第5章-执行系统设计

西安科技大学机械工程学院第5章执行系统设计•5.1执行系统的功能及基本要求【掌握】•5.2执行系统的组成与分类【掌握】•5.3常用的典型执行系统【了解】•5.4执行系统设计【了解】西安科技大学机械工程学院5.1执行系统的功能及基本要求•执行系统的任务：实现机电一体化系统(或产品)的目的。•对机电产品，其功能主要体现在以下方面:1)作用于外界、完成预定操作过程。2)作用于机器内部，完成某种控制动作。•执行系统：直接用来完成各种工艺动作或生产过程的系统。•执行系统要根据控制指令，将动力系统提供的能量和动力，通过传动系统的传动，直接完成系统预定的工作任务。•执行系统方案设计是机电一体化系统总体方案设计中极其重要又极富有创造性的环节，直接影响机电系统的性能、结构、尺寸、重量及使用效果等。西安科技大学机械工程学院•执行机构基本要求:•1)实现一定的运动。•这些运动一般具备轨迹形状、速度大小、行程长短、起止点位置、运动方向等要素。•对这些运动的轨迹、起点、终点有一定精度要求，对运动启动、停止和轨迹跟踪有一定灵敏度要求。•2)传递必要的动力。•执行机构应具备一定强度和刚度，能传递一定力或力矩。•3)保证系统具有良好的动态品质。•由于在受力和高速运转下保证运动轨迹和定位精度，因此对执行机构静刚度、动刚度、热变形和摩擦特性有严格要求。减小质量、减小转动惯量、提高传动刚性、提高固有振动频率、减小摩擦和传动间隙都是改善动态品质途径。西安科技大学机械工程学院5.2执行系统的组成与分类•5.2.1执行系统的组成•执行系统：由执行机构与执行构件组成，执行机构驱动执行构件作用于工作对象。•(1)执行构件•执行构件：直接完成工作任务的零部件，是执行机构中的一个构件，由执行机构带动；•或是与工作对象直接接触并携带它完成一定动作(如夹持、搬运、转位等)，或是在工作对象上完成一定动作(如喷涂、洗刷和锻压等)。西安科技大学机械工程学院•(2)执行机构•执行机构：位于动力元件和传动系统后的机械装置，一方面要作用于执行构件，另一方面要在一定约束下实现所需运动。•作用：把传动系统传递的运动形式或动力进行必要的变换，以满足执行构件的运动要求。•常见运动变换：将转动变为直线移动或摆动，或将直线运动或摆动变成转动，还可变换成不同形式连续运动或间歇运动。西安科技大学机械工程学院5.2.2执行系统的分类及特点•（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分为：动作型、动力型、动作-动力型。•1、动作型•要求执行系统能实现精确动作，各构件受力小，如缝纫机、糖果包装机、印刷机等。•这类执行系统精度要求高，对执行构件运动参数：位移、速度、加速度有精确要求，对各构件强度和刚度无特殊要求。西安科技大学机械工程学院•2、动力型•要求执行系统能克服生产阻力做一定功，对执行构件运动参数没严格要求，如压力机、冲床、推土机、挖掘机、碎石机等，对系统中各构件有严格的强度和刚度要求，而对各构件精度没过高要求。•3、动作-动力型•既要求执行系统能实现预期精度的动作，又要克服较大生产阻力。如滚齿机、插齿机等机加设备，对执行构件既有强度和刚度要求，又有精度要求。西安科技大学机械工程学院（二）按执行机构的数目和相互联系分类•分成3类：单一型、相互独立型、相互联系型。•1、单一型：•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：•有多个执行机构，但它们之间相互独立，没有联系。如起重机起吊机构和行走机构，大型龙门铣床刀具转动和移动机构。•3、相互联系型：•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、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相互配合问题。西安科技大学机械工程学院5.3常用的典型执行系统•夹持、搬运、输送、分度与转位、检测和施力等典型执行系统。