机械系统设计第4章

机械系统设计机械系统设计的目的是使所设计对象具有一定预期功能，而在机械系统中能直接完成预期工作任务的那部分子系统就是执行系统。实现某一个工艺过程往往需要多个或多种运动，能完成同一种运动的机构往往又有多种，这些运动和机构的选型与设计将直接影响整个机械系统的性能、结构、尺寸、重量等。因此，执行系统设计是机械系统设计的关键问题之一。第四章执行系统设计4．1执行系统的组成、功能及分类4．1．1执行系统的组成执行系统都是由执行末端件和与之相连接的执行机构组成。执行末端件是直接与工作对象接触并完成一定工作(如夹持、移动、转动等)或在工作对象上完成一定动作(如切削、锻压、焊接、清洗等)的零部件。执行机构的主要功用是给执行末端件提供动力和带动它实现运动，即将传动系统传递过来的运动和动力进行必要的变换以满足执行末端件的要求。健身增肌二次发育WeiXinTaoBao执行系统中往往有一个或几个执行末端件，一种执行末端件完成同样的作业动作常可采用不同的执行机构来驱动，能够完成同一功能的执行系统往往可以有不同的方案。例如，工业机械手的夹爪是夹持工件的执行末端件，驱动其实现夹持动作的执行机构可以是连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条机构、螺旋机构等，也可是它们的组合机构。机构的不同将会使机械手的夹爪具有不同的运动和动力特性。常见的执行系统一般都是由纯机械结构组成，但随着科学技术的发展，执行系统的组成也在不断地发生着变化。一方面电子、电气、光学、液压、气压等技术也可以直接与纯机械结构结合，组成较先进的机电、机光、机液、机气等执行机构；另一方面又由于传动系统变得越来越简单，有时一个机构就可以既是传动系统又是执行系统。所以，执行系统可以由一个简单的机构组成，也可以由一些基本机构组合的复杂机构来组成；可以由纯机械结构组成，也可以由机电、机光、机液、机气等装置组成。这主要根据系统的功能和技术要求来选择与确定。4．1．2执行系统的功能执行机构的作用是传递与变换运动和动力，即将传动系统传递过来的运动和动力进行必要的变换以满足执行末端件的要求。由于机械产品的功能各不相同，执行系统的结构与功能也多种多样。但若从执行系统所变换的运动形式来看，不外乎是转动和移动或摆动之间的互相转换。若就变换的节拍来看，则主要是将连续运动变换为不同形式的连续运动或间隙运动。如图4-3所示的牛头刨床执行系统有两个执行末端件——刨刀、工作台。2．2．4保证安全性执行系统的功能是在执行机构和执行末端件的协调工作下完成的，虽然工作任务多种多样，但执行系统的功能归纳起来可分为以下几种。(1)夹持：如图4-2。(2)搬运：如图4-4。（3)输送：在图4-5。(4)分度与转位：如图4-6。(5)检测：如图4-7。(6)施力：如图4-8。(7)完成工艺性复杂动作：如图4-9。1)夹持：在加工或搬运一个工件时，夹持动作是必不可少的。(2)搬运：搬运是指无需限定移送路线而将物件从一个位置移送到另一个位置，常用于生产自动线或自动机中。3)输送：输送是指将物件按指定的路线从一个位置运送到另一个位置。按其输送路线的不同可分为直线输送、环形输送和空间输送；按输送节拍不同可分为连续输送和间隙输送。连续输送常用于煤矿、矿砂、谷物等的输送；间隙输送常用于生产自动线上，可让工件在工位上停歇一段时间，以便进行工艺操作。典型应用如自动铣床的上下料机构和齿轮生产线上两个工位之间的传送机构等。(4)分度与转位：实现分度与转位也是执行系统的主要功能之一，如加工齿轮轮齿时需要进行分度，转塔车床的刀架可以进行转位换刀等。(5)检测：为了对工件的尺寸、形状或性能进行检验与测量，常需执行系统具有检测功能。此时，执行末端件通常是检测探头，当它接触到被测工件时，可通过机、电或其他方式将检测结果传递给执行机构，以分离出“合格”与“不合格”工件。(6)施力：执行系统的主要功能是实现一定的运动或动作，此外，也有许多机械要求执行系统对工作对象施加力或力矩作用以达到完成生产任务的目的。(7)完成工艺性复杂动作：执行系统除有时还需要完成各种工艺性的复杂动作。