第4章 执行系统设计-2012-3.ppt

1、第四章 执行系统设计,第一节 执行系统的组成、功能及分类,执行系统（也叫工作机械或工作装置）是机械系统主要的组成部分，是机械系统中直接完成预期功能的部分。它直接和作业对象物料接触，对机械系统的作业质量起到关键作用。,一、执行系统的组成,执行系统是由执行构件和执行机构组成。,有些执行构件携带作业对象完成一定的动作，如筛子携带物料作往复变速运动；有些执行构件对作业对象完成一定的动作，如颚板完成对作业对象的挤压。,执行构件是执行机构中的一个或几个构件，是执行系统中直接完成功能的零部件。在颚式破碎机中动颚和静颚就是执行构件。,执行机构是带动执行构件运动所需要的机构。如振动筛中的筛子就是执行构件，它的运

2、动需要由双曲柄机构和曲柄滑块机构组成的执行机构来带动。,二、执行系统的功能,执行系统的作用是传递或变换运动和动力，把传动系统传来的运动或动力进行变换后传递给执行构件，满足其要求。,最常见的执行机构有：变移动或摆动为转动，如内燃机、缝纫机；变移动为摆动，如自卸汽车；变连续转动为间歇移动，如气门机构；变转动为移动或摆动，如振动筛、颚式破碎机；变摆动为移动，如手压水泵。,执行系统的功能是多种多样的，归纳起来有：夹持、搬运、输送、分度与转位、检测、实现运动形式或运动规律的变换、完成工艺性复杂的动作等。,在加工或搬运工件时，夹持动作是不可缺少的。如在自动换刀数据加工中心，利用机械手从刀库中抓取并夹持刀具

3、，实现自动换刀。在各种搬运设备中，也要抓取并夹持各种物品。,（一）夹持,夹持动作常用夹持器来完成，夹持器又叫机械手。,夹持功能可分解为：抓取、夹持和放开三个过程。,1、弹簧杠杆式夹持器（见图P74图4-1）,常用的夹持器有：,它由弹簧4、回转轴、挡块2、手指3等构件组成。弹簧4使手指3闭合，挡块2使手指保持初始间隙。它实现抓取、夹持和放开三个动作的过程如下：,夹持动作：夹持器继续向下运动，手指伸入工件后，在弹簧4作用下，手指闭合，夹持工件。,抓取动作：夹持器向下运动，手指碰上工件1后，在工件对手指反力的作用下，压缩弹簧4，使手指3张开，完成抓取动作。,弹簧杠杆夹持器的特点：抓取力受弹簧限制，常

4、用来抓取小零件，如螺钉、销轴等。,放开动作：这种夹持器不能单独放开工件，要由其它装置夹持工件后，夹持器向上运动，在工件反作用力下，手指打开，才能将工件卸下。,2、斜楔杠杆式夹持器（见P75图4-2）,通过斜楔3在凸轮机构或曲柄滑块机构带动下作上下往复直线运动来完成抓取、夹持和放下三个动作。,放开动作：斜楔3向上运动，两滚子的间隙变小，拉簧1使手指4、5张开，放开工件5。,抓取动作：斜楔3向下运动，两滚子的间隙加大，使拉簧1伸长，手指4抓住工件5。,夹持动作：斜楔3继续向下运动，手指4对工件5的夹持力加大。,斜楔杠杆式夹持器的特点：夹持力决定于斜楔3与滚子2之间的作用力，这个作用力大于弹簧力，可

5、夹持较大的工件。,将斜楔和滚轮组成的运动副改成了齿条和扇形齿轮组成的运动副,斜楔杠杆夹持器就变成了齿条式夹持器。齿条上下移动，带动扇形齿轮运动，通过手指完成抓取、夹持和放开功能。,3、液压连杆传动夹持器（见P75图4-3）,抓取动作：活塞4向下运动，通过活塞杆4及连杆5使手指2绕固定销轴转动，抓取工件1。,放开动作：活塞4向上运动，通过活塞杆及连杆5使手指绕固定销轴反向转动，放开工件1。,夹持动作：活塞4继续向下运动，使手指2以较大的力夹持工件1。,液压连杆传动夹持器靠液压力夹持工件，与上面夹持器相比较，夹持力较大，可夹持较大的工件。手指的形状也适合夹持大型圆截面的工件。,4、液压电气控制夹持

6、器（见P75图4-4）,夹持动作：转臂继续向内摆动，手指1以较大的力夹持工件。,手指1固连在平行四边形机构的连杆上，转臂2在液压油缸带动下摆动，从而带动手指1运动。,抓取动作：转臂向内摆动，手指1向着工件平动，完成抓取动作。,液压电气夹持器采用了平行四边形机构，手指1作平动，可夹持方形或棱形工件。,放开动作：转臂向外摆动，手指1远离工件平动，完成放开动作。,由上述4种夹持器可以看出，完成相同的“抓取夹持放开”功能 ，所采用的夹持器的结构却不同。采用哪一种夹持器，决定于被夹持物料的重量以及对自动化程度要求的高低。当被夹持物的形状不同时，应配置不同的“手指”。,（二）搬运,搬运是把一个工件从一个位

7、置移动到另一个位置，对搬运路线没有明确要求。,工件的初始位置,工件的最终位置,搬运工件时，工件的初始位置和最终位置明确，可以用一个机构来实现上述两个位置，同时整个过程对搬运路线没有明确要求。,P76图4-5所示的车门开启机构，车门关闭时位置在BB，这是初始位置；车门开启时位置在B1B1，这是最终位置。用摆杆摇块机构（1-2-3-5）和摆杆滑块机构（3-4-6-5）组合，可实现车门的两个位置。原动件为活塞2，它作往复运动；车门装在连杆4上，它随连杆4作平面运动。活塞2伸缩到两个极限位置，车门就会从初始位置运动到最终位置。,用齿轮-齿条机构和正弦机构组合，来实现a）、b）两个位置。齿条在活塞带动下

