機械電子工程原理第二章執(zhí)行與驅動

1、機械電子工程原理機械電子工程原理第二章第二章 執(zhí)行與驅動執(zhí)行與驅動2驅動器和執(zhí)行器的作用驅動器和執(zhí)行器的作用n機械系統是由各個機械基本要素組成的，其主要的機械系統是由各個機械基本要素組成的，其主要的功能是完成動作的傳遞和變換，以及機械能的利用，功能是完成動作的傳遞和變換，以及機械能的利用，實現延伸人的體能的目的。實現延伸人的體能的目的。 n驅動器的作用是將各種類型的能源轉化為機械能，驅動器的作用是將各種類型的能源轉化為機械能，執(zhí)行機構將這種機械能變換為合適的運動形式，從執(zhí)行機構將這種機械能變換為合適的運動形式，從而實現機械做功，完成運動的傳遞、物質或能量的而實現機械做功，完成運動的傳遞、物質或

2、能量的轉移。轉移。n從完成機械的工作過程考慮，傳動從完成機械的工作過程考慮，傳動-執(zhí)行是其核心。執(zhí)行是其核心。n在機械電子系統中，驅動器和執(zhí)行器所起到的作用在機械電子系統中，驅動器和執(zhí)行器所起到的作用主要是機械運動或動力轉換。主要是機械運動或動力轉換。 3機械工程歷史機械工程歷史 n在原始社會，人類通過錘擊、碰砧、砸擊等直接在原始社會，人類通過錘擊、碰砧、砸擊等直接打擊法，還使用了鉆孔和磨尖等技術，制造出比打擊法，還使用了鉆孔和磨尖等技術，制造出比較粗糙但實用的工具。較粗糙但實用的工具。4機械工程歷史機械工程歷史n在搬運重物方面，最初是用樹干或圓木，后來從在搬運重物方面，最初是用樹干或圓木，后

3、來從滾動的圓桶發(fā)展到在軸的兩端各裝上一個輪子，滾動的圓桶發(fā)展到在軸的兩端各裝上一個輪子，這是機構學上的一個巨大發(fā)明，現代所有機械發(fā)這是機構學上的一個巨大發(fā)明，現代所有機械發(fā)明幾乎都離不開輪子。明幾乎都離不開輪子。 n船只作為水上的運輸工具，也是史前時期的一項船只作為水上的運輸工具，也是史前時期的一項重要發(fā)明。船只的制造從木筏、獨木舟、動物皮重要發(fā)明。船只的制造從木筏、獨木舟、動物皮縫制的皮筏，直到制造較大的木船，使用了多種縫制的皮筏，直到制造較大的木船，使用了多種原始的工具。原始的工具。 n而動力則由最初的撐篙到用槳來推進，后來發(fā)明而動力則由最初的撐篙到用槳來推進，后來發(fā)明了帆，以風能為動力，

4、并把槳當作舵來行駛，大了帆，以風能為動力，并把槳當作舵來行駛，大大增加了航行的范圍。大增加了航行的范圍。 5機械工程歷史機械工程歷史n冶金術的出現為人類轉入金屬工具的制造和使用提供了條冶金術的出現為人類轉入金屬工具的制造和使用提供了條件。件。 n除了用金屬制作的農具代替石器之外，還出現了用于耕作除了用金屬制作的農具代替石器之外，還出現了用于耕作的鐵鏵犁的鐵鏵犁 n動力由牛和馬（畜力）取代人力，馬具（頸圈、挽具和馬動力由牛和馬（畜力）取代人力，馬具（頸圈、挽具和馬蹄鐵）的使用使馬耕很快取代了牛耕，帶輪犁的普遍應用蹄鐵）的使用使馬耕很快取代了牛耕，帶輪犁的普遍應用提高了農業(yè)生產率。提高了農業(yè)生產率

5、。 青銅犁頭青銅犁頭 鐵鏵犁鐵鏵犁 6機械工程歷史機械工程歷史n糧食的存儲和釀酒需要制造大量的陶罐，制陶輪糧食的存儲和釀酒需要制造大量的陶罐，制陶輪盤是輪子在制造方面的一個重要進步，它是今天盤是輪子在制造方面的一個重要進步，它是今天車床的雛形。車床的雛形。 7機械工程歷史機械工程歷史n在農業(yè)灌溉上經常使用風車作動力，水輪機則被在農業(yè)灌溉上經常使用風車作動力，水輪機則被用于磨和碾谷物，魏晉時期的用于磨和碾谷物，魏晉時期的“水轉連磨水轉連磨”可以可以用齒輪帶動好幾個磨同時工作，風車和水輪機可用齒輪帶動好幾個磨同時工作，風車和水輪機可以看作是最早的氣動馬達和液壓馬達，而水力和以看作是最早的氣動馬達和

