1、1機(jī)電一體化概念回顧 機(jī)電一體化技術(shù)是在以機(jī)械、微電子技術(shù)為主的多種技術(shù)相互滲透、相互結(jié)合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興(綜合)技術(shù)。 Mechatronics典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)工具-機(jī)床-數(shù)控機(jī)床消費(fèi)電器-照相機(jī)-數(shù)碼相機(jī)；交通工具-汽車-現(xiàn)代汽車；電控發(fā)動機(jī)，自動駕駛系統(tǒng)機(jī)器人3 機(jī)電一體化技術(shù)通過系統(tǒng)級方式，對融合了機(jī)械、電子、控制系統(tǒng)及軟件的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，產(chǎn)生了機(jī)電一體化系統(tǒng)和產(chǎn)品。機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大要素和對應(yīng)功能機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大要素和對應(yīng)功能45控制計算機(jī)控制計算機(jī)液壓源液壓源電源電源氣源氣源電磁鐵電磁鐵伺服電機(jī)伺服電機(jī)手臂手臂手臂手臂旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器機(jī)座機(jī)座

2、機(jī)電一體化系統(tǒng)典型例子的機(jī)械手機(jī)電一體化系統(tǒng)典型例子的機(jī)械手本章的主要內(nèi)容6 1 執(zhí)行元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定義 2 執(zhí)行元件的種類、特點(diǎn)3 常用電氣執(zhí)行元件的特點(diǎn)及選用4 新型執(zhí)行元件簡介第三章機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件及選擇7n機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)( (或產(chǎn)品或產(chǎn)品) )離不開離不開“執(zhí)行元件執(zhí)行元件”為其提供驅(qū)為其提供驅(qū)動力。如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動、工作臺的進(jìn)給運(yùn)動以及工動力。如數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動、工作臺的進(jìn)給運(yùn)動以及工業(yè)機(jī)器人手臂升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動等所用驅(qū)動部件業(yè)機(jī)器人手臂升降、回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動等所用驅(qū)動部件 。n執(zhí)行元件：在電子控制裝置控制下，將輸入的各種形式的執(zhí)行元件：在電子控制裝置

3、控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的元件，例如電動機(jī)、液壓缸、氣缸、能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的元件，例如電動機(jī)、液壓缸、氣缸、內(nèi)燃機(jī)、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的電能、液壓能、內(nèi)燃機(jī)、電磁鐵、繼電器等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。氣壓能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。n大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設(shè)計機(jī)電一大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品時，可作為標(biāo)準(zhǔn)件選用、外購。體化系統(tǒng)或產(chǎn)品時，可作為標(biāo)準(zhǔn)件選用、外購。8n執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置 ：一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的：一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的驅(qū)動驅(qū)動裝置裝置，它利用某種驅(qū)動能源

4、并在某種控制信號作用下工作，它利用某種驅(qū)動能源并在某種控制信號作用下工作。n執(zhí)行元件是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的一部分，為了完成相應(yīng)的功能，執(zhí)行元件是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的一部分，為了完成相應(yīng)的功能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能還需要其他元件或機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能還需要其他元件或機(jī)構(gòu)。n例如：電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)例如：電動執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由電機(jī)、蝸輪蝸桿等組成。由電機(jī)、蝸輪蝸桿等組成。某電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)造9交流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)其它電機(jī)雙金屬片形狀記憶合金壓電元件電磁鐵及其它電動機(jī)油缸液壓馬達(dá)氣缸氣壓馬達(dá)執(zhí)行元件電磁式液壓式氣壓式其它(新型) 與材料有關(guān)1011 電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機(jī)(步進(jìn)電動機(jī)、DC和AC伺服電動機(jī))、超聲波電