8、往复直线运动，与齿条相啮合的齿轮作往复180的摆动；摇杆8与齿轮固连，可摆动180，正弦机构的框架9作往复直线运动，框架上有吸头10，吸住工件从位置a）移动到位置b）。,位置b）是工件的最终位置。,位置a）是工件的初始位置,输送是按给定的路线将工件从一个位置移动到另一个位置。工作过程可表示为：,（三）输送,工件的初始位置,工件的最终位置,连续输送：各种型式的皮带运输机、链条运输机、螺旋运输机都可实现连续直线或连续环形输送，将其组合，也可实现连续空间输送。这些输送方式常用来输送颗粒状物料矿砂、煤、谷物等，也可输送其它物料，如食品、水果等。,按照输送路线的不同，可分为直线输送，环形输送，空间输送。

9、,按照输送的方式不同，可分为连续输送和间歇输送。,间歇输送：常用在生产线上，它要求工件在某一位置静止一段时间，以便对其进行工艺操作。,P77图4-7是一个间歇式的直线输送装置。气缸4的活塞是主动件，它作往复直线运动。当活塞向左运动时，推动棘爪压缩弹簧向左移动，棘爪拨动棘轮逆时针转动，与棘轮装在一根轴上的链条输送装置的链轮，就带动链条1运动，从而实现装在链条上的装配输送带的运动。当活塞向右运动时，棘爪在弹簧作用下回位，棘轮不转，装配输送带静止。这样就可实现装配输送带的间歇运动。,工件1被振动式贮料斗送到直线振动器中，然后进入导轨3，通过曲柄摇杆机构使摇杆4往复摆动，与曲柄摇杆机构相连的是摇杆滑块

10、机构，可使滑块即棘爪2往复移动，实现工件的间歇移动。,（四）分度与转位,在铣床上加工齿轮时用分度头分度，在数控机床上加工较复杂的曲面时，用回转工作台分度；转塔车床的刀架能转位换刀，转台式装配机械的工作台以及四工位专用机床的工作台等都能够实现转位。,分度与转位相同点：使工件转动一个角度。不同点：分度对转动的角度要求较精确，转位对转动角度要求不太严。,使工件转下一个角度。,分度与转位过程要完成下面一些技术动作：,使工件转动一个角度；,对工件进行定位；,松开工件；,P77图4-9是用棘轮机构带动的回转工作台。棘轮2、分度盘1和工作台装在同一个立轴上；有两个气缸4和5；气缸4通过棘爪3推动棘轮2每次转

11、过若干个齿（转过的齿数可以改变）；气缸5使定位栓6深入分度盘1的槽中进行定位，也可以使定位栓6从分度盘1的槽中取出，使分度盘松动。,回转工作台的工作过程如下：,P77图4-10是凸轮机构带动的回转工作台。,机构中采用的是圆柱凸轮机构（图中未画出），凸轮转动使推杆作摆动。凸轮每转一圈，与推杆通过铰链铰接的连杆5，便可以带动驱动板4的手柄有间歇的往复摆动一次。分度盘3通过驱动销2与驱动板4周向固定。气缸带动定位栓1作往复运动，可完成3个动作：驱动销2压入驱动板4的槽中，使分度盘3与驱动盘4分离；定位栓1伸入分度盘3的凹槽中，对分度盘3定位；定位栓1退出时，弹簧使驱动销2复位，分度盘3与驱动板又周向

12、固定。,凸轮机构带动的回转工作台工作过程如下：,定位栓1从分度盘凹槽里退开，弹簧将驱动销2压入分度盘的孔中，分度盘3和驱动板4周向固定。连杆5开始向左运动，分度盘与驱动板一起开始逆时针转动，分度开始。,开始分度转位：见图a ）,定位栓1伸入分度盘凹槽进行定位，并将驱动销压出分度盘孔，将分度盘与驱动板分开。,分度转位结束：见图b ）,驱动板4带动分度盘3转了一个角度后，连杆5停止运动，驱动板4、分度盘3也停止转动。,定位：见图c）,拉杆向右运动，驱动盘顺时针转动，分度盘在定位栓作用下不动，直到图a)位置。,返回：见图d ）,定位装置对分度和转位机构来说是必不可少的，它使分度和转位构件在转动一定角

13、度后，能停留在所要求的位置上不动，当对工件进行操作时，工件的位置不受外界的影响而偏移。定位装置的精度和可靠性直接影响执行系统的质量。,检测的目的是通过对工件的尺寸、形状及性能进行测量，分出合格及不合格的工件，或者分出不同质量的工件。,（五）检测,（2）用检测探头对工件进行检测；,要完成检测的功能，执行机构应能实现如下一些动作：,（1）使工件顺序到达检测部位，并使工件“浮动”；,（3）把合格件和不合格件分开。,P78图4-12是垫圈内径的自动检测装置。被检测的垫圈沿一条倾斜的轨道5连续送进，直到被止动臂8的止动挡销挡住而停止，这时最前面的垫圈就处于检测位置。凸轮轴1上有两个盘型凸轮，左端凸轮可使

14、止动臂8摆动，止动臂8下摆时，止动挡销离开垫圈7，使垫圈处于“浮动”位置。这就完成了检测的第一个动作。,凸轮轴1上另一个盘型凸轮可实现其推杆摆动。当止动挡销离开垫圈时，推杆下摆，带动有测头的压杆4向下运动，完成检测动作。,检测装置中采用的测头是一个圆锥形零件，垫圈内孔尺寸决定了带测头的压杆2的位置。垫圈内孔尺寸合格，压杆2位于图4-13a)位置，微动开关3的探头插入压杆的环形槽中，微动开关3断开，发出信号给控制系统，压杆离开后，垫圈被送入合格品槽中。如垫圈内孔尺寸太小，压杆行程小，走到图4-13b)的位置，如垫圈内孔尺寸太大，压杆行程大，走到图4-13c)的位置，在这两个位置微动开关3的探头都

