第4章 执行系统设计

第4章执行系统设计本章要点：•执行系统的分类•5种基本动作•7种基本功能•基本运动•类型选择的原则•7种常用机构的特点•机构组合的3种形式•联动凸轮的设计•执行系统的设计步骤•工作循环图5.1执行系统的组成、功能及分类5.1.1执行系统的组成执行系统：直接完成系统预期工作任务的部分，也称工作机，工作装置。执行系统组成：执行构件，执行机构。执行构件：也常称工作头。是执行系统中直接完成工作任务的零部件，完成一定的动作(例：夹持、搬运、转位、喷涂、洗刷、焊接等)。它往往是执行机构中的一个或几个构件执行机构：用来驱动执行构件。例，驱动工业机械手的手指实现夹持动作的执行机构：杆机构、凸轮机构、齿轮齿条机构、螺旋机构等，或是它们的组合机构。执行机构的作用：传递和变换运动与动力，以满足执行构件的要求。变换运动形式：转动←→移动或摆动。变换运动节拍：连续运动→不同形式的连续运动或间歇运动。5.1.2执行系统的功能（1.完成基本动作5种；2.完成复杂动作；3.对工作对象施力）1.执行系统的基本动作_____20111018⑴夹持“手指”：直接夹住工件的执行构件。图5-1~图5-4为几种常见的夹持器。例：图5-1是斜楔杠杆式夹持器，“手指”4夹紧工件5是靠斜楔3推动带有滚子2的杠杆实现的，依靠弹簧1的恢复力放松工件，斜楔的往复移动可以用相应的执行机构来实现，例如，用凸轮机构或曲柄滑块机构等。例：图5-2所示为液压连杆式夹持器，工作时液压缸3进油推动活塞杆4，通过连杆5使“手指”2绕固定销轴转动夹紧工件1。这种夹持器的“手指”内侧呈圆弧形，主要用于夹持圆形工件。例：图5-3为齿轮式自锁性夹持器。它以气缸为动力带动齿轮，从而使手爪作开闭动作。当手爪闭合抓住工件(如图示位置)时，工件对手爪的作用力G的方向线在手爪回转中心的外侧，故可实现自锁性夹紧。例：图5-4所示为液压电气控制夹持器，当液压油带动转臂2转动时，“手指”1开合，由于采用了平行四杆机构，使“手指”作平动，适合于夹持方形或棱形工件，同时，整个夹持器还可绕其主轴线转动。除此以外也常采用以齿轮齿条或螺旋机构驱动“手指”夹持工件的夹持器。⑵搬运搬运是指能把工件从一个位置移送到另一个位置，但并不限定移送路线的动作，常见于生产自动线或自动机中。例：图5-5所示的是车门启闭装置。图中实线表示车门处于关闭位置，当气缸1充气推动活塞2右移时，摆杆3绕A点转动，带动滑块6在滑槽5中移动，使车门4被推到开启位置。例：图5-6所示是一种简单的搬运装置，适用于搬运扁平工件。图5-6a表示工件在搬运前的位置，图5-6b表示搬运后的位置，其工作过程如下：当真空吸头10吸住工件11后，气缸7充气，使联接于气缸活塞杆的齿条5向前移动，带动小齿轮6及与之相固联的曲柄8转摆180°，至图5-6b所示位置，然后真空吸头10充气，将工件置放于所需位置。为了防止真空吸头翻转，将搬运头9空套在曲柄的销轴上，使它能在销轴上自由转动，而滑块1空套在导销2上，滑块与搬运头以刚性连杆3相连，在曲柄8转摆时，搬运头9始终保持垂直位置，导销2在导板4的导槽中滑动。⑶输送输送：将工件按给定的路线，从一个位置运送到下一个位置。按其输送路线不同可分为直线输送、环形输送及空间输送按输送方式又可分为：连续输送：常用于矿砂、煤炭、谷物及某些物件的输送；间歇输送：常用在生产自动线上，使工件停顿，以便进行工艺操作。例：图5-7所示为一种间歇式直线输送装置气缸4推动棘爪5前进，棘爪5驱动棘轮3转动,与棘轮同轴固联的链轮2带动特制链条1，使装配输送带沿直线作间歇位移。如将上述装置的链轮与连续旋转的构件相联，则输送带沿直线连续输送。例：图5-8所示为一种以偏心轮驱动的直线导轨式输送装置。工件1被振动式贮料斗送到直线振动器(图中未示出)，然后进入固定导轨3，在偏心轮5的推动下，使摇杆4摆动，摇杆另一端与棘爪2铰接，棘爪推动工件1沿导轨3输送到下一工位。例：图5-9所示为一由棘轮机构带动的回转工作台，主要有分度、转位两个过程⑷分度与转位例：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也需要转位和分度例：图5-10所示为由凸轮机构带动的回转工作台。