第五章 执行系统设计b.docx
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第五章执行系统设计b
冷镦机的运动参数主要是镦压机构的运动参数,如主滑块行程的大小,滑块每分钟的往复次数,生产阻力的大小(冷镦材料时材料的变形抗力),以及切断和送料、进料机构行程的大小及其调节等,具体参数的确定和计算从略。
c)合理选择机构的类型,绘制冷镦机的运动简图
这里只分析镦压机构、进料机构、切断和送料机构及脱模机构的选型。
镦压机构是冷镦机的主运动机构,其任务是将铆钉冷镦成型。
它的执行构件一般作往复运动,由装在执行机构上的模具使铆钉镦压成型。
由于冷镦成型材料的抗力很大,故该机构要承受很大的载荷,所以主运动机构采用了曲柄滑块机构(图中构件1、2、3、21)。
曲柄滑块机构在行程接近终点时,能获得很大的机械效益,这也正是冷镦工作需要的。
进料机构工艺上要求将盘料13经校直后间歇地穿过进料口a和切断口b,并伸出一定的料长。
为了实现间歇进料,采用棘轮机构。
由于进料对传动平稳性要求不高,同时为适应不同规格的铆钉,进料长度应是可调的,故采用棘轮机构是恰当的。
进料时间必须与主运动的镦压机构协调配合,为此,棘轮15的运动也来自曲轴1,通过偏心摇杆机构(构件20、19、18)及四杆机构(构件18、17、16)驱动棘轮15,15与齿轮14ʹ固联,经齿轮14及与齿轮14同轴固联的进料辊11,11和另一自由回转的进料辊(图中未画出)一直夹持着线材13,靠摩擦力将线材送进。
在进料辊之前设置了5个校直滚轮12,以将盘料线材校直。
断料和送料机构是完成当料进到预定位置后,用切断刀切断,并送到成型工位c处。
考虑到切断刀的行程不大,且在行程的始末有停歇的要求及在运动过程(断料进刀过程)应等速运动等工艺要求,所以采用一移动凸轮机构5、6来完成。
凸轮的运动来自曲轴1,通过曲柄滑块机构(构件1、4、5)推动移动凸轮5,凸轮上的凹槽d迫使切断刀6按预期规律运动,从而实现材料的切断,并把切断后的材料送到冷镦工位。
脱模机构完成在工件成型后,从模具中推出工件。
脱模工作应在冷镦完成之后,主滑块退出一定距离时才开始,并在新材料送至冷镦工位前完成把已镦好的铆钉推出模具。
为了协调配合的方便,也为了简化机构,移动凸轮7直接固定在滑块3上,通过摆动从动件8、连杆9、摇杆10及顶出杆10,在适当的时候将工件从模具中推出。
由上述分析可知,各执行机构的动作都与曲轴1或滑块3的运动有关,因此选曲轴1为定标件,曲轴转一周为一个工作循环,据此可绘制工作循环图,如图5-36所示。
图5-36直线式及圆形工作循环图
工作循环图是确定各执行机构运动参数及运动起讫时间的依据。
绘制工作循环图时必须考虑各执行机构能按作业要求进行协调配合,不发生运动的失调。
例如,进料尚未到位,切断刀6不得进入切断位置;主滑块3尚未后退,顶出杆10ʹ不得前行推工件等。
为减小执行机构起停时的加速度及冲击,可采取前一动作尚未完全结束,后一动作即提前缓慢启动的办法,但必须保证运动不失调及运动构件不发生干涉或碰撞。
采用提前缓慢起动的办法,对减小凸轮推程压力角、减缓起始加速度和冲击尤为有利。
(4)运动分析及强度、刚度计算
1)运动分析
运动分析的目的是求出执行系统中各构件指定点的位置、速度和加速度,必要时还应确定执行构件上指定点轨迹,运动分析也是机械动力学分析及系统工艺质量分析的基础。
机构运动分析常用的方法有图解法和解析法,其中图解法具有简单、形象、直观和便于掌握的优点,但分析的精度不高,对于结构复杂的系统,作图求解过程往往比较繁琐,工作量大。
因此,图解法多用于精度不高、结构相对较简单的机构的运动分析,有时也用作高精度机构的初步分析。
解析法是利用向量运算、复数运算等手段对机构参数进行数值分析的方法,随着计算机应用技术的发展,各类机构分析的软件日趋完善,解析法的应用日渐广泛。
