第五章 执行系统设计a

第5章 执行系统设计

5.1 执行系统的组成、功能及分类

5.1.1 执行系统的组成

执行系统是指在机械系统中直接完成预期工作任务的机构与装置，也称工作机或工作装置，由执行构件和与之相联的执行机构组成。执行构件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，也称工作头。

执行构件往往是执行机构中的一个构件或几个构件，它的动作由与之相联的执行机构带动。其结构、强度和刚度、运动形式和精度、可靠性与使用寿命等不仅取决于整个机械系统的工作要求，而且也与执行机构的类型及其工作特性有关。

5.1.2 执行系统的功能

执行系统是在执行构件与执行机构协调工作下完成任务的。执行机构的作用是传递和变换运动和动力，即把传动系统传递过来的运动与动力进行必要的变换以满足执行构件的要求。

从执行机构变换运动的形式来看，主要是转动或摆动与移动之间的变换。从变化的节拍来看，则可分为将连续运动变换为不同性质的连续运动或间歇运动。

虽然执行系统要完成的工作任务多种多样，但执行系统的功能归纳起来常见的主要有抓取与夹持、搬运与输送、分度与转位、检测、施力等。

（1）抓取与夹持

作为抓取或夹持动作的执行机构广泛的应用与生产实践中。如自动换刀数控加工中心就是利用机械手从刀库中抓取并夹持刀具实现自动换刀等。完成抓取和夹持的机构与装置种类很多，通常称为机械手，而把直接夹持工件的执行构件称为手指。工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手抓式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型（图5-1a，b）。回转型手爪可分为单支点回转型和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式（图5-1d）。按驱动方式可以分为电动（或电磁）式、液压式、气压式3种。

图5-1 机械式夹持器

a）单支点回转型 b）双支点回转型 c）平移型 d）内撑式

图5-2 弹簧杠杆式机械手

1—手腕 2—弹簧 3—垫圈 4—回转轴 5—挡块 6—手指 7—工件

图5-2所示的是弹簧杠杆式机械手。当未抓取工件时，手指6在弹簧2作用下闭合，并靠紧在挡块5上。当手指接触到工件7时，借助于手指开口处的斜面和机械手向下的动作，将手指6撑开，使工件7进入手指之间，在弹簧力作用下将工件7夹紧。当工件被送到需要的位置时，手指6不会自动松开工件7，必须先由其它装置先夹紧工件7，然后机械手向上运动，才会使手指6克服弹簧力撑开手指6而松开工件。在这种夹持器中，手指张开与闭合不需要专门的驱动力，结构简单，但抓取力受弹簧限制，通常用于抓取小零件，如螺钉、销轴等。

图5-3所示为液压连杆传动夹持器，工作时液压缸3进油推动活塞杆4，通过连杆5使手指2绕固定的销轴转动夹紧工件1。这种夹持器的手指内侧呈圆弧形，因此主要用于夹持圆形工件。

图5-3 液压连杆传动夹持器

1—工件 2—手指 3—液压缸 4—活塞杆 5—连杆

图5-4所示为齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器，电磁式驱动器3以驱动力Fp推动齿条杆2和两个扇形齿轮1，扇形齿轮带动杆5（它们联结成一整体），绕O1、O2旋转。连杆5、6，钳爪7和夹持器的机座4构成一平行四杆机构，驱动两钳爪平移以夹紧和松开工件。

图5-4 齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器

1—扇形齿轮 2—齿条杆 3—电磁式驱动器 4—机座 5、6—连杆 7—钳爪

内撑式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，如图5-5所示。其撑紧方向与外夹式相反。为使撑紧后能准确地用内孔定位，多采用三个钳爪。驱动器3以驱动力Fp推动连杆2，使钳爪3内撑紧工件。

图5-5 内撑式夹持器

1—驱动器 2—连杆 3—钳爪

为满足各种作业任务的需要，机械式夹持器型式繁多，上面仅介绍了数种有代表性的型式。

（2）搬运与输送

在矿山机械和食品加工机械、数控机床等现代化生产设备中，搬运和输送装置应用非常广泛。搬运是指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。输送是指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；按其输送方式又可分为连续输送和间歇输送。连续输送常用于矿砂、煤炭、谷物等的输送；间歇输送常用于在生产自动线上，使工件在工位上停顿一段时间，以便进行工艺操作。

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表示工件在搬运后的位置，其具体工作过程是：当真空吸头10吸住工件11后，气缸7充气，使联结于气缸活塞杆上的齿条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，将工件置放于所需的位置。为了防止真空吸头10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，滑块与搬运头与刚性连杆相连，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的导槽内滑动。

