第4章 執(zhí)行裝置

1、第四章機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置的概念電動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 掌握其使用方法液壓與氣動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 掌握其使用方法變頻器 理解機(jī)電一體化系統(tǒng)中所用到的執(zhí)行裝置理解機(jī)電一體化系統(tǒng)中所用到的執(zhí)行裝置了解執(zhí)行裝置的一些基本知識(shí)。了解執(zhí)行裝置的一些基本知識(shí)。 主要內(nèi)容執(zhí)行裝置什么是執(zhí)行裝置什么是執(zhí)行裝置所謂執(zhí)行裝置，就是把從電源、液壓、氣壓等動(dòng)力源獲得的能量變換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，同時(shí)產(chǎn)生使機(jī)械工作的力的一種裝置?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和伺服裝置的組合，使機(jī)械系統(tǒng)的高精度、快速控制成為可能，其中最具代表的是機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床。執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置的形狀與結(jié)構(gòu)執(zhí)行裝置的

2、形狀與結(jié)構(gòu)（1）模仿人和其他生物的身體或器官。（2）根據(jù)工作對(duì)象的外形特征和物理、化學(xué)特性確定執(zhí)行裝置的形狀和結(jié)構(gòu)。執(zhí)行裝置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)執(zhí)行裝置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng) 現(xiàn)在僅用于具有特殊要求的場(chǎng)合 電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 執(zhí)行裝置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng) 現(xiàn)在僅用于具有特殊要求的場(chǎng)合 電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置框圖執(zhí)行裝置框圖機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行裝置有機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行裝置有什么要求？什么要求？執(zhí)行裝置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)脈沖比較伺服系統(tǒng) 相位比較伺服系統(tǒng) 幅值

3、比較伺服系統(tǒng) 執(zhí)行裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)的變換動(dòng)力的變換形 式行 程方 向速 度形 式大 小蝸輪蝸桿齒輪傳動(dòng)帶帶輪鏈輪、繩輪摩擦輪齒輪、齒條絲桿螺母杠桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)凸輪彈簧萬向節(jié)軟軸執(zhí)行裝置機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件有機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件有什么要求？什么要求？執(zhí)行元件有氣缸、液壓閥、電磁閥、電動(dòng)機(jī)等：（1）為執(zhí)行裝置提供必要的驅(qū)動(dòng)力，以便于作功。（2）接受電子控制裝置的指令，進(jìn)行開、停、換向、變速等運(yùn)動(dòng)變換。執(zhí)行裝置執(zhí)行元件的種類執(zhí)行元件的種類執(zhí)行裝置執(zhí)行元件的特點(diǎn)執(zhí)行元件的特點(diǎn)種 類特 點(diǎn)優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)電壓式可使用電源，信號(hào)與動(dòng)力的傳送方向相同，有交流和直流之別，應(yīng)注意電壓之

4、大小操作簡(jiǎn)便，編程容易，能實(shí)現(xiàn)定位伺服，響應(yīng)快，易與CPU相接，體積小，動(dòng)力較大瞬時(shí)輸出功率大，過載差，特別由于某種原因卡住時(shí)，會(huì)引燒毀事故，易受外部噪聲影響，受污染氣壓式空氣壓力源的壓力為（57）105（Pa），要求操作人員技術(shù)熟練氣源方便，成本低，無泄漏污染，速度快，操作比較簡(jiǎn)單，但功率小，體積大，動(dòng)作不夠平穩(wěn)不易小型化，遠(yuǎn)距離傳輸困難液壓式要求操作人員技術(shù)熟練，液壓源壓力為（5080）105（Pa）輸出功率大，速度快，動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服，易與CPU相接，響應(yīng)快速液壓源或液壓要求嚴(yán)格（雜質(zhì)，溫度，油量，質(zhì) 且有污染伺服電動(dòng)機(jī)有什么優(yōu)點(diǎn)？伺服電動(dòng)機(jī)有什么優(yōu)點(diǎn)？執(zhí)行裝置驅(qū)動(dòng)部件的作用驅(qū)動(dòng)

