机械系统设计chapter3

1、第三章第三章 执行系统设计执行系统设计一、执行系统的组成一、执行系统的组成执行末端件执行末端件直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、直接与工作对象接触并完成一定工作（夹持、转动、移动等）或在工作对象上完成一定动作（切削、转动、移动等）或在工作对象上完成一定动作（切削、锻压、清洗等）的部件。锻压、清洗等）的部件。执行机构执行机构给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动进行必要的转换，以满足执行传动系统传递过来的运动进行必要的转换，以满足执行末端件的要求。末端件的要求。3.1 3.1 执行系统的组成、功能及分类执行系统的组成、功能及分

2、类 设计一套机械系统的目的是要使所设计的系统具有一设计一套机械系统的目的是要使所设计的系统具有一定的预期功能，那么在系统中能直接完成预期工作任务的定的预期功能，那么在系统中能直接完成预期工作任务的那部分子系统就是那部分子系统就是执行系统执行系统。1图图3.1 3.1 卧式车床主轴卧式车床主轴顶尖或夹盘顶尖或夹盘是执行末端件；是执行末端件；2执行执行末端件末端件执行执行机构机构主轴主轴则是执行机构则是执行机构图图3.2 3.2 手爪平行开闭式机械手结构示意图手爪平行开闭式机械手结构示意图1111是执行末端件是执行末端件1 1、8 8滑动齿条；滑动齿条；2 2、3 3小齿轮；小齿轮；4 4双面齿条

3、；双面齿条；5 5气缸；气缸；6 6活塞；活塞；7 7螺杆；螺杆；9 9滑动齿条导轨；滑动齿条导轨；1010压缩弹簧；压缩弹簧；1111可换夹爪可换夹爪 3执行执行末端件末端件执行执行机构机构 以上两例中的执行系统都是由纯机械结构组成的。以上两例中的执行系统都是由纯机械结构组成的。随着科学技术的发展，随着科学技术的发展，执行系统的组成也在不断地发生执行系统的组成也在不断地发生变化变化： 一方面一方面由于机械的含义在不断地扩展，如电子、电由于机械的含义在不断地扩展，如电子、电器、光学、液体、气体等也可以直接与纯机械结构结合，器、光学、液体、气体等也可以直接与纯机械结构结合，组成较先进的机电、机光

4、、机液等执行机构；组成较先进的机电、机光、机液等执行机构； 另一方面另一方面又由于传动系统变得越来越简单，有时一又由于传动系统变得越来越简单，有时一个机构可以既是传动系统又是执行系统，如连杆机构的个机构可以既是传动系统又是执行系统，如连杆机构的应用，所以，执行系统可以由一个简单的结构来组成，应用，所以，执行系统可以由一个简单的结构来组成，也可以由一些基本结构组合成的复杂机构来组成。这主也可以由一些基本结构组合成的复杂机构来组成。这主要视系统的功能来决定。要视系统的功能来决定。 一般说来，能完成同一功能的执行系统可以有不同的方一般说来，能完成同一功能的执行系统可以有不同的方案，但应选出既能满足功

5、能要求，又简单、可靠的一个方案。案，但应选出既能满足功能要求，又简单、可靠的一个方案。 4二、执行系统的功能二、执行系统的功能1 1、实现运动形式或运动规律变换的功能、实现运动形式或运动规律变换的功能 (1)(1)实现预期固定轨迹或简单可调的轨迹功能实现预期固定轨迹或简单可调的轨迹功能(2)(2)匀速运动与非匀速运动的变换匀速运动与非匀速运动的变换(3)(3)连续运动与间歇式转动或摆动的变换连续运动与间歇式转动或摆动的变换2 2、实现开关、联锁和检测等的功能、实现开关、联锁和检测等的功能(1)(1)用来实现运动的离合或开停用来实现运动的离合或开停(2)(2)用来换向、超越或反向止动用来换向、超

