哈工大机电一体化课件

机电一体化技术基础

1机电工程工学院机电控制及自动化系王伟杰greatwang@;139361324662014.03-04机电一体化概念回顾

什么是机电一体化技术？

机电一体化技术是在以机械、微电子技术为主的多种技术相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴(综合)技术。

Mechatronics典型的机电一体化产品生产工具--机床---数控机床消费电器---照相机---数码相机；交通工具---汽车---现代汽车；电控发动机，自动驾驶系统…机器人……………3机电一体化技术通过系统级方式，对融合了机械、电子、控制系统及软件的机电系统进行设计，产生了机电一体化系统和产品。机电一体化系统的五大要素和对应功能45控制计算机液压源电源气源电磁铁伺服电机手臂手臂旋转编码器机座机电一体化系统典型例子的机械手第三章机电一体化系统的执行元件及选择本章的主要内容6

1执行元件及执行机构的定义

2执行元件的种类、特点 3常用电气执行元件的特点及选用 4新型执行元件简介第三章机电一体化系统的执行元件及选择3.1执行元件与执行机构的定义7机电一体化系统(或产品)离不开“执行元件”为其提供驱动力。如数控机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件。执行元件：在电子控制装置控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能的元件，例如电动机、液压缸、气缸、内燃机、电磁铁、继电器等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统或产品时，可作为标准件选用、外购。8执行机构[执行装置]：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行元件是执行机构中的一部分，为了完成相应的功能，执行机构可能还需要其他元件或机构。例如：电动执行机构由电机、蜗轮蜗杆等组成。某电动执行机构的构造93.2执行元件的种类及其特点交流伺服电机直流伺服电机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电元件电磁铁及其它电动机油缸液压马达气缸气压马达执行元件电磁式液压式气压式其它(新型)与材料有关逆压电效应10111.电气(磁)式执行元件

电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动机、DC和AC伺服电动机)、超声波电动机以及电磁铁等。其中，利用电磁力的电动机和电磁铁，因其实用、易得而成为常用的执行元件。

对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能之外，还要求具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。122.液压式执行元件

液压式执行元件主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。

目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如数字液压缸、电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。3.气压式执行元件

气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件无什么区别。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。13液压缸与液压马达14数字液压缸它是指将步进或伺服电机、液压滑阀、闭环位置反馈设计组合在液压缸内部，接通液压油源，所有的功能直接通过数字缸控制器或计算机或可编程逻辑控制器（PLC）发出的数字脉冲信号来完成长度矢量控制的液压系统。

被称之为数字液压缸，其最大区别于伺服液压系统之处在于，数字液压缸的运动特性完全被数字化，即：电脉冲的频率与油缸的运动速度对应，电脉冲的数量与油缸的行程对应，而这种对应关系是通过数字油缸内部的设计、制造过程确定好的，无需任何外部的诸如：传感器、调节器、调节参数等来保障。15气缸16動力源側装置側空气干燥机气罐

后冷却器空压机主管路过滤器压力开关磁性开关速度控制阀电磁阀消音器三联件空气过滤器减压阀油雾器气缸残压释放手动3通阀气动系统配置174.执行元件的特点以及优缺点种类特点优点缺点电气式

可用商业电源；有交流直流之分；注意使用电压和功率。操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。气压式

气体压力源压力5~7×MPa；要求操作人员技术熟练。气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。液压式

液体压力源压力20~80×MPa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。181、气压伺服2、步进电机和两相交流感应电机3、微小驱动力矩电机和螺线管传动4、移动线圈直线电机5、AC电机(无刷DC电机)6、DC电机7、液压伺服伺服系统适用范围193.3机电一体化系统对执行元件的基本要求1．惯量小、动力大表征惯量指标：a、J表征动力大小指标：F、T、P表征动力大小综合指标：比功率(功率密度)2．体积小、重量轻用功率密度来评价这项指标功率密度＝P/G(kWkg-1)，3．便于维修、安装执行元件最好不需要维修,例如交/直流无刷伺服电机。4．宜于微机控制机电一体化系统所用执行元件的主流是电动式，其次是液动和气动式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。203.4机电一体化系统(或产品)常用的控制用电机它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。工作可在很宽的速度和负载范围内受到连续而精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。控制用电机(伺服电机)控制方式的基本形式有三种。步进电机的开环方式、其它电机的半闭环方式和全闭环方式是基本控制方式。闭环方式可得到比开环方式更精密的伺服控制。21控制方式的基本形式221.控制电动机的特点及应用实例DC、AC伺服电动机优缺点比较DC伺服电动机优点：停电时可制动控制器简单小容量的成本低功率速度高无铁心形的不存在齿槽效应转矩缺点：需对整流子维护不能在高速大力矩下工作产生磨耗有粉尘同步（SM）伺服电动机优点：停电时可制动可高速大力矩工作耐环境性好，无需维修小形轻量功率速度高缺点：无自启动功能；电动机与控制器需一一对应控制器较复杂感应（IM）AC伺服电动机优点：耐环境性好，无需维修；可高速大转矩工作；大容量下效率良好；结构坚固；缺点：在小容量下工作效率低温度特性差；停电时不能制动；控制器较复杂263.5新型执行元件简介3.5.1直线电机1.特点是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置；结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式；可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作；不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精细的要求，如步进直线电动机。272.应用应用领域：军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，舰载飞机弹射等；交通运输业。利用直线电机制成时速达500km以上的磁悬浮列车；工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的机械设备中；精密仪器设备。例如计算机的磁头驱动装置、照相机的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各种自动化仪器设备等；民用装置。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗帘的开、闭等。283本结构与工作原理(1)扁平型直线电机的基本结构旋转电动机和扁平型直线电动机示意图29

扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的周围展成直线。由感应式旋转电机演变为扁平型直线电机的过程a)沿径向剖开b)把圆周展成直线302.工作原理

与旋转电机相似。在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。行波磁场次级初级

直线电机基本工作原理31三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似。差异是：这个磁场平移，而不是旋转，因此称为行波磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度一样。称为同步速度v(m/s)，且v=2ft，t为极距(m)，f为电流的频率(Hz)。旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。直线电机也可以通过同样的方法实现反向运动。根据这一原理，可使直线电机做往复直线运动。323.5.2形状记忆合金1.发现过程1932年瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时首次发现形状记忆效应。1962年美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从此形状记忆合金引起了极大的关注。33

人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”，就能演出一幕幕“相”变戏，即改变外界条件如温度,使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来使其具有形状记忆功能的。2.形状记忆合金记忆原理34集传感、驱动、控制、换能于一身机械性质优良，能恢复的形变可高达10％以上，而一般金属材料只有0.1％以下有确定的转变温度镍~钛50℃在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响无振动噪声，无污染抗疲劳回忆变形500万次不疲劳变形3.形状记忆合金特性