此时，执行系统将需要多个执行机构与执行末端件组成，常见于各种轻工机械中，如啤酒罐装、计量与封口，如香烟、香皂、糖果等的包裹包装等。4．1．3执行系统的分类按执行系统对运动和动力的不同要求可将执行系统分为：动作型、动力型、动作一动力型。按执行系统中执行机构的数目及其相互关系可将执行系统分为：单一型、相互独立型、相互联系型。表4-l列出了各类执行系统的性能特点及应用举例。4．1．4执行末端件的运动形式执行末端件的运动形式取决于执行系统所要完成的工作任务。由于工作任务的多样性，执行末端件的运动形式也各种各样，但归纳起来执行末端件的基本运动不外乎是移动和转动两大类，而这两大类运动又都可分为连续和间歇两种，其他复杂的运动都可以看成是上述两类基本运动的组合。表4-2列出了执行末端件常见的运动形式及其主要运动参数。4．2常用执行机构及其主要性能特点怎样根据功能要求和工艺条件合理制订执行系统的运动规律，采用什么机构去完成所确定的运动规律是执行系统设计时需要首先考虑的问题。机构的选型和设计将影响机械系统的总体布局，影响机械系统的工作质量。执行轴机构、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和摩擦机构等都是最简单的基本机构，各自具有不同的运动特性(包括运动的轨迹、速度、加速度，构件的位移、角位移、角速度、角加速度，机构的传动精度等)和动力特性。1．执行轴机构分析执行系统的各种运动与动作情况可知，执行末端件的回转运动主要是由执行轴机构来实现。利用轴的回转运动来完成执行任务的情形有很多。如图4-1所示为某中型普通车床的执行轴机构——主轴组件，图4-10所示的是M1432型万能外圆磨床砂轮架主轴。执行轴由于功用不尽相同，各自的尺寸、结构及执行轴机构的组成与布置也就不一样。但归结起来，执行轴机构一般由执行轴、安装在轴上的传动件(如齿轮、皮带轮等)及执行轴支承部件(包括轴承及其间隙调整装置、密封件、定位与固定元件等)组成。因此，执行轴机构设计的主要内容是各组成元件的选择、设计和布置以及轴本身的设计。2．连杆机构连杆机构属低副机构，各运动副均为面接触，因而压强小、磨损少，具有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封闭等优点。当改变机构的杆件数或运动副类型、变换主动件或输出点位置时，可获得各种不同的运动规律和运动轨迹，尤其是空间连杆机构由于运动副类型和排列顺序的多样性，使其实现的运动更为复杂多样。连杆机构的应用非常广泛。但连杆机构实现任意预期规律和运动轨迹的精确性较差，其设计方法亦较复杂。此外，由于各构件有尺寸误差和各运动副之间存在间隙，使机构传动的累积误差增加，构件在受载时的弹性变形及温升引起的热变形也会使机构的精度下降。另外，构件的质心在运动中不断变换位置，使机构难以平衡，动载、噪声与振动较大。因此，连杆机构一般不适用于高速场合。连杆机构中以铰链四杆机构为基本形式，其他形式的四杆机构均可看做是在它基础上的演化形式。3．凸轮机构凸轮机构是主要由凸轮、从动件和机架组成的高副机构。凸轮和从动件之间需通过施力(如弹簧力、重力)或各种形式的封闭几何形状保持接触。凸轮机构的最大优点是可以准确地实现任意复杂的运动规律，只要设计出凸轮轮廓曲线就可以使从动件按拟定的规律运动。但凸轮机构在高副处难以保证良好的润滑，且比压又较大，因此易受磨损。所以，凸轮机构传递动力不能过大，高速运行时动力学特性变差，故凸轮机构不宜在高速重载状态下工作。凸轮机构的设计包括以下内容：(1)确定从动件的运动规律。(2)确定凸轮轮廓曲线的最小曲率半径。(3)确定压力角和基圆半径。(4)凸轮常用材料的选择。4．间歇运动机构很多自动机、半自动机工作时需完成分度、夹持、进给、装配、包装、输送等功能，此时常需执行机构作间歇运动。间歇运动分为两种情形：一是执行机构在一定行程的往复运动过程中有间歇停顿；二为执行机构在某一方向上作时断时续的运动，这种间歇运动常称为步进运动。