5、部件的作用功率放大驅(qū)動(dòng)部件的功能就是把控制中心送來微小信號(hào)（電壓、電流、電脈沖等）作功率放大。有些信號(hào)不僅需要放大，還應(yīng)變換成相應(yīng)的氣壓信號(hào)，才能推動(dòng)氣壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 信號(hào)量的變換 執(zhí)行部件的位移、轉(zhuǎn)角等物理量不能直接反饋到系統(tǒng)的控制器，必須先變換成相應(yīng)的電信號(hào)量，然后才能反饋到系統(tǒng)的輸入端 系統(tǒng)匹配 驅(qū)動(dòng)部件的前面是控制器，驅(qū)動(dòng)部件的后面是執(zhí)行部件，因此，驅(qū)動(dòng)部件應(yīng)使它們諧調(diào)、匹配，以提高系統(tǒng)的效率，使整個(gè)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。 執(zhí)行裝置電磁式執(zhí)行元件電磁式執(zhí)行元件（1）電磁鐵由線圈與銜鐵兩部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于是單向驅(qū)動(dòng)，故需用彈簧復(fù)位，用于實(shí)現(xiàn)兩固點(diǎn)之間的快速驅(qū)動(dòng)，如各種電磁開關(guān)。（2）壓

6、電驅(qū)動(dòng)器利用電壓控制壓電晶體。（3）電熱驅(qū)動(dòng)器利用金屬棒的膨脹使執(zhí)行裝置作直線位移， 執(zhí)行裝置步進(jìn)電機(jī)的特征步進(jìn)電機(jī)的特征優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)不需要反饋控制，電路簡(jiǎn)單容易與微機(jī)連接停止時(shí)有保持轉(zhuǎn)距維護(hù)方便效率低容易引起失步有時(shí)發(fā)生振蕩現(xiàn)象執(zhí)行裝置步進(jìn)電機(jī)的類型步進(jìn)電機(jī)的類型轉(zhuǎn)子為圓筒形永磁鋼，定子位于轉(zhuǎn)子的外側(cè)。定子線圈中流過電流時(shí)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)。定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間相互作用產(chǎn)生吸引力或推斥力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，步距角為90或45。 轉(zhuǎn)子由齒輪狀的低碳鋼構(gòu)成。轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)向使通電相定子磁場(chǎng)的磁阻為最小的位置。通常使用的步距角為0.9、1.8、3.6等。 是VR型和PM型的復(fù)合型步進(jìn)電機(jī)，能獲得與VR型相同的很小的步距角

7、。HB型因具有較大轉(zhuǎn)矩而得到廣泛應(yīng)用 執(zhí)行裝置步進(jìn)電機(jī)控制電路實(shí)例步進(jìn)電機(jī)控制電路實(shí)例執(zhí)行裝置直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性，通常應(yīng)用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制等。 小慣量直流電動(dòng)機(jī)小慣量直流電動(dòng)機(jī) 調(diào)速范圍大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適用于頻繁啟動(dòng)與制動(dòng)，要求有快速響應(yīng)（如數(shù)控鉆床、沖床等點(diǎn)定位）的場(chǎng)合。 大慣量直流電動(dòng)機(jī)（寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)）大慣量直流電動(dòng)機(jī)（寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)） 轉(zhuǎn)子慣量大 低速性能好 過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 調(diào)速范圍寬 執(zhí)行裝置直流伺服電機(jī)的控制方式直流伺服電機(jī)的控制方式線性控制方式線性控制方式小功率電機(jī)平滑控制時(shí)常使用線性控制方式PWMPWM控制方

