機(jī)械電子工程原理第二章 執(zhí)行與驅(qū)動

1、機(jī)械電子機(jī)械電子(dinz)工程原理工程原理第二章第二章 執(zhí)行執(zhí)行(zhxng)(zhxng)與驅(qū)動與驅(qū)動精品資料2驅(qū)動器和執(zhí)行器的作用驅(qū)動器和執(zhí)行器的作用(zuyng)n機(jī)械系統(tǒng)是由各個機(jī)械基本要素組成的，其主要的功能機(jī)械系統(tǒng)是由各個機(jī)械基本要素組成的，其主要的功能(gngnng)是完成動作的傳遞和變換，以及機(jī)械能的利是完成動作的傳遞和變換，以及機(jī)械能的利用，實(shí)現(xiàn)延伸人的體能的目的。用，實(shí)現(xiàn)延伸人的體能的目的。 n驅(qū)動器的作用是將各種類型的能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，執(zhí)行驅(qū)動器的作用是將各種類型的能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將這種機(jī)械能變換為合適的運(yùn)動形式，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)構(gòu)將這種機(jī)械能變換為合適的運(yùn)動形式

2、，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械做功，完成運(yùn)動的傳遞、物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)移。械做功，完成運(yùn)動的傳遞、物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)移。n從完成機(jī)械的工作過程考慮，傳動從完成機(jī)械的工作過程考慮，傳動-執(zhí)行是其核心。執(zhí)行是其核心。n在機(jī)械電子系統(tǒng)中，驅(qū)動器和執(zhí)行器所起到的作用主要在機(jī)械電子系統(tǒng)中，驅(qū)動器和執(zhí)行器所起到的作用主要是機(jī)械運(yùn)動或動力轉(zhuǎn)換。是機(jī)械運(yùn)動或動力轉(zhuǎn)換。 精品資料3機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh) n在原始社會，人類通過錘擊、碰砧、砸擊等直接打擊法，在原始社會，人類通過錘擊、碰砧、砸擊等直接打擊法，還使用了鉆孔和磨尖等技術(shù)，制造還使用了鉆孔和磨尖等技術(shù)，制造(zhzo)出比較粗糙出比較粗糙但實(shí)用的工具。但實(shí)用的工具。

3、精品資料4機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n在搬運(yùn)重物方面，最初是用樹干或圓木，后來從在搬運(yùn)重物方面，最初是用樹干或圓木，后來從滾動的圓桶發(fā)展到在軸的兩端各裝上一個輪子，滾動的圓桶發(fā)展到在軸的兩端各裝上一個輪子，這是機(jī)構(gòu)學(xué)上的一個巨大發(fā)明，現(xiàn)代所有機(jī)械發(fā)這是機(jī)構(gòu)學(xué)上的一個巨大發(fā)明，現(xiàn)代所有機(jī)械發(fā)明幾乎都離不開輪子。明幾乎都離不開輪子。 n船只作為水上的運(yùn)輸工具，也是史前時期的一項船只作為水上的運(yùn)輸工具，也是史前時期的一項重要發(fā)明。船只的制造從木筏重要發(fā)明。船只的制造從木筏(mf)、獨(dú)木舟、獨(dú)木舟、動物皮縫制的皮筏，直到制造較大的木船，使用動物皮縫制的皮筏，直到制造較大的木船，使用了多種原始的

4、工具。了多種原始的工具。 n而動力則由最初的撐篙到用槳來推進(jìn)，后來發(fā)明而動力則由最初的撐篙到用槳來推進(jìn)，后來發(fā)明了帆，以風(fēng)能為動力，并把槳當(dāng)作舵來行駛，大了帆，以風(fēng)能為動力，并把槳當(dāng)作舵來行駛，大大增加了航行的范圍。大增加了航行的范圍。 精品資料5機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n冶金術(shù)的出現(xiàn)為人類轉(zhuǎn)入金屬工具的制造和使用提供了條件。冶金術(shù)的出現(xiàn)為人類轉(zhuǎn)入金屬工具的制造和使用提供了條件。 n除了用金屬制作的農(nóng)具代替除了用金屬制作的農(nóng)具代替(dit)石器之外，還出現(xiàn)了用于石器之外，還出現(xiàn)了用于耕作的鐵鏵犁耕作的鐵鏵犁 n動力由牛和馬（畜力）取代人力，馬具（頸圈、挽具和馬蹄動力由牛和馬（畜力）取

