和加緊力的部分。(2)送放機(jī)構(gòu)送放機(jī)構(gòu)是執(zhí)行系統(tǒng)中將被抓取物件送放到目的地的機(jī)械部分。它主要由手臂、
2、手腕、行走裝置等部分組成。手臂是用來(lái)支撐腕部和手部并改變被送放物件的空間位置的。它是機(jī)械手的主要運(yùn)動(dòng)部件。手腕主要是用來(lái)調(diào)整和改變被送放物件的方位,并連接手臂和手指。行走裝置的主要作用是擴(kuò)大機(jī)械手的送放范圍,以適應(yīng)遠(yuǎn)距離操作的需要。(3)機(jī)身機(jī)身是機(jī)械手中用來(lái)支撐送放機(jī)構(gòu)的部件,也是安裝驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動(dòng)力的裝置。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等多種形式。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由油泵,油缸,油壓閥機(jī)管路組成。1.3控制系統(tǒng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功用是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作,并檢測(cè)其工作位置正確與
3、否。它主要包括程序控制和位置檢測(cè)等部分.程序控制裝置指揮機(jī)械手按規(guī)定的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序,運(yùn)動(dòng)軌跡,運(yùn)動(dòng)速度,運(yùn)動(dòng)時(shí)間等),同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令,必要時(shí)它還可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí),即發(fā)出報(bào)警信號(hào).信息檢測(cè)裝置主要用來(lái)控制機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置,并隨時(shí)竟執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較,然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.第2章方案設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的確定2.1方案設(shè)計(jì)根據(jù)課題要求,機(jī)械手需要具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能,并按該自動(dòng)線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)
4、完成以上動(dòng)作,因此可采用以下多種設(shè)計(jì)方案。(1)直角坐標(biāo)系式,自動(dòng)線成直線布置,機(jī)械手空中行走,順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,自由度少,易于配線,但需要架空行走,油液站不能固定,這使設(shè)計(jì)復(fù)雜程度增加,運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增大。(2)機(jī)身采用立柱式,機(jī)械手側(cè)面行走,順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能,自動(dòng)線仍呈直線布置。這種方案可以集中設(shè)計(jì)液壓站,易于實(shí)現(xiàn)電氣、油路定點(diǎn)連接,但占地面積大,手臂懸伸量較大。3)機(jī)身采用機(jī)座式,自動(dòng)線圍繞機(jī)座布置,順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點(diǎn),但配線要求較高。本設(shè)計(jì)擬采用第三種方案,如圖(1)所示。這是一
5、種球坐標(biāo)式機(jī)械手,具有立柱旋轉(zhuǎn)C)、手臂伸縮(-)、手臂俯仰G)、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)C)和腕部擺動(dòng)(T五個(gè)自由度。zxyxy2.2主要參數(shù)的確定(1)抓取重量15kg(2)坐標(biāo)形式和自由度坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式,有五個(gè)自由度。(3)工作行程工作行程由已知條件及方案分析確定:最大工作半徑1500mm;手臂最大中心高1000mm;手臂水平中心高700mm;手臂伸縮行程450mm;手臂回轉(zhuǎn)范圍:屮二02700;手腕回轉(zhuǎn)范圍:翻轉(zhuǎn)e=01800;腕部擺動(dòng)范圍:轉(zhuǎn)位a=0900;手臂上下擺動(dòng)角度:P=0600。(4)運(yùn)動(dòng)速度l直線運(yùn)動(dòng)速度:手臂伸縮行程l=450mm,運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=2s,則手臂伸縮速度為:v=t=0.4
6、5/2=0.225m/s;回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度:定為600/s。(5)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。由于機(jī)械手操作時(shí)各缸不同時(shí)工作,手臂伸縮缸和手臂回轉(zhuǎn)缸所需的流量大,其余各缸所需的流量均較小,因此可選用雙聯(lián)葉片泵。在小流量時(shí),只需高壓小流量供油,大流量低壓泵卸荷;在大流量時(shí),兩泵同時(shí)供,這樣可以減少系統(tǒng)功率損失,防止油溫升高。(6)定位精度定位采用機(jī)械擋塊定位,定位精度為0.51mm。(7)控制方式采用行程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。第3章抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)31抓取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定抓取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要決定于工件的形狀和質(zhì)量,本課題的抓取工件為250X170X140mm的箱式零件,因此采用平行連桿杠桿
7、式手部結(jié)構(gòu)較為合適。夾緊裝置為常開(kāi)式,當(dāng)夾緊液壓缸通油時(shí),推動(dòng)活塞帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)合攏將工件夾緊。當(dāng)夾緊液壓缸斷油時(shí),活塞桿通過(guò)彈簧復(fù)位,手爪張開(kāi)。32夾緊力(握力)的確定當(dāng)用不同的手部機(jī)構(gòu)夾緊同一種工件時(shí),由于各手部機(jī)構(gòu)的增力倍數(shù)不同,所需拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力也不同。當(dāng)手部機(jī)構(gòu)選定后,由于工件的方位不同(如工件水平放置或垂直放置),鉗爪的受力狀態(tài)不一樣,因而所需拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力也不一樣。下圖(2)為兩鉗爪式手部機(jī)構(gòu),由于驅(qū)動(dòng)力P使一對(duì)平行鉗口對(duì)被夾持的工件產(chǎn)生兩個(gè)作用力N,當(dāng)忽略工件重量時(shí)(即相當(dāng)于夾緊一塊握力表),這兩個(gè)力大小相等,力N稱(chēng)為由驅(qū)動(dòng)力P產(chǎn)生的夾緊力。圖3.1夾緊力現(xiàn)引入一個(gè)稱(chēng)為“當(dāng)量
8、夾緊力”的概念,所謂當(dāng)量夾緊力,就是指把重量為G的工件,按某一方位夾緊可以求得其拉緊油缸具有的最小驅(qū)動(dòng)力,這個(gè)最小驅(qū)動(dòng)力所能產(chǎn)生的夾緊力,就稱(chēng)為工件在這個(gè)方位的當(dāng)量夾緊力。當(dāng)量夾緊力的數(shù)值與具體的手部機(jī)構(gòu)方案無(wú)關(guān)。只與工件的重量G和它相對(duì)與鉗爪的放置方位有關(guān)。證明如下:(1)首先求驅(qū)動(dòng)力P與夾緊力N的關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)活塞桿移動(dòng)一小段距離dy時(shí),兩個(gè)鉗爪都相應(yīng)產(chǎn)生一微小轉(zhuǎn)角dO,依據(jù)虛功原理,驅(qū)動(dòng)力P所做功(Pdy)和夾緊力N所做功應(yīng)相等,即Pdy二NbdO+NbdON=Pdy(3.1)2bd0(2)當(dāng)量夾緊力與工件重量之關(guān)系。當(dāng)鉗爪水平夾緊重為G的工件時(shí),根據(jù)工件的平衡條件EF=0可得R=R