15、不能插入压杆3的槽中，微动开关3闭合。控制系统把工件送入废品槽中。这样就完成了检测和分开合格品和不合格品的工作。,螺钉以头部支承放在导轨4里，依靠导轨4上方的驱动皮带5与螺钉头表面间的摩擦力实现螺钉的送进。导轨4下方有可绕销轴3转动的检测杆2，过长的螺钉可使检测杆2摆动，这时微动开关1发出指令，气缸6推动偏转板转动到红线位置，将其送入废品箱。长度不过长的螺钉不会碰到检测杆2，偏转板9不动作，在黑线位置将其送入成品箱。,导轨下设置两套检测装置，先检测出长的，令其掉入废品箱，不过长的继续沿轨道前进，再检测出过短的，这样两道检测可一次完成。,调整检测杆位置，让成品箱中的螺钉再一次通过检测装置，就可检

16、测出过短的螺钉，不过这时碰到检测杆2的是合格品，不接触检测杆的是不合格品。,最终的检测结果，即合格品与次品的分离，可以根据检测指令，利用偏转板具有的不同的偏转角度，使两者加以分离和分选。如有必要，还可以将不合格品继续分选为可修复产品和废品，这个过程可以采用P79图4-15所示的偏转板分选装置。,（六）施力,前面讲述的执行机构，主要功能是实现一定的运动或动作。还有许多执行机构以给作业对象施力或力矩为主要功能。这些以施力为主要目的的执行机构，其各构件所承受的载荷较大。如前面列举的颚式破碎机、冲床、重物起吊与搬运设备，都要求执行系统是具有施力的功能。对以施力为主要功能的执行机构，要通过机构设计产生较

17、明显的增力效果。,对于图示的冲床机构，作冲床的执行机构的受力分析，由D点受力可得：,Q=Pcos,当E、C、D三点接近共线时，即冲床达到下死点时完成冲压动作。此时=0，就可产生较大的增力比。,则增力比：,由杆3的C点受力可得：,PL2 = FL1,有些执行机构要求同时具有多种功能，如插齿机上带动插刀的执行系统，要同时具有施力和分度两项功能；搬运重物的机械，要同时具有搬运和施力两项功能。,如图联动凸轮机构可以实现预定的运动轨迹。凸轮1给推杆2输入X方向位移，凸轮1给推杆3输入Y方向的位移，只要合理决定凸轮1、 1的轮廓，滑块的M点就可实现预定的轨迹。,（七）实现运动形式与运动规律变化,有一些执行

18、机构工作过程中传递的力不大，但对传递的运动参数有较高要求，这类执行机构一般具有以下3方面的功能：,1、实现预定轨迹的功能：对执行构件的运动轨迹有较高的要求。,在牛头刨床中应用的摆动导杆机构，它可将曲柄的匀速运动改变为刨刀的有急回特性的非匀速运动。,2、实现匀速运动变换为非匀速运动的功能：对执行构件的运动速度有较高要求。匀速运动可能是转动或平动，非匀速运动可能是转动、摆动或平动。,3、实现变连续运动为间歇运动的功能：对执行构件的运动规律有较高要求，连续运动一般为转动，间歇运动可以是转动或平动。,曲柄摇杆机构和棘轮机构的组合，在刨床中也有应用,可将曲柄的连续转动，变为棘轮的间歇转动，棘轮可带动丝杠

19、做间歇转动，通过螺旋机构使刨床工作台间歇移动。,（八）完成工艺性复杂动作,执行系统除可以完成单一的功能外，有时还需要完成各种工艺性的复杂动作，这时执行系统较为复杂，由多个执行机构和执行构件组成。,工步：从两端将包装纸拧紧。,如包装糖果的工艺性动作如下：,工步：将糖果1推入包装纸2中；,工步：将下边包装纸推到糖果侧面；,工步：将上边包装纸推到糖果侧面；,回转型糖果扭结式包装机利用四个执行机构和执行构件完成上述4个工艺性的动作：推糖果的构件；下拆边板4；侧上边固定折边器3；扭结爪7。,要求执行系统能实现精确的动作，各构件受力较小，如缝纫机、糖果包装机、印刷机等。对这类执行系统的精度要求较高，对执行

20、构件的运动参数：位移、速度、加速度有较精确的要求。但对各构件的强度和刚度无特殊要求。,三、执行系统的分类,（一）按对运动和动力的要求分类,按对运动和动力的要求不同执行系统可以分为：动作型、动力型和动作-动力型。,1、动作型,既要求执行系统能实现预期精度的动作，又要克服较大的生产阻力。如滚齿机、插齿机等一些机械加工设备，对执行构件既有强度和刚度的要求，又有精度方面的要求。,2、动力型,要求执行系统能克服生产阻力做一定的功，对执行构件的运动参数没有严格要求，如压力机、冲床、推土机、挖掘机、碎石机等，对系统中的各构件有严格的强度和刚度要求，而对各构件的精度没有过高要求。,3、动作-动力型,按执行机构

21、的数目和相互联系，执行系统可分成3类：单一型、相互独立型和相互联系型。,（二）按执行机构的数目和相互联系分类,执行系统中有多个执行机构，但它们之间相互独立，没有相互联系。如起重机的起吊机构和行走机构，大型龙门铣床的刀具转动和移动机构等。,1、单一型：,执行系统中只有一个执行机构。如搅拌机、碎石机、皮带运输机等。,2、相互独立型：,执行系统中有多个执行机构，它们之间相互联系和制约。如印刷机、包装机、缝纫机、纺织机、谷物联合收割机、四工位专用机床等，这些执行系统较复杂，设计时要考虑各执行机构的相互配合问题。,3、相互联系型：,四、执行构件的运动形式,对执行构件运动形式的要求，取决于执行系统要完成的