•(1)夹持器•加工或搬运工件•直接夹持工件的执行构件称为“手指”•图5-1是弹簧杠杆式夹持器图5-2是斜楔杠杆式夹持器西安科技大学机械工程学院西安科技大学机械工程学院西安科技大学机械工程学院•由上述4种夹持器可看出，完成相同“抓取—夹持—放开”功能，所用夹持器结构不同。采用哪种夹持器，决定于被夹持物料重量以及对自动化程度要求的高低。当被夹持物形状不同时，应配置不同“手指”。•(2)搬运装置•把工件从一个位置送到另一位置，运动轨迹不限定•常见于自动化生产线和自动机之中。•图5-5为车门启闭装置。当车门处于关闭位置时，汽缸充气推动活塞2右移，使摆杆3绕A点转动，带动滑块6在滑道5内移动，将车门4推到开启位置。西安科技大学机械工程学院车门关闭时位置在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。西安科技大学机械工程学院西安科技大学机械工程学院•(3)输送装置•将工件按预定轨迹(路线)，从一个位置送到另一位置。•输送路线有直线、环形等；输送形式有连续、间歇输送。西安科技大学机械工程学院•(4)分度与转位装置•如加工齿轮时分度，六角车床刀架转位换刀，转台式装配机械的工作台的分度与转位等。西安科技大学机械工程学院西安科技大学机械工程学院•(5)检测装置【量具量仪等】•检测工件形状、尺寸和性能，相应执行构件是检测探头。•检测工件时，通过机械、电气或其他传动方式，把检测结果传递给执行机构，分离出合格与不合格工件。西安科技大学机械工程学院•(6)施力•许多机电系统不仅要求实现运动或动作，且要求能对动作对象施加一定力与力矩，如重物夹持、起吊与搬运机械；插齿机同时要求有分度和施力功能。西安科技大学机械工程学院5.4执行系统设计•执行系统设计不同于机构或零件设计，属系统设计。•不仅要明确本系统各部分作用及设计要求，还要了解它与其他系统的联系、协调及分工。•5.4.1执行系统设计要求•(1)实现预期精度的运动•(2)有足够的强度与刚度•(3)各执行机构间的运动要协调【重点】•(4)结构合理、造型美观、制造与安装方便•(5)工作安全可靠、使用寿命长西安科技大学机械工程学院5.4.2执行系统设计步骤及方法•执行系统设计过程和内容，如图5-16所示。西安科技大学机械工程学院•主要步骤•(1)功能原理设计•根据系统预期实现的功能，考虑选择何种工作原理实现这一功能，构思出所有可能功能原理，加以分析比较并根据使用要求或工艺要求，从中选出既能很好满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。•(2)运动规律设计•运动规律设计包含两方面内容:工艺动作分解和运动方案选择。•工艺动作分解是运动规律设计基础，工艺动作分解方法不同，得到的运动规律和运动方案不同。同一工艺动作，可分解成各种简单运动，它们很大程度上决定了系统特点、性能和复杂程度。西安科技大学机械工程学院•(3)执行机构形式设计•由于执行机构的作用是传递和变换运动，而实现某种运动变换可选择的机构并非唯一，需进行分析、比较，合理选择。•(4)执行构件设计•在机电一体化系统中，执行构件直接与工作对象接触，由于工作对象各不相同，执行构件形状与结构也多种多样。•1)模仿人和其他生物肢体或器官。是最原始最巧妙的方法。•2)根据工作对象外形特征和物理化学特征确定执行构件形状和结构。多数执行构件均是如此。西安科技大学机械工程学院•(5)绘制工作循环图•在设计多个需协同工作的执行机构时，要绘制工作循环图以表达和校核各执行构件间的协调与配合。•首先要搞清楚各执行构件在完成工作时的作用和动作过程，运动或动作先后顺序、起止时间及运动范围，必要时还要给出它们的位移、速度和加速度，再由上述运动数据绘制工作循环图。•(6)运动分析及强度、刚度计算•有关内容在《机械原理》、《机械设计》、《材料力学》等课程中都已详细讨论过。西安科技大学机械工程学院5.4.3运动循环图的绘制方法•机电一体化系统中，各执行机构运动往往是周期性的，执行机构经过一定时间间隔后，其位移、速度等运动参数周期重复，即完成一个个运动循环。