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第四章执行系统设计第一节执行系统概述一、执行系统的组成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，由执行构件和与之相联的执行机构组成。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，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构件的要求。执行机构变换运动，按变换形式有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形式的连续运动或间歇运动。执行系统是在执行构件与执行机构协调工作下完成任务的，虽然工作任务多种多样，但功能归纳起来有以下几种：1．转动或移动主轴－旋转运动刀架－直线运动2．分度与转位齿轮在加工轮齿时需要进行分度，转塔车床的刀架要能转位换刀，转台式装配机械的工作台需要转位和分度。右图，4、5两气缸配合工作。（分度与转位）3．抓取与夹持机械手。4．搬运与输送搬运－不按规定路线搬工件。输送－按固定路线运送。直线输送、环行输送、空间输送。连续输送（散料）、间歇输送（自动化生产线）5．检测为了对工件的尺寸、形状及性能进行检验和测量，需执行系统具有检测功能。此时，执行构件通常是一个检测探头，当它接触到被检测工件时，通过机、电或其他方式，把检测结果传递给执行机构，以分离出合格与不合格工件。（检测）6.施力锻压、起吊重物、矿石（煤块）破碎、破冰。图3-1中卡盘夹持工件等。三、执行构件的运动形式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，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看成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表3-1.四、执行系统的分类（参见表3-2）（一）分类1、按执行机构的数目及其相互间的联系可分为：（1）单一型：在执行系统中，只有一个执行机构工作，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，如外圆磨床的磨削进给与砂轮转动。（3）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，可分为：（1）动作型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度、刚度无特殊要求，如缝纫机、印刷机。（2）动力型要求执行系统能够克服较大的生产阻力，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要求，如冲床、推土机。（3）动作动力型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、插齿机。（二）执行机构常见运动形式：1、平面运动：（1）旋转运动：连续转动、间歇转动、往复摆动。（2）移动：连续移动、间歇移动、往复移动。2、空间运动：简单空间运动、复杂空间运动。第二节执行系统设计一、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、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等在图中示出，保证运动协调与配合。3．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、便于制造与安装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、制造过程和方法考虑，降低工时和费用。还要造型美观。5.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，还有防锈、防腐、耐高温等要求。由于执行机构都是外露的，其工作范围往往属于危险区域，因此要设置防护装置或警示标志。二、执行系统的设计步骤（一）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，有电动卷扬机构和液压马达卷扬机构。（二）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，接着要合理选择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。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、棘轮机构、组合机构。参见表3-3。（三）绘制工作循环图（如图3—11）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，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。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，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形。