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索氏抽提仪通用性强的机器人手腕机构的自由度为

发布时间:2016-12-22 10:35:00 点击:

加手腕自由度,会使手腕结构复杂,运 动控制难度加大。索氏抽提仪因此,一般手腕机构 的自由度为 $ % & 个即能满足作业要 求。通用性强的机器人手腕机构的自由度为 ’,而某些专业工业机器人的手腕 机构则视作业实际需要可减少其自由度数,甚至可以不要手腕。 手腕机构的形式很多,下面介绍一种应用最广的具有两个自由度的手腕机 构。 图 !"!$ 手腕机构 图 !"!$ 所示的手腕机构由圆锥齿 轮 !•●、",系杆 # ( $ 和小臂 # ( & 组成 的差动轮系,由两个驱动传动装置传 动。通常驱动电机安装在大臂关节上, 经谐波减速器减速后,用链传动将运动 传到链轮 $•●、& 上。链轮 $ 使手腕壳体 # ( $ 相对小臂 # ( & 实现上下俯仰摆 动(#);链轮 & 经圆锥齿轮 !•●、" 传动使 手腕末杆(其上装有夹持器)# 相对手 腕壳体 # ( $ 作回转运动(!# )。故该手腕机构具有两个自由度。若设两链轮 $•●、& 的输入角分别为!$ 和!& ,则手腕末杆 # 的回转运动角!# 可由下式确定 !# )(!& (!$ )$! $" (!"$!) 由式(!"$!)可知,手腕末杆的转角!# 不仅与末杆驱动转角!& 有关,而且与 前一杆 # ( $ 的驱动转角!$ 有关,即!$ 角也能引起!# 角的变化,我们把这种运 $#* 第!章 平面连杆机构及其设计 动称为诱导运动。 在作手腕机构的运动设计时,要注意大•●、



小手臂的关节转角对末端操作器的 俯仰角均可能产生诱导运动。此外,手腕机构的设计还要注意减轻手臂的载荷, 应力求手腕部件的结构紧凑,减小其重量和体积,以利于手腕驱动传动装置的布 置和提高手腕动作的精确性。 !" 末端执行器的设计 机器人的末端执行器是直接执行作业任务的装置。通常末端执行器的结构 和尺寸都是根据不同作业任务要求专门设计的,从而形成了多种多样的结构型 式。根据其用途和结构的不同可分为机械式夹持器,吸附式执行器和专用工具 (如焊枪•●、喷嘴•●、电磨头等)三类。就工业机器人中应用的机械式夹持器形式而 言,多为双指手爪式,按其手爪的运动方式又可分为平移型(图 !"!#$)和回转型。 回转型手爪又可分为单支点回转型(图 !"!#%)和双支点回转型(图 !"!#&);按其 夹持方式又可分为外夹式和内撑式(图 !"!#’)。此外,按驱动方式则有电动•●、液 压和气动三种。 图 !"!# 末端执行器 图 !"!( 机械式单支点回 转型夹持器因工件直径变动 引起工件轴心的偏移量! 设计末端执行器时,无论是夹持式或吸附式,都需要有足够的夹持(吸附)力 和所需要的夹持位置精度。用机械式单支点回转型夹持器来夹持工件时(图 !"!(),由于所夹持工件的直径有变动时,将引起工件轴心的偏移量!(称为夹持 误差),因其值相对较大,故其夹持位置精度较低。为了改善夹持精度,可采用双 支点回转型夹持器或采用平移型夹持器,其夹持位置精度几乎不受工件直径大 小的影响。 同样,在设计末端执行器时,应尽可能使其结构简单,紧凑•●、重量轻,以减轻 手臂的负荷。 !"! 平面四杆机构的设计 +*) 工业机器人操作机手臂机构和手腕机构的驱动传动系统设计也是操作机机 械设计的重要环节,传动系统的设计根据机器人完成作业任务的不同,和驱动方 式的不同而有很大区别,此处不再多作介绍,设计时可参阅有关著作。 