复杂机械系统设计-执行系统设计

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1、第第4章章 复杂机械运动系统设计复杂机械运动系统设计赵小力赵小力 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第第4 4章章 复杂机械运动系统设计复杂机械运动系统设计自动包装生产线有包装和码垛两大主要功能，包括开箱、自动包装生产线有包装和码垛两大主要功能，包括开箱、 装箱、称重装箱、称重/计数、封箱、升降、码垛等工艺动作。计数、封箱、升降、码垛等工艺动作。包含：包含：自动储存系统自动储存系统 自动输送系统自动输送系统 自动开箱机自动开箱机 自动称重机自动称重机 自动折盖封箱机自动折盖封箱机 角边自动封箱机角边自动封箱机 全自动连续式升降机全自动连续式升降机 真空搬运码垛机等设备真空搬运码垛机等设备第第4 4章

2、章 复杂机械运动系统设计复杂机械运动系统设计复杂机械运动系统是完成某一工艺动作所需要的复杂机械运动系统是完成某一工艺动作所需要的 机械系统，由执行系统、操作系统、传动系统等机械系统，由执行系统、操作系统、传动系统等 部分共同组成。部分共同组成。传动系统传动系统将能量流的运动和动力传递给执行系统将能量流的运动和动力传递给执行系统 的中间环节部分；的中间环节部分；执行系统执行系统直接完成机械系统预期工艺动作或生产直接完成机械系统预期工艺动作或生产 过程的部分。过程的部分。操作系统操作系统将人和机器联系起来，使机械按照人的将人和机器联系起来，使机械按照人的 指令驱使执行系统工作的机构和构件所构成的总

3、体。指令驱使执行系统工作的机构和构件所构成的总体。4.1 4.1 执行系统概述执行系统概述定义：定义：执行系统是直接完成机械系统预期工艺动作或生执行系统是直接完成机械系统预期工艺动作或生 产过程的部分，以改变工作对象的性质、形状、位置或产过程的部分，以改变工作对象的性质、形状、位置或 检测等功能性工作任务。检测等功能性工作任务。是能量流、物料流和信息流的交汇点。是能量流、物料流和信息流的交汇点。组成：组成：执行构件和执行机构执行构件和执行机构执行构件执行构件：直接与工作对象接触，实现工艺过程所要求的动作直接与工作对象接触，实现工艺过程所要求的动作执行机构执行机构：将传动系统传递的运力和运动变换

4、为工艺动作所要将传动系统传递的运力和运动变换为工艺动作所要求的运动和动力，并传递给执行构件以实现预期的功能。求的运动和动力，并传递给执行构件以实现预期的功能。4.1 4.1 执行系统概述执行系统概述执行构件：铲斗执行构件：铲斗执行机构：多级连杆机构执行机构：多级连杆机构 履带行走机构履带行走机构 转向机构转向机构4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类由于不同的机械系统要完成的工作任务不同，使得执由于不同的机械系统要完成的工作任务不同，使得执行系统的功能存在很大差异，但执行系统应该具有如行系统的功能存在很大差异，但执行系统应该具有如下的基本功能：下的基本功能：传递和输出所需

5、要的运动；传递和输出所需要的运动；传递和输出所需要的动力；传递和输出所需要的动力；实现运动形式和运动规律的变换；实现运动形式和运动规律的变换；完成预定的辅助工作。完成预定的辅助工作。夹持：夹持：定位与夹紧；定位与夹紧；搬运与输送：搬运与输送：工件从一个位置送到另一个位置工件从一个位置送到另一个位置分度与转位：分度与转位：对工件或工作台的角度进行精确的等分称为分度；对工件或工作台的角度进行精确的等分称为分度； 将工件或工作台旋转至给定的角度称为转位将工件或工作台旋转至给定的角度称为转位检测：检测：对工件的尺寸、形状及性能进行检验和测量对工件的尺寸、形状及性能进行检验和测量加载：加载：对工作对象施

6、加力或力矩以完成工作对工作对象施加力或力矩以完成工作. .工工 作作 任任 务务4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类机械手机械手4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类动作型动作型：对执行构件的预期动作（轨迹、速度、加速度等）对执行构件的预期动作（轨迹、速度、加速度等） 具有较高的精度要求，而对执行系统中各构件的强度、刚具有较高的精度要求，而对执行系统中各构件的强度、刚 度无特殊要求度无特殊要求, ,如缝纫机、糖果包装机、印刷机等。

7、如缝纫机、糖果包装机、印刷机等。运运 动动 和和 动动 力力动作动力型动作动力型：既需要执行构件能实现预期精度的动作，又既需要执行构件能实现预期精度的动作，又 对执行系统中各构件的强度和刚度有着严格要求，如各种对执行系统中各构件的强度和刚度有着严格要求，如各种 切削机床、滚齿机、插齿机等机械加工设备。切削机床、滚齿机、插齿机等机械加工设备。动力型动力型：对执行系统中各构件的强度和刚度具有严格要求，对执行系统中各构件的强度和刚度具有严格要求， 而对执行构件的运动精度没有特殊要求，如压力机、冲床、而对执行构件的运动精度没有特殊要求，如压力机、冲床、 推土机、挖掘机、碎石机等。推土机、挖掘机、碎石机

