机械电子工程原理第二章执行与驱动

1、机械电子工程原理机械电子工程原理第二章第二章 执行与驱动执行与驱动2驱动器和执行器的作用驱动器和执行器的作用n机械系统是由各个机械基本要素组成的，其主要的机械系统是由各个机械基本要素组成的，其主要的功能是完成动作的传递和变换，以及机械能的利用，功能是完成动作的传递和变换，以及机械能的利用，实现延伸人的体能的目的。实现延伸人的体能的目的。 n驱动器的作用是将各种类型的能源转化为机械能，驱动器的作用是将各种类型的能源转化为机械能，执行机构将这种机械能变换为合适的运动形式，从执行机构将这种机械能变换为合适的运动形式，从而实现机械做功，完成运动的传递、物质或能量的而实现机械做功，完成运动的传递、物质或

2、能量的转移。转移。n从完成机械的工作过程考虑，传动从完成机械的工作过程考虑，传动-执行是其核心。执行是其核心。n在机械电子系统中，驱动器和执行器所起到的作用在机械电子系统中，驱动器和执行器所起到的作用主要是机械运动或动力转换。主要是机械运动或动力转换。 3机械工程历史机械工程历史 n在原始社会，人类通过锤击、碰砧、砸击等直接在原始社会，人类通过锤击、碰砧、砸击等直接打击法，还使用了钻孔和磨尖等技术，制造出比打击法，还使用了钻孔和磨尖等技术，制造出比较粗糙但实用的工具。较粗糙但实用的工具。4机械工程历史机械工程历史n在搬运重物方面，最初是用树干或圆木，后来从在搬运重物方面，最初是用树干或圆木，后

3、来从滚动的圆桶发展到在轴的两端各装上一个轮子，滚动的圆桶发展到在轴的两端各装上一个轮子，这是机构学上的一个巨大发明，现代所有机械发这是机构学上的一个巨大发明，现代所有机械发明几乎都离不开轮子。明几乎都离不开轮子。 n船只作为水上的运输工具，也是史前时期的一项船只作为水上的运输工具，也是史前时期的一项重要发明。船只的制造从木筏、独木舟、动物皮重要发明。船只的制造从木筏、独木舟、动物皮缝制的皮筏，直到制造较大的木船，使用了多种缝制的皮筏，直到制造较大的木船，使用了多种原始的工具。原始的工具。 n而动力则由最初的撑篙到用桨来推进，后来发明而动力则由最初的撑篙到用桨来推进，后来发明了帆，以风能为动力，

4、并把桨当作舵来行驶，大了帆，以风能为动力，并把桨当作舵来行驶，大大增加了航行的范围。大增加了航行的范围。 5机械工程历史机械工程历史n冶金术的出现为人类转入金属工具的制造和使用提供了条冶金术的出现为人类转入金属工具的制造和使用提供了条件。件。 n除了用金属制作的农具代替石器之外，还出现了用于耕作除了用金属制作的农具代替石器之外，还出现了用于耕作的铁铧犁的铁铧犁 n动力由牛和马（畜力）取代人力，马具（颈圈、挽具和马动力由牛和马（畜力）取代人力，马具（颈圈、挽具和马蹄铁）的使用使马耕很快取代了牛耕，带轮犁的普遍应用蹄铁）的使用使马耕很快取代了牛耕，带轮犁的普遍应用提高了农业生产率。提高了农业生产率

5、。 青铜犁头青铜犁头 铁铧犁铁铧犁 6机械工程历史机械工程历史n粮食的存储和酿酒需要制造大量的陶罐，制陶轮粮食的存储和酿酒需要制造大量的陶罐，制陶轮盘是轮子在制造方面的一个重要进步，它是今天盘是轮子在制造方面的一个重要进步，它是今天车床的雏形。车床的雏形。 7机械工程历史机械工程历史n在农业灌溉上经常使用风车作动力，水轮机则被在农业灌溉上经常使用风车作动力，水轮机则被用于磨和碾谷物，魏晋时期的用于磨和碾谷物，魏晋时期的“水转连磨水转连磨”可以可以用齿轮带动好几个磨同时工作，风车和水轮机可用齿轮带动好几个磨同时工作，风车和水轮机可以看作是最早的气动马达和液压马达，而水力和以看作是最早的气动马达和