6、越或反向止动(3)(3)用来实现联锁、过载保护、安全制动用来实现联锁、过载保护、安全制动(4)(4)实现锁止、定位、夹压等实现锁止、定位、夹压等(5)(5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等3 3、实现程序控制功能、实现程序控制功能4 4、实现施力功能、实现施力功能 如压力机、矿石粉碎机等如压力机、矿石粉碎机等5执行系统的功能（示例执行系统的功能（示例1 1）图图3.3 联动凸轮机构联动凸轮机构 凸轮凸轮A,BA,B控制控制E E的的运动轨迹，可根据运运动轨迹，可根据运动轨迹的要求设计凸动轨迹的要求设计凸轮曲线。轮曲线。E E执行末端件执行末端件其

7、它其它执行机构执行机构6执行执行末端件末端件执行系统的功能执行系统的功能（示例（示例2 2） 曲柄摇杆曲柄摇杆ABCDABCD机构实现刀机构实现刀具的慢进和快退。具的慢进和快退。 AB AB的长度调节行程。的长度调节行程。 M1,M3 M1,M3调节刀具与工件的调节刀具与工件的相对位置（相对位置（XYXY向）。向）。 M2 M2调节工作台的高度。调节工作台的高度。 曲柄摇杆曲柄摇杆FGHIFGHI驱动棘轮驱动棘轮J J带带动螺杆动螺杆K K实现每循环进给量实现每循环进给量。有两个有两个执行末端件执行末端件：刀具和工作台刀具和工作台图图3.4 牛头刨床牛头刨床7三、执行系统的分类三、执行系统的分

8、类按执行系统对运动和动力的要求：按执行系统对运动和动力的要求：动作型：动作型：要求执行系统实现预期精度的动作要求执行系统实现预期精度的动作( (位移、速位移、速度、加速度等度、加速度等) )，而对执行系统中各构件的强度、刚度，而对执行系统中各构件的强度、刚度无特殊要求。无特殊要求。缝纫机、包糖机、印刷机等。缝纫机、包糖机、印刷机等。 动力型动力型 ：要求执行系统能克服较大的生产阻力，做一要求执行系统能克服较大的生产阻力，做一定的功，因此对执行系统中各构件的强度、刚度有严定的功，因此对执行系统中各构件的强度、刚度有严格要求，但对运动精度无特殊要求。格要求，但对运动精度无特殊要求。曲柄压力机、推曲

9、柄压力机、推土机、挖掘机、碎石机等。土机、挖掘机、碎石机等。 动作动力型：动作动力型：要求执行系统既能实现预期精度的动作，要求执行系统既能实现预期精度的动作，又要克服较大的生产阻力，做一定的功。又要克服较大的生产阻力，做一定的功。滚齿机、插滚齿机、插齿机等。齿机等。 8按执行系统中执行机构的相互联系情况按执行系统中执行机构的相互联系情况 三、执行系统的分类三、执行系统的分类单一型：单一型：在执行系统中，只有一个执行机构工作。在执行系统中，只有一个执行机构工作。搅搅拌机、碎石机、皮带输拌机、碎石机、皮带输 送机等。送机等。相互独立型：相互独立型：在执行系统中有多个执行机构进行工作，在执行系统中有

10、多个执行机构进行工作，但它们之间相互独立、没有运动及生产阻力等方面的但它们之间相互独立、没有运动及生产阻力等方面的联系和制约。联系和制约。外圆磨床的磨削进给与砂轮转动，起重外圆磨床的磨削进给与砂轮转动，起重机的起吊与行走动作等。机的起吊与行走动作等。相互联系型：相互联系型：在执行系统中，有多个执行机构，且它在执行系统中，有多个执行机构，且它们之间有运动及生产阻力等方面上的联系和制约。们之间有运动及生产阻力等方面上的联系和制约。印印刷机、包装机、缝纫机、纺织机等。刷机、包装机、缝纫机、纺织机等。93.2 3.2 执行系统设计执行系统设计 执行系统设计基本要求：执行系统设计基本要求： 保证设计时提