9、+G12可以看出,上下鉗爪對(duì)工件的夾緊力并不相等,且隨驅(qū)動(dòng)力的增大而增大,但R1和R2的差值永遠(yuǎn)為工件之重量G,如R2=0,R1=G,驅(qū)動(dòng)力最小。這個(gè)最小驅(qū)動(dòng)力可以由下述方法求出:Pdy=Rbd0+Rbd012將R1=G,R2=0代入上式得dQP=Gb(3.2)dy由P所產(chǎn)生的夾緊力N,即當(dāng)量夾緊力。將(2.2)式代入(2.1)式得N=以空=Gb理丄空=G(3.3)2bdQdy2bdQ2從計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)量夾緊力N與具體的手部結(jié)構(gòu)方案無(wú)關(guān)。不同的手部機(jī)構(gòu)的增力倍數(shù)特性dy不一樣,而當(dāng)量夾緊力與dy無(wú)關(guān),只與工件的重量和它相對(duì)于鉗爪的放置方位無(wú)關(guān)。由課題要求可知,本機(jī)械手水平夾持懸伸工件,示
10、意如圖3.2圖3.2握力示意圖查表得進(jìn)行握力計(jì)算:N=3.4)式中N夾持工件時(shí)所需的握力;G工件的重量,G=15kg=150N;L、H尺寸,L=50mm,H=80mm。將上述數(shù)值代入得N=f50+1x150=356.25N(802丿考慮到工件在傳送過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力、振動(dòng)以及受到傳力機(jī)構(gòu)效率等的影響,故而實(shí)際握力還應(yīng)按以下計(jì)算:3.5)三NK1K2式中,n手部的機(jī)械效率,一般n=0.850.95;k1安全系數(shù),一般取k1=1.22;k2工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響,按下式估算:k2=l+a/g,其中,a為被抓取工件傳送過(guò)程中的最大加速度,g為重力加速度。若取n=0.9;k1=1.5;k
11、2按a=g/2計(jì)算,k2=1+a/g=1.5,則$N=356.25X1.5X1.5/0.9890N3.3夾緊缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算抓取機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的握力是通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞而得到的。如圖3.3所示為夾緊缸受力分析簡(jiǎn)圖,圖中P為驅(qū)動(dòng)力,N實(shí)為握力。由圖3.4和圖3.5的受力分析可得P=2Rsina(3.6)Rh=LR|CD因?yàn)閔=lcos。=lcos(180o-p-丫+a)BCBC=lcos(p+y-a)(長(zhǎng)度取正值)BCR|=Ncosp實(shí)所以2lsinacos卩“P=2Rsina=cdN1BCcos(P+y-a)實(shí)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確定a=10o,y=120o,p=50o,l=130mm,l
12、=36mm,代入上式得CDBC2x130 x0.1736x0.642736x0.9396x890沁763N長(zhǎng)度取正直)圖3.3夾緊缸受力分析簡(jiǎn)圖Y實(shí)5圖3.53.43.4夾鉗式抓取機(jī)構(gòu)的定位誤差分析圖3.6所示的為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的示意圖。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時(shí)的情況。其中,ab為手指長(zhǎng)度,即手指的回轉(zhuǎn)中心A到V形槽頂點(diǎn)B之間的距離;20為V形槽的夾角;0為偏轉(zhuǎn)角,即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角;R為工件的半徑。圖3.6工件的中心C與手指的回轉(zhuǎn)中心A之間的距離x可由下式求得:X=2AB+12BC-21AB1BCcosP=2AB+2一212ABcosPx2(R1sin0
13、cos*AB=1(1sinp)2(1sin0sinP)2ABAB其曲線如圖3.7所示。圖中曲線表示了X隨R變化的關(guān)系,12AB+2-2lABcosPi112+ABsin0丿2-2lABsin0丿cosP將上式整理后得x-(R-1sin0cosP+12sin2psin20abAB此式為雙曲線方程而且X的變化是以RO為分界線左右對(duì)稱(chēng)的。當(dāng)工件的半徑由Rmax變化到Rmin時(shí),X的最大變化量即為定位誤差,其值為圖3.7在設(shè)計(jì)手指時(shí),只要給定手指的長(zhǎng)度lAB,選取合適的偏轉(zhuǎn)角P,即可根據(jù)工件的最大直徑Rmax和最小直徑Rmin確定定位誤差。為了減少定位誤差,可加大手指的長(zhǎng)度,會(huì)使結(jié)構(gòu)增大,重量增加。另
14、外,選擇最佳的偏轉(zhuǎn)角0,也可使定位誤差最小。(Rmax豐Rmin當(dāng)R等于平均半徑RmRm=凹叱空竺時(shí),定位誤差最小,此時(shí)2Vmin飛12AB+2-21ABcospe一1sinpeABJ2AB+2-21ABcospe一1sinpeAB式中,pe最佳偏轉(zhuǎn)角。35夾緊液壓缸主要尺寸的確定3.5.1液壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算由單桿活塞式液壓缸的推力公式:F=pA(3.7)11式中,F(xiàn)液壓缸的推力(N);1p系統(tǒng)的工作壓力,p=2.5Mpa=2.5N/mm2;A活塞的作用面積(mm2)1兀A二一D214D活塞直徑(mm)。推導(dǎo)得出:FD=1.13(3.8)pnm式中,F(xiàn)驅(qū)動(dòng)力,即液壓缸的實(shí)際工作載荷(N);1p
15、系統(tǒng)的工作壓力,p=2.5Mpa=2.5N/mm2;Hm機(jī)械效率,一般取Hm=0.95;D液壓缸內(nèi)徑(mm)。將上述數(shù)值代入得|763D=1.13=20.25mmx0.95按GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整,取D=32mm。3.5.2活塞桿直徑d的計(jì)算根據(jù)速度比的要求來(lái)計(jì)算活塞桿直徑dd二D:口(3.9)式中,d活塞桿直徑(mm);D液壓缸直徑(mm);申速度比:vD2申=2=vD2-d2v活塞桿的縮入速度(mm/min);2V活塞桿的伸出速度(mm/min)。1液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比,與系統(tǒng)工作壓力的關(guān)系如下表3.1工作壓力p/MPaW1012.52020速度比屮1.331.46;
16、22由于本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)工作壓力為2.5MPa,故選用速度比屮為1.33。不同速度比時(shí)活塞桿直徑d和液壓缸內(nèi)徑D的關(guān)系如下表3.2:1.151.251.331.462d0.36D0.45D0.5D0.56D0.71D按GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整,取d=14mm。3.5.3液壓缸壁厚的計(jì)算對(duì)于低壓系統(tǒng),液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計(jì)算:式中,6ppD3.10)液壓缸缸筒厚度(mm);p試驗(yàn)壓力(MPa),工作壓力pW16MPa時(shí),pp=1.5p;工作壓力pp鼻16MPa時(shí),p=1.25p,由于本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)壓力為p2.5MPa,故p=1.5Xp2.5=3.75Mpa;D液壓缸
17、內(nèi)徑(mm);缸材料體的許用應(yīng)力(MPa):=bn缸體材料的抗拉強(qiáng)度MPa);n安全系數(shù),n=3.55,=100120=100110=100110=60一般取n=5。MPa對(duì)于:鍛鋼鑄鋼鋼管鑄鐵現(xiàn)選用鑄鐵材料,=60Mpa。將以知數(shù)據(jù)代入上式得MPaMPa3.75x325=1mm2x60因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要,取5=10mm。3.5.4液壓缸外徑D及長(zhǎng)度I的計(jì)算D=D+25=32+2x10=52mm0LW(2030)DO,由結(jié)構(gòu)需要確定,取l=60mm。3.5.5液壓缸行程S的確定根據(jù)課題要求以及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求按GB/T2349-1980標(biāo)準(zhǔn)系列確定液壓缸活塞行程為450mm。第4章送放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.