图 5-6 扁平工件搬运装置

a）搬运前工件的位置 b）搬运后工件的位置

1—滑块 2—导销 3—刚性连杆 4—导板 5—齿条 6—小齿轮

7—气缸 8—曲柄 9—搬运头10—真空吸头 11—工件

图5-7所示为一种间歇式自动输送装置。输送机构2在气缸4的控制下作往复直线运动时，料道3中的工件1在自重作用下落入输送机构的夹持器6里，当活塞5向左运动时输送机构将工件1送往工作地点。

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，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输送到下一个工位。

图5-7 间歇式自动输送装置

1—工件 2—输送机构 3—料道 4—气缸 5—活塞 6—夹持器

图5-8 直线导轨式输送装置

1—工件 2—棘爪 3—导轨 4—摇杆 5—偏心轮

（3）分度与转位

在加工齿轮时需要进行分度，数控机床利用回转工作台进行复杂的曲面加工和完成多道工序，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等，实现分度与转位是执行系统的主要功能之一。

图5-9所示为一棘轮机构带动的回转工作台，其分度、转位的过程如下：当要分度时，定位气缸5带动定位栓6从分度盘1的切口退出，气缸4推动棘轮转位，使工作台转过一分度角，然后定位气缸5充气使定位栓伸出进入分度盘1的下切口实现定位，同时气缸4退回到起始位置。

图 5-9 棘轮机构带动的回转工作台

1—分度盘 2—棘轮 3—棘爪 4—分度气缸 5—定位气缸 6—定位栓

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。

图 5-10 凸轮机构带动的回转工作台

1—定位栓 2—驱动销 3—分度盘 4—驱动板 5—连杆

图 5-11 回转工作台的分度转位过程

a）开始分度转位 b）分度转位结束 c）定位 d）返回

图5-11a所示为工作台开始分度转位的起始位置，此时弹簧加压的驱动销2插入分度盘3的驱动孔中，驱动板4带动分度盘3分度转位。

图5-11b所示为分度转位结束位置。 图5-11c所示为分度盘3定位，此时定位栓1进入分度盘3的定位切口实现定位，同时迫使弹簧加压的驱动销2退出分度盘孔。

图5-11d表示驱动板4正在返回到起始位置。

（4）检测

为了对工件的尺寸、形状及性能进行检验和测量，需要执行系统具有检测功能。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、电或其它方式，把检测结果传递给执行机构，以分离出“合格”与“不合格”工件。

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。

被检测的工件沿一条倾斜的进给滑道5连续送进，直到最前边的工件被止动臂8上的止动销挡住而停止。凸轮轴1上装有两个盘形凸轮，分别控制压杆4的升降和止动臂8的摆动。当检测探头6进入工件7的内孔时，止动臂8连同止动销在凸轮推动下离开进给滑道，以便于让工件7浮动。

图 5-12 自动监测垫圈内径装置

1—凸轮轴 2—支架 3微动开关 4—压杆 5—进给滑道

6—检测探头 7—工件（垫圈） 8—止动臂

检测的工作过程如图5-13所示。图5-13a所示被测工件1的内径尺寸在公差范围之内，这时微动开关3的触头进入压杆2的环形槽，微动开关断开，发出信号给控制系统（图中未标示出），在压杆离开工件后，把工件送入合格品槽。

图 5-13 垫圈内径检测工作过程

a）内径尺寸合格 b）内径尺寸太小 c）内径尺寸太大

1—工件 2—带探头的压杆 3—微动开关

图5-13b所示为工件内径尺寸小于合格的最小直径时，压杆的探头进入内孔深度不够，微动开关仍是闭合，发出信号给控制系统，使工件进入废品槽。

图5-13c所示为工件内孔直径大于允许的最大直径时的情况，这时微动开关也闭合，控制系统把工件送入另一废品槽。

图5-14所示为一种检测螺钉长度、剔除过长螺钉的装置。被检测螺钉以它的头部为支承，呈单列形式沿图示支承导轨送进，螺钉的送进是依靠驱动皮带5与螺钉头表面间的摩擦实现的。长度过长的螺钉会触及检测杆2，使微动开关1发出指令，气缸6推动偏转板9，将不合格品送入废品槽。

图5-14 度量螺钉长度的检测装置

1—微动开关 2—检测杆 3—销轴 4—支承导轨

5—驱动皮带 6—气缸 7—废品槽 8—合格品槽 9—偏转板 10—工件

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。

图5-15 偏转板分选装置示意图

a）合格品被送入合格品槽 b）不合格品被送入废品槽

（5）施力

为了完成一定的工作任务，如在机床上加工出一定尺寸、形状的工件，起重机械起吊重物以及在压力机械压制产品、矿石粉碎等许多机械都要求执行系统对工作对象施加力或力矩以达到完成生产任务的目的。

从图5-16可知，主轴上的执行构件卡盘对工作对象（工件）要施加一定的力矩以克服切削力矩而保持工件与之一起旋转，车刀要施加一定的力才能进行切削加工。在机床上加工工件，既要求执行系统能实现预期的动作，又要克服较大的生产阻力做一定的功。