第5章執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計5.1執(zhí)行系統(tǒng)的功能及根本要求5.2執(zhí)行系統(tǒng)的組成與分類5.3常用的典型執(zhí)行系統(tǒng)5.4執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)是直接用來完成各種工藝動作或生產(chǎn)過程的系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)要根據(jù)控制指令，將動力系統(tǒng)提供的能量和動力，通過傳動系統(tǒng)的傳動，直接完成系統(tǒng)預(yù)定的工作任務(wù)。執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計是機電一體化系統(tǒng)總體方案設(shè)計中極其重要又極富有創(chuàng)造性的環(huán)節(jié)，直接影響機電系統(tǒng)的性能、結(jié)構(gòu)、尺寸、重量及使用效果等。本章介紹執(zhí)行系統(tǒng)的功能、執(zhí)行機構(gòu)性能特點和執(zhí)行系統(tǒng)運動的協(xié)調(diào)設(shè)計等問題。5.1執(zhí)行系統(tǒng)的功能及根本要求執(zhí)行系統(tǒng)的任務(wù)就是實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的目的，對于機電產(chǎn)品，其功能主要表達在以下方面:1)作用于外界、完成預(yù)定的操作過程。2)作用于機器內(nèi)部，完成某種控制動作。通常對執(zhí)行機構(gòu)提出如下根本要求:1)實現(xiàn)一定的運動。這些運動一般應(yīng)具備軌跡形狀、速度大小、行程長短、起止點位置和運動方向等要素。對這些運動的軌跡、起點與終點應(yīng)有一定的精度要求，對運動的啟動、停止和軌跡跟蹤應(yīng)有一定的靈敏度要求。2)傳遞必要的動力。執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)具備一定的強度和剛度，能傳遞一定的力或力矩。3)保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)品質(zhì)。由于是在受力狀態(tài)和高速運轉(zhuǎn)下保證運動軌跡和定位精度，因此對執(zhí)行機構(gòu)的靜剛度、動剛度、熱變形和摩擦特性應(yīng)有嚴格要求。減小質(zhì)量、減小轉(zhuǎn)動慣量、提高傳動剛性、提高固有振動頻率、減小摩擦和傳動間隙等都是改善動態(tài)品質(zhì)的途徑。5.2執(zhí)行系統(tǒng)的組成與分類5.2.1執(zhí)行系統(tǒng)的組成執(zhí)行系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)與執(zhí)行構(gòu)件組成，執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件作用于工作對象。(1)執(zhí)行構(gòu)件執(zhí)行構(gòu)件是執(zhí)行系統(tǒng)中直接完成工作任務(wù)的零部件，它往往是執(zhí)行機構(gòu)中的一個構(gòu)件，其動作由執(zhí)行機構(gòu)帶動;或者是與工作對象直接接觸并攜帶它完成一定的動作(如夾持、搬運、轉(zhuǎn)位等)，或是在工作對象上完成一定的動作(如噴涂、洗刷和鍛壓等)。

(2)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是位于動力元件和傳動系統(tǒng)之后的機械裝置，它一方面要作用于執(zhí)行構(gòu)件，另一方面要在一定的約束下實現(xiàn)所需的運動。其作用是把傳動系統(tǒng)傳遞的運動形式或者動力進行必要的變換，以滿足執(zhí)行構(gòu)件的運動要求。常見的運動變換形式是將轉(zhuǎn)動變換為直線移動或擺動，或?qū)⒅本€運動或擺動變換成轉(zhuǎn)動，還可以變換成不同形式的連續(xù)運動或間歇運動。5.2.2執(zhí)行系統(tǒng)的分類及特點〔一〕按對運動和動力的要求分類按對運動和動力的要求不同執(zhí)行系統(tǒng)可以分為：動作型、動力型和動作-動力型。1、動作型要求執(zhí)行系統(tǒng)能實現(xiàn)精確的動作，各構(gòu)件受力較小，如縫紉機、糖果包裝機、印刷機等。對這類執(zhí)行系統(tǒng)的精度要求較高，對執(zhí)行構(gòu)件的運動參數(shù)：位移、速度、加速度有較精確的要求。但對各構(gòu)件的強度和剛度無特殊要求。2、動力型

