机械系统设计 第四章执行系统设计

1、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 执行系统是指在机械系统中直接完执行系统是指在机械系统中直接完成预期工作任务的机构与装置，由执成预期工作任务的机构与装置，由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 执行机构的作用是传递和变换运动执行机构的作用是传递和变换运动和动力，即把传动系统传递过来的运和动力，即把传动系统传递过来的运动与动力进行必要的变换以满足执行动与动力进行必要的变换以满足执行构件的要求。构件的要求。 执行机构变换运动，按变换形式有执行机构变换运

2、动，按变换形式有转动变换为移动或摆动，或相反。按转动变换为移动或摆动，或相反。按变换节拍分为将连续运动变换为不同变换节拍分为将连续运动变换为不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

3、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。（分度与转位）（分度与转位）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

4、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）锻压、起吊重物、矿石（煤块）破碎、破冰。图破碎、破冰。图3-1中卡盘夹持工件中卡盘夹持工件等。等。三、执行构件的运动形式三、执行构件的运动形式 执行构件的运动形式归纳起来不执行构件的运动形式归纳起来不外乎移动和转动两类基本运动形式，外乎移动和转动两类基本运动形式，而这两类基本运动又可分为连续

5、和而这两类基本运动又可分为连续和间歇两种，其他复杂的运动都可以间歇两种，其他复杂的运动都可以看成是这两类基本运动的组合。看成是这两类基本运动的组合。 四、执行系统的分类四、执行系统的分类（一）分类（一）分类 1、 按执行机构的数目及其相互间按执行机构的数目及其相互间的联系可分为：的联系可分为：（1）单一型：在执行系统中，只有）单一型：在执行系统中，只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）相互独立型，在执行系统中有）相互独立型，在执行系统中有多个执行机构进行工作，但相互之间多个执行机构进行工作，但相互之间动作独立，没有运动联系，如外圆磨动作独立，没有运动联系，如外圆磨床

6、的磨削进给与砂轮转动。床的磨削进给与砂轮转动。（3）相互联系型，在执行系统中有）相互联系型，在执行系统中有多个执行机构，相互之间有运动上的多个执行机构，相互之间有运动上的联系和制约，如印刷机、缝纫机。联系和制约，如印刷机、缝纫机。2、按其对运动和动力的不同要求，、按其对运动和动力的不同要求，可分为：可分为：（1）动作型）动作型 要求执行系统实现预期精度的要求执行系统实现预期精度的动作，而对执行系统中各构件的强动作，而对执行系统中各构件的强度、刚度无特殊要求，如缝纫机、度、刚度无特殊要求，如缝纫机、印刷机。印刷机。（2）动力型）动力型 要求执行系统能够克服较大的生产阻力，要求执行系统能够克服较大

7、的生产阻力，做一定的功，对执行系统中各构件的强度、做一定的功，对执行系统中各构件的强度、刚度有严格的要求，但对运动精度无特殊刚度有严格的要求，但对运动精度无特殊要求，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 要求执行系统既能实现预期的精度动要求执行系统既能实现预期的精度动作，又要克服较大的生产阻力，如滚齿机、作，又要克服较大的生产阻力，如滚齿机、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：

8、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

9、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。用力。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

10、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

11、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

12、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。一、机构选型一、机构选型1.怎样根据使用要求和工艺要求制定出一个合理的运动规律，用什么机构去完成所设计的运动规律是执行机构选型时应首要考虑的问题。2.机构的选型，影响机械系统的总体布局，影响机械系统的工作质量，特别是执行机构是否合用，常成为设计、制造的机械是否有效地用于生产实际的关键。3.3.连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、摩擦机构等都连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、摩擦机构等都是最简单的基本机构，它们各自具有不同的运动特是最简单的基本机构，它们各自具有不同的运动特性和动力特性。由于机械的工作对象和工作条件千性和动力特性。由于

13、机械的工作对象和工作条件千变万化，工艺动作要求亦纷杂各异，单个基本机构变万化，工艺动作要求亦纷杂各异，单个基本机构往往不能满足这些复杂多样的要求，为此，可将基往往不能满足这些复杂多样的要求，为此，可将基本机构通过倒置或改变运动副的形状或改变某些零本机构通过倒置或改变运动副的形状或改变某些零件的结构来得多种多样的运动特性。也可以根据基件的结构来得多种多样的运动特性。也可以根据基本机构的特点，将它们组合在一起，形成组合机构，本机构的特点，将它们组合在一起，形成组合机构，以完成预期的复杂运动要求以完成预期的复杂运动要求。二、常用执行机构的主要性能特点二、常用执行机构的主要性能特点（一）连杆机构连杆机