例：图3-11为销钉切制机的机构简图销钉加工：送料、夹紧、车外圆、倒角、切割。以分配轴11作为定标构件，转一周为一个工作循环。凸轮1控制夹紧和松开坯料8;凸轮2控制挡块6和切刀7;凸轮3控制刀架上的外圆车刀4和倒角刀5。例：图4-18为冷镦铆钉机的机构简图镦压机构：曲柄滑块机构1、2、3和21。进料机构：盘料13、校直轮12、进料辊11、进料口a、切断口b、偏心摇杆机构20、19、18和四杆机构驱动棘轮机构15－14－11。断料机构和送料机构：切断刀6，成形工位c，移动凸轮机构5（动作1－4－5）。脱模机构：7、8、9、10顶出工件。所有动作通过曲轴1实现。以曲轴1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。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，不发生运动失调。（四）运动分析及强度、刚度计算1、运动分析运动分析的目的是求出执行系统中各构件的位移、速度、加速度，必要时还应确定执行构件上给定点的轨迹。机构运动分析常用的方法有图解法和解析法。2、强度和刚度计算为了保证执行系统工作时安全、可靠和准确实现规定的功能，应对执行系统中的构件作必要的强度和刚度计算。动态分析。第三节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统的典型结构讲述。一、机床主轴部件（一）主轴部件的典型结构1、主轴部件类型划分（1）主轴仅作旋转运动，如车床、卧式铣床、磨床等的主轴部件。（2）主轴作旋转运动和轴向进给运动，如钻床、镗床的主轴部件。（3）主轴作旋转运动，并可作轴向调整移动，如龙门铣床、滚齿机的主轴部件。（4）主轴绕自身轴线旋转，并绕另一个与自转轴平行轴作行星运动，如行星铣削头、行星内圆磨床的主轴部件。2、主轴部件的几种典型结构：（1）中高转速、较大载荷、采用滚动轴承的主轴部件这类主轴的支承通常以角接触球轴承或双列向心短圆柱滚子轴承为主进行组配，也可以用圆锥滚子轴承。如CK7815型数控车床主轴部件，主轴前支承内有三个角接触球轴承，为背靠背组配，其中前面两个同向大口朝外，第三个大口朝里，同时能承受径向载荷和两个方向的轴向载荷。右图为XHK5140自动换刀数控镗铣床主轴部件。（2）、以轴向载荷为主、采用滚动轴承的主轴部件属于这一类的主要是钻床类主轴部件。如摇臂钻床主轴部件，由于主轴受的轴向力较大，径向载荷较小，且主轴的旋转精度要求不高，因此轴向支承用推力球轴承，径向支承用向心深沟球轴承且不必预紧。如图3—14。（3）高转速、采用滚动轴承的主轴部件这类主轴转速较高且常恒定不变，通常采用角接触球轴承。如果载荷不大，则每个支承可装一个轴承，大口朝外。如果载荷大，在同一支承处可以多联组配。如图3—15。（4）采用液体动压滑动轴承的主轴部件滑动轴承因其具有良好运转平稳性和抗振性（阻尼大）等滚动轴承难以替代的优点，在精密机床（如磨床）中得到广泛应用。如图3—16。（二）主轴的结构主轴的结构主要取决于机床的类型、主轴上安装的传动件、轴承和密封件等零件的类型、数目、位置和安装定位方法等，同时，还要考虑主轴加工和装配的工艺性。为了便于装配和满足轴承、传动件等轴向定位的需要，主轴一般是阶梯形的轴，其直径从前端向后或者是从中间向两端逐段缩小。各阶梯之间应有退刀槽。为了与齿轮等传动件周向连接以传递转矩，主轴上经常带有键槽或花键。主轴的轴端结构应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确、连接刚度高、装卸方便和能传递足够的转矩。由于夹具和刀具已标准化，因此，通用机床主轴端部的形状和尺寸也已标准化。如图3—17。二、机械手1.机械手的组成与分类机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，是一种典型的执行系统。常用于数控机床等自动化机床的自动换刀和工件装卸；在装配作业中的元件装配、零部件的组装；在危险场合下工作，如危险品及有害物的搬运、宇宙和海洋的开发、军事工程和生物医学方面的试验研究。机械手的形式多种多样。一般由执行机构、传动装置、控制系统和辅助装置组成。机械手的执行机构由手、手腕、手臂、支柱组成。如图3—18。机械手的分类：（1）按使用用途：机械手－工作对象专一，动作程序固定，结构简单，维修方便多用于组合机床和自动生产线上。通用机械手－动作活动范围大，动作程序可根据需要随时改变，能适应多种场合，多用于机器人。（2）按传动方式：机械式机械手、液压式机械手、气动式机械手、电动式机械手（3）按控制方式：人控机械手－由人直接操作工业机械手－多用固定控制方式及可编程控制方式进行控制智能机械手－计算机控制，用于机器人。2.机械手的典型结构（1）手爪平行开闭式机械手（2）弹性机械手（3）THK6380数控卧式镗铣床自动换刀前机械手多关节机械手四自由度电动机械手15自由度6足机器兽6自由度机器人三、工程机械执行机构1.挖掘机工作装置：动臂、斗杆、挖掘斗（液压缸驱动）2.装载机的工作装置：动臂、摇臂、连杆、铲斗（液压缸驱动）3.推土机工作装置：顶推架、铲刀（液压缸驱动）4.汽车起重机工作装置：起升机构（液压马达、卷筒），伸缩臂（液压缸），变幅液压缸