要求執(zhí)行系統(tǒng)能克服生產(chǎn)阻力做一定的功，對執(zhí)行構(gòu)件的運動參數(shù)沒有嚴格要求，如壓力機、沖床、推土機、挖掘機、碎石機等，對系統(tǒng)中的各構(gòu)件有嚴格的強度和剛度要求，而對各構(gòu)件的精度沒有過高要求。3、動作-動力型既要求執(zhí)行系統(tǒng)能實現(xiàn)預(yù)期精度的動作，又要克服較大的生產(chǎn)阻力。如滾齒機、插齒機等一些機械加工設(shè)備，對執(zhí)行構(gòu)件既有強度和剛度的要求，又有精度方面的要求。〔二〕按執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)目和相互聯(lián)系分類執(zhí)行系統(tǒng)可分成3類：單一型、相互獨立型和相互聯(lián)系型。1、單一型：執(zhí)行系統(tǒng)中只有一個執(zhí)行機構(gòu)。如攪拌機、碎石機、皮帶運輸機等。2、相互獨立型：

執(zhí)行系統(tǒng)中有多個執(zhí)行機構(gòu)，但它們之間相互獨立，沒有相互聯(lián)系。如起重機的起吊機構(gòu)和行走機構(gòu)，大型龍門銑床的刀具轉(zhuǎn)動和移動機構(gòu)等。3、相互聯(lián)系型：

執(zhí)行系統(tǒng)中有多個執(zhí)行機構(gòu)，它們之間相互聯(lián)系和制約。如印刷機、包裝機、縫紉機、紡織機、谷物聯(lián)合收割機、四工位專用機床等，這些執(zhí)行系統(tǒng)較復(fù)雜，設(shè)計時要考慮各執(zhí)行機構(gòu)的相互配合問題。5.3常用的典型執(zhí)行系統(tǒng)下面分析幾種完成夾持、搬運、輸送、分度與轉(zhuǎn)位、檢測和施力等功能的常見典型執(zhí)行系統(tǒng)。(1)夾持器用于加工或搬運工件，直接夾持工件的執(zhí)行構(gòu)件稱為“手指〞，下面給出幾種常見的夾持機構(gòu)。圖5-1是彈簧杠桿式夾持器，圖5-2是斜楔杠桿式夾持器由上述4種夾持器可以看出，完成相同的“抓取—夾持—放開〞功能，所采用的夾持器的結(jié)構(gòu)卻不同。采用哪一種夾持器，決定于被夾持物料的重量以及對自動化程度要求的上下。當被夾持物的形狀不同時，應(yīng)配置不同的“手指〞。(2)搬運裝置把工件從一個位置送到另一個位置，而運動軌跡不限定，常見于自動化生產(chǎn)線和自動機之中。圖5-5為車門啟閉裝置。當車門處于關(guān)閉位置時，汽缸充氣推動活塞2右移，使擺桿3繞A點轉(zhuǎn)動，帶動滑塊6在滑道5內(nèi)移動，將車門4推到開啟位置。車門關(guān)閉時位置在BB，這是初始位置；車門開啟時位置在B1B1，這是最終位置。用擺桿搖塊機構(gòu)〔1-2-3-5〕和擺桿滑塊機構(gòu)〔3-4-6-5〕組合，可實現(xiàn)車門的兩個位置。原動件為活塞2，它作往復(fù)運動；車門裝在連桿4上，它隨連桿4作平面運動。活塞2伸縮到兩個極限位置，車門就會從初始位置運動到最終位置。(3)輸送裝置將工件按預(yù)定的軌跡(或路線)，從一個位置送到另一個位置。輸送路線有直線、環(huán)形等;輸送形式有連續(xù)輸送和間歇輸送。(4)分度與轉(zhuǎn)位裝置如用于加工齒輪時的分度，六角車床刀架的轉(zhuǎn)位換刀，轉(zhuǎn)臺式裝配機械的工作臺的分度與轉(zhuǎn)位等。(5)檢測裝置用來檢測工件的形狀、尺寸和性能，相應(yīng)的執(zhí)行構(gòu)件是一個檢測探頭。在檢測工件時，通過機械、電氣或其他傳動方式，把檢測結(jié)果傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，以便別離出合格與不合格的工件。