8、式控制方式大功率電機(jī)高效控制時(shí)，則使用PWM控制 執(zhí)行裝置直流伺服電機(jī)的控制方式直流伺服電機(jī)的控制方式直線控制直線控制線性控制方式的效率很低，是一種不經(jīng)濟(jì)的控制方法。這種方式可用于額定功率為數(shù)瓦的小電動(dòng)機(jī)的控制電路。 執(zhí)行裝置直流伺服電機(jī)的控制方式直流伺服電機(jī)的控制方式控制控制PWM控制方式已經(jīng)成為現(xiàn)代直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的主流。 執(zhí)行裝置直流伺服電機(jī)的控制方式直流伺服電機(jī)的控制方式直線控制實(shí)例直線控制實(shí)例橋式伺服控制一旦電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏離給定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)EC就會(huì)變化，從而破壞了電橋的平衡。當(dāng)電橋恢復(fù)平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速就穩(wěn)定在一定值主要用于紙帶記錄儀等低頻儀器比例電流伺服控制負(fù)載增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

9、速下降，則電動(dòng)機(jī)電流自動(dòng)增大使轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)原執(zhí)行裝置直流伺服電機(jī)的控制方式直流伺服電機(jī)的控制方式直線控制實(shí)例直線控制實(shí)例直流伺服使直流電動(dòng)機(jī)與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸連接，對(duì)轉(zhuǎn)速的變化部分進(jìn)行補(bǔ)償而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定大多用于對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求很高的機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等機(jī)械系統(tǒng)的控制。FG伺服控制由FG產(chǎn)生與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的脈沖，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換器把脈沖信號(hào)變換成模擬電壓，其余與直流伺服相同執(zhí)行裝置直流伺服電機(jī)的控制方式直流伺服電機(jī)的控制方式直線控制實(shí)例直線控制實(shí)例圖中使用了直流電動(dòng)機(jī)（馬布其RE280）來代替直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。采用運(yùn)算放大器構(gòu)成比較電路，對(duì)設(shè)定電壓與來自直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的反饋電壓進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用示波

10、器觀察直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形，同時(shí)需要調(diào)節(jié)濾波器的時(shí)間常數(shù)。 執(zhí)行裝置控制原理控制原理執(zhí)行裝置控制電路控制電路執(zhí)行裝置交流伺服電動(dòng)機(jī)的種類交流伺服電動(dòng)機(jī)的種類執(zhí)行裝置交流伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)例交流伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)例無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制電路 執(zhí)行裝置交流伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)例交流伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)例瓶灌裝的伺服控制線 執(zhí)行裝置液壓執(zhí)行裝置 （1）把液壓能量變換成直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸。（2）把液壓能量變換成連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)。（3）把液壓能量變換成擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)馬達(dá)等。液壓執(zhí)行裝置在很多工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，如液壓執(zhí)行裝置在很多工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用于機(jī)床、成形機(jī)械、機(jī)器人、工程車輛、露天游應(yīng)用

11、于機(jī)床、成形機(jī)械、機(jī)器人、工程車輛、露天游樂場(chǎng)、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。樂場(chǎng)、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。 執(zhí)行裝置液壓執(zhí)行裝置應(yīng)用廣泛，試著描述使用它們有哪些優(yōu)點(diǎn)？如何用液壓缸獲得更大的推力？家用電梯用液壓系統(tǒng) 執(zhí)行裝置液壓伺服系統(tǒng)執(zhí)行裝置液壓伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件1開關(guān)式電液驅(qū)動(dòng)部件2比例式電液驅(qū)動(dòng)部件3伺服式電液驅(qū)動(dòng)部件執(zhí)行裝置液壓伺服系統(tǒng)實(shí)例波浪發(fā)生器波浪發(fā)生裝置是一種在室內(nèi)的水池或水路中產(chǎn)生與自然海域相似波浪的裝置。這種裝置可用于波浪對(duì)船體姿勢(shì)的影響，排水狀態(tài)、沙灘海岸的地形變化等方面的實(shí)驗(yàn)研究。 執(zhí)行裝置液壓伺服系統(tǒng)實(shí)例汽車起重機(jī)汽車起重機(jī)采用液壓傳動(dòng)，最大起重量為80kN(幅度為3m時(shí))，最