小 结 平面四杆机构是由四个刚性构件用低副(回转副或移动副)连接而成的。所 有构件均在同一平面内或相互平行的平面内运动。由于低副是面接触,加工容 易,润滑条件较好,可承受较大的冲击载荷,因此平面四杆机构获得广泛的应用。 平面四杆机构中,以铰链四杆机构最具有代表性,而铰链四杆机构的最基本 形式是曲柄摇杆机构,其他类型的四杆机构都可视作在曲柄摇杆机构的基础上 演化出来的。例如在曲柄摇杆机构 !"#$ 中(图 !"#!),若取 !" 构件为机架,因 !" 构件与 "#•●、!$ 构件均可相对作一整圈转动,故 "#•●、!$ 构件均为曲柄,得双 曲柄机构。若取 #$ 构件作为机架,因 #$ 构件与 "#•●、!$ 构件均不能相对转一 整圈,则 "#•●、!$ 构件均为摇杆,得双摇杆机构。在曲柄摇杆机构的基础上,通 过其他演化途径(扩大回转副,回转副转化为移动副)可获得偏心轮机构•●、曲柄滑 块机构等等。 在铰链四杆机构中,当主动曲柄以等速绕回转副中心回转时,从动摇杆则作 来回的变速摆动,正反行程摆动的平均速度不同,回程的平均速度较高,故具有 急回作用,可提高工效。大部分的平面四杆机构都具有急回作用。 平面四杆机构可实现从动构件所需的运动规律或所需的运动轨迹。平面四 杆机构设计主要有图解法•●、实验法和解析法。其中图解法•●、实验法直观,主要利 用反转法等原理进行设计,但不精确和不连续。解析法精度高,可连续求解,并 可在计算机上编程操作是目前发展的方向。 习 题 !"# 在铰链四杆机构 !"#$ 中,若 !"•●、"#•●、#$ 三杆的长度分别为:% $ %#& ’’,& $ #(& ’’,’ $ )*& ’’,机架 !$ 的长度 ( 为变量。试求: (%)当此机构为曲柄摇杆机构时,( 的取值范围;



 (#)当此机构为双摇杆机构时,( 的取值范围; ())当此机构为双曲柄机构时,( 的取值范围。 !"$ 如题 !"# 图所示为转动翼板式油泵,由四个四杆机构组成,主动盘绕固定轴 ! 转动, 试画出其中一个四杆机构的运动简图(画图时按图上尺寸,并选取比例尺!) $ &"&&& + ’,’’,即 按图上尺寸放大一倍),并说明它们是哪一种四杆机构。 !"% 试画出题 !") 图所示两个机构的运动简图(画图要求与题 !"# 相同),并说明它们是 哪一种机构。 %%& 第!章 平面连杆机构及其设计 题 !"# 图 题 !"$ 图 !"! 题 !"! 图所示为一偏置曲柄滑块机构,试求杆 !" 为曲柄的条件。若偏距 # % &,则 杆 !" 为曲柄的条件又如何? 题 !"! 图 !"# 在题 !"’ 图所示的铰链四杆机构中,各杆的长度为 $( % #) **,$# % ’# **,$$ % ’& **,$! % +# **,试求: 习 题 ((( 题 !"# 图 ($)当取杆 ! 为机架时,该机构的极位夹角!•●、杆 % 的最大 摆角"•●、最小传动角#&’( 和行程速比系数 !; ())当取杆 $ 为机架时,将演化成何种类型的机构?为什 么?并说明这时 "•●、# 两个转动副是周转副还是摆转副; (%)当取杆 % 为机架时,又将演化成何种机构?这时 $•●、% 两个转动副是否仍为周转副? !"# 设曲柄摇杆机构 $%"# 中,杆 $%•●、%"•●、"#•●、$# 的长 度分别为:& * +, &&,’ * $-, &&,( * )+, &&,) * )#, &&,$# 为机架。