(6)施力許多機電系統(tǒng)不僅要求其執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)運動或動作，而且還要求它能夠?qū)ν磷鲗ο笫┘右欢ǖ牧εc力矩，來完成工作任務(wù)，如重物的夾持、起吊與搬運機械就要求執(zhí)行系統(tǒng)具有施力功能;插齒機的執(zhí)行系統(tǒng)就同時要求有分度和施力的功能。5.4執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計不同于機構(gòu)設(shè)計或零件設(shè)計，它屬于系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計中不僅要明確本系統(tǒng)各個局部的作用及設(shè)計要求，而且還要了解它與其他系統(tǒng)的聯(lián)系、協(xié)調(diào)及分工。5.4.1執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計要求(1)實現(xiàn)預(yù)期精度的運動(2)有足夠的強度與剛度(3)各執(zhí)行機構(gòu)間的運動要協(xié)調(diào)(4)結(jié)構(gòu)合理、造型美觀、制造與安裝方便(5)工作平安可靠、使用壽命長5.4.2執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計步驟及方法執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計的過程和內(nèi)容如圖5-16所示。通常執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計要經(jīng)過下述一些主要步驟。(1)功能原理設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)預(yù)期實現(xiàn)的功能，考慮選擇何種工作原理來實現(xiàn)這一功能要求，構(gòu)思出所有可能的功能原理，加以分析比較并根據(jù)使用要求或者工藝要求，從中選擇出既能很好地滿足功能要求，工藝動作又簡單的工作原理。(2)運動規(guī)律設(shè)計運動規(guī)律的設(shè)計包含兩方面的內(nèi)容:工藝動作分解和運動方案選擇。工藝動作分解是運動規(guī)律設(shè)計的根底，工藝動作分解的方法不同，得到的運動規(guī)律和運動方案也不同。同一個工藝動作，可以分解成各種簡單運動，它們很大程度上決定了系統(tǒng)的特點、性能和復(fù)雜程度。(3)執(zhí)行機構(gòu)形式設(shè)計由于執(zhí)行機構(gòu)的作用是傳遞和變換運動，而實現(xiàn)某種運動變換可選擇的機構(gòu)并非唯一的，需要進行分析、比較，合理選擇。(4)執(zhí)行構(gòu)件設(shè)計在機電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行構(gòu)件直接與工作對象接觸，由于工作對象各不相同，執(zhí)行構(gòu)件的形狀與結(jié)構(gòu)也多種多樣。1)模仿人和其他生物的肢體或器官。這是最原始也是最巧妙的方法，2)根據(jù)工作對象的外形特征和物理化學(xué)特征確定執(zhí)行構(gòu)件的形狀和結(jié)構(gòu)，大多數(shù)執(zhí)行構(gòu)件均是如此。(5)繪制工作循環(huán)圖在設(shè)計多個需要協(xié)同工作的執(zhí)行機構(gòu)時，要繪制工作循環(huán)圖以表達和校核各執(zhí)行構(gòu)件間的協(xié)調(diào)與配合。首先要搞清楚各執(zhí)行構(gòu)件在完成工作時的作用和動作過程，運動或動作的先后順序、起止時間及運動范圍，有必要時還要給出它們的位移、速度和加速度，再由上述的運動數(shù)據(jù)繪制工作循環(huán)圖。(6)運動分析及強度、剛度的計算有關(guān)內(nèi)容在《機械原理》、《機械設(shè)計》、《材料力學(xué)》等課程中都已詳細地討論過。5.4.3運動循環(huán)圖的繪制方法機電一體化系統(tǒng)中，各執(zhí)行機構(gòu)的運動往往是周期性的，執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)過一定時間間隔后，其位移、速度等運動參數(shù)周期重復(fù)，即完成一個個運動循環(huán)。在每一個循環(huán)內(nèi)可分為工作行程、空行程和停歇階段，所需時間的總和稱為執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)周期。為了使執(zhí)行機構(gòu)能按功能要求以一定的次序運動，大多數(shù)機構(gòu)常常采用微機或機械的方式集中或分散控制。因此有必要在分析功能要求的根底上制定循環(huán)圖。運動循環(huán)圖通?？梢杂萌N形式表示，即直線式、圓周式和直角坐標式。表5-3為三種形式循環(huán)圖的繪制方法及特點比較。表5-3三種運動循環(huán)圖繪制方法及特點形式繪制方法特點直線式將系統(tǒng)在一個運動循環(huán)中各執(zhí)行構(gòu)件各行程區(qū)段的起止時間和先后順序按比例繪制在直線坐標軸上繪制方法簡單，能清楚表示一個運動循環(huán)中各執(zhí)行構(gòu)件運動的順序和時間關(guān)系;直觀性差，不能顯示各執(zhí)行構(gòu)件的運動規(guī)律圓周式以極坐標系原點為圓心作若干同心圓，每個圓環(huán)代表一個執(zhí)行構(gòu)件，由各相應(yīng)圓環(huán)引徑向直線表示各執(zhí)行構(gòu)件不同運動狀態(tài)的起始和終止位置能比較直觀地看出各執(zhí)行機構(gòu)主動件在主軸或分配軸上的相位;當執(zhí)行機構(gòu)多時，同心圓環(huán)太多，不直觀，無法顯示各執(zhí)行構(gòu)件的運動規(guī)律直角坐標式用橫坐標表示系統(tǒng)主軸或分配軸轉(zhuǎn)角，縱坐標表示各執(zhí)行構(gòu)件的角位移或線位移，各區(qū)段之間用直線相連不僅能清楚地表示各執(zhí)行構(gòu)件動作的先后順序，而且能表示各執(zhí)行構(gòu)件在各區(qū)段的運動狀態(tài)