5、動機(jī)以及電磁鐵等。其中，利用電磁力的電動機(jī)和電磁鐵，因其實用、易得而成為常用的執(zhí)行元件。 對控制用電動機(jī)的性能除了要求穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)性能之外，還要求具有良好的加速、減速性能和伺服性能等動態(tài)性能以及頻繁使用時的適應(yīng)性和便于維修性能。122. 液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復(fù)運(yùn)動的油缸、回轉(zhuǎn)油缸、液壓馬達(dá)等，其中油缸占絕大多數(shù)。 目前，世界上已開發(fā)了各種數(shù)字式液壓式執(zhí)行元件，例如數(shù)字液壓缸、電-液伺服馬達(dá)和電-液步進(jìn)馬達(dá)，這些電-液式馬達(dá)的最大優(yōu)點(diǎn)是比電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩大，可以直接驅(qū)動運(yùn)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩/慣量比大，過載能力強(qiáng)，適合于重載的高加減速驅(qū)動。3. 氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作

6、工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無什么區(qū)別。具有代表性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、氣壓馬達(dá)等。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度較高的場合使用。13液壓缸與液壓馬達(dá)14數(shù)字液壓缸 它是指將步進(jìn)或伺服電機(jī)、液壓滑閥、閉環(huán)位置反饋設(shè)計組合在液壓缸內(nèi)部，接通液壓油源，所有的功能直接通過數(shù)字缸控制器或計算機(jī)或可編程邏輯控制器（PLC）發(fā)出的數(shù)字脈沖信號來完成長度矢量控制的液壓系統(tǒng)。 被稱之為數(shù)字液壓缸，其最大區(qū)別于伺服液壓系統(tǒng)之處在于，數(shù)字液壓缸的運(yùn)動特性完全被數(shù)字化，即：電脈沖的頻率與油缸的運(yùn)動速度對應(yīng)，電脈沖的數(shù)量與油缸的行程對應(yīng)，而這種對應(yīng)關(guān)系是通過

7、數(shù)字油缸內(nèi)部的設(shè)計、制造過程確定好的，無需任何外部的諸如：傳感器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)參數(shù)等來保障。15氣缸16動力源側(cè)裝置側(cè)空氣干燥機(jī)氣 罐 后冷卻器空壓機(jī)主管路過濾器壓力開關(guān)磁性開關(guān)速度控制閥電磁閥消音器三聯(lián)件空氣過濾器減壓閥油霧器氣缸殘壓釋放手動3通閥174. 執(zhí)行元件的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn) 種類種類特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)電電氣氣式式 可用商業(yè)電源；有可用商業(yè)電源；有交流直流之分；注意交流直流之分；注意使用電壓和功率。使用電壓和功率。 操作簡便；編程容易；操作簡便；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服控制；能實現(xiàn)定位伺服控制；響應(yīng)快、易與計算機(jī)響應(yīng)快、易與計算機(jī)（CPUCPU）連接；體積小、）連接；體積小、動力

8、大、無污染。動力大、無污染。 瞬時輸出功率大；過瞬時輸出功率大；過載差；一旦卡死，會載差；一旦卡死，會引起燒毀事故；受外引起燒毀事故；受外界噪音影響大。界噪音影響大。 氣氣壓壓式式 氣體壓力源壓力氣體壓力源壓力5757MPaMPa；要求操作；要求操作人員技術(shù)熟練。人員技術(shù)熟練。 氣源方便、成本低；氣源方便、成本低；無泄露而污染環(huán)境；無泄露而污染環(huán)境；速度快、操作簡便。速度快、操作簡便。 功率小、體積大、難功率小、體積大、難于小型化；動作不平于小型化；動作不平穩(wěn)、遠(yuǎn)距離傳輸困難；穩(wěn)、遠(yuǎn)距離傳輸困難；噪音大；難于伺服。噪音大；難于伺服。 液液壓壓式式 液體壓力源壓力液體壓力源壓力20802080M

9、PaMPa；要求操；要求操作人員技術(shù)熟練。作人員技術(shù)熟練。輸出功率大，速度快、輸出功率大，速度快、動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定動作平穩(wěn)，可實現(xiàn)定位伺服控制；易與計位伺服控制；易與計算機(jī)（算機(jī)（CPUCPU）連接。）連接。 設(shè)備難于小型化；液設(shè)備難于小型化；液壓源和液壓油要求嚴(yán)壓源和液壓油要求嚴(yán)格；易產(chǎn)生泄露而污格；易產(chǎn)生泄露而污染環(huán)境。染環(huán)境。 181、氣壓伺服 2、步進(jìn)電機(jī)和兩相交流感應(yīng)電機(jī) 3、微小驅(qū)動力矩電機(jī)和螺線管傳動 4、移動線圈直線電機(jī) 5、AC電機(jī)(無刷DC電機(jī)) 6、DC 電機(jī) 7、液壓伺服伺服系統(tǒng)適用范圍19機(jī)電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求 1 1慣量小、動力大慣量小、動力大表征慣量