11、出的功能目标。保证设计时提出的功能目标。 足够的使用寿命和强度、刚度要求。足够的使用寿命和强度、刚度要求。 各执行机构应结构合理、配合协调。各执行机构应结构合理、配合协调。 通过分析，执行末端件的运动无外乎是回转运动、直通过分析，执行末端件的运动无外乎是回转运动、直线运动或者两种运动的合成。线运动或者两种运动的合成。 回转运动回转运动：圆导轨、轴承、齿轮等；电动机等：圆导轨、轴承、齿轮等；电动机等 直线运动直线运动：直线导轨、液压缸等；直线电机：直线导轨、液压缸等；直线电机 执行系统是总系统中的一个子系统，且此系统的一端执行系统是总系统中的一个子系统，且此系统的一端与被执行与被执行( (加工加

12、工) )对象接触，另一端与传动系统连接，因此，对象接触，另一端与传动系统连接，因此，在设计执行系统时，不但要明确本系统中各零、部件的相在设计执行系统时，不但要明确本系统中各零、部件的相互作用及设计要求，同时，还要了解与其它系统的联系、互作用及设计要求，同时，还要了解与其它系统的联系、协调和分工，进而使总系统处在最佳状态下工作。协调和分工，进而使总系统处在最佳状态下工作。 10一、执行轴机构的设计（简介）一、执行轴机构的设计（简介） 利用轴的回转运动来完成执行任务的情形很多很多：利用轴的回转运动来完成执行任务的情形很多很多：如机床中执行轴带动工件或刀具，可完成工件表面的成形如机床中执行轴带动工件

13、或刀具，可完成工件表面的成形加工运动；轧钢机中通过轧辊加工运动；轧钢机中通过轧辊( (相当于机床中的执行轴相当于机床中的执行轴) )对对钢材的轧制，以获得不同形状、尺寸的型钢以及一些自动钢材的轧制，以获得不同形状、尺寸的型钢以及一些自动装配线上使用的各种不等速或间歇回转机构的轴等。装配线上使用的各种不等速或间歇回转机构的轴等。 这些执行轴由于功用不同，故各自的具体结构及执行这些执行轴由于功用不同，故各自的具体结构及执行轴机构的组成及布置也不一样。但归结起来执行轴机构一轴机构的组成及布置也不一样。但归结起来执行轴机构一般主要由般主要由、安装在其上的、安装在其上的( (齿轮、皮带轮等齿轮、皮带轮等

14、) )、轴承间隙、轴承间隙( (螺母螺母) )等组成，等组成， 因此，设计执行轴机构时主要是各组成元件的布置及因此，设计执行轴机构时主要是各组成元件的布置及设计轴本身。设计轴本身。 11 图图3.9 3.9 主轴前端结构主轴前端结构 1 1螺钉螺钉 2 2环形锁紧盘环形锁紧盘 3 3主轴前端主轴前端 4 4拨盘或卡盘拨盘或卡盘 5 5 螺母螺母 6 6 双头螺栓双头螺栓 例例3.6 3.6 CA6140CA6140普通车床主轴组件普通车床主轴组件12采用锥采用锥面配合面配合阻尼套阻尼套结构结构向心球轴承向心球轴承推力球轴承推力球轴承斜齿轮斜齿轮滑移齿轮滑移齿轮例：万能外圆磨床砂轮架主轴结构例：