解析法不仅求解运算快捷、精确,能求得机构各运动参数、机构尺寸间的解析关系及获得任意点的轨迹,而且还便于作动力学分析、优化设计及动态演示。
对精度要求较高的执行系统作运动分析时,应考虑机构误差的影响,即进行机构精确度分析与计算。
影响机构精确度的主要因素有:
机构的原理误差、构件的制造和装配误差、构件因受力变形及热变性引起的构件尺度变化、因磨损引起运动副间隙增大或构件工作表面轮廓失真而导致机构运动的不确定及精确度下降等。
因此设计时应尽量选用精确机构,慎用原理误差较大的近似机构;适度提高构件制造和装配精度,减小构件尺度误差,合理控制运动副最大间隙;合理选择摩擦副材料组合和热处理硬度,正确选择润滑方式和润滑剂,以尽量减小运动副的磨损。
2)强度和刚度计算
为了保证执行系统工作时安全、可靠和准确实现规定的功能和性能指标,应对执行系统中的构件作必要的强度和刚度计算。
对于主要用于传递运动或实现一定动作的执行系统,常因其受力小可不计算其强度和刚度。
在作强度和刚度计算时,首先要对系统的受力情况进行纤细的分析,求得各构件所受的外力、惯性力矩及惯性力偶矩、运动副的支反力和应加于原动件(或从动件)上的平衡力或平衡力矩,然后在分析其失效形式的基础上建立相应的强度和刚度条件。
此外,执行机构和执行构件还应满足耐磨损、振动稳定性等要求,在高温下工作时,还应考虑材料的热力学性能。
5.3执行系统的典型结构
机械的类型各种各样,如纺织机械、食品加工机械、化工机械、矿山机械等。
每种机械都要完成其特定的工作任务,因完成任务的不同,执行系统的结构也千变万化。
本节将介绍几种典型机械的执行系统的结构。
5.3.1机床主轴部件
机床主轴部件是执行系统中实现旋转运动的典型结构,在机床工作中由它直接带动刀具或工件旋转,进行切削加工。
主轴部件包括主轴及与其相关的轴承、传动件和密封件等。
(1)主轴部件的类型
主轴部件的结构形式繁多,但根据工作时主轴运动情况的不同,主轴部件可分为以下四种类型:
1)主轴仅作旋转运动,如车床、卧式铣床、磨床等的主轴部件。
2)主轴作旋转运动和轴向进给运动,如钻床、镗床的主轴部件。
3)主轴作旋转运动,并可作轴向调整移动,如龙门铣床、滚齿机的主轴部件。
4)主轴绕自身轴线旋转,并绕另一个与自转轴平行轴作行星运动,如行星铣削头、行星内圆磨床的主轴部件。
(2)几种典型的主轴轴承配置型式
1)速度型
如图5-37所示,主轴前后轴承都采用角接触球轴承(两联或三联)。
当轴向切削力较大时,可选用接触角为25˚的球轴承;轴向切削力较小时,可选用接触角为15˚的球轴承。
在相同的工作条件下,前者的轴向刚度比后者大一倍。
角接触球轴承具有良好的高速性能,但它的承载能力较小,因而适用于高速轻载或精密机床,如图5-38所示的高速CNC车床等。
图5-37速度型
图5-38高速CNC车床主轴部件
2)刚度型
如图5-39所示,前支承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷和60˚角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷,后支承采用双列短圆柱滚子轴承。
这种轴承配置的主轴部件,适用于中等转速和切削负载较大,要求刚度高的机床。
如图5-40所示的数控车床主轴、镗削主轴单元等。
图5-39刚度型
图5-40CNC型车床主轴
3)刚度速度型
如图5-41所示,前轴承采用三联角接触球轴承,后支承采用双列短圆柱滚子轴承。
主轴的动力从后端传入,后端轴承要承受较大的传动力,所以采用双列短圆柱滚子轴承。
前轴承的配置特点是:
外侧的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端,承受主要方向的轴向力,第三个角接触球轴承则通过轴套与外侧的两个轴承背靠背配置,使三联角接触球轴承有一个较大支承跨,以提高承受颠覆力矩的刚度。