5.4.3.1單個執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖為了設(shè)計執(zhí)行系統(tǒng)的運動循環(huán)圖，首先應(yīng)繪制執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)圖，而執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖主要根據(jù)功能要求進行設(shè)計。執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)周期，一般由三局部組成。如圖5-17所示為一步進式送料機構(gòu)，其運動循環(huán)周期TP為TP=Tk+Td+To式中Tk—執(zhí)行機構(gòu)工作(前進)行程的時間;Td—執(zhí)行機構(gòu)空回(后退)行程的時間;To—執(zhí)行機構(gòu)停留的時間。5.4.3.2執(zhí)行系統(tǒng)的運動循環(huán)圖〔多個執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖〕執(zhí)行系統(tǒng)的循環(huán)圖是將各執(zhí)行機構(gòu)的循環(huán)圖按同一時間(或轉(zhuǎn)角)的刻度，繪在一起的總圖，并且它以某一主要執(zhí)行機構(gòu)的工作起點為基準，表示出各執(zhí)行機構(gòu)相對于該主要執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)的先后次序。它也可以用相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖的三種形式來表示。

鞋釘制作工藝過程示意圖

鐓釘子頭部送料壓緊、擠方擠尖、切斷

繪制方法：將機械在一個工作循環(huán)中各執(zhí)行構(gòu)件各運動區(qū)段的起止時間〔或轉(zhuǎn)角〕和先后順序，按比例繪制在直線軸上，形成長條矩形圖。特點：繪制方法簡單，能清楚地表示出一個運動循環(huán)內(nèi)各執(zhí)行構(gòu)件間運動的先后順序和位置關(guān)系。但由于不能顯示各執(zhí)行構(gòu)件的運動變化情況，只有簡單的文字表述，故直觀性較差。

1、直線式運動循環(huán)圖工藝示意圖

繪制方法：以原點O為圓心，作假設(shè)干個同心圓環(huán)，每一個圓環(huán)代表一個執(zhí)行構(gòu)件。由各相應(yīng)圓環(huán)分別引徑向直線表示各執(zhí)行構(gòu)件不同運動區(qū)段的起始和終止位置。特點：因機械的運動循環(huán)通常是在主軸或分配軸轉(zhuǎn)一周的過程中完成的，故能直觀地看出各執(zhí)行機構(gòu)中原動件在主軸或分配軸上所處的相位，便于各執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計、安裝和調(diào)試。但當執(zhí)行構(gòu)件較多時，因同心圓環(huán)太多而不夠清晰，同樣也不能顯示執(zhí)行構(gòu)件的運動變化情況。

