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什么是执行装置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。执行装置执行装置的形状与结构执行装置的

2、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

3、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

4、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（5080）105（Pa）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

5、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、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

6、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。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

7、。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（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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、大起重高度为11.5m，起重装置可连续回转。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

13、行装置气动执行装置 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（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器

14、，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传动机构34电动