18、1概述(1)送放運(yùn)動(dòng)改變被抓取物體的位置和方向,并將其送放到一定的目的位置上,這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為送放運(yùn)動(dòng)。送放運(yùn)動(dòng)是機(jī)械手或機(jī)器人或機(jī)器人最主要的運(yùn)動(dòng),包括手臂、手腕和行走裝置的運(yùn)動(dòng),但不包括機(jī)械手或機(jī)器人手爪抓取物體的動(dòng)作。因此,抓取動(dòng)作只具有抓取功能,不能改變被抓取物的位置和方向,因而不是送放運(yùn)動(dòng)。送放運(yùn)動(dòng)又可分為主運(yùn)動(dòng)和輔運(yùn)動(dòng)兩部分,手臂的運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng),手腕的運(yùn)動(dòng)和整機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)為輔運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)決定送放運(yùn)動(dòng)的空間范圍的形狀和性質(zhì),輔運(yùn)動(dòng)可擴(kuò)大送放運(yùn)動(dòng)或改變被送放物體在空間的方位。(2)送放范圍機(jī)械手或機(jī)器人將被抓取的物體送放到某一位置,其所能達(dá)到的空間范圍稱(chēng)為機(jī)械手或機(jī)器人的送放范圍。當(dāng)送
19、放位置為一點(diǎn)時(shí),稱(chēng)為點(diǎn)位送放;當(dāng)送放位置在一個(gè)確定的表面內(nèi)(如矩形面、扇形面、圓柱面)時(shí),這樣的送放范圍稱(chēng)為面位送放;當(dāng)送法的位置在一個(gè)確定的空間體內(nèi)(如長(zhǎng)方體、圓柱體、球體、多球體)時(shí),這樣的送放范圍稱(chēng)為體位送放。點(diǎn)位送放、面位送放、體位送放均由主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式、自由度及其組合來(lái)決定。(3)送放圖形送放范圍可用送放圖形(送放運(yùn)動(dòng)的軌跡或空間的形狀及大?。﹣?lái)描述。點(diǎn)位送放的送放位置為確定的點(diǎn),其主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)自由度。其運(yùn)動(dòng)形式為直線運(yùn)動(dòng)時(shí),送放圖形為一直線;為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),送放圖形為一圓?。粸閺?fù)合運(yùn)動(dòng),送放圖形為一空間曲線。面位送放,其送放圖形為一確定的表面,由兩個(gè)參變量決定,故主運(yùn)動(dòng)需要兩個(gè)自
20、由度。其送放圖形為三種不同的情況:兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組合,送放圖形為一矩形面;兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合時(shí),送放圖形為一圓弧面;一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合時(shí),送放圖形為一扇形面(如手臂伸縮和手臂回轉(zhuǎn)組合)或圓柱面(如手臂升降和手臂回轉(zhuǎn)組合。體位送放,其送放圖形為一個(gè)確定的空間體,故主運(yùn)動(dòng)有三個(gè)自由度。其送放圖形也有幾種不同的情況:三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組合時(shí),送放圖形為一空間立方體;兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合時(shí),送放圖形為一空間圓柱體;兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組合是,送放圖形為一空間組合體;三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合時(shí),送放圖形為空間球體或多球體。(4)送放運(yùn)動(dòng)的自由度送放運(yùn)動(dòng)具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目,即送放運(yùn)動(dòng)的自由
21、度,亦即機(jī)械手或機(jī)器人的自由度。它等于主運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)和輔運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)之和。一般情況下,主運(yùn)動(dòng)有13個(gè)自由度:當(dāng)主運(yùn)動(dòng)有1個(gè)自由度時(shí),送放圖形為點(diǎn)位送放;當(dāng)主運(yùn)動(dòng)有2個(gè)自由度時(shí),送放圖形為面位送放;當(dāng)主運(yùn)動(dòng)有3個(gè)自由度時(shí),送放圖形為體位送放。如果采用多關(guān)節(jié)的送放機(jī)構(gòu),則機(jī)械手的主運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)還可以增加,但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,故實(shí)際應(yīng)用不多。此時(shí),宜采用增設(shè)輔運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)增加機(jī)械手的功能,如增加腕部的平移或整機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)以擴(kuò)大送放范圍,或增設(shè)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)以改變被送放物的方位。機(jī)械手有幾個(gè)自由度就說(shuō)明有幾個(gè)送放運(yùn)動(dòng)。自由度越多,送放動(dòng)作也越多,則機(jī)械手越靈活,其送放范圍也越大,但機(jī)械手也越復(fù)雜。
22、本次所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的送放機(jī)構(gòu)共有5個(gè)自由度,即主運(yùn)動(dòng)有3個(gè)自由度(手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰)、輔助運(yùn)動(dòng)有2個(gè)自由度(腕部的回轉(zhuǎn)、擺動(dòng)),為體位送放,全部采用液壓驅(qū)動(dòng),分別由兩個(gè)直動(dòng)液壓和三個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖4.1所示:圖4.1液壓系統(tǒng)的工作原理圖4.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定4.2.1.液壓缸工作載荷的確定4.1)R=Rt+Rf+RmRt二Rw土Rg(4.2)式中,R液壓缸的工作載荷;Rw液壓缸軸線方向上的外作用力;Rg液壓缸軸線方向上的重力;Rf運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力;Rm運(yùn)動(dòng)部件的慣性力。非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械的液壓缸設(shè)計(jì),按實(shí)際計(jì)算出工作壓力后,還應(yīng)符合液壓缸額定工作壓力系列
23、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(JB2183-77),本設(shè)計(jì)確定的系統(tǒng)工作壓力為2.5Mpa。4.2.2.液壓缸推力的確定當(dāng)液壓缸工作壓力確定之后,即可計(jì)算出液壓缸的推力。對(duì)于活塞式液壓缸,液壓缸的推力為P=pA(4.3)式中,P系統(tǒng)的工作壓力;A活塞的有效工作面積。4.2.3.液壓缸流量的計(jì)算液壓缸的工作流量為q=Av(4.4)式中,v液壓缸或活塞桿的速度;A液壓缸的有效工作面積。因此,只要確定出液壓缸的直徑D,就可求出活塞或液壓缸的有效工作面積,從而可求得液壓缸的推力和流量?;蛘?,根據(jù)各缸的實(shí)際工作載荷P,先求出活塞或液壓缸的有效工作面積A,再確定各缸的直徑D。4.2.4.液壓缸基本尺寸的確定(1)活塞缸直徑D
24、的確定無(wú)桿腔工作時(shí):4.5)4.6)D二;4R_d2p丫兀(p_p)n(p_p)12m12有桿腔工作時(shí):D=亟+d2pi兀(p_p)n(p_p)112m12式中,Pi系統(tǒng)的工作壓力,Pi=2.5Mpa;P2nm回油腔的壓力;-機(jī)械效率,一般取耳m=0.95;R液壓缸的工作載荷;d活塞桿的直徑。按上式計(jì)算后,還應(yīng)按JB2183-77取規(guī)定系列的直徑值。(2)活塞桿直徑d的確定活塞桿直徑可按工作壓力確定,對(duì)于常用速比的液壓缸也可根據(jù)已定的缸徑D查下表:液壓缸工作壓力(MPa)W5577活塞桿直徑d(0.50.6)D(0.60.7)D0.7D另外,當(dāng)液壓缸速度在610m/s左右時(shí),也可按活塞往返的工