22、工作任务。不同机械完成的工作任务多种多样，因此执行构件的运动形式也是多种多样的。归纳起来：平面运动和空间运动；移动和转动；连续运动和间歇运动等。可以用下表表示执行构件的基本运动形式：,其他复杂的运动都可看成是上述基本运动的组合。,P81表4-2列出了执行构件常见运动形式及主要运动参数。,思考题： 1、执行机构有哪些功能？对各功能举一实例说明。 2、对动作型、动力型、动作-动力型执行机构各有什么要求？ 3、举例说明何为单一型、相互独立性、相互联系性的执行系统。,第二节 机构选型及常见机构的主要性能特点,执行机构的选型影响着机械系统的总体布局以及机械系统的工作质量。选择机构形式时，首先考虑选择基本

23、机构。,一、机构选型,在设计执行系统时，需要解决的两个问题:,（2）选择合适的执行机构，实现所制定的运动规律。 其中第二个问题就是机构选型问题。,（1）根据使用要求和工艺要求，为执行构件制定合理的运动规律；,同一个运动规律，常常可以用不同的基本机构来实现(多解性)，这时应根据其它性能和条件，如外廓尺寸、重量、结构限制、动力特性、传动精度、生产率、制造难易程度、工作环境要求及经济性等方面进行分析和比较，选择最合理的机构方案。,基本机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构、间歇机构等，它们的运动特性各不相同。当基本机构不满足要求时，可以通过变异和组合，得到一些具有新运动特性的机构。对基本机构

24、变异的方法有：机构倒置（用不同的构件作机架）、改变运动副形状、改变某些构件的结构。同时也可以把基本机构组合起来，完成较复杂的运动。,基本机构是基础，课本P82P100讲述了常用机构的基本特点，可供自学。,根据内容和学习的需要，以下着重介绍一下有关机构组合特点和结构设计的问题：,连杆机构的基本型式和演化型式 由四个连杆连接的机构叫四连杆机构.对基本四连杆机构进行变化的方法: 1、改变构件长度 2、改变运动副类型 3、以连杆的不同点输出运动 4、改变构件的数目 5、把平面连杆机构变为空间连杆机构,1.改变构件长度,以不同构件为机架 如表4-3所示. 杆长条件:最短杆长度+最长杆长度其余两杆长度之和

25、. 满足杆长条件时,以某一杆作机架,可得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构、曲柄摇杆机构、双摇杆机构. 不满足杆长条件时,任一杆作机架均为双摇杆机构.,2.改变运动副类型 表4-3中第二排和第三排中机构,转动副变为移动副.得到不同机构.,3.以连杆的不同点输出运动 四连杆机构中作平面运动的那个构件叫做连杆.,连杆上不同的点有不同的运动轨迹.,4.改变构件数目 表4-4,六杆机构. 5.平面连杆机构变为空间连杆机构 表4-5.,机构组合和组合机构 生产实际对执行机构有各式各样的要求,基本机构往往不能满足要求.机械工程学会机械传动分会副主任,机构学专业委员会主任邹慧君教授指出:在机械运动方案设计中,进行机

26、构选型和组合应用已成为不可缺少的设计内容.在组成机械运动方案时,仅采用基本机构是不够的,还需要采用组合机构和进行机构组合.但是,对于什么是“组合机构”,“机构组合”至今还没有统一的认识. 一种机构组合的定义:将两种以上基本机构通过串联、并联等组合方式组合起来的机构联合体,以完成较复杂的运动变换。机构组合只是基本机构的延伸,是几个运动的简单叠加,机构组合中基本机构均具有相对独立性. 现有的“组合机构”的定义内涵不明确,邹慧君教授给出一个定义:组合机构是由两个或两个以上基本运动链融合而成,具有一定结构特点的特殊机构.组合机构的构成要素基本运动链是相互融合,有机联接,成为一个有机融合体.,1、机构串

27、联式组合, I型串联 （构件固接式串联）,一、 机构组合,将两个或两个以上单一机构顺序连接,前置机构的输出运动是其后续机构的输入运动.根据被传接构件的不同又分为两种形式.,又叫一般串联组合, 后一机构串联在前一机构的与机架相连的构件上.,若干自由度为1的机构,前一个机构的输出构件与另一个机构的输入构件连起来.,例:,1,2,3,4,5,6,6,1-2-3-6:双曲柄机构 3-4-5-6:曲柄滑块机构,与下面单一的曲柄滑块机构比较,两种情况中滑块5的运动规律是不一样的.,前置机构,后置机构,II型串联 （轨迹点串联）,机构1,机构2,又叫特殊串联组合,后一机构串接在前一机构不与机架相连的浮动构件

28、上.,浮动运动构件,输入构件,在前一基本机构中浮动的构件上找一点M,与后一基本机构串联.,M点通过轨迹上直线段时，从动导杆5作较长时间的停歇。 上图为织布机上用的开口机构,导杆5作停歇时,这时经线保持开口状态,以便纬线从中穿过.,6,1-2-3-6:曲柄滑块机构 2-4-5-6:转动导杆机构 在杆2上找一点M与构件4铰接.,在满足运动要求的前提下，运动链应尽量短,串联组合系统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降低系统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串联组合时应力求运动链最短。,2、机构并联式组合,(a) I型并联,(b) II型并联,(c) III型并联,

29、若干个单自由度基本机构的输入构件连接在一起，保留各自的输出运动；或若由干个单自由度机构的输出构件连接在一起，而保留各自的输入运动；或有共同的输入构件与输出构件的连接（称为并行连接）。,(c) II型并联组合,(d) III型并联组合 AOB绕O点摆动, KF上下平动,用左右两半共同承担载荷KF,左右两半均可看成一个四杆机构和一个曲柄滑块机构串联在一起.,同类机构可以并联组合，不同类机构也可以并联组合,并联组合中的分路机构可以是同类机构，也可以是不同类机构，这为并联组合的设计提供了广泛的应用前景。,机构叠加组合是指在一个机构的可动构件上再安装一个或多个机构的组合方式。把支撑其它机构的机构称为基础