5、代人力，馬具（頸圈、挽具和馬蹄鐵）的使用使馬耕很快取代了牛耕，帶輪犁的普遍應(yīng)用提高鐵）的使用使馬耕很快取代了牛耕，帶輪犁的普遍應(yīng)用提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。 青銅犁頭青銅犁頭 鐵鏵犁鐵鏵犁 精品資料6機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n糧食的存儲和釀酒需要制造大量的陶罐，制陶輪盤糧食的存儲和釀酒需要制造大量的陶罐，制陶輪盤(ln pn)是輪子在制造方面的一個重要進(jìn)步，它是今是輪子在制造方面的一個重要進(jìn)步，它是今天車床的雛形。天車床的雛形。 精品資料7機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n在農(nóng)業(yè)灌溉上經(jīng)常使用風(fēng)車作動力，水輪機(jī)則被用于磨在農(nóng)業(yè)灌溉上經(jīng)常使用風(fēng)車作動力，水輪機(jī)則被用于磨和碾谷物

6、，魏晉時期的和碾谷物，魏晉時期的“水轉(zhuǎn)連磨水轉(zhuǎn)連磨”可以用齒輪帶動好可以用齒輪帶動好幾個磨同時工作，風(fēng)車和水輪機(jī)可以看作是最早的氣動幾個磨同時工作，風(fēng)車和水輪機(jī)可以看作是最早的氣動馬達(dá)和液壓馬達(dá)，而水力和風(fēng)力的應(yīng)用是這一時期能源馬達(dá)和液壓馬達(dá)，而水力和風(fēng)力的應(yīng)用是這一時期能源動力方面動力方面(fngmin)的重要成就。的重要成就。n 精品資料8機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n由于軍事方面的需要由于軍事方面的需要(xyo)，各種軍用機(jī)械也，各種軍用機(jī)械也得到了發(fā)展，如攻城時用的沖車和利用彈力和杠得到了發(fā)展，如攻城時用的沖車和利用彈力和杠桿原理制造的拋石機(jī)等軍事機(jī)械。桿原理制造的拋石機(jī)等軍事機(jī)

7、械。 精品資料9機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n18世紀(jì)世紀(jì)80年代，瓦特對蒸汽機(jī)的改進(jìn)，不僅使蒸汽機(jī)年代，瓦特對蒸汽機(jī)的改進(jìn)，不僅使蒸汽機(jī)的熱效率由的熱效率由1提高到提高到3以上，而且采用了曲軸連桿、以上，而且采用了曲軸連桿、飛輪等傳動裝置，將氣缸中活塞的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為連飛輪等傳動裝置，將氣缸中活塞的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為連續(xù)續(xù)(linx)而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這樣就可以帶動一切其而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這樣就可以帶動一切其他的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，使得蒸汽機(jī)成為一種通用的驅(qū)動機(jī)械。他的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，使得蒸汽機(jī)成為一種通用的驅(qū)動機(jī)械。 精品資料10機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n熱力學(xué)和電磁學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)和電磁

8、學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)在19世紀(jì)世紀(jì)(shj)中期催生了內(nèi)燃機(jī)中期催生了內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)這兩類新型的驅(qū)動機(jī)械。和電動機(jī)這兩類新型的驅(qū)動機(jī)械。 n內(nèi)燃機(jī)以其小型化、高效率的特點(diǎn)迅速在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中被廣內(nèi)燃機(jī)以其小型化、高效率的特點(diǎn)迅速在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。泛應(yīng)用。精品資料11機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n因為電能具有便于傳輸和控制、易于與其他能源形式進(jìn)行因為電能具有便于傳輸和控制、易于與其他能源形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化的特性，電動機(jī)在更多的領(lǐng)域中取代了蒸汽機(jī)的地位，轉(zhuǎn)化的特性，電動機(jī)在更多的領(lǐng)域中取代了蒸汽機(jī)的地位，產(chǎn)生了以電氣技術(shù)產(chǎn)生了以電氣技術(shù)(jsh)為核心的新一輪技術(shù)為核心的新一輪技術(shù)(jsh)革命

