吉林大学机械系统设计实例--第4章执行系统设计.ppt

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第四章第四章执行系统设计执行系统设计第一节第一节执行系统概述执行系统概述一、执行系统的组成一、执行系统的组成执执行行系系统统是是指指在在机机械械系系统统中中直直接接完完成成预预期期工工作作任任务务的的机机构构与与装装置置，由由执执行构件和与之相联的执行机构组成。

行构件和与之相联的执行机构组成。

二、执行系统的功能二、执行系统的功能执执行行机机构构的的作作用用是是传传递递和和变变换换运运动动和和动动力力，即即把把传传动动系系统统传传递递过过来来的的运运动动与与动动力力进进行行必必要要的的变变换换以以满满足足执执行行构件的要求。

构件的要求。

执执行行机机构构变变换换运运动动，按按变变换换形形式式有有转转动动变变换换为为移移动动或或摆摆动动，或或相相反反。

按按变变换换节节拍拍分分为为将将连连续续运运动动变变换换为为不不同同形式的连续运动或间歇运动。

形式的连续运动或间歇运动。

执行系统是在执行执行系统是在执行构件与执行机构协构件与执行机构协调工作下完成任务调工作下完成任务的，虽然工作任务的，虽然工作任务多种多样，但功能多种多样，但功能归纳起来有以下几归纳起来有以下几种：

种：

1转动或移动转动或移动主轴旋转运动主轴旋转运动刀架直线运动刀架直线运动2分度与转位分度与转位齿轮在加工轮齿时齿轮在加工轮齿时需要进行分度，转需要进行分度，转塔车床的刀架要能塔车床的刀架要能转位换刀，转台式转位换刀，转台式装配机械的工作台装配机械的工作台需要转位和分度。

需要转位和分度。

右图，右图，4、5两气缸两气缸配合工作。

配合工作。

（分度与（分度与转位）转位）3抓取与夹持抓取与夹持机械手。

机械手。

4搬运与输送搬运与输送搬运不按规定路搬运不按规定路线搬工件。

线搬工件。

输送按固定路线输送按固定路线运送。

直线输送、运送。

直线输送、环行输送、空间输环行输送、空间输送。

连续输送（散送。

连续输送（散料）、间歇输送料）、间歇输送（自动化生产线）（自动化生产线）5检测检测为了对工件的尺寸、形为了对工件的尺寸、形状及性能进行检验和测状及性能进行检验和测量，需执行系统具有检量，需执行系统具有检测功能。

此时，执行构测功能。

此时，执行构件通常是一个检测探头，件通常是一个检测探头，当它接触到被检测工件当它接触到被检测工件时，通过机、电或其他时，通过机、电或其他方式，把检测结果传递方式，把检测结果传递给执行机构，以分离出给执行机构，以分离出合格与不合格工件。

合格与不合格工件。

（检测）6.施力施力锻压、起吊重物、矿石（煤块）破锻压、起吊重物、矿石（煤块）破碎、破冰。

图碎、破冰。

图3-1中卡盘夹持工件等。

中卡盘夹持工件等。

三、执行构件的运动形式三、执行构件的运动形式执执行行构构件件的的运运动动形形式式归归纳纳起起来来不不外外乎乎移移动动和和转转动动两两类类基基本本运运动动形形式式，而而这这两两类类基基本本运运动动又又可可分分为为连连续续和和间间歇歇两两种种，其其他他复复杂杂的的运运动动都都可可以以看看成成是这两类基本运动的组合。

是这两类基本运动的组合。

执行工件常见运动形式及参数见执行工件常见运动形式及参数见表表3-1.四、执行系统的分类（参见表四、执行系统的分类（参见表3-2）

（一）分类

（一）分类1、按按执执行行机机构构的的数数目目及及其其相相互互间间的联系可分为：

的联系可分为：

（1）单单一一型型：

在在执执行行系系统统中中，只只有有一个执行机构工作，如搅拌机。

一个执行机构工作，如搅拌机。

（2）相相互互独独立立型型，在在执执行行系系统统中中有有多多个个执执行行机机构构进进行行工工作作，但但相相互互之之间间动动作作独独立立，没没有有运运动动联联系系，如如外外圆圆磨磨床的磨削进给与砂轮转动。

床的磨削进给与砂轮转动。

（3）相相互互联联系系型型，在在执执行行系系统统中中有有多多个个执执行行机机构构，相相互互之之间间有有运运动动上上的的联系和制约，如印刷机、缝纫机。

联系和制约，如印刷机、缝纫机。

2、按按其其对对运运动动和和动动力力的的不不同同要要求求，可分为：

可分为：

（1）动作型）动作型要要求求执执行行系系统统实实现现预预期期精精度度的的动动作作，而而对对执执行行系系统统中中各各构构件件的的强强度度、刚刚度度无无特特殊殊要要求求，如如缝缝纫纫机机、印刷机。