10、指標(biāo)：表征慣量指標(biāo)：a a、J J表征動力大小指標(biāo)：表征動力大小指標(biāo)：F F、T T、P P表征動力大小綜合指標(biāo)：比功率表征動力大小綜合指標(biāo)：比功率( (功率密度功率密度) )2 2體積小、重量輕體積小、重量輕 用功率密度來評價這項指標(biāo)用功率密度來評價這項指標(biāo) 功率密度功率密度P P/ /G G( (kWkgkWkg-1-1) )，3 3便于維修、安裝便于維修、安裝 執(zhí)行元件最好不需要維修執(zhí)行元件最好不需要維修, ,例如交例如交/ /直流無刷伺服電機(jī)。直流無刷伺服電機(jī)。4 4宜于微機(jī)控制宜于微機(jī)控制 機(jī)電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電動式，其次是液動和機(jī)電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的主流是電動式

11、，其次是液動和氣動式氣動式( (在驅(qū)動接口中需要增加電在驅(qū)動接口中需要增加電- -液或電液或電- -氣變換環(huán)節(jié)氣變換環(huán)節(jié)) ) 。20n它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。n工作可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)受到連續(xù)而精確的控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。n控制用電機(jī)有回轉(zhuǎn)和直線驅(qū)動電機(jī)，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復(fù)啟動、停止的增量驅(qū)動以及復(fù)雜的驅(qū)動，而驅(qū)動精度隨驅(qū)動對象的不同而不同。n控制用電機(jī)(伺服電機(jī))控制方式的基本形式有三種。步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)方式、其它電機(jī)的半閉環(huán)方式和全閉環(huán)方式是基本控制方式。閉環(huán)方式可得到比開環(huán)方式更精密的伺

12、服控制。21控制方式的基本形式控制方式的基本形式221. 控制電動機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用實例DCDC伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：停電時可制動停電時可制動控制器簡單控制器簡單小容量的成本低小容量的成本低功率速度高功率速度高無鐵心形的不存在齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩?zé)o鐵心形的不存在齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需對整流子維護(hù)需對整流子維護(hù)不能在高速大力矩下工作不能在高速大力矩下工作產(chǎn)生磨耗有粉塵產(chǎn)生磨耗有粉塵優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：停電時可制動停電時可制動可高速大力矩工作可高速大力矩工作耐環(huán)境性好，無需維修耐環(huán)境性好，無需維修小形輕量小形輕量功率速度高功率速度高缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：無自啟動功能；無自啟動功能；電動機(jī)與控制器需一一對應(yīng)電動機(jī)與

13、控制器需一一對應(yīng)控制器較復(fù)雜控制器較復(fù)雜優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：耐環(huán)境性好，無需維修；耐環(huán)境性好，無需維修；可高速大轉(zhuǎn)矩工作；可高速大轉(zhuǎn)矩工作；大容量下效率良好；大容量下效率良好；結(jié)構(gòu)堅固；結(jié)構(gòu)堅固；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：在小容量下工作效率低在小容量下工作效率低溫度特性差；溫度特性差；停電時不能制動；停電時不能制動；控制器較復(fù)雜控制器較復(fù)雜263.5 新型執(zhí)行元件簡介3.5.1 直線電機(jī)1.特點(diǎn)l是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的裝置；l結(jié)構(gòu)多樣，可以根據(jù)需要制成扁平型、圓筒型或盤型等各種形式；l可以采用交流電源、直流電源或脈沖電源等各種電源進(jìn)行工作；l不同種類具有截然不同的工作特點(diǎn)，可