试求: ($)行程速度变化系数 !; ())检验最小传动角#&’( ,许用传动角[#]* !,.。 !"$ 偏置曲柄滑块机构中,设曲柄长度 & * $), &&,连杆长度 ’ * -,, &&,偏距 * * $), &&,曲柄为原动件,试求: ($)行程速度变化系数 ! 和滑块的行程 +; ())检验最小传动角#&’( ,[#]* !,.; (%)若 & 与 ’ 不变,* * , 时,求此机构的行程速度变化系数 !。 题 !"+ 图 !"% 插床中的主机构,如题 !"+ 图所示,它是由转 动导杆机构 $"% 和曲柄滑块机构 $#, 组合而成。已知 -$% * $,, &&,-$# * +, &&,试求: ($)当插刀 , 的行程速度变化系数 ! * $"! 时,曲柄 %" 的长度 -%" 及插刀的行程 +; ())若 ! * ) 时,则曲柄 %" 的长度应调整为多少? 此时插刀 , 的行程 + 是否变化? !"& 题 !"/ 图所示两种形式的抽水唧筒机构,图 0 以构件 $ 为主动手柄,图 1 以构件 ) 为主动手柄。设两 机构尺寸相同,力 . 垂直于主动手柄,且力 . 的作用线 距点 % 的距离相等,试从传力条件来比较这两种机构哪 一种合理。 !"’( 题 !"$, 图所示为脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构。铰链中心 $•●、% 在铅垂线上,要求 踏板 #" 在水平位置上下各摆动 $,.,且 /#" * #,, &&,/$# * $ ,,, &&。试求曲柄 $% 和连杆 %" 的长度 /$% 和 /%" ,并画出机构的死点位置。 !"’’ 题 !"$$ 图所示为一实验用小电炉的炉门装置,在关闭时为位置 0$ ,开启时为位置 0) ,试设计一四杆机构来操作炉门的启闭(各有关尺寸见图)。在开启时炉门应向外开启,炉 门与炉体不得发生干涉。而在关闭时,炉门应有一个自动压向炉体的趋势(图中 1 为炉门质 心位置)。%•●、" 为两活动铰链所在位置。 $$) 第!章 平面连杆机构及



其设计 题 !"# 图 题 !"$% 图 题 !"$$ 图 !"#$ 题 !"$& 图所示为一双联齿轮变速装置,用拨叉 !" 操纵双联齿轮移动,现拟设计 一个铰链四杆机构 #$%!;操纵拨叉 !" 摆动。已知:&#! ’ $%% ((,铰链中心 #•●、! 的位置如图 所示,拨叉行程为 )% ((,拨叉尺寸 &"! ’ &!% ’ !% ((,固定轴心 ! 在拨叉滑块行程的垂直平 分线上。又在此四杆机构 #$%! 中,构件 #$ 为手柄,当它在垂直向上位置 #$$ 时,拨叉处于 位置 "$ ,当手柄 #$ 逆时针方向转过!’ #%*而处于水平位置 #$& 时,拨叉处于位置 "& 。试设 计此四杆机构。 !"#% 已知某操纵装置采用一铰链四杆机构,其中 &#$ ’ +% ((,&#! ’ ,& ((,原动件 #$ 与从动件 %! 上的一标线 !" 之间的对应角位置关系如图所示。试用图解法设计此四杆机 构。 !"#! 题 !"$! 图所示为一用于控制装置的摇杆滑块机构,若已知摇杆与滑块的对应位置 为:"$ ’ -%*•●、’$ ’ .% ((,"& ’ #%*•●、’& ’ -% ((,") ’ $&%*•●、’) ’ !% ((。偏距 ( ’ &% ((。试设计 该机构。 习 题 $$) 题 !"#$ 图 题 !"#% 图 题 !"#! 图 !"#$ 如题 !"