30、机构，安装在基础机构可动构件上面的机构称为附加机构。,(a) I型叠加机构,(b) II型叠加机构,3、机构的叠加组合,附加机构和基础机构分别有各自的动力源，或有各自的运动输入构件，最后由附加机构输出运动。,附加机构具有唯一的动力源，或有唯一的运动输入构件，最后利用基础机构中可动构件输出运动。,轮系系杆上叠加蜗杆机构,I型叠加机构,大齿轮与BC杆固连 电风扇的机构简图,( I型叠加机构 ),蜗杆轴端有风扇叶片,电机通过蜗杆直接带动叶片旋转,蜗杆带动蜗轮转,蜗轮和小齿轮共轴,从而带动大齿轮旋转,大齿轮和四杆机构ABCD的连杆BC固联.当连杆BC作整周转动时,就带动摇杆AB来回摆动,最终实现风扇旋

31、转时又随摇杆一起摆动.,II型叠加机构,II型叠加机构,II型叠加机构,II型叠加机构,4、机构的封闭组合,其特征：基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由度机构。,将一个两自由度机构（称基础机构）中的某两个构件的运动用另外一机构（称为附加机构或约束机构）将其联系起来，使其成为一个单自由度机构的组合。,附加机构,基础机构,I 型封闭组合机构,差动轮系 有两个自由度,需要两个输入运动.,I型封闭机构 定轴轮系(左边)+差动轮系(右边) z1和z4为输入,共轴,行星架H为输出构件.,型封闭组合机构,定轴齿轮机构,曲柄摇杆机构,差动轮系(有两个自由度) 大齿轮4为输出构件.,两个子机构共用同一个输入

32、构件，而它们的输出运动又同时输入给一个2自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统.,型封闭组合机构 (又叫反馈封闭式组合),差动轮系+定轴轮系(反馈) Z1输入,Z4输出,Z6反馈.,二、组合机构,1、凸轮-连杆组合机构,准确实现多种复杂的运动轨迹或运动规律。,（1）实现复杂运动轨迹,例1：平板印刷机上的吸纸机构,吸纸盘P走出一个矩形轨迹，以完成吸纸和送纸等动作。,基础机构： 五杆机构(F=2),附加机构： 两个摆动从动件凸轮机构(F=1),例2：刻字、成型机构,M点描绘出一条复杂的轨迹。,基础机构：四杆移动副机构(F=2),附加机构：两个槽凸轮机构(F=1),（2）实现复杂运动规律,

33、例：,基础机构：五杆机构(F=2),附加机构：槽凸轮机构(F=1),凸轮的轮廓曲线滑块3的复杂运动。,2、齿轮-连杆组合机构,（1）实现复杂运动轨迹,连杆机构(F=2)基础机构,齿轮机构(F=1)附加机构,利用连杆曲线实现预定的轨迹。,基础机构：五杆机构(F=2),附加机构：定轴轮系(F=1),例1：,可以改变参数实现M点复杂运动轨迹.见下页.,实现M点的复杂轨迹。,改变各杆长度,改变齿轮的相位角,改变齿轮传动比,M,例2：振摆式轧钢机轧辊驱动装置,调节两曲柄AB和DE的相位角，方便地改变M点的轨迹。,基础机构：五杆机构ABCDE (F=2),附加机构：定轴轮系(F=1),连杆机构(F=1)附

34、加机构,（2）实现复杂运动规律,差动轮系(齿轮5+齿轮1+行星架AB) (F=2)基础机构,改变杆长和Z5、Z2，5可获得不同的运动规律。,行星架AB的运动1为输入，齿轮5转速5为输出,其中差动轮系为基础机构,四杆机构为附加机构.即用四杆机构将差动轮系的两个自由度约束去掉一个,从而形成自由度为1的机构系统.,3、凸轮-齿轮组合机构,差动轮系(F=2)+凸轮机构(F=1),1 小齿轮;2 大齿轮 H 行星架; 3 、4 凸轮机构,行星架H的运动为输入，小齿轮1的转动为输出。合理设计凸轮廓线，可使小齿轮1具有特定的运动规律。,其中差动轮系为基础机构,凸轮机构为附加机构.即用凸轮机构将差动轮系的两个

35、自由度约束去掉一个,从而形成自由度为1的机构系统.,思考题： 5、对铰链四杆机构通过： 改变构件长度和以不同构件做机架； 改变运动副类型； 以连杆的不同点输出运动； 改变构件的数目； 把平面机构变成空间机构，构型新机构。 6、举例说明应用机构组合和组合机构的方法构型新机构。,设计的执行系统应满足下面5个要求：,第三节 执行系统设计,一、执行系统的设计要求,（一）能实现有一定精度的运动和动作,为使执行系统能完成一定的功能，执行构件不仅要完成一定的运动和动 作，而且对运动和动作要有一定的精度要求。,P77图4-9和图4-10所示的回转工作台，执行构件分度盘应在需要时能转过一个精确的角度，并在此位置

36、还能准确的定位。,如转动的角度精度和定位精度不高，用回转工作台加工零件时，零件的精度就不会高。,当然也不能盲目的提高精度，这样做会导致成本提高，增加制作和安装的难度。,应根据实际的需要，在设计时为执行系统规定合适的精度。如要设计一个转台式装配机械的工作台，它应具有 “转动一个角度后，在该位置定位、停留一段时间”的功能，这种执行系统，与前面所说的进行机械加工的回转工作台相比，转动角度的精度和定位精度，可以适当降低。,执行系统中每一个零件都应有足够的强度和刚度，尤其是对动力型执行系统，零件的强度和刚度更应当引起重视。执行系统中的关键零部件，如发生强度和刚度问题，会造成严重的后果。,（二）各零件应有

37、足够的强度和刚度,零件因强度不足造成损坏，轻则使生产中断，重则会造成设备或人身事故。零件因刚度不足发生过大的弹性变形，会直接影响机械系统的精度，或使机械系统不能正常工作。以车床上的丝杆为例，如果发生过大的扭转弹性变形，就会使丝杆上的螺距P发生变化，从而使加工出的工件的螺距有较大的制造误差，影响了加工精度。若丝杆发生较大的弯曲变形，在轴承处产生过大的偏转角，就会影响轴承正常工作。,不同的执行系统，对强度和刚度要求不同。对动力型执行系统，如具有夹持和搬运等功能的执行系统，各构件应充分考虑强度和刚度要求。但对动作型的执行系统，如糖果包装机，印刷机等的执行系统，由于受力较小，对强度和刚度考虑较少，零件