工作时，凸轮机构(图中未画出)带动连杆5和驱动板4往复摆动，通过驱动销2使分度盘3回转分度。定位栓1则使分度盘3定位图5-11表示了该工作台的分度转位过程分度、转位机构中都附有定位装置。定位装置的作用：使分度、转位构件在完成转位动作后，能停在所需的位置上，在工作过程中不因外界影响产生偏移。定位装置的精度和可靠性直接影响执行系统的工作质量。例：图5-12所示的是检测垫圈内径，确定其是否在允许公差范围之内的检测装置。⑸检测检验和测量工件的尺寸、形状及性能。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、电或其他的方式，把检测结果传递给执行机构，以分离出“合格”与“不合格”工件。例：图5-14为一种检测螺钉长度、剔除过长螺钉的装置图5-15为常用的偏转板分选装置示意图。根据检测指令，偏转板有不同偏转角度，使合格品和不合格品分选出来。如有必要还可把不合格品分选为可返修品和废品。2.完成工艺性复杂动作有时执行系统还需要完成各种工艺性的复杂动作。此时执行系统需由多个执行机构和执行构件组成，常见于各种轻工机械中，如啤酒灌装、计量、封口，香皂、香烟、糖果等的包裹、包装等例：图5-16所示为回转型糖果扭结式包裹机执行系统示意图。当推料机构(图5-16中未示出)推动糖块1前进到工步Ⅰ时，包糖纸2被固定折边器折成”]”形；侧下边折边机构的折边板4向上运动将糖纸侧下边包于糖块上，如工步Ⅱ所示；回转盘带动糖块回转过程中由侧上边固定折边器3的折边板将糖纸的侧上上边固定折边器3的折边板将糖纸的侧上边包于糖块上，如工步Ⅲ所示；左右扭结手在移动拨环9的推动下靠近糖块，扭结手爪7合拢并夹住糖块两端糖纸，钮结手由齿轮8驱动回转，将两端糖纸扭结成形，如工步Ⅳ所示，遂完成包裹糖块作业。手爪开合顶杆10控制扭结手爪7的开合。3.对工作对象施加力或力矩例：材料力加工与试验、重物起吊与搬运、矿石粉碎等机械都要求其执行系统具有施力功能。根据机械系统工作要求，往往一个执行系统需具备多种功能要求。例：插齿机中带动插齿刀的执行系统就同时具备分度和施力两种功能。5.2执行构件的基本运动和基本功能进行机械系统设计，就是采用各种机构来完成某种工艺动作过程或功能，因此在设计中，需要对执行构件的基本运动和机构的基本功能有全面的了解5.2.1执行构件的基本运动常用机构的执行构件的平面运动形式有转动（回转运动）和移动两种。移动包括直线运动和曲线运动，回转运动和直线运动是最简单的机械运动形式（表5-2）。按运动有无往复性和间歇性，其基本运动的形式如下⑴单向转动例：曲柄摇杆机构中的曲柄、转动导杆机构中的转动导杆、齿轮机构中的齿轮的运动。⑵往复摆动例：曲柄摇杆机构中的摇杆、摆动导杆机构中的摆动导杆、摇块机构中的摇块的运动。⑶单向移动例：带传动机构或链传动机构中的输送带(链)的移动。⑷往复移动例：曲柄滑块机构中的滑块、牛头刨机构中的刨头的运动。⑸间歇运动间歇运动分两种情况：①执行构件在一定动程的往复运动过程中有间歇停顿②执行构件作单方向的时停时续的运动，这称步进运动例：槽轮机构中的槽轮、棘轮机构中的棘轮的运动，凸轮机均、连杆机构也可以构成间歇运动。⑹实现运动轨迹例：平面连杆机构中的连杆曲线、行星轮系中行星轮上任意点的轨迹等。由表5-2可见，执行构件的运动形式是多种多样的，而机械系统动力机的运动往往比较单一，例如电动机或液压马达通常作等速转动，液压缸的活塞作等速移动等。为了把动力机的运动转变为执行构件所需的运动，需要通过传动系统或执行机构进行各种运动的变换。5.2.2执行机构的基本功能机构的功能是指机构实现运动变换和完成某种功用的能力。利用机构的功能可以组合成完成总功能的新机械。机构的基本功能如下所述。1.变换运动形式⑴双曲柄机构、齿轮机构、带传动机构、链传动机构能实现转动-转动。⑵曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构能实现转动←→摆动。