9、。革命。n電動機(jī)的應(yīng)用，使得傳動裝置大為簡化，驅(qū)動器、傳動裝電動機(jī)的應(yīng)用，使得傳動裝置大為簡化，驅(qū)動器、傳動裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三者開始出現(xiàn)成為一個集中整體的趨勢。同置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三者開始出現(xiàn)成為一個集中整體的趨勢。同時，電動機(jī)的應(yīng)用也對控制提出了更高的要求，促成了機(jī)時，電動機(jī)的應(yīng)用也對控制提出了更高的要求，促成了機(jī)械系統(tǒng)中專用控制器的出現(xiàn)。械系統(tǒng)中專用控制器的出現(xiàn)。精品資料12機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史(lsh)n今天，信息技術(shù)的飛速發(fā)展為傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)注入了今天，信息技術(shù)的飛速發(fā)展為傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)注入了新的活力。新的活力。n現(xiàn)代的驅(qū)動技術(shù)可以分為電磁驅(qū)動和非電磁驅(qū)動兩大現(xiàn)代的驅(qū)動技術(shù)可以分為電磁驅(qū)動

10、和非電磁驅(qū)動兩大技術(shù)類別，但不論是在哪個類別中，驅(qū)動器與執(zhí)行機(jī)技術(shù)類別，但不論是在哪個類別中，驅(qū)動器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)都在向著一體化、微型化、信息化的方向發(fā)展。構(gòu)都在向著一體化、微型化、信息化的方向發(fā)展。n先進(jìn)驅(qū)動器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用將為機(jī)械工程的發(fā)展拓先進(jìn)驅(qū)動器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用將為機(jī)械工程的發(fā)展拓展出一片全新的領(lǐng)域展出一片全新的領(lǐng)域(ln y)，進(jìn)而促進(jìn)人類社會生，進(jìn)而促進(jìn)人類社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展與進(jìn)步。產(chǎn)的不斷發(fā)展與進(jìn)步。 精品資料13執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)n簡單簡單(jindn)地講，一個機(jī)械電子系統(tǒng)的目的是產(chǎn)生地講，一個機(jī)械電子系統(tǒng)的目的是產(chǎn)生某種機(jī)械運(yùn)動或物理作用，如直線運(yùn)動或壓力變化等，某種機(jī)械運(yùn)動

11、或物理作用，如直線運(yùn)動或壓力變化等，這主要是由系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的，這種物理量這主要是由系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的，這種物理量的變化可以用一些性能指標(biāo)來定量分析的變化可以用一些性能指標(biāo)來定量分析 。n兩個例子兩個例子1.繪圖儀繪圖儀n如果兩個垂直的帶輪機(jī)構(gòu)同時運(yùn)行，就可以組成一個如果兩個垂直的帶輪機(jī)構(gòu)同時運(yùn)行，就可以組成一個兩維的繪圖儀系統(tǒng)，每個方向的運(yùn)動都由一個帶輪機(jī)兩維的繪圖儀系統(tǒng)，每個方向的運(yùn)動都由一個帶輪機(jī)構(gòu)（嚙合齒）實(shí)現(xiàn)，繪圖儀的輸出性能可以更直觀地構(gòu)（嚙合齒）實(shí)現(xiàn)，繪圖儀的輸出性能可以更直觀地通過觀察所畫曲線的質(zhì)量來度量。通過觀察所畫曲線的質(zhì)量來度量。 同步同步(tngb)齒型帶

12、輪機(jī)構(gòu)齒型帶輪機(jī)構(gòu)繪圖儀工作示意圖繪圖儀工作示意圖精品資料14執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)n兩個兩個(lin )例子例子2.閥門作動器閥門作動器n在煉油生產(chǎn)的催化裂化過程中，要根據(jù)工藝要求而在煉油生產(chǎn)的催化裂化過程中，要根據(jù)工藝要求而改變某個閥門的開度，該閥的開度也是通過直線位改變某個閥門的開度，該閥的開度也是通過直線位移來實(shí)現(xiàn)的。由于生產(chǎn)過程中的高溫、高壓氣體，移來實(shí)現(xiàn)的。由于生產(chǎn)過程中的高溫、高壓氣體，作用在閥上的力很大，使該閥門動作需要作用在閥上的力很大，使該閥門動作需要100kN的的力。力。 n兩系統(tǒng)相比，驅(qū)動器的負(fù)載能力是系統(tǒng)的主要性能兩系統(tǒng)相比，驅(qū)動器的負(fù)載能力是系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。指標(biāo)。電液