25、作速度之比來(lái)確定活塞桿直徑:d=D一弟砰1,其中申=V2v1速比與工作壓力有如下關(guān)系:工作壓力(MPa)W1.0速比1.33(3)液壓缸壁厚6的確定1.25201.46220式中,pp試驗(yàn)壓力;液壓缸直徑;缸體材料的許用應(yīng)力。(4)液壓缸外徑D0及長(zhǎng)度l的確定D=D+260lW(2030)缸體長(zhǎng)度l根據(jù)上式由活塞行程來(lái)確定,并注意缸體的制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械手的腕部設(shè)計(jì)4.3.1腕部結(jié)構(gòu)形式的確定工業(yè)機(jī)器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件,起支承手部的作用,為了使手部處于空間任意方向,要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng),即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動(dòng)三個(gè)自由度。腕部實(shí)際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根
26、據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來(lái)確定。在多數(shù)情況下,腕部具有兩個(gè)自由度:回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動(dòng)。一些專(zhuān)業(yè)機(jī)械手甚至沒(méi)有腕部,但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動(dòng)自由度。本機(jī)械手腕部具有兩個(gè)自由度,因此采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)油缸,即回轉(zhuǎn)和擺動(dòng),且回轉(zhuǎn)范圍為0180。,擺動(dòng)范圍為090?;剞D(zhuǎn)油缸和擺動(dòng)油缸的結(jié)構(gòu)圖分別如圖4.2和圖4.3所示:e圖4.2圖4.34.3.2腕部回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力必須克服腕部啟動(dòng)時(shí)所需的慣性力矩、腕部回轉(zhuǎn)軸與支承處的摩擦力矩、動(dòng)片與缸壁和端蓋等處密封裝置的摩擦力矩,以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸心線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩,圖4.4所示為腕部受力分析。NG1G2N2圖4.4腕部
27、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必須克服三種力矩M摩、M偏和“慣,故手腕的回轉(zhuǎn)力矩M至少應(yīng)為:M二M+M+M(Nm)(4.7)摩偏慣考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素,一般將M取大一些,可取M二1.廠1.20+M+M(Nm)摩偏慣式中,M驅(qū)動(dòng)力矩;M慣慣性力矩;M偏參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片等)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩;M摩腕部回轉(zhuǎn)與支承處的摩擦力矩;以上各力矩的分析計(jì)算如下:1)腕部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣若手部啟動(dòng)時(shí)按等加速運(yùn)動(dòng),角速度為w,啟動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為卜,啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為,貝UM=(J+J)丄慣iAt4.8)/、2M=(J+J)-慣i2Ap式中,J腕部參與轉(zhuǎn)動(dòng)的各部
28、件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J1工件對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;At啟動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間,一般為0.010.5(s),這里取0.1;A啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。4.9)若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合,則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=Jc+ie21g1式中,Jc工件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;G1工件的重量;工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距;g重力加速度。本機(jī)械手腕部參與轉(zhuǎn)動(dòng)的各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下:回轉(zhuǎn)軸:對(duì)其重量進(jìn)行估算,定小直徑段為G1,大直徑段為G2,即G=p兀r2hg=7.8x103x3.14xf25x10-3Yx30 x10-3x9.8沁1.125(N)I2丿G=7.8x103x3.14xfEx10-3丫x64x10
29、-3x9.8沁0.864(N)12丿查表得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=11.4x10-61.125f0.025x2x9.8I2丿0.864f0.015+x2x9.8I2丿連接板:對(duì)其重量進(jìn)行估算,即G=p兀r2hg7.8x103x3.14xx18x10-3x9.8沁0.73(N)查表得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為6.00752+0.02222x9.820.1x10-6m2液壓缸:對(duì)其重量進(jìn)行估算,即G=p兀r2hg=7.8x103x3.14xf55x10-3JI2丿x84x10-3x9.8沁15.2(N)查表得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:gR2=2Xx0752=58$5x10-6Qm2手爪:對(duì)其重量進(jìn)行估算,即G=pKr2hg=7.8x
30、103x3.14x查表得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為x70 x10-3x9.8沁25.6(N)湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)12323 護(hù)2=再xo.。392=1986-6x10-6。m2)故腕部參與轉(zhuǎn)動(dòng)的各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和為:J=(11.4+20.1+586.5+1986.6)x10-6=2604.6x10-6Qgm2)工件對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:J1=備A2+b2+c2)=C252+0172+0142)=第2。m2)由以上計(jì)算得腕部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩為:兀M慣上0026046+1.42)x詁14張)2)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在軸頸處的摩擦力矩M摩M=-f(Rd-Rd)摩2A2B1式中,dl、d2腕部軸頸的直徑(
31、參見(jiàn)圖10);f軸承的摩擦系數(shù),對(duì)于滾動(dòng)軸承,f=0.01,對(duì)于滑動(dòng)軸承,f=0.1;RA、RB軸頸處的支撐反力。0.065同理,根據(jù)工Mb(F)=0,得按腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解RA和RB。根據(jù)工mAf)=0,得Rl+Gl=Gl+GlB332211廠Gl+Gl-Gl150 x0.278+25.6x0.05-0.5x0.032R=144=661NBl0.065式中,G、G、G工件、手部、腕部的重量;l1、l、l、l尺寸,見(jiàn)圖10。,G(l+1)+G(l+1)+G(l-1)RA=1_12233l150 xA0.278+0.065)+25.6xA0.05+0.065)+0.5xA0.065-0.0