12、大起重高度為11.5m，起重裝置可連續(xù)回轉(zhuǎn)。由于該汽車起重機(jī)有較高的行走速度，可以和運(yùn)輸車隊(duì)編隊(duì)行駛，機(jī)動(dòng)性好，用途廣泛。 執(zhí)行裝置氣動(dòng)執(zhí)行裝置 （1）把壓縮空氣的能量變換成直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。（2）把壓縮空氣的能量變換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)馬達(dá)。（3）把壓縮空氣的能量變換成擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)式氣動(dòng)執(zhí)行裝置等。氣動(dòng)執(zhí)行裝置的操作方法簡(jiǎn)單，人們?cè)谄浣Y(jié)構(gòu)和回路上不斷改氣動(dòng)執(zhí)行裝置的操作方法簡(jiǎn)單，人們?cè)谄浣Y(jié)構(gòu)和回路上不斷改進(jìn)以適應(yīng)各種負(fù)載條件，因此廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)械、車輛進(jìn)以適應(yīng)各種負(fù)載條件，因此廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)械、車輛、汽車、機(jī)器人、氣動(dòng)工具、測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域。、汽車、機(jī)器人、氣動(dòng)工具、測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域。執(zhí)

13、行裝置氣動(dòng)執(zhí)行裝置 執(zhí)行裝置氣動(dòng)執(zhí)行裝置的驅(qū)動(dòng)原理執(zhí)行裝置氣動(dòng)執(zhí)行裝置實(shí)例真空吸盤應(yīng)用于裝卸、搬運(yùn)作業(yè)時(shí)，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 執(zhí)行裝置氣動(dòng)執(zhí)行裝置實(shí)例氣動(dòng)手在倉(cāng)庫(kù)、工廠中應(yīng)用的采用無桿氣缸直接拉引窗簾執(zhí)行裝置氣動(dòng)執(zhí)行裝置實(shí)例自動(dòng)窗簾即使工件的形狀或位置存在偏差，氣動(dòng)手也能靈活適應(yīng)。把工件放置在尼龍皮帶和V形塊之間，由雙桿氣缸推動(dòng)V形塊前進(jìn)，并將工件推至尼龍皮帶而夾緊。 執(zhí)行裝置氣動(dòng)執(zhí)行裝置實(shí)例機(jī)械手使用雙桿氣缸和氣動(dòng)夾具構(gòu)成簡(jiǎn)單機(jī)械手的應(yīng)用實(shí)例 執(zhí)行裝置變頻器把市電（380V或220V、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件（GTO、GTR或IGBT）組成的三相逆變器

14、，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，并采用輸出波形調(diào)制技術(shù)，使得輸出波形更完善。 執(zhí)行裝置變頻器的種類交直交變頻器 變頻器雖然多了一個(gè)中間直流環(huán)節(jié)，但是輸出交流電的頻率是任意的。 執(zhí)行裝置變頻器的種類交交變頻器 交交變頻器通常用于大功率（500kW或1 000kW以上）、低速（600r/min以下）的場(chǎng)合，如扎鋼機(jī)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等。 執(zhí)行裝置變頻器的輸出調(diào)制 一、一、PAMPAM方式方式PAM即脈沖幅值調(diào)節(jié)方法，它是通過改變直流側(cè)的電壓幅值進(jìn)行調(diào)壓的。PAM調(diào)制方式一般應(yīng)用于晶閘管逆變器的中大功率變頻器中。 二、簡(jiǎn)單二、簡(jiǎn)單PWMPWM方式方式簡(jiǎn)單的PWM方式是脈沖寬度調(diào)制法中比較簡(jiǎn)單的一種。 三、SPWM方式正弦波脈寬調(diào)制法（SPWM）是最常用的一種調(diào)制方法。 執(zhí)行裝置變頻器的輸出調(diào)制 PWM逆變器輸出電壓波形 SPWM逆變器輸出電壓波形 執(zhí)行裝置小結(jié) 工作部分：手部、主軸與刀架、打印頭等 直線運(yùn)動(dòng)用導(dǎo)軌導(dǎo)向 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用軸承來導(dǎo)向 導(dǎo)向部分 電壓式 執(zhí)行元件 氣壓式 液壓式 1執(zhí)行裝置：2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)34電動(dòng)