第4章 执行装置

1、第四章机电一体化系统中的 执行装置 执行装置的概念 电动控制系统的结构及工作原理 掌握其使用方法 液压与气动控制系统的结构及工作原理 掌握其使用方法 变频器 理解机电一体化系统中所用到的执行装置理解机电一体化系统中所用到的执行装置 了解执行装置的一些基本知识。了解执行装置的一些基本知识。 主 要 内 容 执行装置 什么是执行装置什么是执行装置 所谓执行装置，就是把从电源、液压、气压等动 力源获得的能量变换成旋转运动或者直线运动的机 械能，同时产生使机械工作的力的一种装置。现代 计算机技术、电子技术和伺服装置的组合，使机械 系统的高精度、快速控制成为可能，其中最具代表 的是机器人和数控机床。 执

2、行装置 执行装置的形状与结构执行装置的形状与结构 （1）模仿人和其他生物的身体或器官。 （2）根据工作对象的外形特征和物理、化 学特性确定执行装置的形状和结构。 执行装置 伺服系统伺服系统 执行装置 伺服系统伺服系统 电液伺服系统电液伺服系统 现在仅用于具有特殊要求的场合 电气伺服系统电气伺服系统 步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机 执行装置 伺服系统伺服系统 电液伺服系统电液伺服系统 现在仅用于具有特殊要求的场合 电气伺服系统电气伺服系统 步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机 执行装置 执行装置框图执行装置框图 机电一体化系统对执行装置有机电一体化系统对执行装置有 什么要求？什

3、么要求？ 执行装置 伺服系统伺服系统 脉冲比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 执行装置 传动机构传动机构 传 动 机 构 运动的变换动力的变换 形 式行 程方 向速 度形 式大 小 蜗轮蜗杆 齿轮 传动带带轮 链轮、绳轮 摩擦轮 齿轮、齿条 丝杆螺母 杠杆机构 连杆机构 凸轮 弹簧 万向节 软轴 执行装置 机电一体化系统对执行元件有机电一体化系统对执行元件有 什么要求？什么要求？ 执行元件有气缸、液压阀、电磁阀、电动机等： （1）为执行装置提供必要的驱动力，以便于作功。 （2）接受电子控制装置的指令，进行开、停、换向、变速等运动变换。 执行装置 执行元件的种类执行元件的种类 执行

4、装置 执行元件的特点执行元件的特点 种 类特 点优 点缺 点 电压式 可使用电源，信号与动 力的传送方向相同，有 交流和直流之别，应注 意电压之大小 操作简便，编程容易， 能实现定位伺服，响应 快，易与CPU相接，体 积小，动力较大 瞬时输出功率大，过载差 ，特别由于某种原因卡住 时，会引烧毁事故，易受 外部噪声影响，受污染 气压式 空气压力源的压力为（ 57）105（Pa）， 要求操作人员技术熟练 气源方便，成本低，无 泄漏污染，速度快，操 作比较简单，但功率小 ，体积大，动作不够平 稳 不易小型化，远距离传输 困难 液压式 要求操作人员技术熟练 ，液压源压力为（50 80）105（Pa）

5、输出功率大，速度快， 动作平稳，可实现定位 伺服，易与CPU相接， 响应快速 液压源或液压要求严格（ 杂质，温度，油量，质 且有污染 伺服电动机有什么优点？伺服电动机有什么优点？ 执行装置 驱动部件的作用驱动部件的作用 功率放大 驱动部件的功能就是把控制中心送来微小信号（电压、电流、电脉冲等） 作功率放大。有些信号不仅需要放大，还应变换成相应的气压信号，才能 推动气压式执行机构。 信号量的变换 执行部件的位移、转角等物理量不能直接反馈到系统的控制器，必须先变 换成相应的电信号量，然后才能反馈到系统的输入端 系统匹配 驱动部件的前面是控制器，驱动部件的后面是执行部件，因此，驱动部件 应使它们谐调