6、液压马达，而水力和风力的应用是这一时期能源动力方面的重要成就。风力的应用是这一时期能源动力方面的重要成就。 8机械工程历史机械工程历史n由于军事方面的需要，各种军用机械也得到了发由于军事方面的需要，各种军用机械也得到了发展，如攻城时用的冲车和利用弹力和杠杆原理制展，如攻城时用的冲车和利用弹力和杠杆原理制造的抛石机等军事机械。造的抛石机等军事机械。 9机械工程历史机械工程历史n18世纪世纪80年代，瓦特对蒸汽机的改进，不仅使蒸年代，瓦特对蒸汽机的改进，不仅使蒸汽机的热效率由汽机的热效率由1提高到提高到3以上，而且采用了以上，而且采用了曲轴连杆、飞轮等传动装置，将气缸中活塞的直曲轴连杆、飞轮等传动

7、装置，将气缸中活塞的直线运动转换为连续而稳定的旋转运动，这样就可线运动转换为连续而稳定的旋转运动，这样就可以带动一切其他的机器运转，使得蒸汽机成为一以带动一切其他的机器运转，使得蒸汽机成为一种通用的驱动机械。种通用的驱动机械。 10机械工程历史机械工程历史n热力学和电磁学的重大发现在热力学和电磁学的重大发现在19世纪中期催生了内燃机和世纪中期催生了内燃机和电动机这两类新型的驱动机械。电动机这两类新型的驱动机械。 n内燃机以其小型化、高效率的特点迅速在交通运输领域中内燃机以其小型化、高效率的特点迅速在交通运输领域中被广泛应用。被广泛应用。11机械工程历史机械工程历史n因为电能具有便于传输和控制、

8、易于与其他能源形式进行因为电能具有便于传输和控制、易于与其他能源形式进行转化的特性，电动机在更多的领域中取代了蒸汽机的地位，转化的特性，电动机在更多的领域中取代了蒸汽机的地位，产生了以电气技术为核心的新一轮技术革命。产生了以电气技术为核心的新一轮技术革命。n电动机的应用，使得传动装置大为简化，驱动器、传动装电动机的应用，使得传动装置大为简化，驱动器、传动装置、执行机构三者开始出现成为一个集中整体的趋势。同置、执行机构三者开始出现成为一个集中整体的趋势。同时，电动机的应用也对控制提出了更高的要求，促成了机时，电动机的应用也对控制提出了更高的要求，促成了机械系统中专用控制器的出现。械系统中专用控制

9、器的出现。12机械工程历史机械工程历史n今天，信息技术的飞速发展为传统的机械系统注今天，信息技术的飞速发展为传统的机械系统注入了新的活力。入了新的活力。n现代的驱动技术可以分为电磁驱动和非电磁驱动现代的驱动技术可以分为电磁驱动和非电磁驱动两大技术类别，但不论是在哪个类别中，驱动器两大技术类别，但不论是在哪个类别中，驱动器与执行机构都在向着一体化、微型化、信息化的与执行机构都在向着一体化、微型化、信息化的方向发展。方向发展。n先进驱动器和执行机构的应用将为机械工程的发先进驱动器和执行机构的应用将为机械工程的发展拓展出一片全新的领域，进而促进人类社会生展拓展出一片全新的领域，进而促进人类社会生产的

10、不断发展与进步。产的不断发展与进步。 13执行机构执行机构n简单地讲，一个机械电子系统的目的是产生某种简单地讲，一个机械电子系统的目的是产生某种机械运动或物理作用，如直线运动或压力变化等，机械运动或物理作用，如直线运动或压力变化等，这主要是由系统中的执行机构来完成的，这种物这主要是由系统中的执行机构来完成的，这种物理量的变化可以用一些性能指标来定量分析理量的变化可以用一些性能指标来定量分析 。n两个例子两个例子1.绘图仪绘图仪如果两个垂直的带轮机构同时运行，就可以组成一个如果两个垂直的带轮机构同时运行，就可以组成一个两维的绘图仪系统，每个方向的运动都由一个带轮机两维的绘图仪系统，每个方向的运动

11、都由一个带轮机构（啮合齿）实现，绘图仪的输出性能可以更直观地构（啮合齿）实现，绘图仪的输出性能可以更直观地通过观察所画曲线的质量来度量。通过观察所画曲线的质量来度量。 同步齿型带轮机构同步齿型带轮机构绘图仪工作示意图绘图仪工作示意图14执行机构执行机构n两个例子两个例子2.阀门作动器阀门作动器在炼油生产的催化裂化过程中，要根据工艺要求而改在炼油生产的催化裂化过程中，要根据工艺要求而改变某个阀门的开度，该阀的开度也是通过直线位移来变某个阀门的开度，该阀的开度也是通过直线位移来实现的。由于生产过程中的高温、高压气体，作用在实现的。由于生产过程中的高温、高压气体，作用在阀上的力很大，使该阀门动作需要