32、32)=837.8N=2f叭2-RBd1)=卜001X(8378X.15-661X.15)=0皿Nm湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3)工件重心偏置引起的偏重力矩M偏M心(4.10)式中,G1工件重量(N);e偏心距。由于本課題的工件為250X170X140mm的箱式零件,即為對(duì)稱(chēng)的零件,因此工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合,也就是偏心距為零,故M偏為零。因此腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩為:+M+M)=1.2x(0.013+0+14.7)=17.66(Nm)偏慣2r2又腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系為:4.11)式中,M回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩;P回轉(zhuǎn)缸的工作壓力;R缸體內(nèi)壁半徑;r輸出軸半徑;b動(dòng)
33、片寬度。上述驅(qū)動(dòng)力矩M與壓力p的關(guān)系式是對(duì)應(yīng)與壓力腔的背壓為零時(shí)的情況而言的,若低壓腔有一定的背壓,則P為工作壓力與背壓的差值。腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸的確定1)液壓缸內(nèi)徑的確定由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系推導(dǎo)得缸體內(nèi)壁半徑為;+12.52二26.86mm廠if2Mi2x17.66x103R二+r2=、-Pb2.5x25其中輸出軸半徑r由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定為12.5mm。查表按標(biāo)準(zhǔn)系列圓整,取R=32.5mm,即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為65mm。2)液壓缸壁厚6的計(jì)算對(duì)于低壓系統(tǒng),液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計(jì)算:8pD4.12)式中,6液壓缸缸筒厚度(mm);p試驗(yàn)壓力(MPa),工作壓力pW
34、16MPa時(shí),p=1.5p;工作壓力p$16MPapp時(shí),p=1.25p,由于本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa,故p=1.5X2.5=3.75Mpa;pD液壓缸內(nèi)徑(mm);t缸材料體的許用應(yīng)力MPa):4.13)缸體材料的抗拉強(qiáng)度MPa);n安全系數(shù),n=3.55,般取n=5。鋼t=100120MPa=100110MPa對(duì)于:鍛鑄鋼,=100110MPa鋼管t鑄鐵t=60MPa現(xiàn)t選用鑄鐵材料,t=60Mpa將以知數(shù)據(jù)代入上式得5二3.75%65二2.03mm2x60因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要,取5=17.5mm。3)液壓缸外徑D0及寬度b的計(jì)算D=D+25=65+2x17.5=100mm0bW(2
35、030)D0,由結(jié)構(gòu)需要確定,取b=30mm。4)回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定由方案設(shè)計(jì)可知,腕部回轉(zhuǎn)行程0180C,其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4.2。腕部擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算與回轉(zhuǎn)液壓缸的計(jì)算類(lèi)似,腕部擺動(dòng)時(shí)也必須克服三種力矩M摩、“偏和M慣,故手腕的擺動(dòng)力矩M至少應(yīng)為:M=M+M+M(Nm)摩偏慣同樣考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素,一般將M取大一些,可取M二1.廠i2m+M+M(Nm)(4.14)摩偏慣式中,M驅(qū)動(dòng)力矩;M慣慣性力矩;M偏參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片等)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩;M摩腕部擺動(dòng)與支承處的摩擦力矩;以上各力矩的分析計(jì)算如下:1)腕部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生
36、的慣性力矩M慣若手部啟動(dòng)時(shí)按等加速運(yùn)動(dòng),角速度為w,啟動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為&,啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為,貝U=(J+J)1At4.15)w2M=(J+J)慣12Ap式中,J腕部參與轉(zhuǎn)動(dòng)的各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J1工件對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;w腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;At啟動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間,一般為0.010.5(s),這里取0.2;A啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合,貝轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4.16)式中,Jc工件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;G1工件的重量;e1工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距;g重力加速度。由腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算可知,腕部參與轉(zhuǎn)動(dòng)的各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)工件對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小的多,因
37、此在此僅計(jì)算工件對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。工件對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:JC=魚(yú)2+b2+C丄民252+心+14丄蟲(chóng)。-mJ由于擺動(dòng)液壓缸工作時(shí),工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合,貝由以上分析得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=Jc+1e2=1.42+x0.4462=4.4m2)g110由以上計(jì)算得腕部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩為:兀M二4.4x丄二22.75(Nm)慣0.22)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在軸頸處的摩擦力矩M摩腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在軸頸處的摩擦力矩公式為M二1f(Rd-Rd)(4.17)摩2A2B1由由腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算可知,腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在軸頸處的摩擦力矩相對(duì)與其他力矩要小的多,故此不在計(jì)算。3)工件重心偏置引起的偏重力矩M偏M汕占(41
38、8)式中,G1工件重量(N);e偏心距。由于腕部擺動(dòng)時(shí),工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合,故存在偏心力矩M二Ge二150 x0.446二66.9(Nm)偏1因此腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩為:M=1.11.+M+M)=1.11.2(M+M)=1.1x(66.9+22.75)=98.6(Nm)摩偏慣偏慣腕部擺動(dòng)液壓缸尺寸的確定1)液壓缸內(nèi)徑的確定由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系推導(dǎo)得缸體內(nèi)壁半徑為;:2x986x10*152=53.4mm廠if2M=Pb+r_2.5x30其中輸出軸半徑r由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定為15mm。查表按標(biāo)準(zhǔn)系列圓整,取R=55mm,即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為110mm。2)液壓缸壁厚