14、以根據(jù)需要選擇。能滿足高速、大推力的驅(qū)動要求，也能滿足低速、精細(xì)的要求，如步進(jìn)直線電動機(jī)。27l2.應(yīng)用l應(yīng)用領(lǐng)域：l軍事領(lǐng)域。利用直線電機(jī)制成各種電磁炮，艦載飛機(jī)彈射等；l交通運(yùn)輸業(yè)。利用直線電機(jī)制成時速達(dá)500km以上的磁懸浮列車；l工業(yè)領(lǐng)域。用于生產(chǎn)輸送線，以及各種橫向或垂直運(yùn)動的機(jī)械設(shè)備中；l精密儀器設(shè)備。例如計算機(jī)的磁頭驅(qū)動裝置、照相機(jī)的快門、自動繪圖儀、醫(yī)療儀器、航天航空儀器、各種自動化儀器設(shè)備等；l民用裝置。如門、窗、桌、椅的移動，門鎖、電動窗簾的開、閉等。28(1)扁平型直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電動機(jī)和扁平型直線電動機(jī)示意圖29 扁平型直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面扁平型直

15、線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向的一種演變，它可看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的周圍展成直線。剖開，然后將電機(jī)的周圍展成直線。由感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)楸馄叫椭本€電機(jī)的過程由感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)楸馄叫椭本€電機(jī)的過程a)沿徑向剖開沿徑向剖開 b)把圓周展成直線把圓周展成直線302.工作原理 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。 在直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，也會產(chǎn)生氣隙磁場。這個氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦形分布。行波磁場次級初級 直線電機(jī)基本工作原理31l三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移

16、動。這個原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似。差異是：這個磁場平移，而不是旋轉(zhuǎn)，因此稱為行波磁場。l行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度一樣。稱為同步速度v(m/s)，且 v=2ft，t為極距(m)， f為電流的頻率(Hz)。l旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過對換任意兩相的電源線，可以實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)。直線電機(jī)也可以通過同樣的方法實現(xiàn)反向運(yùn)動。根據(jù)這一原理，可使直線電機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動。323.5.2 形狀記憶合金1.發(fā)現(xiàn)過程 1932年瑞典人歐勒特在觀察某種金鎘合金的性能時首次發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。 1962年美國海軍實驗室在開發(fā)新型艦船材料時，在Ti-Ni合金中發(fā)現(xiàn)把直條形的材料加工成彎曲形狀，經(jīng)加熱后它的形狀又恢復(fù)到

17、原來的直條形。從 此形狀記憶合金引起了極大的關(guān)注。33 人們利用同一種成分的材料可以有不同的“相”， 就能演出一幕幕“相”變戲，即改變外界條件如溫度,使材料由一種晶體結(jié)構(gòu)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)，材料的力學(xué)性能和物理或化學(xué)性能也就隨之改變，當(dāng)溫度恢復(fù)時材料的晶體結(jié)構(gòu)也恢復(fù)到原來的狀態(tài)，性質(zhì)也隨之復(fù)原。形狀記憶合金就是利用一些材料的晶體結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變來使其具有形狀記憶功能的。2.形狀記憶合金記憶原理34l集傳感、驅(qū)動、控制、換能于一身l機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良，能恢復(fù)的形變可高達(dá)10以上，而一般金屬材料只有0.1以下l有確定的轉(zhuǎn)變溫度 鎳鈦 50l在加熱時產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力非常大，可達(dá)500MPal對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不受溫度以外的其他因素影響l無振動噪聲，無污染l抗疲勞 回憶變形500萬次不疲勞變形3. 形狀記憶合金特性353. 形狀記憶合金的應(yīng)用（1）形狀記憶合金在航空航天中的應(yīng)用36形狀記憶元件具有感溫和驅(qū)動雙重功能，因此可用形狀記憶元件具有感溫和驅(qū)動雙重功能，因此可用于制作智能機(jī)械手。手指和手腕靠于制作智能機(jī)械手。手指和手腕靠Ti-NiTi-Ni合金螺旋彈簧合金螺旋彈簧的伸縮實現(xiàn)開閉和彎曲動作