12、阀上的力很大，使该阀门动作需要100kN的力。的力。 n两系统相比，驱动器的负载能力是系统的主要性两系统相比，驱动器的负载能力是系统的主要性能指标。能指标。电液伺服直线位移系统电液伺服直线位移系统15驱动器驱动器n“原动机原动机”一词指将燃料中的化学能、水力或风力一词指将燃料中的化学能、水力或风力中的自然能转化成机械运动而产生机械能，进而中的自然能转化成机械运动而产生机械能，进而产生电能的装置或系统。比如蒸汽轮机、燃气轮产生电能的装置或系统。比如蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机、水轮机和风车等。与执行机构不同，机、柴油机、水轮机和风车等。与执行机构不同，原动机的主要指标是能量转换的效率，而不再是原动

13、机的主要指标是能量转换的效率，而不再是精度、分辨率等指标。精度、分辨率等指标。 n驱动器输出的运动形式一般有旋转和直线两种。驱动器输出的运动形式一般有旋转和直线两种。n在大多数情况下，一个确定的机构只能实现某个在大多数情况下，一个确定的机构只能实现某个特定的运动，如果要改变运动轨迹，就需要重新特定的运动，如果要改变运动轨迹，就需要重新设计另一种机构来实现。设计另一种机构来实现。 16性能指标性能指标n对于控制用的驱动器和执行器，除能量转换效率外，更注对于控制用的驱动器和执行器，除能量转换效率外，更注重速度、位置精度等性能指标。重速度、位置精度等性能指标。 比较比较项目项目操作操作力力动动作作快

14、快慢慢环境环境要求要求构造构造负载变负载变化化影响影响远距远距离离操纵操纵无级无级调速调速工工作作寿寿命命维护维护价格价格流流体体气气动动中等中等较较快快适应性适应性好好简单简单较大较大中距中距离离较好较好长长一般一般稍贵稍贵液液压压最大最大较较慢慢不怕振不怕振动动复杂复杂有一些有一些短距短距离离良好良好一一般般要求高要求高很贵很贵电电电电气气中等中等快快要求高要求高稍复稍复杂杂几乎没几乎没有有远距远距离离良好良好较较短短要求较要求较高高一般一般电电子子最小最小最最快快要求特要求特高高最复最复杂杂没有没有远距远距离离良好良好短短要求更要求更高高便宜便宜机械机械较大较大一一般般一般一般一般一般没

15、有没有短距短距离离较困较困难难一一般般简单简单一般一般17执行器的选择执行器的选择n选择驱动器和执行器时，首先应根据该机构能产选择驱动器和执行器时，首先应根据该机构能产生的运动和系统所需的运动之间的关系来考虑。生的运动和系统所需的运动之间的关系来考虑。 n执行器的输出由控制器的算法和计算过程决定，执行器的输出由控制器的算法和计算过程决定，也与传感器测得的结果有关。也与传感器测得的结果有关。 n选用执行器首先要考虑被控参数的量值范围，其选用执行器首先要考虑被控参数的量值范围，其次考虑体积、重量、成本、精度、分辨率、响应次考虑体积、重量、成本、精度、分辨率、响应速度等。速度等。 18可供选择的各种

16、驱动器和执行器可供选择的各种驱动器和执行器 19选择运动转换装置和负载能力的大致原则选择运动转换装置和负载能力的大致原则n直线运动能量转换装置：根据力和距离。直线运动能量转换装置：根据力和距离。n旋转运动能量转换装置：根据转矩和速度。旋转运动能量转换装置：根据转矩和速度。n运动转换机构：根据输入输出速度、力运动转换机构：根据输入输出速度、力/转矩的转矩的大小以及方向的变化。大小以及方向的变化。n 在使用环境、安装空间、设备自重等条件没有特在使用环境、安装空间、设备自重等条件没有特殊要求的情况下，由于电能使用方便，因此大多殊要求的情况下，由于电能使用方便，因此大多选择电气类的驱动器，再配合一些简单的运动转选择电气类的驱动器，再配合一些简单的运动转换机构来实现各种运动。换机构来实现各种运动。 20直线运动能量转换装置的选择直线运动能量转换装置的选择21旋转运动能量转换装置的选择旋转运动能量转换装置的选择22运动转换装置的选择运动转换装置的选择23思考题思考题n 机械电子系统中的执行机构和驱动器的作用是