38、的尺寸往往由结构设计和工艺要求决定。,相互联系型的执行系统有多个执行机构和执行构件，每个执行构件有相应的动作，这些动作应协调配合，不能发生相互碰撞和干涉，也不能发生工序倒置的现象。以糖果包装机为例，有4个执行机构和4个执行构件，它们必须协调配合，按、工步相继动作，才能完成糖果包装的功能。,（三）各执行机构间动作应协调配合,设计相互联系型的执行系统时，应绘制工作循环图，将各执行构件运动的先后顺序、起止时间、运动范围等都画在工作循环图上，按照工作循环图设计执行系统，可避免犯错误。,比如在设计四工位专用机床时，对于3个执行构件（刀具、回转工作台和主轴箱），为使其协调工作，设计时画出了运动循环图。,在

39、满足精度、强度和刚度的前提下，设计时应充分注意执行系统零部件的结构工艺性，以便于制造和安装，降低制造成本。,（四）结构合理，造型美观，便于制造和安装,零部件的结构工艺性，应从材料选择，毛坯选择及整个制造和安装过程入手，达到以最少的加工费用，制造出合格产品的目的。,工作安全可靠，就是在规定的使用期间内，在一定的工作环境和条件下，各执行系统能正常工作，不出故障，并要做到使用安全，维护管理方便。 足够的使用寿命是指执行系统要能在一定的使用期限安全可靠的工作。,（五）工作安全可靠，有足够的使用寿命,执行系统的寿命，决定于组成执行系统各零部件的寿命，其中关键零部件的寿命起到主要作用。设计时应以关键零部件

40、的寿命作为执行系统的寿命，次要零件在寿命期间里如果失效，可以用更换次要零件的方法，恢复执行系统的功能。,确定零部件和执行系统的外形时，造型美观也是设计者追求的目标之一。,除上面一些基本要求外，还有一些次要和特殊要求。如随工作环境的不同，有防锈防腐、耐高温或耐低温的要求，当执行系统外露时，为不伤害操作者，还应有安全保护要求。,设计执行系统时，应根据系统的复杂程度和设计者的经验采取不同的设计步骤。执行系统的设计，大致要经过如下一些步骤：,二、执行系统的设计步骤,（一）拟定运动方案,以加工外螺纹为例，可以采用切削法和碾压法，这两种方法执行构件的运动方案就不相同。,在拟定运动方案之前，首先要确定执行系

41、统实现功能的工艺原理。不同的工艺原理，对执行系统就有不同的运动方案。,如用切削法加工螺杆上的外螺纹，可以有下面3个方案：,方案1：让执行构件1带着工件旋转，让执行构件2带着刀具轴向移动，同时刀具还应能沿径向进刀。如车床上螺纹的加工工艺过程。,方案2：让执行构件1带着工件旋转，让执行构件2带着扳牙轴向移动。在车床上套丝就可以这样进行。,方案3：让工件不动，让扳牙既转动又轴向移动。钳工就是这样加工螺纹的。,当有几个执行系统的运动方案时，应对这些方案进行分析和比较，要听取各方面的意见，反复修改和完善方案，最后确定一个最合理的方案。,执行系统的运动方案确定后，就应选择可实现这个运动方案的机构类型以及组

42、合方法。,（二）合理选择执行机构的类型，拟定机构组合方案。,选择机构类型时，要考虑多方面的因素，但主要因素有两条：,（1）在满足运动要求的前提下，尽量选择运动链较短的机构，使构件和运动副的数目减少，从而提高传动效率、传动精度、工作可靠性、降低成本；,（2）应选用结构简单，工作可靠，便于制造和效率较高的机构。,选择机构类型时，应注意以下两种情况：,执行系统的功能和工作条件对执行机构有什么要求. 结合这两种情况，就可选择出合适的机构类型。,实现规定的运动方案，可选用哪些机构，这些机构有什么特点；,凸轮机构：优点是结构简单，变换运动灵活，容易实现对从动件运动规律的要求；缺点是从动件移动量不能太大，不

43、宜受较大的载荷，不适在高速下工作。,例如:实现回转运动变成往复直线运动：可选用凸轮机构，连杆机构、齿轮-齿条机构以及螺旋机构，这时首先应搞清这些机构的特点。,齿轮-齿条机构：承载能力大，传动效率高，容易实现等速运动规律，运动精度较高，但要实现往复直线运动，在齿轮上要加反转装置。,连杆机构：与凸轮机构相比，承载能力较大，但要实现对从动件运动规律的要求较困难，构件及运动副数目较多。,螺旋机构：传动平稳，输出力较大，可在较大行程里实现往复运动，返程可自锁，但传动效率较低,往返也要有反转装置.,在选择具体用哪个机构时，要分析机构的工作条件和对位移的要求。比如要求移动必须按某一规律进行，就不宜选用连杆机

44、构；如要求移动必须按某一规律进行的同时还要传递较大的力，就不宜选用凸轮机构。,当执行系统里有多个执行机构时，就应注意机构组合的问题，这时应注意下面3个问题：,（2）要求几个执行机构协调配合工作时，这几个执行机构应当用可实现准确传动比的传动链联接。,（1）把传动效率较高的机构安排在传动功率较大的位置,以提高总体效率.,（3）为保证安全，在关键部位要设置互锁安全装置。例如电梯门在电梯不到位，门不能开。,对有多个执行机构协同工作的执行系统，绘制工作循环图，对设计执行系统非常重要。,（三）绘制工作循环图,工作循环图是表示执行系统中各执行构件的动作和时间关系的图形。,（1）各执行构件在完成工作任务时的运