6、液壓馬達，而水力和風力的應用是這一時期能源動力方面的重要成就。風力的應用是這一時期能源動力方面的重要成就。 8機械工程歷史機械工程歷史n由于軍事方面的需要，各種軍用機械也得到了發(fā)由于軍事方面的需要，各種軍用機械也得到了發(fā)展，如攻城時用的沖車和利用彈力和杠桿原理制展，如攻城時用的沖車和利用彈力和杠桿原理制造的拋石機等軍事機械。造的拋石機等軍事機械。 9機械工程歷史機械工程歷史n18世紀世紀80年代，瓦特對蒸汽機的改進，不僅使蒸年代，瓦特對蒸汽機的改進，不僅使蒸汽機的熱效率由汽機的熱效率由1提高到提高到3以上，而且采用了以上，而且采用了曲軸連桿、飛輪等傳動裝置，將氣缸中活塞的直曲軸連桿、飛輪等傳動

7、裝置，將氣缸中活塞的直線運動轉換為連續(xù)而穩(wěn)定的旋轉運動，這樣就可線運動轉換為連續(xù)而穩(wěn)定的旋轉運動，這樣就可以帶動一切其他的機器運轉，使得蒸汽機成為一以帶動一切其他的機器運轉，使得蒸汽機成為一種通用的驅動機械。種通用的驅動機械。 10機械工程歷史機械工程歷史n熱力學和電磁學的重大發(fā)現在熱力學和電磁學的重大發(fā)現在19世紀中期催生了內燃機和世紀中期催生了內燃機和電動機這兩類新型的驅動機械。電動機這兩類新型的驅動機械。 n內燃機以其小型化、高效率的特點迅速在交通運輸領域中內燃機以其小型化、高效率的特點迅速在交通運輸領域中被廣泛應用。被廣泛應用。11機械工程歷史機械工程歷史n因為電能具有便于傳輸和控制、

8、易于與其他能源形式進行因為電能具有便于傳輸和控制、易于與其他能源形式進行轉化的特性，電動機在更多的領域中取代了蒸汽機的地位，轉化的特性，電動機在更多的領域中取代了蒸汽機的地位，產生了以電氣技術為核心的新一輪技術革命。產生了以電氣技術為核心的新一輪技術革命。n電動機的應用，使得傳動裝置大為簡化，驅動器、傳動裝電動機的應用，使得傳動裝置大為簡化，驅動器、傳動裝置、執(zhí)行機構三者開始出現成為一個集中整體的趨勢。同置、執(zhí)行機構三者開始出現成為一個集中整體的趨勢。同時，電動機的應用也對控制提出了更高的要求，促成了機時，電動機的應用也對控制提出了更高的要求，促成了機械系統中專用控制器的出現。械系統中專用控制

9、器的出現。12機械工程歷史機械工程歷史n今天，信息技術的飛速發(fā)展為傳統的機械系統注今天，信息技術的飛速發(fā)展為傳統的機械系統注入了新的活力。入了新的活力。n現代的驅動技術可以分為電磁驅動和非電磁驅動現代的驅動技術可以分為電磁驅動和非電磁驅動兩大技術類別，但不論是在哪個類別中，驅動器兩大技術類別，但不論是在哪個類別中，驅動器與執(zhí)行機構都在向著一體化、微型化、信息化的與執(zhí)行機構都在向著一體化、微型化、信息化的方向發(fā)展。方向發(fā)展。n先進驅動器和執(zhí)行機構的應用將為機械工程的發(fā)先進驅動器和執(zhí)行機構的應用將為機械工程的發(fā)展拓展出一片全新的領域，進而促進人類社會生展拓展出一片全新的領域，進而促進人類社會生產的

10、不斷發(fā)展與進步。產的不斷發(fā)展與進步。 13執(zhí)行機構執(zhí)行機構n簡單地講，一個機械電子系統的目的是產生某種簡單地講，一個機械電子系統的目的是產生某種機械運動或物理作用，如直線運動或壓力變化等，機械運動或物理作用，如直線運動或壓力變化等，這主要是由系統中的執(zhí)行機構來完成的，這種物這主要是由系統中的執(zhí)行機構來完成的，這種物理量的變化可以用一些性能指標來定量分析理量的變化可以用一些性能指標來定量分析 。n兩個例子兩個例子1.繪圖儀繪圖儀如果兩個垂直的帶輪機構同時運行，就可以組成一個如果兩個垂直的帶輪機構同時運行，就可以組成一個兩維的繪圖儀系統，每個方向的運動都由一個帶輪機兩維的繪圖儀系統，每個方向的運動