15、万能外圆磨床砂轮架主轴结构具有高的回转精度、刚度、抗振性及耐磨性要求具有高的回转精度、刚度、抗振性及耐磨性要求 13 例：万能外圆磨床砂轮架主轴结构例：万能外圆磨床砂轮架主轴结构 砂轮架主轴的径向支承是砂轮架主轴的径向支承是“短三瓦短三瓦”式的滑动轴承。每式的滑动轴承。每一滑动轴承由三块扇形轴瓦组成。每块轴瓦一滑动轴承由三块扇形轴瓦组成。每块轴瓦1 1都支承在球面支都支承在球面支承螺钉的球面上。调节球面支承螺钉承螺钉的球面上。调节球面支承螺钉1010即可调整轴承的间隙即可调整轴承的间隙。螺钉螺钉1111是锁紧螺钉。短三瓦轴承是液体动压滑动轴承。是锁紧螺钉。短三瓦轴承是液体动压滑动轴承。 14二

16、、导轨设计（简介）二、导轨设计（简介）1 1、导轨的功用、导轨的功用 导向和承载。导向和承载。2 2、导轨的分类、导轨的分类 (a) (a)按运动轨迹分按运动轨迹分: :直线直线和和圆周运动圆周运动； (b)(b)按工作时的摩擦性质分为按工作时的摩擦性质分为: :滑动导轨滑动导轨和和滚动导轨滚动导轨； 滑动导轨中又有滑动导轨中又有: :普通滑动普通滑动、液体动压液体动压、 液体静压液体静压和和卸荷导轨卸荷导轨等；等； 滚动导轨按滚动体分为滚动导轨按滚动体分为: :滚珠滚珠、滚柱滚柱和和滚针导滚针导轨轨； (c) (c)按受力情况可分为按受力情况可分为: :开式和闭式导轨。开式和闭式导轨。15

17、开式导轨开式导轨 闭式导轨闭式导轨 导轨在部件自重和外载作导轨在部件自重和外载作用下，导轨面用下，导轨面c c和和d d在导轨在导轨全长上始终贴合着全长上始终贴合着 当动导轨受到较大的倾覆当动导轨受到较大的倾覆力矩力矩M M时，其自重不能使时，其自重不能使导轨面导轨面e e和和f f始终贴合，所始终贴合，所以，必须增加压板以，必须增加压板1 1和和2 2，以形成辅助导轨面以形成辅助导轨面g g和和h h。 163 3、导轨的基本要求：导轨的基本要求：(a)(a)导向精度导向精度是指动导轨沿支承导轨运动的准确度，即是指动导轨沿支承导轨运动的准确度，即直线运动导轨的直线性、圆周运动导轨的真圆性和导

18、轨直线运动导轨的直线性、圆周运动导轨的真圆性和导轨与其它运动件之间相互位置的准确性。导轨应具有足够与其它运动件之间相互位置的准确性。导轨应具有足够高的导向精度，且需要在长期工作后仍保持原有的很高高的导向精度，且需要在长期工作后仍保持原有的很高的导向精度的导向精度。影响导轨导向精度的主要。影响导轨导向精度的主要因素是导轨的因素是导轨的和和。 (b)(b)支承刚度支承刚度表示导轨受载后抵抗变形的能力。导轨变表示导轨受载后抵抗变形的能力。导轨变形主要是由导轨自身变形形主要是由导轨自身变形( (接触变形、扭转、弯曲变形接触变形、扭转、弯曲变形) )和导轨支承件变形引起导轨变形组成的。和导轨支承件变形引

19、起导轨变形组成的。173 3、导轨的基本要求：导轨的基本要求：(c)(c)高灵敏度高灵敏度指当动导轨作低速运动或微量位移指当动导轨作低速运动或微量位移( (以以mm为为单位单位) )时，应保证其时，应保证其及及，即不出现爬行现象，使动导轨的运动准确到位。影响导即不出现爬行现象，使动导轨的运动准确到位。影响导轨灵敏度及运动平稳性的因素主要是：导轨的轨灵敏度及运动平稳性的因素主要是：导轨的及及、动与静、动与静的差值、的差值、及与动导轨相连的及与动导轨相连的等。等。18导轨的设计主要有下列内容：导轨的设计主要有下列内容： 根据工作情况选择合适的导轨类型；根据工作情况选择合适的导轨类型； 根据导向精度