#& 图所示的颚式碎矿机,设已知行程速度变化系数 ! ’ #"$&,颚板 "#(摇 杆)的长度 $"# ’ %(( )),颚板摆角!’ %(*,试确定: (#)当机架 %# 的长度 $%# ’ $+( )) 时,曲柄 %& 和连杆 &" 的长度 $%& 和 $&" ; ($)当曲柄 %& 的长度 $%& ’ &( )) 时,机架 %# 和连杆 &" 的长度 $%# 和 $&" 。并对此两种 设计结果,分别检验它们的最小传动角"),- ,["]’ !(*。 ##! 第!章 平面连杆机构及其设计 题 !"#$ 图 !"#$ 设计一曲柄滑块机构,已知滑块的行程速度变化系数 ! % #"$,滑块行程 " % $& ’’,偏距 # % (& ’’,如题 !"#) 图所示。试求曲柄长度 $%& 和连杆长度 $&’ 。 题 !"#) 图 题 !"#* 图 !"#% 在题 !"#* 图所示牛头刨床的主运动机构中,已知中心距 $%’ % +&& ’’,刨头的冲程 ( % !$& ’’,行程速度变化系数 ! % (,试求曲柄 %& 和导杆 ’) 的长度 $%& 和 $’) 。 习 题 ##$ !"#$ 试设计一铰链四杆结构,已知摇杆 !" 的行程速度变化系数 # ! "#$,其长度 $!" ! %$ &&,摇杆右边的一个极限位置与机架之间的夹角! ! ’$(,如题 ’#") 图所示。机架的长度 $%" ! "** &&。试求曲柄 %& 和连杆 &! 的长度 $%& 和 $&! 。 题 ’#") 图 !"#% 题 ’#"+ 图所示铰链四杆机构中,已知机架 %" 的长度 $%" ! "** &&,两连架杆三组 对应角为:"" ! ,*(,!" ! ,*(;"- ! "*$(,!- ! +*(;". ! "$*(,!. ! "-*(。试用解析法设计此四杆 机构。 题 ’#"+ 图 "", 第!章 平面连杆机构及其设计 第 ! 章 凸轮机构及其设计 本章主要介绍凸轮机构的工作原理•●、分类•●、从动件的基本运动规律•●、反转法 基本原理•●、平面凸轮轮廓曲线的设计方法以及凸轮机构的基本尺寸确定和凸轮 机构的动态静力分析。 !"# 凸轮机构的应用和分类 !"#"# 凸轮机构的应用 凸轮机构是由具有曲线轮廓的构件,通过高副接触带动从动件实现预期运 图 !"# 内燃机 配气机构 动规律的一种高副机构。它广泛地应用于各种机械,特别是 自动机械•●、自动控制装置和装配生产线中。在设计机械时, 当需要其从动件必须准确地实现某种预期的运动规律时,常 采用凸轮机构。 图 !"# 所示为内燃机的配气机构,用凸轮来控制进•●、排气 阀门的启闭。工作中对气阀的启闭时序及其速度和加速度都 有严格的要求,这些要求均由凸轮 # 的轮廓曲线来实现。 图 !"$ 所示为录音机卷带装置中的凸轮机构,凸轮 # 随放 音键上下移动。放音时,凸轮 # 处于图示最低位置,在弹簧 ! 的作用下,安装于带轮轴上的摩擦轮 % 紧靠卷带轮 &,从而将 磁带卷紧。停止放音时,凸轮 # 随按键上移,其轮廓压迫从动 件 $ 顺时针摆动,使摩擦轮与卷带轮分离,从而停止卷带。 图 !"% 所示为自动机床的进刀机构,利用凸轮机构来控制 进刀机构的自动进•●、退刀,其刀架的运动规律完全取决于凸轮 # 上曲线凹槽的形状。 从以上所举的例子可以看出,凸轮机构主要由凸轮•●、从动件和机架三个基本 构件组成。

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