哈工大机电一体化课件资料

机电一体化技术基础,1,机电工程工学院 机电控制及自动化系 王伟杰 greatwanghit.edu.cn; 13936132466 2014.03-04,机电一体化概念回顾,什么是机电一体化技术？ 机电一体化技术是在以机械、微电子技术为主的多种技术相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴(综合)技术。,Mechatronics,典型的机电一体化产品 生产工具-机床-数控机床 消费电器-照相机-数码相机； 交通工具-汽车-现代汽车；电控发动机，自动驾驶系统 机器人,3,机电一体化技术通过系统级方式，对融合了机械、电子、控制系统及软件的机电系统进行设计，产生了机电一体化系统和产品。,机电一体化系统的五大要素和对应功能,4,5,第三章 机电一体化系统的执行元件及选择,本章的主要内容,6,1 执行元件及执行机构的定义 2 执行元件的种类、特点 3 常用电气执行元件的特点及选用 4 新型执行元件简介,第三章机电一体化系统的执行元件及选择,3.1 执行元件与执行机构的定义,7,机电一体化系统(或产品)离不开“执行元件”为其提供驱动力。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 。 执行元件：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的元件，例如电动机、液压缸、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。,8,执行机构执行装置：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。 执行元件是执行机构中的一部分，为了完成相应的功能，执行机构可能还需要其他元件或机构。 例如：电动执行机构 由电机、蜗轮蜗杆等组成。,某电动执行机构的构造,9,3.2 执行元件的种类及其特点,逆压电效应,10,11,1. 电气(磁)式执行元件,电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动机、DC和AC伺服电动机)、超声波电动机以及电磁铁等。其中，利用电磁力的电动机和电磁铁，因其实用、易得而成为常用的执行元件。 对控制用电动机的性能除了要求稳速运转性能之外，还要求具有良好的加速、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。,12,2. 液压式执行元件,液压式执行元件主要包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。 目前，世界上已开发了各种数字式液压式执行元件，例如数字液压缸、电-液伺服马达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。,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。具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。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。,13,液压缸与液压马达,14,数字液压缸 它是指将步进或伺服电机、液压滑阀、闭环位置反馈设计组合在液压缸内部，接通液压油源，所有的功能直接通过数字缸控制器或计算机或可编程逻辑控制器（PLC）发出的数字脉冲信号来完成长度矢量控制的液压系统。 被称之为数字液压缸，其最大区别于伺服液压系统之处在于，数字液压缸的运动特性完全被数字化，即：电脉冲的频率与油缸的运动速度对应，电脉冲的数量与油缸的行程对应，而这种对应关系是通过数字油缸内部的设计、制造过程确定好的，无需任何外部的诸如：传感器、调节器、调节参数等来保障。,15,气缸,16,气动系统配置,17,4. 执行元件的特点以及优缺点,18,1、气压伺服 2、步进电机和两相交流感应电机 3、微小驱动力矩电机和螺线管传动 4、移动线圈直线电机 5、AC电机(无刷DC电机) 6、DC 电机 7、液压伺服,伺服系统适用范围,19,3.3 机电一体化系统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(功率密度) 2体积小、重量轻 用功率密度来评价这项指标 功率密度P/G(kWkg-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(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节) 。,20,3.4 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。 控制用电机(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。,21,控制方式的基本形式,22,1. 控制电动机的特点及应用实例,DC、AC伺服电动机优缺点比较,DC伺服电动机 优点： 停电时可制动 控制器简单 小容量的成本低 功率速度高 无铁心形的不存在齿槽效应转矩 缺点： 需对整流子维护 不能在高速大力矩下工作 产生磨耗有粉尘,同步（SM）伺服电动机,优点： 停电时可制动 可高速大力矩工作 耐环境性好，无需维修 小形轻量 功率速度高 缺点： 无自启动功能； 电动机与控制器需一一对应 控制器较复杂,感应（IM）AC伺服电动机,优点： 耐环境性好，无需维修； 可高速大转矩工作； 大容量下效率良好； 结构坚固； 缺点： 在小容量下工作效率低 温度特性差； 停电时不能制动； 控制器较复杂,26,3.5 新型执行元件简介,3.5.1 直线电机 1.特点 是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置； 结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式； 可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作； 不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精细的要求，如步进直线电动机。,27,2.应用 应用领域： 军事领域。利用直线电机制成各种电磁炮，舰载飞机弹射等； 交通运输业。利用直线电机制成时速达500km以上的磁悬浮列车； 工业领域。用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的机械设备中； 精密仪器设备。例如计算机的磁头驱动装置、照相机的快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各种自动化仪器设备等； 民用装置。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗帘的开、闭等。,28,3 本结构与工作原理,(1)扁平型直线电机的基本结构,旋转电动机和扁平型直线电动机示意图,29,扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的周围展成直线。,由感应式旋转电机演变为扁平型直线电机的过程 a)沿径向剖开 b)把圆周展成直线,30,2.工作原理 与旋转电机相似。 在直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。,直线电机基本工作原理,31,三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似。差异是：这个磁场平移，而不是旋转，因此称为行波磁场。 行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度一样。称为同步速度v(m/s)，且 v=2ft，t为极距(m)， f为电流的频率(Hz)。,旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。直线电机也可以通过同样的方法实现反向运动。根据这一原理，可使直线电机做往复直线运动。,32,3.5.2 形状记忆合金 1.发现过程 1932年瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时首次发现形状记忆效应。 1962年美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从 此形状记忆合金引起了极大的关注。,33,人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”， 就能演出一幕幕“相”变戏，即改变外界条件如温度,使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。,形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来使其具有形状记忆功能的。,2.形状记忆合金记忆原理,34,集传感、驱动、控制、换能于一身 机械性质优良，能恢复的形变可高达10以上，而一般金属材料只有0.1以下 有确定的转变温度 镍钛 50 在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa 对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响 无振动噪声，无污染 抗疲劳 回忆变形500万次不疲劳变形,3. 形状记忆合金特性,35,3. 形状记忆合金的应用,（1）形状记忆合金在航空航天中的应用,36,形状记忆元件具有感温和驱动双重功能，因此可用于制作智能机械手。手指和手腕靠Ti-Ni合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状Ti-Ni合金丝的伸缩实现弯曲动作。各个形状记忆合金元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。 这种机械手的最大特点是小型化，非常适于航天的无人操作活动。其另一个重要特征是动作柔软，非常接近人手的动作,可完成许多细腻的工作，如取出鸡蛋等。,2. 智能机械手,37,谢谢！,