39、6的計(jì)算對(duì)于低壓系統(tǒng),液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計(jì)算:8pD4.19)式中,6液壓缸缸筒厚度(mm);p試驗(yàn)壓力(MPa),工作壓力pW16MPa時(shí),p=1.5p;工作壓力p$16MPapp時(shí),p=1.25p,由于本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa,故p=1.5X2.5=3.75Mpa;pp液壓缸內(nèi)徑(mm);缸材料體的許用應(yīng)力(MPa):4.20)缸體材料的抗拉強(qiáng)度(MPa);n安全系數(shù)n=3.55,般取n=5。對(duì)于:鍛鋼&=100120MPa鑄鋼4=100110MPa鋼管41=100110MPa鑄鐵口=60MPa現(xiàn)選用鑄鐵材料,41=60Mpao將以知數(shù)據(jù)代入上式得5二3.75%110二
40、3.43mm2x60因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要,取5=30mm。3)液壓缸外徑D0及寬度b的計(jì)算D=D+25=110+2x30=170mm0bW(2030)D,由結(jié)構(gòu)需要確定,取b=100mm。04)回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定由方案設(shè)計(jì)可知,腕部擺動(dòng)行程090。,其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4.3。4.4機(jī)械手的手臂和機(jī)身的設(shè)計(jì)4.4.1.手臂和機(jī)身結(jié)構(gòu)形式的確定手臂部件(簡(jiǎn)稱(chēng)臂部或手臂)是機(jī)械手的主要執(zhí)行部分,其作用是支承手腕及抓取機(jī)構(gòu)(包括被抓取的工件或工具),有時(shí)其他一些裝置如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)裝置也安裝在手臂上。機(jī)身則直接支承和帶動(dòng)手臂部件,并實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)、升降、俯仰等運(yùn)動(dòng)。因此,手臂的送放運(yùn)動(dòng)越多,機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受
41、力狀況也越復(fù)雜。設(shè)計(jì)手臂和機(jī)身時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:1)剛度剛體是指手臂和機(jī)身在外力作用下抵抗變形的能力。由于機(jī)械手的手臂一般都要懸伸(水平或垂直懸伸),因而手臂和機(jī)身的剛度十分重要。手臂的懸伸量越大,剛度越差,而且剛度歲懸伸距離的變化而不斷變化,因而懸伸量對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力都有很大的影響。為了提高手臂的剛度,除了盡量縮短手臂的懸伸量外,還應(yīng)合理地選擇使手臂抗彎扭能力強(qiáng)的手臂截面形狀,并合理地確定手臂的壁厚和材質(zhì),以及合理地布置受力構(gòu)件的位置和方向。2)精度機(jī)械手的精度最終反映在手部的位置精度上,在很大程度上取決與手臂和機(jī)身的精度。影響手臂和機(jī)身的精度的因素較多,主要有本身
42、的剛度、手部和腕部與手臂的連接剛度,以及手臂和機(jī)身運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向裝置和定位裝置的精度等。3)平穩(wěn)性手臂和機(jī)身的質(zhì)量較大,其運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)荷也較大,因而產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)也較大。因此,它們的工作平穩(wěn)性十分重要,將直接影響到機(jī)械手的工作質(zhì)量和壽命,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以足夠的重視。在設(shè)計(jì)時(shí)除了力求結(jié)構(gòu)合理、緊湊、重量輕、慣性小以外,還應(yīng)采取有效的緩沖措施,以便吸收沖擊能量,提高機(jī)械手的工作平穩(wěn)性。4)其他要求對(duì)于一些在特殊條件下工作的機(jī)械手,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足其他特殊的要求。例如:在高溫環(huán)境工作時(shí),應(yīng)考慮熱輻射的影響;在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下工作時(shí),應(yīng)考慮防腐蝕措施;在多用途作業(yè)環(huán)境下工作時(shí),應(yīng)考慮控制、檢測(cè)、維修方便等等。
43、手臂和機(jī)身的配置形式反映了機(jī)械手的總體布置形式,主要取決與機(jī)械手的工作要求、運(yùn)動(dòng)形式和作業(yè)環(huán)境,大致上可歸納為以下幾種:1)立柱式這種配置形式適合于回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型機(jī)械手,因而是一種最常見(jiàn)的配置形式。這種配置形式的手臂可以在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn),具有占地面積小、工作范圍的特點(diǎn)。立柱可以安裝在生產(chǎn)線上,為一臺(tái)機(jī)車(chē)服務(wù),也可以在其上加裝行走裝置,為多臺(tái)機(jī)床服務(wù)。立柱式配置形式的機(jī)械手可以做成單臂的,也可以作成雙臂的。后者通過(guò)兩臂同時(shí)升降、交臂伸縮,實(shí)現(xiàn)一手上料,一手下料,使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。2)機(jī)座式機(jī)座式配置形式的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座的形式,獨(dú)立自成系統(tǒng),便于安裝和搬動(dòng)。也可在機(jī)座上增設(shè)行走裝置,使機(jī)座能在
44、地面專(zhuān)用軌道上移動(dòng)。這種配置形式的手臂裝在機(jī)座的頂端,適合于回轉(zhuǎn)型或俯仰型機(jī)械手。這種配置形式的機(jī)械手也可以做成雙臂的或多臂的,以便同時(shí)為幾臺(tái)機(jī)床服務(wù)。3)屈伸式屈伸式配置形式的小臂相對(duì)于大臂可以作屈伸運(yùn)動(dòng),大臂又可相對(duì)于機(jī)身作回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。因此,手臂夾持中心的運(yùn)動(dòng)軌跡為一空間曲線。這種配置形式能有效地利用空間,并能繞過(guò)障礙物夾持和送放工件,但使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。4)懸掛式懸掛式配置形式的機(jī)身設(shè)有橫梁,用于懸掛手臂,這種配置形式主要用于直角坐標(biāo)式機(jī)械手。橫梁可設(shè)計(jì)成固定的,也可以設(shè)計(jì)成移動(dòng)的。一般情況下,橫梁可安放在廠房原有的建筑物上。本機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式,手臂運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向裝置為雙導(dǎo)向桿式
45、,兩導(dǎo)向桿對(duì)稱(chēng)配置在驅(qū)動(dòng)油缸的兩側(cè)。4.4.2.手臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力(包括力矩)時(shí),要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)器人工作時(shí),臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。1)手臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算下圖4.4所示的為手臂作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析。sG4R1GPAR2G3G2G1圖4.4當(dāng)壓力油輸入工作腔時(shí),活塞驅(qū)動(dòng)手臂前伸。其驅(qū)動(dòng)力應(yīng)克服手臂在前伸啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力、手臂運(yùn)動(dòng)部件與密封裝置的摩擦阻力,以及回油腔的壓力(即負(fù)壓)。因此,驅(qū)動(dòng)力為P摩封P=P+P+P+P慣摩封背式中,卩慣手臂啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力;摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸體之間的摩擦阻力);密封裝置