6、、匹配，以提高系统的效率，使整个系统处于最佳状态。 执行装置 电磁式执行元件电磁式执行元件 （1）电磁铁由线圈与衔铁两部分组成，结构简单。由于是单 向驱动，故需用弹簧复位，用于实现两固点之间的快速驱动，如 各种电磁开关。 （2）压电驱动器利用电压控制压电晶体。 （3）电热驱动器利用金属棒的膨胀使执行装置作直线位移， 执行装置 步进电机的特征步进电机的特征 优 点缺 点 不需要反馈控制，电路简单 容易与微机连接 停止时有保持转距 维护方便 效率低 容易引起失步 有时发生振荡现象 执行装置 步进电机的类型步进电机的类型 转子为圆筒形永磁钢， 定子位于转子的外侧。 定子线圈中流过电流时 产生定子磁场

7、。定子和 转子磁场间相互作用产 生吸引力或推斥力使转 子旋转，步距角为90 或45。 转子由齿轮状的低 碳钢构成。转子将 转向使通电相定子 磁场的磁阻为最小 的位置。通常使用 的步距角为0.9、 1.8、3.6等。 是VR型和PM型的复 合型步进电机，能 获得与VR型相同的 很小的步距角。HB 型因具有较大转矩 而得到广泛应用 执行装置 步进电机控制电路实例步进电机控制电路实例 执行装置 直流伺服电机直流伺服电机 直流电动机具有良好的调速特性，通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统 中的位置控制等。 小惯量直流电动机小惯量直流电动机 调速范围大，运转平稳，适用于频繁启动与制动，要求有快 速响应

8、（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。 大惯量直流电动机（宽调速直流电动机）大惯量直流电动机（宽调速直流电动机） 转子惯量大 低速性能好 过载能力强、动态响应好 调速范围宽 执行装置 直流伺服电机的控制方式直流伺服电机的控制方式 线性控制方式线性控制方式 小功率电机平滑控制时常使用线性控制方式 PWMPWM控制方式控制方式 大功率电机高效控制时，则使用PWM控制 执行装置 直流伺服电机的控制方式直流伺服电机的控制方式 直线控制直线控制 线性控制方式的效率很低，是 一种不经济的控制方法。这种 方式可用于额定功率为数瓦的 小电动机的控制电路。 执行装置 直流伺服电机的控制方式直流伺服电机的控制方式

9、控制控制 PWM控制方式已 经成为现代直流 电动机控制技术 的主流。 执行装置 直流伺服电机的控制方式直流伺服电机的控制方式 直线控制实例直线控制实例 桥式伺 服控制 一旦电动机转速偏离给定 转速，电动机的反电动势 EC就会变化，从而破坏了 电桥的平衡。当电桥恢复 平衡时，转速就稳定在一 定值 主要用于纸 带记录仪等 低频仪器 比例电 流伺服 控制 负载增大时，电动机转速 下降，则电动机电流自动 增大使转速复原 执行装置 直流伺服电机的控制方式直流伺服电机的控制方式 直线控制实例直线控制实例 直流伺 服 使直流电动机与直 流测速发电机同轴 连接，对转速的变 化部分进行补偿而 使电动机转速恒定

10、大多用 于对转 速稳定 性要求 很高的 机器人 和数控 机床等 机械系 统的控 制。 FG伺服 控制 由FG产生与电动机 转速成比例的脉冲 ，F/V转换器把脉冲 信号变换成模拟电 压，其余与直流伺 服相同 执行装置 直流伺服电机的控制方式直流伺服电机的控制方式 直线控制实例直线控制实例 图中使用了直流电动机（马布其RE280）来代替直流测速发电 机。采用运算放大器构成比较电路，对设定电压与来自直流测 速发电机的反馈电压进行比较。实验时，用示波器观察直流测 速发电机的输出电压波形，同时需要调节滤波器的时间常数。 执行装置 控制原理控制原理 执行装置 控制电路控制电路 执行装置 交流伺服电动机的种

