机电一体化系统执行元件选择与设计.ppt

第三章 机电一体化系统执行元件的选择与设计 第三章 执行元件的选择与设计 3.1 执行元件的种类及其特点 一、执行元件的种类及其特点 二、机电一体化系统(或产品)对执行元件的基本要求 3.2 机电一体化系统(或产品)常用的控制用电机 一、对控制用电机的基本要求 二、控制用电机的种类、特点及选用 三、直流(DC)伺服电机与驱动 四、交流(AC)伺服电机与驱动 五、步进电机的种类及其工作原理 六、步进电机的运行特性及性能指标 七、步进电机的驱动与控制 第三章 执行元件的选择与设计 机电一体化系统(或产品)离不开执行元件为其提供动力。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 . 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，例如电动机、液动机、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。 3.1 执行元件的种类及其特点 一、执行元件的种类及其特点 1、种类 一、执行元件的种类及其特点 2、特点 （1）电气执行元件 控制用电机的性能除了要求稳速运转性能以外，还要求加速、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。 驱动系统具有位置(或速度)反馈环节的叫闭环系统，没有位置与速度反馈环节的叫开环系统 微量位移用器件（微驱动研究简介） 电磁铁 压电驱动器 电热驱动器 一、执行元件的种类及其特点 2、特点 （2）液压式执行元件 主要包括执行往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。（电磁阀控制） 一般的电—液伺服系统，采用电—液伺服阀控制油缸的往复运动。 数字式液压执行元件，例如电—液伺服马达和电—液步进马达，最大优点是比纯电磁式马达力矩大，可以直接驱动执行机构，力矩／惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。 一、执行元件的种类及其特点 2、特点 （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。 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。 二、机电一体化系统(或产品)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 比功率=Pε/ω=T2/J（kWs-1） 2．体积小、重量轻 用功率密度或比功率密度来评价这项指标 (1)功率密度＝P/G(kWN-1)， (2)比功率密度＝ (T2/J)/G（kWs-1N-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。内燃机运动的微机控制较难，故通常仅用于交通运输机械。 第二节 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。 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。 伺服电机控制三种基本形式 一、对控制用电机的基本要求 (1) 性能密度大、即功率密度和比功率大； 功率密度＝P/G(WN-1)， 比功率密度＝TN2/Jm（Ws-1) (2) 快速性好，即加速转矩大，频响特性好； (3) 位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行现象、分辩率高、振动噪声小； (4) 适应启、停频繁的工作要求； (5) 可靠性高、寿命长。 二、控制用电机的种类、特点及选用 对于启停频率低(如几十次／分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小、高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标； 对于启停频率高(如数百次／分)，但不特别要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。 在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电机的比功率最高，依次为步进电机