46、處的摩擦阻力,用不同形式的密封裝置,其摩擦阻力不同油缸非工作腔的壓力(即背壓)所造成的阻力,若非工作腔與油箱或大氣相通,則背=0。2)手臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩為M,該力矩應(yīng)與手臂啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩“慣以及密封裝置所產(chǎn)生的阻力矩必封平衡(略去軸承處的摩擦),因此:M二M+M慣封式中,“慣慣性力矩;M封密封裝置處的摩擦力矩。一般,“慣按下式計(jì)算:M=J=J(4.21)慣0M式中,回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度增量,在啟動(dòng)過(guò)程中,人二;At啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間;J0手臂回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若手臂回轉(zhuǎn)部件的重心與回轉(zhuǎn)軸線不重合,則其部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為GJ=Je+
47、一p2(4.22)0g式中,Je回轉(zhuǎn)部件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;p回轉(zhuǎn)部件的重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。當(dāng)手臂部件尺寸不大,而且其重心位置距回轉(zhuǎn)軸線又較遠(yuǎn)時(shí),可認(rèn)為手臂部件為“質(zhì)點(diǎn)”,則按下式計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:4.23)另外,在初算驅(qū)動(dòng)力矩時(shí),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,也可以用效率參數(shù)來(lái)考慮各密封裝置的摩擦阻力的影響,則可按下式計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩:4.24)式中,回轉(zhuǎn)缸的效率,取=0.850.90。由上述可知,要減少驅(qū)動(dòng)力矩,必須減少啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩,應(yīng)盡量減少手臂的懸伸量,盡量使運(yùn)動(dòng)部件的總重心趨近手臂的回轉(zhuǎn)軸線,并將手臂縮回后再進(jìn)行回轉(zhuǎn)。3)手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算下圖4.5所示為手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析圖。圖
48、4.5由圖可知,當(dāng)手臂與水平線成仰角01和俯角02時(shí),鉸接活塞缸的驅(qū)動(dòng)力P的作用線與垂直線的夾角a在al與a2的范圍內(nèi)變化。而作用在活塞上的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩與手臂的俯仰角0有關(guān),當(dāng)手臂處在仰角為01的位置OA1時(shí),驅(qū)動(dòng)力矩為M=Pbcos(a+p)(4.25)11因?yàn)槎远鳤DBCtga=1=1AD=BC丿1ODOD1111BC=bcosp-aOD=c+bsinp1111bcosp-aTOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark208 a=arctg1c+bsinP1(bcosp-a、 HYPERLINK l bookmark214 M=Pbcosar
49、ctg1+p HYPERLINK l bookmark210 .c+bsinp1丿1P-P-P封背4.26)式中,a,b,c機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸(參見(jiàn)圖4.5)P作用于活塞上的驅(qū)動(dòng)力;P液壓缸的工作壓力;D活塞缸的內(nèi)徑;P封P背密封裝置的摩擦阻力;非工作腔的油壓(背壓),當(dāng)非工作腔通油箱或大氣時(shí)背=0。當(dāng)手臂處在俯仰02的位置OA2時(shí),驅(qū)動(dòng)力矩為M=Pbcos(a一p)224.27)因?yàn)锳EAEtga=2=22OEOC一EC11AE=BC=OB一OC=bcosp222所以O(shè)C=c1EC=AB=bsinp222bcosp-aa=arctg2小2c一bsinp2(bcosp-aM=Pbcosarctg
50、2-.cbsinP2當(dāng)手臂處在水平位置時(shí),0=0,驅(qū)動(dòng)力矩為b一aM=Pbcosarctg手臂俯仰時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩,應(yīng)克服手臂部件的重量對(duì)回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩、手臂啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副處的摩擦力矩,即M=M土M+M偏慣摩式中,M偏仰運(yùn)動(dòng)時(shí)手臂部手臂作俯件總質(zhì)量對(duì)回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩,當(dāng)手臂上仰時(shí)為正,下俯時(shí)為負(fù);M慣手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力矩;M摩手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí),各運(yùn)動(dòng)副處的摩擦力矩。因在手臂與立柱連接處一般都用滾動(dòng)軸承,摩擦阻力較小,故摩擦力矩可忽略不計(jì),則上式可簡(jiǎn)化為M=M土M偏慣各缸主要尺寸的計(jì)算結(jié)果如下表所示。表4.1各缸的主要尺寸mm液壓缸名稱(chēng)內(nèi)徑D外徑D0寬度b桿徑d
51、厚度5長(zhǎng)度l立柱回轉(zhuǎn)液壓缸1402106035手臂俯仰液壓缸4050285265手臂伸縮液壓缸8090365550腕部擺動(dòng)液壓缸11017010030腕部回轉(zhuǎn)液壓缸651003017.5液壓系統(tǒng)元件的選擇由于機(jī)械手操作時(shí)各個(gè)液壓缸不同時(shí)工作,手臂伸縮和立柱回轉(zhuǎn)所需的流量最大,其余流量均較小,因此選用雙聯(lián)葉片泵,其型號(hào)為YB-6/40,系統(tǒng)壓力為2.5MPa,電機(jī)功率為5.5KW,同步轉(zhuǎn)速為1500r/min,并考慮到集中供油、維護(hù)方便等原則,確定液壓系統(tǒng)各元件的型號(hào)如下:溢流閥:YQ6/63;單向閥:Y10B;調(diào)速閥:Q63B;節(jié)流閥:L-25B;換向閥:34E-63B、22E-25B、24E
52、-10B。液壓系統(tǒng)回路的分析本機(jī)械手的送放機(jī)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由一些液壓基本回路組成的,主要有以下一些回路。4.6.1.調(diào)壓回路液壓系統(tǒng)的壓力必須與負(fù)載相適應(yīng),以節(jié)約動(dòng)力消耗和減少發(fā)熱。本機(jī)械手采用雙聯(lián)定量泵供油,用溢流閥來(lái)調(diào)節(jié)壓力,使系統(tǒng)在恒定的壓力下工作,下圖4.6所示的為調(diào)壓回路圖。圖4.64.6.2.緩沖回路手臂伸縮液壓缸中流量較大,進(jìn)油壓力也較大,故在定位前采用二位二通電磁閥換接可調(diào)節(jié)流閥,以實(shí)現(xiàn)減速緩沖,如圖4.7所示。手臂伸縮液壓缸圖4.74.6.3.調(diào)速回路本機(jī)械手是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用回油路節(jié)流調(diào)速,如下圖4.8所示。這種調(diào)速回路由于回油腔存在背壓,故具有承受負(fù)值負(fù)載的能力。圖4
53、.84.6.4換向回路本機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用三位四通換向閥實(shí)現(xiàn)換向功能。4.6.5.鎖緊回路采用O型機(jī)能的三位四通換向閥,如圖4.9所示,滑閥在中間位置時(shí)油口全閉,油路不通,液壓缸鎖緊。由于液壓缸內(nèi)充滿(mǎn)液壓油,故從靜止到啟動(dòng)較平穩(wěn),換向沖擊小,換向復(fù)位位置較準(zhǔn)確。-I圖4.94.6.6保壓回路如圖4.10所示,采用蓄能器保壓。當(dāng)12DT斷電時(shí),手爪放松,油泵給蓄能器充油。當(dāng)12DT通油時(shí),蓄能器和油泵通過(guò)12DT同時(shí)給油缸供油,手爪夾緊工件。當(dāng)因停電等原因油泵停止供油時(shí),蓄能器通過(guò)12DT給油缸供油,使工件不會(huì)因停電等原因而脫落。LJ圖4.10第5章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本機(jī)械手共有5個(gè)自由度,每