11、类交流伺服电动机的种类 执行装置 交流伺服电动机的实例交流伺服电动机的实例 无 刷 直 流 电 动 机 的 控 制 电 路 执行装置 交流伺服电动机的实例交流伺服电动机的实例 瓶 灌 装 的 伺 服 控 制 线 执行装置 液压执行装置 （1）把液压能量变换成直线运动的液压缸。 （2）把液压能量变换成连续旋转运动的液压马达。 （3）把液压能量变换成摆动运动的摆动马达等。 液压执行装置在很多工业领域中获得了广泛应用，如液压执行装置在很多工业领域中获得了广泛应用，如 应用于机床、成形机械、机器人、工程车辆、露天游应用于机床、成形机械、机器人、工程车辆、露天游 乐场、建筑机械、农业机械等。乐场、建筑机

12、械、农业机械等。 执行装置 液压执行装置应用广 泛，试着描述使用它 们有哪些优点？ 如何用液压缸获得更 大的推力？ 家用电梯用液压系统 执行装置 液压伺服系统 执行装置 液压伺服系统的驱动部件 1开关式电液驱动部件 2比例式电液驱动部件 3伺服式电液驱动部件 执行装置 液压伺服系统实例 波浪发生器 波浪发生装置是一种在室内的水池或水路中产生与自然海域相似波浪 的装置。这种装置可用于波浪对船体姿势的影响，排水状态、沙滩海 岸的地形变化等方面的实验研究。 执行装置 液压伺服系统实例 汽车起重机 汽车起重机采用液压传动，最大起重量 为80kN(幅度为3m时)，最大起重高度为 11.5m，起重装置可连

13、续回转。由于该汽 车起重机有较高的行走速度，可以和运 输车队编队行驶，机动性好，用途广泛 。 执行装置 气动执行装置 （1）把压缩空气的能量变换成直线运动的气缸。 （2）把压缩空气的能量变换成旋转运动的气动马达。 （3）把压缩空气的能量变换成摆动运动的摆动式气动执行装置等。 气动执行装置的操作方法简单，人们在其结构和回路上不断改气动执行装置的操作方法简单，人们在其结构和回路上不断改 进以适应各种负载条件，因此广泛应用于各种工业机械、车辆进以适应各种负载条件，因此广泛应用于各种工业机械、车辆 、汽车、机器人、气动工具、测量仪器等领域。、汽车、机器人、气动工具、测量仪器等领域。 执行装置 气动执行

14、装置 执行装置 气动执行装置的驱动原理 执行装置 气动执行装置实例 真空吸盘 应用于装卸、搬运作 业时，可以减轻劳动 强度并实现自动化。 执行装置 气动执行装置实例 气动手 在仓库、工厂中应用的采 用无杆气缸直接拉引窗帘 执行装置 气动执行装置实例 自动窗帘 即使工件的形状或位置存在偏 差，气动手也能灵活适应。把 工件放置在尼龙皮带和V形块 之间，由双杆气缸推动V形块 前进，并将工件推至尼龙皮带 而夹紧。 执行装置 气动执行装置实例 机械手 使用双杆气缸和气动夹具构成简单机械手的应用实例 执行装置 变频器 把市电（380V或220V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器 件（GT

15、O、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频 率的交流电，并采用输出波形调制技术，使得输出波形更完善。 执行装置 变频器的种类 交直交变频器 变频器虽然多了一 个中间直流环节， 但是输出交流电的 频率是任意的。 执行装置 变频器的种类 交交变频器 交交变频器通常用于大功率 （500kW或1 000kW以上）、低 速（600r/min以下）的场合， 如扎钢机、球磨机、水泥回转 窑等。 执行装置 变频器的输出调制 一、一、PAMPAM方式方式 PAM即脉冲幅值调节方法，它是通过改变直流侧的电压幅值进行调压 的。PAM调制方式一般应用于晶闸管逆变器的中大功率变频器中。 二、简单二、简单PWMPWM方式方式 简单的PWM方式是脉冲宽度调制法中比较简单的一种。 三、SPWM方式 正弦波脉宽调制法（SPWM）是最常用的一种调制方法。 执行装置 变频器的输出调制 PWM逆变器输出电压波形 SPWM逆变器输出电压波形 执行装置 小结 工作部分：手部、主轴与刀架、打印头等 直线运动用导轨导向 回转运动用轴承来导向 导向部分 电压式 执行元件 气压式 液压式 1执行装置： 2传动