45、动和动作；,绘制工作循环图之前，要搞清楚以下几个问题：,（3）必要时要给出各执行构件的位移、速度和加速度。,（2）各执行构件运动和动作的先后顺序、起止时间和运动范围；,绘制工作循环图时，应选择一个定标构件，以这个构件的运动为基准，其它构件的运动时间都以此基准来表示。通常以机器的主轴或分配轴作定标构件，这是因为一方面这些轴和机器中所有的轴都有联系，另一方面这些轴转的整转数往往就是一个工作循环。,周期性循环的机器如包装机械、轻工自动机、自动机床等，这一类机械中各个执行构件，每经过一定的时间间隔，它们的位移、速度和加速度就会重复一次，完成一个运动循环。在生产中大部分机械都属于这类具有固定运动循环的机

46、器。,1、机器的运动循环,机器的运动循环是指机器完成其功能所需要的总时间，常用字母T表示。,机器的运动循环至少包括一个工作行程和空回行程，有时有的执行构件还有一个或若干个停歇阶段。,执行机构的运动循环T执可以表示为：,执行机构工作行程时间；,式中：,执行机构空行程时间；,执行机构停歇时间。,2、机器运动循环图的类型,常见的机器运动循环图包括以下几种类型：,（1）直线式运动循环图,特点：能清楚地表示整个运动循环内各执行构件行程之间的相互顺序和时间（或转角）的关系，并且绘制比较简单，但执行构件的运动规律无法显示，直观性较差。,这种运动循环图将运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘制在直线坐标轴上

47、。,下图所示的是干粉压片机的直线式运动循环图，其横坐标表示上冲头机构中曲柄的转角。,特点：直观性较强。通过它能够直接看出个各执行机构原动件在分配轴上所处的相位，因而便于凸轮机构的设计、安装、调试。但是当同心圆太多时，看起来不是很清楚。,（2）圆周式运动循环图,这种运动循环图将运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘制在圆形坐标上。,下图所示的是干粉压片机的圆周式运动循环图。它以上冲头中的曲柄作为定标构件，曲柄每旋转一周为一个运动循环。,（3）直角坐标式运动循环图,这种运动循环图将运动循环的各个运动区段的时间和顺序按比例绘制在直角坐标轴上。,特点：能清楚地看出个各执行机构的运动状态及起讫时间，各

48、执行机构的位移状况及相互关系一目了然。,下图所示的是干粉压缩机的直角坐标式运动循环图。图中横坐标是定标构件-曲柄的运动转角，纵坐标表示上冲头、下冲头、料筛的运动位移。,实际上它就是执行构件的位移线图，但为了简单起见通常将工作行程、空回行程、停歇区段分别用上升、下降和水平的直线来表示。,上述三种类型的运动循环图中，直角坐标式的运动循环图不仅可以表示出这些执行机构中构件动作的先后，而且还能够描述出它们的运动规律以及运动上的配合关系，直观性最强，较其他两种运动循环图更能够反映执行机构的运动特征。,（ 5）用来分析、研究各执行机构的动作如何能够紧密配合、相互协调，以保证机器的工艺动作过程顺利实现。,3

49、、机器工作循环图的功能（5点）,（1）机器的工作循环图反映了它的生产节奏，因此可以用来衡量核算机器的生产率，并可用来作为分析、研究提高机械生产率的依据；,（2）用来确定各个执行机构原动件在主轴上的相位，或者控制各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的相位；,（3）用来指导机器中各个执行机构的具体设计；,（4）用来作为装配、调试机器的依据；,4、绘制机器运动循环图的注意事项（5点）,1）以工艺过程的开始点作为机器运动循环起始点，确定最先开始运行的执行机构在运动循环图中的位置，其他执行机构则按照工艺程序先后次序列出。,2）因为运动循环图是以主轴或者分配轴的转角为横坐标，对于不在主轴或分配轴上各执行

50、机构的原动件比如凸轮、曲柄、偏心轮等，应把它们运动时所对应的转角转换成主轴或分配轴上相应的转角。,3）考虑到机器制造、安装时不可避免的会产生误差，为防止两机构在工作过程中发生干涉，应在理论计算正好不发生干涉的临界基础上再给以适当的余量。,4）应尽量使执行机构的动作重合，以便缩短机器的工作循环周期，提高生产率。,5）在不影响工艺动作要求和生产率的条件下，尽可能使各执行机构工作行程对应的中心角增大些，以减小凸轮的压力角。,5、机械运动循环图设计举例,例1: 如P102图4-18所示的冷镦铆钉机，作它的工作循环图。,冷镦铆钉机的工序及执行机构：,校直,进料,校直及进料机构,送料机构,切断机构,切断,

51、送料,切断及送料机构,脱模机构,镦压机构,镦压,脱模,主机构,冷镦机把成卷的钢材经“校直、进料、切断、传送、镦压、脱模”等6道工序后，加工制成我们所需要的铆钉。具体实施工艺过程中应有如下4个执行机构：校直进料机构、切断送料机构、镦压机构（主执行机构）和脱模机构。,运动循环图的设计步骤如下：,1.拟定工艺过程和运动方案,冷镦机执行机构的运动参数：镦压机构的滑块每分钟的往复次数，滑块的行程，镦压铆钉头时生产阻力的大小等。,2.确定各执行构件的运动参数,其它执行机构的运动参数都应和镦压机构相协调。如对切断和送料机构要知道切刀的行程及其调节范围，对校直和进料机构要知道料的直径范围、进料的长度及范围等参

52、数。,镦压机构是铆钉冷镦机的主执行机构，它的功能是铆钉头的冷镦成形。镦压机构的执行构件和机架上装有镦头模具，执行构件作往复直线运动，因此执行机构要变回转运动为往复直线运动。由于冷镦时的变形阻力较大，以及工作过程中各构件要受较大载荷的作用，因此执行机构要有增力的作用。为此选用曲柄滑块机构变转动为往复直线运动较为合适。图中构件“1-2-3-21”组成曲柄滑块机构，当滑块接近下死点时，可产生较大的增力比，这时完成镦压作业。,（1）镦压机构,盘料13经滚轮12校直后，由进料辊11和11带动完成进料动作。进料动作是间歇的，与进料辊11和11同轴的齿轮14和14相啮合，与主动齿轮14同轴的棘轮15由棘爪推