•在每一个循环内可分为工作行程、空行程、停歇阶段，所需时间总和称为执行机构运动循环周期。•为使执行机构能按功能要求以一定次序运动，多数机构常采用微机或机械方式集中或分散控制。因此有必要在分析功能要求基础上制定循环图。•运动循环图常用三种形式表示，直线式、圆周式、直角坐标式。表5-3为三种形式循环图绘制方法及特点比较。西安科技大学机械工程学院表5-3三种运动循环图绘制方法及特点形式绘制方法特点直线式将系统在一个运动循环中各执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序按比例绘制在直线坐标轴上绘制方法简单，能清楚表示一个运动循环中各执行构件运动的顺序和时间关系;直观性差，不能显示各执行构件的运动规律圆周式以极坐标系原点为圆心作若干同心圆，每个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环引径向直线表示各执行构件不同运动状态的起始和终止位置能比较直观地看出各执行机构主动件在主轴或分配轴上的相位;当执行机构多时，同心圆环太多，不直观，无法显示各执行构件的运动规律直角坐标式用横坐标表示系统主轴或分配轴转角，纵坐标表示各执行构件的角位移或线位移，各区段之间用直线相连不仅能清楚地表示各执行构件动作的先后顺序，而且能表示各执行构件在各区段的运动状态西安科技大学机械工程学院5.4.3.1单个执行机构的运动循环图•为设计执行系统运动循环图，首先应绘制执行机构运动循环图，而执行机构运动循环图主要根据功能要求进行设计。•执行机构运动循环周期，一般由三部分组成。•如图5-17所示为步进式送料机构，其运动循环周期TP为TP=Tk+Td+To式中Tk—执行机构工作(前进)行程的时间;Td—执行机构空回(后退)行程的时间;To—执行机构停留的时间。西安科技大学机械工程学院西安科技大学机械工程学院5.4.3.2执行系统的运动循环图（多个执行机构）鞋钉制作工艺过程示意图Ø镦钉子头部Ø送料Ø压紧、挤方Ø挤尖、切断•执行系统循环图是将各执行机构循环图按同一时间(或转角)刻度，绘在一起的总图，它以某一主要执行机构工作起点为基准，表示出各执行机构相对于该主要执行机构的运动循环的先后次序。西安科技大学机械工程学院绘制方法：将机械在一个工作循环中各执行构件各运动区段的起止时间（或转角）和先后顺序，按比例绘制在直线轴上，形成长条矩形图。特点：绘制方法简单，能清楚地表示出一个运动循环内各执行构件间运动的先后顺序和位置关系。但由于不能显示各执行构件的运动变化情况，只有简单的文字表述，故直观性较差。1、直线式运动循环图工艺示意图西安科技大学机械工程学院绘制方法：以原点O为圆心，作若干个同心圆环，每一个圆环代表一个执行构件。由各相应圆环分别引径向直线表示各执行构件不同运动区段的起始和终止位置。特点：因机械运动循环通常是在主轴或分配轴转一周的过程中完成的，故能直观地看出各执行机构中原动件在主轴或分配轴上所处相位，便于各执行机构设计、安装和调试。但当执行构件较多时，因同心圆环太多而不够清晰，同样也不能显示执行构件运动变化情况。2、圆周式运动循环图工艺示意图西安科技大学机械工程学院3、直角坐标式运动循环图绘制方法：以横坐标轴代表机械的主轴或分配轴的转角，以纵坐标轴代表各执行构件的角位移或线位移，实际上就是各执行构件的位移线图。通常忽略实际的运动规律，将各运动区段用直线连接，只反映出个执行构件间运动的协调配合关系即可。特点：形象、直观，不仅能清楚地表示出各执行构件的运动先后顺序，还能表示出执行构件的运动状态及运动变化情况。工艺示意图西安科技大学机械工程学院5.4.4运动循环图的设计与计算•5.4.4.1执行机构运动循环图的设计步骤•图5-20所示为一自动打印记(或压痕)机执行机构。打印头1在操作系统的控制下，完成对产品2的打印。•以该机构为例说明运动循环图设计与计算步骤。•(1)确定打印头的运动循环若给定打印机的生产纲领为450