机电一体化系统设计第3章执行元件的选择与设计ppt课件.ppt

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1、机电一体化系统设计本章教学目标及要求执行元件的作用、分类、特点及机电一体化系统对其要求；步进电机的特点与种类、工作原理；步进电机的性能指标及运行特性、驱动与控制；直流伺服电动机的原理及其驱动；交流伺服电动机的原理及其驱动。第三章执行元件的选择与设计2第三章执行元件的选择与设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求第二节常用的控制用电动机第三节直流(DC)与交流(AC)伺服电动机及驱动第四节步进电动机及驱动附录：伺服系统的设计第一节执行元件的种类、特点及基本要求执行元件是机电一体化系统(或产品)必不可少的驱动部件，如数控

2、机床的主轴转动、工作台的进给运动以及工业机器人手臂的升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件即执行元件。执行元件处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件。它能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机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。由于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时，可作为标准件选用、外购。一、执行元件的作用1.作用：执行元件主要用来根据控制信息和指令，将来自电、

3、液压、气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系统中所处的位置参见下图。二、执行元件的种类及特点根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。(1)电气(磁)式：是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动的。电动执行装置由于能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用。(2)液压式：是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的压力和流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动，包括液压油缸、液压马达等。具有体积小、输出功率大等特点

4、。(3)气压式：与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体，包括气缸和气动马达。特点是重量轻、价格便宜。(4)其它执行元件：与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件。执行元件的种类三、对执行元件的基本要求（1）惯量小，动力大。表征执行元件惯量的性能指标：m(直线运动）、转动惯量J（回转运动）表征输出动力的性能指标：推力F、转矩T、功率P对直线运动：a=F/m；对回转运动：P=ωT，ε=T/J。即加速度a与角加速度ε表征了执行元件的加速性能。比功率：表征动力大小的综合指标，包含功率、加速性能与转速三种因素，

5、即比功率＝Pε/ω=T2/J（2）体积小，重量轻:用功率密度或比功率密度来评价功率密度＝P/G；比功率密度＝(T2/J)/G，其中G为执行元件重量。（3）安装方便、便于维修维护。最好不要维修，无刷DC及AC伺服电机→走向无维修（4）易于实现自动化控制：主流是电气式。其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制较难，故通常仅被用于交通运输机械。第二节机电系统常用的控制电动机控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。

6、控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到广泛应用。控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复起动、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。机电一体化系统中常用的控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。●伺服系统定义——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统.●伺服系统的作用:接受机电装置

7、发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件(伺服电机)将其转换成角位移或直线位移，驱动运动部件实现加工所需要的运动.●伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。一、伺服系统概念二、伺服系统的基本组成由以下4部分组成：☻控制器；☻功率驱动装置；☻检测反馈装置；☻伺服电机(M).例：数控机床伺服系统伺服系统结构图1、开环伺服系统(1)组成：☻步进电机；☻驱动控制电

8、路(控制器).1、开环伺服系统(2)开环伺服系统特点①没有位置和速度反馈回路;②设备投资低，调试维修方便;③精度差；④高速扭矩小.(3)开环伺服系统应用场合①中、低档数控机床;②普通机床数控改造.2、闭环与半闭环伺服系统(1)闭环伺服系统组成示意图☞组成：☻控制器；☻功率驱动电路；☻检测反馈装置；☻伺服电机.(2)闭环伺服系统的特