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第四章执行系统设计 第一节执行系统的组成 功能及分类第二节机构选型及常用执行机构的主要性能特点第三节执行系统设计 1 第一节执行系统的组成 功能及分类 一 执行系统的组成 执行系统是直接完成系统预期工作任务的部分 因此也称工作机或工作装置 执行系统由执行构件和与之相连的执行机构组成 二 执行系统的功能 执行机构的作用是传递和变换运动和动力 变换运动 运动形式变化 运动节拍变化 2 常见执行系统的功能 1 夹持 3 4 2 搬运 指将工件从一个位置移送到另一个位置 5 3 输送 输送是将工件按给定的路线从一个位置运到下一个位置 6 4 分度与转位 7 如图4 12为检测垫圈内径的装置 5 检测 8 如图4 14所示 检测螺钉长度和剔除过长螺钉的装置 9 6 施力 有的机械要执行系统实现一定的运动或动作 如前所示 而还有些机械要求执行系统对工作对象施加力或力矩以达到完成任务的目的 有的机械系统还要执行系统具备多种功能要求 如插齿机 7 完成工艺复杂动作 执行系统要完成各种工艺复杂的动作 此种情况 执行系统需有多个执行机构和执行构件组成 如图4 16糖果扭结包装机的执行系统 10 三 执行系统的分类 见P80表4 1 11 四 执行构件的运动形式 见P81表4 2 12 第二节机构选型及常用执行机构的主要性能特点 一 机构选型 机构的类型很多 满足同一运动要求的机构 也可一用不同的机构来完成 因此 必须了解机构的运动特性和动力特性 同时对机械的外廓尺寸 重量 结构限制 动力特性 传动精度 生产率 制造难易 工作环境和经济性等进行分析 比较 根据实际需要选择或设计出最佳方案 二 常用执行机构的主要性能和特点 1 连杆机构 特点 连杆机构是低副机构 各运动副为面接触 因此压强小 磨损小 易加工 改变构件的尺寸或输出点的位置可获得不同的运动规律和运动轨迹 但实现从动件任意运动规律的灵活性差 惯性力难以平衡 动载 噪音 振动较大 因此 连杆不适用高速场合 13 14 15 16 2 凸轮机构 凸轮机构可实现任意复杂的运动规律 机构简单 紧凑 设计方便 但因是高副机构 比压较大 易磨损 高速时动力学特性变差 故凸轮机构不宜在高速重载条件下工作 凸轮设计时应考虑的问题 1 从动件的运动规律 等速运动 等加等减速运动 余弦加速度 除这三种运动规律外 还有正弦加速度 高次曲线运动规律等 实际中应用中通常改进 设计时考虑 F mv 2 凸轮轮廓曲线的最小曲率半径 不宜过小 3 压力角与基圆半径 滚子从动件凸轮压力角及其许用压力角见P87表4 6 17 18 4 凸轮常用材料及其强度计算 对材料的要求 因凸轮在变应力下工作 且往往伴有冲击 因此凸轮的材料应有较好的抗疲劳强度 抗冲击韧性和抗磨损能力 常用材料 碳钢 45 60 65中碳合金钢 低碳合金钢 强度计算 接触强度计算 3 间歇运动机构 常见间歇运动机构见P88表4 7 4 直线运动机构 常见直线运动机构见P91表4 8 5 差动机构 常见差动机构见P95表4 9 可实现运动的分解和合成 19 6 增力机构 常见增力机构见P97表4 10 7 行程增大机构 常见行程增大机构见P98表4 11 20 如螺纹的加工原理方案 第三节执行系统设计 一 执行系统的设计要求 1 实现预期精度的运动或动作 2 有足够的强度 刚度 3 各执行构件间动作要协调配合 4 结构合理 便于制造安装 造型美观 5 工作安全可靠 有足够的使用寿命 6 在特殊介质 如潮湿 腐蚀 高温等 工作的零件有防锈 防腐 耐高温的要求 二 执行系统的设计步骤 1 拟订运动方案 注意多种方案比较 择优 21 同样注意多种方案比较 择优 同时要综合考虑与相关另部件的协调 2 合理选择执行机构类型 拟订机构组合方案 原则 1 满足运动要求的前提下 尽可能缩短运动链 以减少机构和零部件数 从而提高机械效率 降低成本 2 应优先选用机构简单 工作可靠 便于制造和效率高的机构 3 执行系统中同时有几个执行机构时 为减少功率损失 应把效率较高的机构放在传递功率大的地方 若执行机构间协调性要求较高 