54、一個(gè)自由度必須配置一個(gè)原動(dòng)件液壓油缸,另外還有一個(gè)夾緊液壓油缸,共計(jì)6個(gè)驅(qū)動(dòng)液壓油缸。每個(gè)液壓油缸均采用電磁換向閥換向,并采用行程定位控制。這是一種用機(jī)械擋塊與電氣開(kāi)關(guān)相結(jié)合的行程定位控制方法。在行程的終點(diǎn)和始點(diǎn)均利用缸筒端蓋與活塞相碰而定位,并用壓力繼電器和時(shí)間繼電器發(fā)出信號(hào),切斷油路。機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊,當(dāng)機(jī)械手減速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí),緊靠擋塊而定位。若定位前緩沖較好,定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除,在驅(qū)動(dòng)壓力下將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械當(dāng)塊上,或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達(dá)到較高的定位精度,最高可達(dá)正負(fù)0.02毫米,若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)油路、去掉驅(qū)動(dòng)力矩,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件不能緊靠在機(jī)械擋塊上,定位精
55、度就會(huì)減低,其減低的程度與定位前的緩沖效果和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)剛度等因素有關(guān)。由于時(shí)間關(guān)系,本次設(shè)計(jì)未對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)作詳細(xì)設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版第2卷.化學(xué)工業(yè)出版社,2001.4吳振彪.工業(yè)機(jī)器人.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2003.1王承義.機(jī)械手及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.6沈興全、吳秀玲.液壓傳動(dòng)和控制.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.1孫桓、陳作模.機(jī)械原理第六版.北京:高等教育出版社,2000.8濮良貴、紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)第七版.北京:高等教育出版社,2004.5諸靜.機(jī)器人與控制技術(shù).杭州:浙江大學(xué)出版社,1991陳鐵鳴主編新編機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè)M.
56、北京:高等教育出版社,2003甘永立主編.幾何量公差與檢測(cè)主編.上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,2005.7于永泗、齊民機(jī)械工程材料第五版大連:大連理工大學(xué)出版社,2003.5周開(kāi)勤機(jī)械零件手冊(cè)M北京:高等教育出版社,1989孔慶華主編機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2004.7哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室理論力學(xué)北京;高等教育出版社,2003.7劉鴻文主編材料力學(xué)M北京:高等教育出版社,2004.1鄒慧君主編機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京:高等教育出版社,1998.6致謝經(jīng)歷了一個(gè)學(xué)期的艱苦奮戰(zhàn)之后,我終于完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)是我們?cè)趯W(xué)完四年工科課程后進(jìn)行的一次綜合性的、系統(tǒng)性的、理論
57、聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)活動(dòng),我認(rèn)為自己從中獲益匪淺。通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)得到了鞏固,設(shè)計(jì)能力得到了提高。設(shè)計(jì)中我還使用了AUTOCAD,CAXA,PRO/E和Solidwork等電腦繪圖軟件,通過(guò)使用這些軟件,使我運(yùn)用電腦繪圖能力也得到了很大的提高。同時(shí),也進(jìn)一步加強(qiáng)了我嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的良好習(xí)慣,這將為我以后的工程技術(shù)人員道路打下良好的基礎(chǔ)。在這次設(shè)計(jì)中,我得到了顏竟成教授和其他老師的悉心關(guān)懷和幫助。在此,我向他們致以深深的謝意。特別感謝顏竟成教授不斷地督促、指導(dǎo)。顏教授的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、孜孜以求的工作作風(fēng)都對(duì)我產(chǎn)生重要影響。還要感謝我的同學(xué)和朋友,他們幫我解決了許多的難題,并為我
58、的設(shè)計(jì)提出了許多的寶貴意見(jiàn)。同時(shí),我還要感謝其他專(zhuān)業(yè)老師在大學(xué)四年中對(duì)我的鼓勵(lì)和指導(dǎo),他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。在此我也衷心的感謝他們。最后,衷心感謝在百忙之中抽出時(shí)間審閱本論文的專(zhuān)家、教授。由于本人知識(shí)水平有限,文中不免有不妥之處,敬請(qǐng)各位專(zhuān)家、教授不吝批評(píng)和指正。2007年5月于湖南工業(yè)大學(xué)董婷高速數(shù)控齒輪磨床的一種無(wú)噪音磨削主軸TakashiEmura,LeiWang,HisashiNakamura,MasashiYamanaka和YasushiTeshigawara精密工程和機(jī)械部,Tohoku大學(xué)Aoba,Aramaki,Aobaks,仙臺(tái),980-77日本摘要本文作者為
59、汽車(chē)工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC(數(shù)控型)齒輪磨床。這一數(shù)控機(jī)器需要在磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸間保持高度同步性。我們必須使用高壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)變壓器來(lái)滿(mǎn)足高速磨床的規(guī)格。然而,由于高壓驅(qū)動(dòng)變壓器在PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))頻率上會(huì)引起很大的電波,并產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音,所以很難在主軸之間保持穩(wěn)定的同步云運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,作者試著使用二相型PLL制成無(wú)噪音高速同步主軸,并試著通過(guò)一種電流過(guò)濾器來(lái)減少電波引起的噪音。本文將描述減少噪音的方法及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.介紹齒輪研磨需要花費(fèi)極多的磨削時(shí)間,而且在齒輪的大批量生產(chǎn)中會(huì)阻礙生產(chǎn)效率的提高。因此,作者為汽車(chē)工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC齒輪磨床,這正是效率最高的齒輪生產(chǎn)工廠。這種機(jī)
60、器需要二大高壓伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸。這兩種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也必須有高度同步控制且能高速運(yùn)轉(zhuǎn)。作者使用高壓高速伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸。舉例來(lái)說(shuō),磨削主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定的功率22kw,額定的輸出量扭矩22N-m,及最大轉(zhuǎn)速10000r/min。運(yùn)轉(zhuǎn)主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定功率16kw,額定輸出量扭矩82N-m,及最大轉(zhuǎn)速2000r/min。這些驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)由PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))型變壓驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng),而這種PWM型高壓變壓器會(huì)在PWM頻率的電流中引起很大的電波。由于這種強(qiáng)大電波引發(fā)了強(qiáng)烈噪音,將影響控制系統(tǒng),難以實(shí)現(xiàn)高度同步控制。因此,作者試著使用二相型PLL(分步鎖槽)制成無(wú)噪音高速同步主軸,
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