2、圓周式運動循環(huán)圖工藝示意圖3、直角坐標式運動循環(huán)圖

繪制方法：以橫坐標軸代表機械的主軸或分配軸的轉(zhuǎn)角，以縱坐標軸代表各執(zhí)行構(gòu)件的角位移或線位移，實際上就是各執(zhí)行構(gòu)件的位移線圖。通常忽略實際的運動規(guī)律，將各運動區(qū)段用直線連接，只反映出個執(zhí)行構(gòu)件間運動的協(xié)調(diào)配合關(guān)系即可。特點：形象、直觀，不僅能清楚地表示出各執(zhí)行構(gòu)件的運動先后順序，還能表示出執(zhí)行構(gòu)件的運動狀態(tài)及運動變化情況。工藝示意圖運動循環(huán)圖的設(shè)計與計算5.4.4.1執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)圖的設(shè)計步驟如圖5-20所示為一自動打印記(或壓痕)機執(zhí)行機構(gòu)。打印頭1在操作系統(tǒng)的控制下，完成對產(chǎn)品2的打印。下面就以該機構(gòu)為例來說明運動循環(huán)圖的設(shè)計與計算步驟。(1)確定打印頭的運動循環(huán)假設(shè)給定打印機的生產(chǎn)綱領(lǐng)為4500件/班，那么理論生產(chǎn)率QT為可取QT=10件/min。打印機構(gòu)的工作循環(huán)時間Tp為Tp=0.1min=6s(2)確定運動循環(huán)的組成區(qū)段根據(jù)打印的工藝功能要求，打印頭的運動循環(huán)由以下四段組成:Tk—打印頭向下接近產(chǎn)品;Ts—打印頭打印產(chǎn)品時的停留;Td—打印頭的向上返回運動;To—打印頭在初始位置上的停留。因此有TP=Tk+Td+To+Ts圖5-20(3)確定運動循環(huán)內(nèi)各區(qū)段的時間及分配軸轉(zhuǎn)角根據(jù)工藝要求，打印頭應(yīng)在產(chǎn)品上停留的時間Ts為Ts=2s相應(yīng)的Tk和Td可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)可能的運動規(guī)律初步確定為Tk=2s；Td=1s那么得To=1s圖5-20(4)繪制執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖將以上的計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的分配軸轉(zhuǎn)角Φk、

Φ

s

、

Φ

d和Φo，繪成直角坐標式循環(huán)圖，如圖5-21所示。5.4.4.2執(zhí)行系統(tǒng)循環(huán)圖的設(shè)計與計算合理地設(shè)計系統(tǒng)的循環(huán)圖，是提高系統(tǒng)理論生產(chǎn)率的一個重要途徑。在確定系統(tǒng)的工藝原理及執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)后，應(yīng)著手設(shè)計系統(tǒng)的循環(huán)圖。系統(tǒng)循環(huán)圖設(shè)計的主要任務(wù)就是要建立各執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)之間的正確關(guān)系，也就是各執(zhí)行機構(gòu)運動的同步化或協(xié)調(diào)化，從而到達最大限度地縮短工作循環(huán)時間。因此，系統(tǒng)循環(huán)圖，實質(zhì)上就是各執(zhí)行機構(gòu)的同步圖。執(zhí)行系統(tǒng)中，各執(zhí)行機構(gòu)運動的同步化，有以下兩種不同情況:1)運動循環(huán)的時間同步化。執(zhí)行機構(gòu)之間的運動只具有時間上的順序關(guān)系，而無空間上的干預(yù)關(guān)系。2)運動循環(huán)的空間同步化。執(zhí)行機構(gòu)之間的運動既具有時間上的順序關(guān)系，又具有空間上的干預(yù)關(guān)系。(1)執(zhí)行機構(gòu)運動循環(huán)的時間同步化設(shè)計將圖5-17步進式送料機構(gòu)和圖5-20打印記機執(zhí)行機構(gòu)組合，就得到了一個完整的工件打印記機，如圖5-22所示，它是一個由兩執(zhí)行機構(gòu)組成的執(zhí)行系統(tǒng)。工藝過程為:推進機構(gòu)1首先把產(chǎn)品3送至被打印的位置，然后打印頭向下動作，完成打印操作;在打印頭2退回原位時，推進機構(gòu)再推送下一個產(chǎn)品向前，把已打印好的產(chǎn)品頂走，打印頭再下落。如此反復(fù)循環(huán)，完成自動打印的功能。機構(gòu)1和打印頭2對產(chǎn)品3順序作用，其運動只有時間上的順序關(guān)系，空間軌跡不可能發(fā)生干預(yù)。

產(chǎn)品外包裝上印記的打印工藝示意圖推桿與打印頭的運動規(guī)律T1=T2

運動循環(huán)圖擬定方案一產(chǎn)品外包裝上印記的打印運動循環(huán)圖方案一方案一：推桿1先完成一個運動循環(huán)，然后打印頭2再完成一個運動循環(huán)，如此反復(fù)交替。點評：整個打印工作循環(huán)所需時間最長，即T=T1+T2。安排不大合理。

運動循環(huán)圖擬定方案二產(chǎn)品外包裝上印記的打印運動循環(huán)圖方案二方案二：打印頭2先運動，推桿1經(jīng)過DT時間后也開始運動，使得產(chǎn)品剛到打印位置，打印頭2也同時到達打印位置。

點評：理論上整個打印工作循環(huán)所需時間最短，即