如图5-42所示的卧式铣床的主轴,要求径向刚度好,并有较高的转速。
图5-41刚度速度型
图5-42卧式铣床主轴
图5-43是采用圆锥滚子轴承的主轴部件,其结构比采用双列短圆柱滚子轴承简化,承载能力和刚度比角接触球轴承高。
但是,因为圆锥滚子轴承发热大,温升高,允许的极限转速要低些。
适用于载荷较大、转速不高的普通精度的机床主轴。
图5-43配置圆锥滚子轴承的机床主轴
图5-44是卧式镗铣床主轴部件,由镗主轴2和铣主轴3组成。
铣主轴3的前轴承采用双列圆锥滚子轴承,可以承受双向轴向力和径向力,承载能力大,刚性好,结构简单。
主运动传动齿轮1装在铣主轴3上。
铣主轴轴端可装铣刀盘或平镟盘,进行铣削加工或车削加工。
镗主轴可在铣主轴内轴向移动,通过双键4传动,用于孔加工。
图5-44卧式镗铣床主轴部件
(3)主轴的结构
主轴的结构主要取决于机床的类型、主轴上安装的传动件、轴承和密封件等零件的类型、数目、位置和安装定位方法等,同时,还要考虑主轴加工和装配的工艺性。
为了便于装配和满足轴承、传动件等轴向定位的需要,主轴一般是阶梯形的轴,其直径从前端向后或者是从中间向两端逐段缩小。
各阶梯之间应有退刀槽。
为了与齿轮等传动件周向连接以传递转矩,主轴上经常带有键槽或花键。
图5-45机床常用主轴前端的结构
主轴的轴端结构应保证夹具或刀具安装可靠、定位准确、连接刚度高、装卸方便和能传递足够的转矩。
由于夹具和刀具已标准化,因此,通用机床主轴端部的形状和尺寸也已标准化,如图5-45所示。
图5-45a为短锥法兰式头部结构,用短锥面x和法兰端面y定位,靠端面键传递扭矩。
定位精度高,连接刚度高,主轴悬伸量小。
广泛应用于卧式车床、转塔车床、内圆磨床等主轴上。
图5-45b是铣床主轴轴端结构,铣刀或铣刀杆由前端锥度7:
24的锥孔定位,用拉杆从主轴孔的后端拉紧,靠轴端端面键传递扭矩。
图5-45c是外圆磨床砂轮主轴的轴端结构,砂轮通过法兰盘安装在轴端锥度1:
5的外锥体上,并用螺母拧紧,位于圆锥面上的半圆键用以传递转矩。
图5-45d为内圆磨床砂轮主轴轴端结构,砂轮通过接长轴安装到主轴上,用莫氏锥度定位并传递扭矩,用锥孔底部的螺纹紧固长轴。
图5-45e为钻镗类机床主轴轴端的结构,刀杆或刀具用莫氏锥孔定位,靠莫氏或第一个扁孔传递扭矩,第二个扁孔用以拆卸刀具。
图5-45f为组合机床主轴轴端的结构,主轴内孔为圆柱孔,前端带有莫氏锥孔的刀具接杆可安装在主轴孔中,利用平键传递扭矩,右端的圆螺母用来调整刀具的轴向位置。
一般数控机床(或加工中心)上使用图5-45b型式,内孔不自锁,便于自动换刀时拔出刀具。
5.3.2工业机器人手腕结构
由于作业要求的不同手腕的自由度数及其配置也会不同,在拟订手腕驱动装置的机构方面也会有差异,因此手腕的结构形式繁多,仅介绍几种典型结构。
(1)用摆动液压缸驱动实现回转的手腕结构
图5-46摆动液压缸驱动的手腕
1—活塞2、4—油路3、7—进(排)油孔5—定片6—动片
如图5-46所示的手腕结构,压力油从手腕的右下部经管道4(两条)分别由进(排)油孔3和7进入(排出)液压缸,进入的压力油驱动动片6作正、反方向回转,当定片5与动片6侧面接触时,即停止回转。
动片的最大回转角度由其接触位置决定。
夹持器的夹持动作,则由经油路2进入的压力油驱动单作用液压缸的活塞1来完成。
腕部回转运动的位置控制可采用机械挡块定位,用位置检测器检测。
这种结构紧凑、体积小,但最大回转角度小于360˚,这种腕部结构只能实现一个腕部自由度。
(2)具有两个自由度的机械传动手腕
如图5-47所示的手腕结构,手腕的驱动电机安装在大臂关节上,经谐波减速器用两级链传动将运动通过小臂关节传递到手腕轴10上的链轮4、5。