14、构属低副机构，各运动副均为面接触，因而压强小、磨损少、易于加工和保证精度以及靠自身的几何形状能保持运动副的密封等优点。（二）凸轮机构凸轮机构的优点是可以实现任意复杂的运动规律。缺点是在高副处难以保证良好的润滑。易摩擦，传递动力不易过大，因此凸轮机构不宜在高速重载条件下运行。（三）间歇运动机构间歇运动分为两种情况：一为执行机构在一定的运动过程中有间歇停顿；二为执行机构作单方向的时停时续运动，这种间歇运动常成为步进运动。（四）直线运动机构直线运动机构能将主动件的旋转运动转换为从动直线运动机构能将主动件的旋转运动转换为从动件的直线运动。件的直线运动。（五）差动机构差动机构可将两个运动合成为一个运动，

15、或将一个运动分解为两个运动，以实现微调、增力、均衡或补偿等目的。（六）增力机构增力机构是使传递的力或力矩增大，已达到省力的目的。比如借助杠杆等。有时增力机构也用于物体加紧或加持机构中。（七）行程增大机构由于受机构尺寸的和结构的限制，一般机构从动件的行程有事不能满足生产的要求，为使从动件具有大的行程，往往采用组合机构。一、执行系统的设计要求一、执行系统的设计要求设计执行系统时要满足如下几个要求：1.实现预期精度的运动或动作此要求说明说设计的执行系统不仅要满足运动或动作要求，还要满足一定的精度要求。盲目的提高运动精度，无疑会增加成本，增加制造或安装调整的难度，所以设计时应根据具体要求，定出合适的精

16、度。2.有足够的强度、刚度有足够的强度、刚度系统中每一个零件、部件都应有足够的强度和刚度，尤其动力型执行系统更是不能忽视。因为强度不够会造成零部件损坏，造成工作中断，甚至人身事故。刚度不够所产生的过大弹性变形，也会使系统不能正常工作。强度和刚度计算并非对任何执行系统都是必要的，例如某些动作性执行系统（包糖机），主要功能是实现预期的动作，而受力很小，在这种场合，零部件尺寸通常由工作和结构的需要确定。3.各执行系统间动作要协调配合这种要求的目的是以防止由于运动不协调而造成机件相互碰撞、干涉或工序倒置等事故。在实际问题中解决这类问题的措施是：在设计时绘制工作循环图，将各个执行机构中执行构件运动的先后

17、次序、起止时间和运动范围等都画在工作循环图上，以保证其运动的协调配合。4.结构合理、造型美观、便于制造与安装设计时要充分注意零部件的工艺性，使它们既满足精度、强度、刚度等要求，又便于制造与安装。与此同时，也不应忽视设计制造的美观性。5.工作安全可靠，有足够的使用寿命工作安全可靠是指在一定的使用期限内和预期的环境下，能正常地进行工作，不出故障，使用安全，有便于维护、管理。足够的使用寿命是指在给定的使用期限内能正常的工作。执行系统的使用寿命与组成系统的零部件的使用寿命有直接的关系，通常可以用最主要、最关键的零部件的使用寿命来确定系统的寿命。二、执行系统的设计步骤进行执行系统设计时，不存在固定的设计

18、步骤，因为它和设计内容多少、难易程度及设计者的经验有关，但通常要经过如下一些步骤：1.拟定运动方案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的工艺原理、需要几个执行构件及其运动形式。实现同一个工作任务，可以采用不同的工艺原理和选择不同的运动方案。2.合理选择执行机构类型、拟定机构组合方案运动方案确定以后，接着是合理选择执行机构的类型及其组合。如前边章节中所学的，执行机构的作用是传递和变换运动，实现某种运动变换，可选择的机构并非唯一的，因而需要进行分析比较与合理选择。3.绘制工作循环图在设计有多个需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，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作循环图。工作循环图是确定各执行机构运动参数及运动起止时间的依据。绘制工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，不发生运动的失调。4.运动分析运动分析的目的是求出执行系统中各构件指定点运动分析的目的是求出执行系统中各构件指定点的位置、速度和加速度，必要时还应确定执行构的位置、速度和加速度，必要时还应确定执行构件上指定点的轨迹，运动分析也是机械动力学分件上指定点的轨