印刷机。

（2）动力型）动力型要要求求执执行行系系统统能能够够克克服服较较大大的的生生产产阻阻力力，做做一一定定的的功功，对对执执行行系系统统中中各各构构件件的的强强度度、刚刚度度有有严严格格的的要要求求，但但对对运运动动精精度度无无特特殊殊要求，如冲床、推土机。

要求，如冲床、推土机。

（3）动作动力型）动作动力型要要求求执执行行系系统统既既能能实实现现预预期期的的精精度度动动作作，又又要要克克服服较较大大的的生生产产阻阻力力，如如滚滚齿齿机机、插齿机插齿机。

（二）执行机构常见运动形式：

二）执行机构常见运动形式：

1、平面运动：

、平面运动：

（1）旋转运动：

连续转动、间歇转）旋转运动：

连续转动、间歇转动、往复摆动。

动、往复摆动。

（2）移动：

连续移动、间歇移动、）移动：

连续移动、间歇移动、往复移动。

往复移动。

2、空间运动：

简单空间运动、复杂、空间运动：

简单空间运动、复杂空间运动。

空间运动。

第二节第二节执行系统设计执行系统设计一、执行系统的设计要求一、执行系统的设计要求1实现预期精度的运动或动作实现预期精度的运动或动作执行系统为完成工作任务，必须执行系统为完成工作任务，必须实现预期精度的运动或动作，既不实现预期精度的运动或动作，既不仅要满足运动或动作形式的要求，仅要满足运动或动作形式的要求，而且要确保一定的精度。

盲目提高而且要确保一定的精度。

盲目提高精度，会增加成本，装配困难。

精度，会增加成本，装配困难。

2各执行机构间动作要协调配合各执行机构间动作要协调配合当设计相互联系型执行系统时，要确保各当设计相互联系型执行系统时，要确保各执行机构间的运动协调与配合，防止碰撞、执行机构间的运动协调与配合，防止碰撞、干涉或工序倒置等事故。

为此，要绘制工作干涉或工序倒置等事故。

为此，要绘制工作循环图，将先后顺序、起讫时间和运动范围循环图，将先后顺序、起讫时间和运动范围等在图中示出，保证运动协调与配合。

等在图中示出，保证运动协调与配合。

3有足够的强度、刚度有足够的强度、刚度需校核计算，因执行机构要直接承受作用需校核计算，因执行机构要直接承受作用力。

强度不够会破坏，刚度不够会变形。

力。

强度不够会破坏，刚度不够会变形。

4结构合理、造型美观、便于制造与结构合理、造型美观、便于制造与安装安装设计时应注意零部件的结构工艺性，设计时应注意零部件的结构工艺性，要便于制造与安装。

这要从材料选择、要便于制造与安装。

这要从材料选择、制造过程和方法考虑，降低工时和费用。

制造过程和方法考虑，降低工时和费用。

还要造型美观。

还要造型美观。

5.工作安全可靠，有足够的使用寿命工作安全可靠，有足够的使用寿命在有限寿命内正常工作，无故障工作在有限寿命内正常工作，无故障工作时间长，安全，便于维护管理。

时间长，安全，便于维护管理。

除上述要求外根据工作环境不同，除上述要求外根据工作环境不同，还有防锈、防腐、耐高温等要求。

还有防锈、防腐、耐高温等要求。

由于执行机构都是外露的，其工作由于执行机构都是外露的，其工作范围往往属于危险区域，因此要设范围往往属于危险区域，因此要设置防护装置或警示标志。

置防护装置或警示标志。

二、执行系统的设计步骤二、执行系统的设计步骤

（一）拟定运动方案

（一）拟定运动方案根据执行系统的工作任务拟定实现该根据执行系统的工作任务拟定实现该任务的运动方案，即确定实现工作任务任务的运动方案，即确定实现工作任务的原理、需要几个执行构件及其运动形的原理、需要几个执行构件及其运动形式。

装载机工作装置有反转六连杆机构式。

装载机工作装置有反转六连杆机构和正转八连杆机构，起重机吊臂有箱形和正转八连杆机构，起重机吊臂有箱形伸缩臂和固定桁架臂，有电动卷扬机构伸缩臂和固定桁架臂，有电动卷扬机构和液压马达卷扬机构。