常用间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮间歇运动机构等，表4-4所示为常用间歇运动机构及其特点。外齿式棘轮机构.avi双向棘轮机构1.avi双向棘轮机构.avi内齿式棘轮机构.avi平面外槽轮机构.avi平面内槽轮机构.avi内啮合不完全齿轮机构.avi5．差动机构差动机构可将两个运动合成一个运动，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。常用差动机构及其特点见表4-5。（差动螺旋机构、锥齿轮差动机构、行星齿轮差动机构）6．增力机构增力机构能够使传递的力或力矩增大，以达到省力的目的。增力机构亦常用于物件的夹紧或夹持机构中。增力机构的形式很多，大多借助杠杆、斜楔、螺旋或肘杆等实现增力，各种减速传动装置如齿轮、蜗杆、带、链传动装置等都具有增力功能。常用增力机构及其特点见表4-6。7．行程增大机构由于受机构尺寸或结构的限制，有时一般机构从动件的行程不能满足使用要求。此时，可以采用连杆机构、齿轮机构、凸轮机构等构成组合机构来加大从动件的行程。这样的组合机构形态与结构多种多样，其特性和行程增大倍数也各不相同。典型的行程增大机构见表4-7。由于机械系统的工作对象和工作条件千变万化，工艺动作要求也纷杂各异，单个基本机构往往难以满足要求。此时可将基本机构通过倒置(变换机架)、改变运动副的形状或改变某些零件的结构来实现各种运动特性。也可以根据各个基本机构的特点，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。同一种运动要求常可以采用不同的基本机构来完成，这时应根据机械的其他性能或条件如机械的外廓尺寸、重量或结构限制、动力特性、传动精度、工作环境、制造成本等进行分析、比较，根据实际的需要和可能性选择比较合理的方案。4．3执行系统的设计作为总机械系统的一个子系统，执行系统一端与被执行对象相接触，另一端与传动系统相连接。因此，在设计执行系统时，不但要明确本系统中各个零、部部件的相互作用及设计要求，而且还要了解其与其他系统的联系和协调，进而使总系统处在最佳状态下工作。4．3．1执行系统设计的基本要求与设计步骤1．执行系统设计的基本要求执行系统设计的合理与否将直接影响机械产品的功能和性能，执行系统设时，通常应满足以下基本要求：(1)实现预期的功能目标——预期精度的运动和动作(2)足够的刚度、强度，有足够的使用寿命(3)各执行机构间动作要配合协调(4)结构合理、安全可靠、造型美观2．执行系统的设计步骤执行系统的设计步骤与设计内容的多少、设计的难易程度和设计者经验有关。因此，执行系统的设计不存在固定的模式，但通常要经过以下一些步骤。(1)拟订运动方案(2)合理选择执行机构类型，拟定机构组合方案(3)绘制工作循环图(4)运动分析(5)动力学分析及承载能力计算(1)拟订运动方案实现同一工作任务可以采用不同的工作原理和选择不同的运动方案，采用不同的工艺原理与运动方案则执行机构的类型、执行末端件的运动形式和执行系统的结构都可能不同。设计执行系统时，首先要根据工作任务或工艺过程的要求，确定执行系统的工作原理，分析执行系统所要完成的各种动作，并将这些动作分解成若干基本运动，如等速或变速的转动、间歇的或连续的转动、周期性的往复运动等。这些基本运动的分解可以有多种方案，实现某一运动又可能有多种方案。设计时可先提出几个初步方案，并进行分析比较和反复修改，然后确定最合理的方案。(2)合理选择执行机构类型，拟定机构组合方案对于传递和变换运动的执行机构来说，可选择的执行机构并非是唯一的，因而需要进行分析比较和选择。在选择机构时，首先要根据末端件的运动或动作、受力大小、速度快慢等工作要求，并结合执行机构的特点进行综合分析。一般原则是在满足使用要求的前提下，尽可能使机构和零部件数减少。同时，应优先选用结构简单、工作可靠、便于制造和效率高的机构。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；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