链传动6将运动经链轮4、轴10和圆锥齿轮9、11带动轴14(其上装有机械接口法兰盘15)作回转运动θ1,链传动7将运动经链轮5直接带动手腕壳体8实现上下俯仰摆动β。
当链传动6和链轮4不动,使链传动7和链轮5单独转动时,由于轴10不动,转动的壳体8将迫使圆锥齿轮11作行星运动,即齿轮11随壳体8作公转(上下俯仰β),同时还绕轴14作一附加的自传运动(称为“诱导运动”)。
若齿轮9、11为正交圆锥齿轮传动,则θ2=iβ,i为圆锥齿轮9、11的传动比。
因此,链传动6、7同时驱动时,手腕的回转运动应是θ=θ1+θ2,当链轮4的转动与β转向相同时用“-”,相反时用“+”。
图5-47两自由度机械传动手腕
1、2、3、12、13—轴承4、5—链轮6、7—链条
8—手腕壳体9、11—圆锥齿轮10、14—轴15—机械接口法兰盘
(3)具有三个自由度的机械传动手腕结构
图5-48所示为三个自由度传动机构简图。
驱动手腕运动的三个电动机安装在手臂后端,减速后经传动轴将运动和力矩传给T、S、B三根轴(图中未表示出),产生手爪回转。
图5-48三自由度机械传动手腕
1)手爪回转运动
如图5-48所示,当B、T轴不动,S轴以n3转动时,经齿轮1、3、2、4、5、6将回转运动传给手爪8轴上的锥齿轮7,实现手爪的回转运动n7。
2)手腕偏摆运动
当B、S轴不动,T轴以nT转动时,直接驱动回转壳体10绕T轴转动,实现手腕的偏摆运动nT。
3)手腕俯仰运动
当S、T轴不动,B轴以nB转动时,经齿轮15、13、14、12将运动传给圆锥齿轮11,驱动壳体9实现俯仰运动n9。
(4)CINCINNATTIMILACRON三转轴手腕结构
图5-49为该手腕传动机构简图。
采用互相叠套在一起的三个空心传动轴4、5和6,分别由电动机1、2和3驱动,经齿轮减速传动实现三个运动,传动轴6直接带动手腕外壳实现绕手腕轴Ⅰ的旋转运动R1,传递轴5经圆锥齿轮7和9驱动壳体10实现绕轴Ⅱ的旋转运动R2,传动轴4经两对圆锥齿轮14、8和11、13驱动手腕的机械接口法兰盘,实现轴Ⅲ的旋转运动R3,从而实现手腕的三个自由度。
三个旋转运动的轴线相交于一点,因而其运动可看作是三自由度的空间球面运动副,具有结构紧凑、手腕动作灵活、简化运动计算和便于控制等特点。
图5-49三转轴手腕
a)手腕结构装配图b)手腕传动机构简图
1、2、3—电动机4、5、6—空心传动轴
7、8、9、11、13、14—齿轮10—壳体12—机械接口法兰盘
(5)PUMA机器人手腕结构
图5-50所示为一具有三个自由度的PUMA机器人手腕结构。
驱动手腕运动的三个电动机,安装在小臂的后端。
这种配置方式可以利用电动机作为配重起平衡作用。
三个电动机经柔性联轴器和传动轴将运动传递到手腕各轴齿轮。
驱动电动机7经传动轴5和两对圆柱齿轮传动4、3带动手腕1在壳体(支座)2上作偏摆运动φ。
驱动电动机7经传动轴5驱动圆柱齿轮传动12和圆锥齿轮转动13,从而使轴15回转,实现手腕的上下摆动运动β。
电动机8经传动轴5和两对圆锥齿轮传动11、14带动轴16回转,实现手腕机械接口法兰盘17的回转运动θ。
图5-50PUMA机器人手腕结构
a)手臂b)手腕c)柔性联轴节
1—手腕2—壳体3、4、11、12、13、14—传动齿轮5—传动轴
6—柔性联轴器7、8、9—电动机10—手臂外壳15、16—轴17—手腕机械接口
5.3.3工程机械执行机构
(1)挖掘机工作装置
铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式,动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接(见图5-51),在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动,完成挖掘、提升和卸土等动作。