⑶曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、挠性输送机构、螺旋机构、正弦机构、移动从动件凸轮机构能实现转动←→yi动。⑷槽轮机构、不完全齿轮机构、空间凸轮间歇运动机构能实现转动←→单向间歇转动。⑸双摇杆机构能实现摆动←→摆动。⑹正切机构能实现摆动←→移动。⑺双滑块机构、移动从动件移动凸轮机构能实现移动←→移动。⑻齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构能实现摆动←→单向间歇转动。2.变换运动速度例：齿轮机构(用于增速或减速)、双曲柄机构(用于变速)。3.变换运动方向例：齿轮机构、蜗杆机构、锥齿轮机构等的轴线可交错与相交，故能变换运动方向。4.进行运动合成(或分解)例：差动轮系和各种二自由度机构，可实现运动的合成与分解。5.对运动进行操纵或控制例：离合器、凸轮机构、连杆机构和杠杆机构能对运动进行操纵或控制。6.实现给定的运动位置或轨迹例：平面连杆机构、连杆.齿轮机构、凸轮.连杆机构、联动凸轮机构能实现给定的运动位置或轨迹。7.实现某些特殊功能_20110927例：增力机构、扩大行程机构、微动机构、急回特性机构、夹紧机构、定位机构能实现某些特殊功能。在实际设计时，要求所选用的机构能实现某种动作或有关功能。因此，从设计需要出发，可以将各种机构，按运动转换的种类和实现的功能进行分类。通过如此分类的机构图例资料，便于设计人员的选用或得到某种启示来创造新机构。表5-3简要介绍了按功能进行机构分类的情况。5.3机构选型与组合设计执行系统时，首先应依据机构所要实现的工艺动作要求，拟定各个执行构件的运动形式及功能范围，然后正确选择合理的原动机和机构类型；最后进行新机械运动方案的构想和设计，确定各机构的尺度，同时分析其运动的精确性、实用性与可靠性。5.3.1原动机的运动形式机构选型要考虑采用何种原动机，因为执行机构的输入运动是从原动机经过变速、传动装置传递过来的。原动机的形式直接影响执行机构选用的形式。常用原动机的运动形式如表5-4所示。5.3.2机构类型选择的原则机构选型，影响机械系统的总体布局，影响机械系统的工作质量。连杆、凸轮、齿轮、摩擦等机构都是最简单的基本机构，各自具有不同的运动特性和动力特性。若单个基本机构不能满足复杂运动要求，则⑴可将基本机构通过倒置(变换机架)⑵或改变运动副的形状⑶或改变某些零件的结构来得到多种多样的运动特性。⑷也可以根据各基本机构的特点，将它们组合在一起，形成组合机构。同一种运动要求，常可用不同的基本机构来完成，这时应根据机械的其他性能和条件，如机械的外廓尺寸、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，根据实际需要和可能选择比较合理的方案。机构类型选择的原则是：⑴满足运动要求。如果执行机构间要求动作配合协调，则它们之间的连接应用传动比准确的机构；某些场合还要注意安装互锁安全装置。⑵结构简单。⑶便于制造。⑷与动力源的形式相匹配。⑸动力特性要好。⑹提高机械效率。当执行系统中要求使用几个执行机构时，要注意把效率高的机构安排在传递功率大的地方，以便减少能量损失。5.3.3常用执行机构的主要性能特点(见表5-7)5.3.4机构组合的基本形式1.串联组合例：图5-17所示的织布机开口机构，它由曲柄滑块机构和转动导杆机构，通过M点和滑块4用铰链串联而成，当曲柄1以等角速转动时，构件5就能实现每转180°后停歇的运动要求。2.并联组合例：图5-18所示的星形发动机是由六个曲柄滑块组成的机构，六个活塞的往复运动同时通过连杆传给公用曲柄A，其输出传动是六个曲柄滑块机构输出传动的代数和，与单值发动机相比，其输出扭矩波动小，并可以部分或全部地消除振动力。3.叠加组合把一个机构叠装在另一机构的构件上，两机构各自进行运动，其输出运动则由两机构运动叠加而成。例：图5-19所示的电动玩具马的主体运动机构，它能模仿马的奔驰运动形态。这种电动马由曲柄摇块机构叠加在两杆机构的杆4上，两