53、动，棘爪由偏心摇杆机构（20-19-18-21）及双摇杆机构（18-17-16-21）带动往复摆动。棘爪拨动棘轮15作间歇转动，从而使齿轮14、14、进料辊11和11作间歇转动，完成间歇进料。,（2）校直进料机构,3.合理选择机构类型，绘制冷镦机的运动简图。,进料机构将料从进料口ab送入到预定位置，就应当由切断刀6将其切断。切断刀6应作往复直线运动，选择移动凸轮机构完成这一功能。,（3）切断及送料机构,切刀下移切断材料后，应继续下移，将料由ab位置送到镦压位置c。,凸轮5的移动由曲柄滑块机构（1、4、5、机架21）来实现。,切断和送料动作应在进料口的料送到预定位置后、镦头主滑块3距工件一定距离

54、时进行。,上述机构中，由移动凸轮机构（6-5-21）和曲柄滑块机构（1-4-5-21）组成所需的切断及送料机构。,切刀前进行程要实现匀速运动（工艺要求）。,要实现“前进-前停-后退-后停”过程；,理由：,机构结构简单，设计和加工方便。且切刀行程不大；,采用移动凸轮机构（7-8-机架21）和双摇杆机构（8-9-10-和机架21）组合而成脱模机构。由摇杆10将鐓好的铆钉从模中推出。,（4）脱模机构,脱模应在冷镦完成后，主滑块3退出一定距离后进行，并在新料进入冷镦工位C前完成。,将上述各执行机构组合在一起，可得冷镦机的机构简图，见P102图4-18。,为使脱模机构与镦压机构很好配合，将移动凸轮7装在

55、主滑块3上。,为使上述执行机构动作协调，镦压机构、校直进料机构、切断送料机构以及脱模机构都由曲轴1驱动，因此选曲轴1作定标件，曲轴转一圈，完成一个工作循环。,4.绘制工作循环图,(1)构件在各行程的运动状态和位置关系：,主滑块3作往复直线运动，有前进和后退两个行程。每个行程曲轴转角180，其中后退行程从=0180，前进行程从=180360。,镦压机构：,退,块,滑,主,进,块,滑,主,30,60,90,120,150,210,240,300,330,360,0,270,180,180,360,0,180,进料辊11、11作间歇转动，有转动和停歇两个行程。送料转动从=30210，不转动从=210

56、30。由上述运动行程角可以看出送料与主滑块前进行程重了30，即=180210，这时主滑块处于前进初期，距机架21较远，不影响进料。,校直进料机构：,料,停,送,30,210,30,210,切刀6有“前进-前停-后退-后停”4个行程。前进从=180225，转角45，刚好处于主滑块3前进行程的初期，主滑块距机架21较远，不会与切刀干涉；切刀前进行程开始（=180），进料动作还没有完成，两者重迭了（ 210- 180= 30 ），这时切断刀刚开始运动，不会与料接触，不产生干涉；前停从=225270，转角45；后退从=270300，转角30；后停300180，转角240。,切断及送料机构：,切刀的位置

57、要求：在ba位置切断料并把料送到c；,主滑块3应在切刀离开后，才与机架接触，完成镦压动作。切刀前停和后退在送料停歇状态；,切,断,刀,后,停,前,进,前,停,退,225,270,300,180,300,180,顶杆10后退行程，处于切刀6前进行程初期和前停行程，不会产生运动干涉。,脱模机构：,顶杆10前进行程，处于滑块3的后退行程，铆钉已压好；,顶杆10前停行程，处于滑块3的后退行程和前进行程初期；,顶杆10前进=130160，转角30，主滑块3后退，完成镦压工作。切刀后停已退出，不会产生干涉；顶杆10前停=160205，转角45；顶杆10后退=205235，转角30，这两个行程均不应与镦压、

58、进料动作相互干涉；顶杆10后停=235130，转角225。,顶杆10间歇往复摆动，有“前进-前停-后退-后停”的4个行程。,退,进,前,停,脱,模,顶,杆,后,停,160,130,205,235,130,235,(2)由工作循环图可以看出下面3个信息：,各执行构件作什么运动，各运动有哪些行程，各行程的起止时间（以定标件曲轴的转角表示）。,各执行构件的动作应协调配合关系，不能发生运动失调和干涉现象。,各执行构件的动作协调表现在下面4个方面：,料进到冷镦位置c，切断刀6退出工作区后，主滑块3才能进入工作区；,料进到适当位置后，切断刀6才能将料切断，并进而把料送到镦压位置c；,顶杆10将铆钉推出并后

59、退出铆钉位置，切刀6才能将料送到冷镦位置c。,主滑块3未能完成冷镦工作时，顶料杆10不能推铆钉。冷镦工作完成后，顶料杆10才能将铆钉推出；,前一个执行构件的动作尚未结束，后一个构件的动作提前缓慢开始，但这要以动作不失调，不产生干涉为先决条件。冷镦机上，切断和送料机构采用移动凸轮机构，切断刀6在“前进（45）-前停（45）-后退（30）-后停（240）”4个行程中前进是推程，受力较大，由工作循环图可看出，切断角从180角开始前进，此时进料辊11和11还在转动，切断刀6提前了： 210- 180= 30开始运动，使推程角加大到45，从而减小了切刀的加速度和冲击，对设计凸轮机构有利。同时由于切刀开始运动时，距料ab的位置较远，不会产生干涉，当料进到位置后，切断刀6刚好运动到ab位置，完成切断工作。,为减小间歇运动的执行构件起停时的加速度和冲击，所采取的措施是:,例2: 根据各机构运动时既不干涉、而机器完成一个产品所需的时间又最短的原则，已知自动打印机的生产率为4500件/班，试绘制其运动循环图。,自动打印机有两个执行机构：打印机构和送料机构，选择打印机构的执行构件-打印头作为定标构件，以它的运动位置（转角或位