和液压马达卷扬机构。

（二）合理选择执行机构类型，拟定机构

（二）合理选择执行机构类型，拟定机构组合方案组合方案运动方案确定以后，接着要合理选择运动方案确定以后，接着要合理选择执行机构的类型及其组合。

可选择的机构执行机构的类型及其组合。

可选择的机构类型多种多样，需要分析比较后合理选择。

类型多种多样，需要分析比较后合理选择。

常用机构类型：

平面连杆机构、凸轮机常用机构类型：

平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、旋转机构、槽轮机构、齿轮机构、轮系、旋转机构、槽轮机构、棘轮机构、组合机构。

参见表构、棘轮机构、组合机构。

参见表3-3。

（三）绘制工作循环图（三）绘制工作循环图（如图（如图311）在设计有多个需要协同工作的执行机构时，在设计有多个需要协同工作的执行机构时，首先需要按机械预定的功能和选定的工艺过程，首先需要按机械预定的功能和选定的工艺过程，把各机构的动作次序及时间用图形表示出来，把各机构的动作次序及时间用图形表示出来，这种表示各机构动作次序及时间的图形称为工这种表示各机构动作次序及时间的图形称为工作循环图。

作循环图。

绘制工作循环图时，应选择一个定标构件，绘制工作循环图时，应选择一个定标构件，通常可以选择机械主轴或分配轴作为定标构件，通常可以选择机械主轴或分配轴作为定标构件，因为这些轴的整周转数对应于机械的工作循环。

因为这些轴的整周转数对应于机械的工作循环。

工作循环图的形状可按具体情况画成矩形或圆工作循环图的形状可按具体情况画成矩形或圆形。

形。

例：

图例：

图3-11为销钉切制机的机构简图为销钉切制机的机构简图销钉加工：

送料、夹紧、车外圆、倒销钉加工：

送料、夹紧、车外圆、倒角、切割。

角、切割。

以分配轴以分配轴11作为定标构件，转一周为作为定标构件，转一周为一个工作循环。

一个工作循环。

凸轮凸轮1控制夹紧和松开坯料控制夹紧和松开坯料8;凸轮凸轮2控控制挡块制挡块6和切刀和切刀7;凸轮凸轮3控制刀架上的外控制刀架上的外圆车刀圆车刀4和倒角刀和倒角刀5。

例：

图例：

图4-18为冷镦铆钉机的机构简图为冷镦铆钉机的机构简图镦压机构：

曲柄滑块机构镦压机构：

曲柄滑块机构1、2、3和和21。

进料机构进料机构：

盘料：

盘料13、校直轮、校直轮12、进料辊、进料辊11、进料口进料口a、切断口、切断口b、偏心摇杆机构、偏心摇杆机构20、19、18和四杆机构驱动棘轮机构和四杆机构驱动棘轮机构151411。

断料机构和送料机构：

切断刀断料机构和送料机构：

切断刀6，成形工位，成形工位c，移动凸轮机构，移动凸轮机构5（动作（动作145）。

）。

脱模机构：

脱模机构：

7、8、9、10顶出工件。

顶出工件。

所有动作通过曲轴所有动作通过曲轴1实现。

实现。

以曲轴以曲轴1作为定标构件，曲轴转一周作为定标构件，曲轴转一周为一工作循环，可绘制出工作循环凸。

为一工作循环，可绘制出工作循环凸。

工作循环图是确定各执行机构运动工作循环图是确定各执行机构运动参数及运动起讫时间的依据。

绘制工参数及运动起讫时间的依据。

绘制工作循环图时，必须考虑各执行机构能作循环图时，必须考虑各执行机构能按作业要求进行协调配合，不发生运按作业要求进行协调配合，不发生运动失调。

动失调。

（四）运动分析及强度、刚度计算（四）运动分析及强度、刚度计算1、运动分析、运动分析运运动动分分析析的的目目的的是是求求出出执执行行系系统统中中各各构构件件的的位位移移、速速度度、加加速速度度，必必要要时时还还应应确确定定执执行行构构件件上上给给定定点点的的轨轨迹迹。

机机构构运运动动分分析析常常用用的的方方法有图解法和解析法法有图解法和解析法。

2、强度和刚度计算、强度和刚度计算为为了了保保证证执执行行系系统统工工作作时时安安全全、可可靠靠和和准准确确实实现现规规定定的的功功能能，应应对对执执行行系系统统中中的的构构件件作作必要的强度和刚度计算。

动态分析。

必要的强度和刚度计算。

动态分析。

第三节第三节执行系统的典型结构执行系统的典型结构以机床主轴部件和机械手作为执行系以机床主轴部件和机械