13、伺服直線位移電液伺服直線位移(wiy)系統(tǒng)系統(tǒng)精品資料15驅(qū)動器驅(qū)動器n“原動機(jī)原動機(jī)”一詞指將燃料中的化學(xué)能、水力或風(fēng)力一詞指將燃料中的化學(xué)能、水力或風(fēng)力中的自然能轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動而產(chǎn)生機(jī)械能，進(jìn)而中的自然能轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動而產(chǎn)生機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生電能的裝置或系統(tǒng)。比如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啴a(chǎn)生電能的裝置或系統(tǒng)。比如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)、水輪機(jī)和風(fēng)車等。與執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，機(jī)、柴油機(jī)、水輪機(jī)和風(fēng)車等。與執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，原動機(jī)的主要指標(biāo)是能量轉(zhuǎn)換的效率，而不再是原動機(jī)的主要指標(biāo)是能量轉(zhuǎn)換的效率，而不再是精度、分辨率等指標(biāo)。精度、分辨率等指標(biāo)。 n驅(qū)動器輸出的運(yùn)動形式一般有旋轉(zhuǎn)和直線兩種。驅(qū)動器輸出的運(yùn)動形

14、式一般有旋轉(zhuǎn)和直線兩種。n在大多數(shù)情況在大多數(shù)情況(qngkung)下，一個確定的機(jī)構(gòu)下，一個確定的機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)某個特定的運(yùn)動，如果要改變運(yùn)動軌跡，只能實(shí)現(xiàn)某個特定的運(yùn)動，如果要改變運(yùn)動軌跡，就需要重新設(shè)計另一種機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。就需要重新設(shè)計另一種機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 精品資料16性能指標(biāo)性能指標(biāo)n對于控制用的驅(qū)動器和執(zhí)行器，除能量轉(zhuǎn)換效率外，更注對于控制用的驅(qū)動器和執(zhí)行器，除能量轉(zhuǎn)換效率外，更注重重(zhzhng)速度、位置精度等性能指標(biāo)。速度、位置精度等性能指標(biāo)。 精品資料17執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇(xunz)n選擇驅(qū)動器和執(zhí)行器時，首先應(yīng)根據(jù)該機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生的運(yùn)選擇驅(qū)動器和執(zhí)行器時，首先應(yīng)根據(jù)該機(jī)構(gòu)能

15、產(chǎn)生的運(yùn)動和系統(tǒng)所需的運(yùn)動之間的關(guān)系來考慮。動和系統(tǒng)所需的運(yùn)動之間的關(guān)系來考慮。n n執(zhí)行器的輸出由控制器的算法和計算過程決定，也與傳執(zhí)行器的輸出由控制器的算法和計算過程決定，也與傳感器測得的結(jié)果有關(guān)。感器測得的結(jié)果有關(guān)。 n選用執(zhí)行器首先要考慮被控參數(shù)的量值范圍，其次考慮選用執(zhí)行器首先要考慮被控參數(shù)的量值范圍，其次考慮體積、重量、成本體積、重量、成本(chngbn)、精度、分辨率、響應(yīng)速、精度、分辨率、響應(yīng)速度等。度等。 精品資料18可供選擇的各種可供選擇的各種( zhn)驅(qū)動器和執(zhí)驅(qū)動器和執(zhí)行器行器 精品資料19選擇運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置選擇運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置(zhungzh)和負(fù)載能力的和負(fù)載能力的大致

16、原則大致原則n直線運(yùn)動能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)力和距離。直線運(yùn)動能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)力和距離。n旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)轉(zhuǎn)矩和速度。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)轉(zhuǎn)矩和速度。n運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)：根據(jù)輸入輸出運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)：根據(jù)輸入輸出(shch)速度、力速度、力/轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的大小以及方向的變化。矩的大小以及方向的變化。n 在使用環(huán)境、安裝空間、設(shè)備自重等條件沒有特殊要在使用環(huán)境、安裝空間、設(shè)備自重等條件沒有特殊要求的情況下，由于電能使用方便，因此大多選擇電氣求的情況下，由于電能使用方便，因此大多選擇電氣類的驅(qū)動器，再配合一些簡單的運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)類的驅(qū)動器，再配合一些簡單的運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動。各種運(yùn)動。 精品資料20直線運(yùn)動能量直線運(yùn)動能量(nngling)轉(zhuǎn)換裝置的選轉(zhuǎn)換裝置的選擇擇精品資料21旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)(xunzhun)運(yùn)動能量轉(zhuǎn)換裝置的運(yùn)動能量轉(zhuǎn)換裝置的選擇選擇精品資料22運(yùn)動轉(zhuǎn)換運(yùn)動轉(zhuǎn)換(zhunhun)裝置的選擇裝置的選擇精品資料23思考題思考題n 機(jī)械電子系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動器的作用是什機(jī)械電子系統(tǒng)中的