图5-51反铲
1—斗杆油缸;2—动臂;3—油管;4—动臂油缸;5—铲斗;6—斗齿;7—侧齿;8—连杆;9—摇杆;10—铲斗油缸;11—斗杆
(2)装载机的工作装置
装载机的铲掘和装物料作业是通过工作机构的运动来实现的。
工作机构由铲斗、动臂、摇臂、连杆、转斗油缸和动臂油缸等组成,如图5-52所示。
整个工作机构铰接在车架上。
铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接,用以装卸物料,动臂与车架及与动臂油缸铰接,用以升降铲斗。
铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。
图5-52装载机的工作装置
1—铲斗2—动臂3—连杆4—摇臂5—转斗油缸6—动臂油缸7—车架
装载机作业时工作装置应能保证:
当转斗油缸5闭锁、动臂油缸6举升或降落时,连杆机构3使铲斗1上下平动或接近平动,以免铲斗1倾斜而撒落物料;当动臂2处于任何位置、铲斗1绕动臂2铰点转动进行卸料时,铲斗1倾斜角不小于45°,卸料后动臂4下降时又能使铲斗1自动放平。
(3)地下铲运机工作装置
工作装置是地下铲运机铲装物料的装置,它的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数。
因此,工作装置的合理性直接影响地下铲运机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的挖掘效果、工作循环时间(包括铲取、举升、卸料和铲斗返回到原位的时间)、外形尺寸和发动机功率等,不同类型的工作装置其组成是不同的。
图5-53所示的工作装置为Z型反转六杆机构,由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。
图5-53地下铲运机工作装置
1—前车架;2一转斗油缸;3摇臂;4连杆;5—铲斗6动臂;7—举升油缸(两个)
地下铲运机工作过程:
地下铲运机是一种装运卸一体化的自行式设备,它的工作过程由五种工况组成:
1)插入工况:
动臂6下放,铲斗5放置于地面,斗尖触地,斗底板与地面呈3˚~5˚倾角,开动地下铲运机。
铲斗借助机器的牵引力插入料堆。
2)铲装工况:
铲斗5插入料堆后,转动铲斗铲取物料,待铲斗口翻至近似水平为止。
3)重载运输工况:
铲斗5铲装满物料后举升动臂6,将铲斗5举升至运输位置(即铲斗5斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙),然后驱动机器驶向卸载点。
4)卸载工况:
在卸载点,举升动臂6使铲斗5至卸载位置翻转铲斗,向溜井料仓或运输车辆卸载,铲斗5物料卸净后下放动臂,使铲斗5恢复至运输位置。
5)空载运输工况:
卸载结束后,地下铲运机再由卸载点空载返回装载点。
(4)汽车起重机工作装置
起升机构由液压马达、双级圆柱齿轮、减速器、制动器、卷筒、钢丝绳、起重钩系统组成。
其制动器为常闭摩擦片干式制动器,它的控制由制动油缸实现,并可在起重过程中任何位置实现重物停稳而不下滑。
在起升机构液压回路中装有平衡阀,用以控制重物下降的速度。
液压缸变幅机构结构紧凑,自重轻,可调速,工作平稳,但对制造精度和密封防漏要求高。
要使臂架保持在某个幅度位置上时,过须依靠闭锁装置,根据变幅力大小,可采用双缸或单缸。
臂梁变幅液压缸有三种布置方式;前倾式、后倾式和后拉式。
另外,变幅驱动形式还有齿条驱动、螺杆驱动,以及目前已很少采用的扇形齿轮驱动和曲柄连杆驱动。
图5-54随车起重机的折叠式吊臂
对于装在汽车上的液压随车起重机上,为了使起重机结构紧凑,常采用折叠结构,如图5-54所示为随车起重机的折叠式吊臂。
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