8、等。4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类自卸式货车自卸式货车碎石机碎石机4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类执执 行行 机机 构构 数数 目目 和和 关关 系系相互独立型相互独立型：执行系统中有多个执行机构，但它们之间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。机构，大型龙门铣床的刀具转动和移动机构等。单一型单一型：执行系统中只有一个执行机构。如搅拌机、碎

9、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。石机、皮带运输机等。相互联系型：相互联系型：执行系统中有多个执行机构，它们之间相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、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。复杂，设计时要考虑各执行机构的相互配合问题。4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类其他复杂的运动都

10、可看成是上述基本运动的组合。其他复杂的运动都可看成是上述基本运动的组合。执执 行行 构构 件件 运运 动动 形形 式式移动移动旋转旋转间歇移动间歇移动连续移动连续移动往复移动往复移动间歇转动间歇转动连续转动连续转动往复摆动往复摆动4.1.2 4.1.2 执行系统功能及分类执行系统功能及分类行程放大机构行程放大机构行程放大机构行程放大机构执行机构的选型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影响着机械系统的总体布局以及机械系统的工作 质量质量。选择机构形式时，。选择机构形式时，先考虑选择基本机构及其演变形式先考虑选择基本机构及其演变形式。在设计执行系统时，需要解决的两个问题在设计

11、执行系统时，需要解决的两个问题: :（2 2）选择合适的执行机构选择合适的执行机构，实现所制定的运动规律。，实现所制定的运动规律。（1 1）根据工作任务和工艺要求为执行构件制定合理的运动规律；）根据工作任务和工艺要求为执行构件制定合理的运动规律；基本机构有基本机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构、间歇：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，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。可以通过变异和组合，得到一些具有新运动特性的机构。4.1.3 4.1.3 执

12、行系统设计执行系统设计设计执行系统时，应根据系统的复杂程度和设计者的经设计执行系统时，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，大致要经过验采取不同的设计步骤。执行系统的设计，大致要经过 5 5个步骤：个步骤：（一）拟定运动方案（一）拟定运动方案以加工外螺纹为例以加工外螺纹为例，可以采用切削法和碾压法，这两种方法执行，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。构件的运动方案就不相同。在拟定运动方案之前，首先要确定执行系统实现功能的工艺原理。在拟定运动方案之前，首先要确定执行系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

13、。不同的工艺原理，对执行系统就有不同的运动方案。4.1.3 4.1.3 执行系统设计执行系统设计假如用切削法加工螺杆上的外螺纹，可以有下面假如用切削法加工螺杆上的外螺纹，可以有下面3 3个方案：个方案：方案方案1 1：让执行构件：让执行构件1 1带着工件旋转，让执行构件带着工件旋转，让执行构件2 2带着刀具轴向移带着刀具轴向移 动，同时刀具还能径向进刀。如车床上螺纹的加工工艺过程。动，同时刀具还能径向进刀。如车床上螺纹的加工工艺过程。方案方案2 2：让执行构件：让执行构件1 1带着工件旋转，让执行构件带着工件旋转，让执行构件2 2带着扳牙轴向带着扳牙轴向 移动。在车床上套丝就可以这样进行，即套

14、丝机。移动。在车床上套丝就可以这样进行，即套丝机。2111124.1.3 4.1.3 执行系统设计执行系统设计4.1.3 4.1.3 执行系统设计执行系统设计方案方案3 3：让工件不动，让扳牙既转动又轴向移动。钳工就是这样：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。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，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。理的方案。2 21 14.1.3 4.1.3 执行系统设计执

15、行系统设计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 构类型以及组合方法。构类型以及组合方法。（二）合理选择执行机构的类型，拟定机构组合方案。（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：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 1）在满足运动要求的前提下，尽量选择运动链较短的机构，）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

16、靠性、降低成本；作可靠性、降低成本；（2 2）应选用结构简单，工作可靠，便于制造和效率较高的机构。）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：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执行系统的功能和工作条件对执行机构有什么要求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4.1.3 4.1.3 执行系统设计执行系统设计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。计执行系统非常重要。（三）绘制工作循环图（三）绘制工作循环图工作循环图工作循环图表示执行系统中各执行构件的动作和时间关系的图形。表示执行系统中各执行构件的动作和时间关系的图形。（1 1）各执行构件在完成工作任务时的运动和动作；）各执行构件在完成工作任务时的运动和动作；绘制工作循环图之前，要搞清楚以下几个问题：绘制工作循环图之前，要搞清楚