11、都由一個帶輪機構（嚙合齒）實現，繪圖儀的輸出性能可以更直觀地構（嚙合齒）實現，繪圖儀的輸出性能可以更直觀地通過觀察所畫曲線的質量來度量。通過觀察所畫曲線的質量來度量。 同步齒型帶輪機構同步齒型帶輪機構繪圖儀工作示意圖繪圖儀工作示意圖14執(zhí)行機構執(zhí)行機構n兩個例子兩個例子2.閥門作動器閥門作動器在煉油生產的催化裂化過程中，要根據工藝要求而改在煉油生產的催化裂化過程中，要根據工藝要求而改變某個閥門的開度，該閥的開度也是通過直線位移來變某個閥門的開度，該閥的開度也是通過直線位移來實現的。由于生產過程中的高溫、高壓氣體，作用在實現的。由于生產過程中的高溫、高壓氣體，作用在閥上的力很大，使該閥門動作需要

12、閥上的力很大，使該閥門動作需要100kN的力。的力。 n兩系統相比，驅動器的負載能力是系統的主要性兩系統相比，驅動器的負載能力是系統的主要性能指標。能指標。電液伺服直線位移系統電液伺服直線位移系統15驅動器驅動器n“原動機原動機”一詞指將燃料中的化學能、水力或風力一詞指將燃料中的化學能、水力或風力中的自然能轉化成機械運動而產生機械能，進而中的自然能轉化成機械運動而產生機械能，進而產生電能的裝置或系統。比如蒸汽輪機、燃氣輪產生電能的裝置或系統。比如蒸汽輪機、燃氣輪機、柴油機、水輪機和風車等。與執(zhí)行機構不同，機、柴油機、水輪機和風車等。與執(zhí)行機構不同，原動機的主要指標是能量轉換的效率，而不再是原動

13、機的主要指標是能量轉換的效率，而不再是精度、分辨率等指標。精度、分辨率等指標。 n驅動器輸出的運動形式一般有旋轉和直線兩種。驅動器輸出的運動形式一般有旋轉和直線兩種。n在大多數情況下，一個確定的機構只能實現某個在大多數情況下，一個確定的機構只能實現某個特定的運動，如果要改變運動軌跡，就需要重新特定的運動，如果要改變運動軌跡，就需要重新設計另一種機構來實現。設計另一種機構來實現。 16性能指標性能指標n對于控制用的驅動器和執(zhí)行器，除能量轉換效率外，更注對于控制用的驅動器和執(zhí)行器，除能量轉換效率外，更注重速度、位置精度等性能指標。重速度、位置精度等性能指標。 17執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇n選擇驅動

14、器和執(zhí)行器時，首先應根據該機構能產選擇驅動器和執(zhí)行器時，首先應根據該機構能產生的運動和系統所需的運動之間的關系來考慮。生的運動和系統所需的運動之間的關系來考慮。 n執(zhí)行器的輸出由控制器的算法和計算過程決定，執(zhí)行器的輸出由控制器的算法和計算過程決定，也與傳感器測得的結果有關。也與傳感器測得的結果有關。 n選用執(zhí)行器首先要考慮被控參數的量值范圍，其選用執(zhí)行器首先要考慮被控參數的量值范圍，其次考慮體積、重量、成本、精度、分辨率、響應次考慮體積、重量、成本、精度、分辨率、響應速度等。速度等。 18可供選擇的各種驅動器和執(zhí)行器可供選擇的各種驅動器和執(zhí)行器 19選擇運動轉換裝置和負載能力的大致原則選擇運動

15、轉換裝置和負載能力的大致原則n直線運動能量轉換裝置：根據力和距離。直線運動能量轉換裝置：根據力和距離。n旋轉運動能量轉換裝置：根據轉矩和速度。旋轉運動能量轉換裝置：根據轉矩和速度。n運動轉換機構：根據輸入輸出速度、力運動轉換機構：根據輸入輸出速度、力/轉矩的轉矩的大小以及方向的變化。大小以及方向的變化。n 在使用環(huán)境、安裝空間、設備自重等條件沒有特在使用環(huán)境、安裝空間、設備自重等條件沒有特殊要求的情況下，由于電能使用方便，因此大多殊要求的情況下，由于電能使用方便，因此大多選擇電氣類的驅動器，再配合一些簡單的運動轉選擇電氣類的驅動器，再配合一些簡單的運動轉換機構來實現各種運動。換機構來實現各種運動。 20直線運動能量轉換裝置的選擇直線運動能量轉換裝置的選擇21旋轉運動能量轉換裝置的選擇旋轉運動能量轉換裝置的選擇22運動轉換裝置的選擇運動轉換裝置的選擇23思考題思考題n 機械電子系統中的執(zhí)行機構和驅動器的作用是機械電子系統中的執(zhí)行機構和驅動器的