则他们之间的连接应选用传动比准确的机构 22 3 绘制工作循环图 按机械预期的功能和选定的工艺过程 把各机构的动作顺序及时间用图形表示出来 这种表示各机构的动作顺序及时间的图形称工作循环图 首先要弄清各执行机构的动作过程及运动或动作的先后顺序 起止时间和运动范围 其次选一个定标构件 例题 例 卧式冷镦铆钉机的机构选型和运动循环图的绘制 1 根据生产任务拟订工艺过程及相应的运动方案 2 确定执行机构的运动参数 3 选择机构类型 绘制冷镦机的运动简图 镦压机构 进料机构 切断和送料机构 脱模机构 23 绘制运动循环图 24 4 运动分析 目的 计算指定点的位置 速度 加速度 确定指定点的运动轨迹等 为动力分析打基础 方法 解析法 图解法 5 动力学分析及承载能力计算 举例 多功能液体软包装机执行系统设计分析 25 多功能液体包装机结构设计 26 27 28 牵引机构 29 竖封机构 30 横封机构 31 计量机构 32 作业一 自动打标机执行系统运动方案设计 1 工作原理及工艺动作过程 产品自动打标机能实现在产品表面自动打制钢印的要求 产品由输送带运送到推送头1的前端 如图所示 然后由推送机构将产品3推送到打印头2的下部 此后打印头2向下运动 于产品上表面接触 完成打印操作 在打印头退回原位时 推送机构再推送另一产品 并把已打印好的产品推走 2 原始数据及设计要求 生产率为10件 min 要求打印头在与产品接触时 有1秒的停歇时间 以保证在产品上形成清晰的印字 33 3 设计任务 1 拟定打标机构和推送机构的运动方案 并进行分析评价 2 根据工艺动作顺序和协调要求 绘制打标机的工作循环图 3 绘制机构运动方案简图 作业二 糕点切片机机械系统运动方案设计 1 工作原理及工艺动作过程 糕点先成形 如长方体 圆柱体等 经切片后再烘干 糕点切片机需要实现两个执行动作 糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动 通过两者的动作配合进行切片 改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离 以满足糕点不同切片厚度的需要 34 3 切刀切片时最大的作用距离 切刀宽度 300mm 4 切刀的工作节拍 40次 分 5 电动机功率 N 0 55KW 转速n 1390r min 6 要求机械系统的机构简单 轻便 运动灵活 可靠 3 设计任务 1 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图 2 构思实现上述动作要求的间歇运动机构和切刀机构 3 机构运动方案的评定和选择 4 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案 5 画出机械运动方案简图 6 对机械传动系统和执行机构进行运动学尺寸计算 2 原始数据及设计要求 1 糕点厚度 10 20mm 2 糕点切片长度 即切片的高 5 80mm 35 作业三 多功能枕形包装机横封切断机构运动方案设计 1 工作原理及工艺动作过程 横封头做连续回转运动 在完成热封合的同时将薄膜切短 要求封头封切瞬时的速度与薄膜的速度相等 之后 封头快速转动分离 以使包装好的物品顺利输出 2 原始数据及设计要求 1 包装速度 120包 分2 包装袋节长 100 200mm 36 3 封头 刀 回转半径 R 60mm 3 设计任务 1 拟定横封驱动机构的运动方案 并进行分析评价 2 对所选定的不等速机构进行运动分析 3 包装袋长改变时 如何进行机构调节 4 绘制机构运动简图 作业四 晶体生长设备提拉系统运动方案设计 采用直拉法工艺进行晶体生长时 要求籽晶杆完成两个运动 一个是籽晶杆的直线提拉运动 另一个是籽晶杆的旋转运动 两运动相对独立 1 已知设计参数 提拉速度v 1 10mm h 籽晶杆行程s 500mm 籽晶杆转速n 1 30r min 籽晶杆承重 10kg 2 设计任务 1 完成提拉机构运动方案设计 2 列出形态学矩阵 3 绘制机构运动简图 37 作业五 自动冲剪机床运动方案设计 1 工作原理及工艺动作过程 冲