第6講 執(zhí)行元件的選擇與設計

1、1 3.1 執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求執(zhí)行元件的種類、特點及基本要求執(zhí)行元件是執(zhí)行元件是驅(qū)動部件驅(qū)動部件, ,如數(shù)控機床的主軸轉動、工作如數(shù)控機床的主軸轉動、工作臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂的升降、回轉和伸臺的進給運動以及工業(yè)機器人手臂的升降、回轉和伸縮運動等所用驅(qū)動部件即執(zhí)行元件?？s運動等所用驅(qū)動部件即執(zhí)行元件。2執(zhí)行元件是執(zhí)行元件是處于機電系統(tǒng)的機械運行機構與微電子處于機電系統(tǒng)的機械運行機構與微電子控制裝置的接點（連接）部位的控制裝置的接點（連接）部位的能量轉換元件能量轉換元件。它。它能在微電子裝置的控制下能在微電子裝置的控制下, ,將輸入的將輸入的各種形式的能量各種形式的能量轉換為

2、轉換為機械能機械能, ,例如電動機、電磁鐵、繼電器、液動例如電動機、電磁鐵、繼電器、液動機、油（氣缸）、內(nèi)燃機等分別把輸入的電能、液機、油（氣缸）、內(nèi)燃機等分別把輸入的電能、液壓能、氣壓能和化學能轉換為機械能。壓能、氣壓能和化學能轉換為機械能。由于大多數(shù)由于大多數(shù)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)執(zhí)行元件已作為系列化商品生產(chǎn)，故在設計機電，故在設計機電一體化系統(tǒng)時，可作為標準件一體化系統(tǒng)時，可作為標準件選用、外購選用、外購。 3一、執(zhí)行元件的種類及特點一、執(zhí)行元件的種類及特點 根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁根據(jù)使用能量的不同，可以將執(zhí)行元件分為電磁式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如下圖所示

3、式、液壓式和氣壓式等幾種類型，如下圖所示: :電磁式電磁式是將電能變成電磁力，是將電能變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動運行機構并用該電磁力驅(qū)動運行機構運動。運動。液壓式液壓式是先將電能變是先將電能變換為液壓能并用電磁閥改變換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓壓力油的流向，從而使液壓執(zhí)行元件驅(qū)動運行機構運動。執(zhí)行元件驅(qū)動運行機構運動。氣壓式氣壓式與液壓式的原理相同，與液壓式的原理相同，只是將介質(zhì)由油改為氣體而只是將介質(zhì)由油改為氣體而已。其他執(zhí)行元件與使用材已。其他執(zhí)行元件與使用材料有關，如使用料有關，如使用雙金屬片雙金屬片、形狀記憶合金或壓電元件形狀記憶合金或壓電元件 。51.1.電氣式

4、執(zhí)行元件電氣式執(zhí)行元件 電氣式執(zhí)行元件包括電氣式執(zhí)行元件包括控制用電動機控制用電動機( (步進電步進電機、機、DCDC和和ACAC伺服電機伺服電機) )、靜電電動機靜電電動機、磁致伸磁致伸縮器件縮器件、壓電元件壓電元件、超聲波電動機超聲波電動機以及以及電磁鐵電磁鐵等。其中等。其中, ,利用電磁力的利用電磁力的電動機和電磁鐵電動機和電磁鐵，因，因其實用、易得而成為常用的執(zhí)行元件。對控制其實用、易得而成為常用的執(zhí)行元件。對控制用電動機的性能除了要求穩(wěn)速運轉性能之外，用電動機的性能除了要求穩(wěn)速運轉性能之外，還要求具有良好的加速、減速性能和伺服性能還要求具有良好的加速、減速性能和伺服性能等動態(tài)性能以及

5、頻繁使用時的適應性和便于維等動態(tài)性能以及頻繁使用時的適應性和便于維修的能力。修的能力。6 控制電機的驅(qū)動系統(tǒng)一般由電源供給控制電機的驅(qū)動系統(tǒng)一般由電源供給電力，經(jīng)電力變換器變換后輸送給電動電力，經(jīng)電力變換器變換后輸送給電動機，有回轉和直線驅(qū)動電動機。驅(qū)動負機，有回轉和直線驅(qū)動電動機。驅(qū)動負載機械載機械( (運行機構運行機構) )運動，并在指令器給運動，并在指令器給定的指令位置定位停止。定的指令位置定位停止。 這種驅(qū)動系統(tǒng)具有位置這種驅(qū)動系統(tǒng)具有位置( (或速度或速度) )反反饋環(huán)節(jié)的稱為饋環(huán)節(jié)的稱為閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)，沒有位置與速，沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)的稱為度反饋環(huán)節(jié)的稱為開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)。

6、微量位移器件：微量位移器件：壓電驅(qū)動器壓電驅(qū)動器- -利用壓電晶體的壓電效應來驅(qū)動運行利用壓電晶體的壓電效應來驅(qū)動運行機構作微量位移；機構作微量位移；電磁鐵電磁鐵- -由線圈和銜鐵兩部分組成，結構簡單，由由線圈和銜鐵兩部分組成，結構簡單，由于是單向驅(qū)動，故需用彈簧復位，用于實現(xiàn)兩固定點于是單向驅(qū)動，故需用彈簧復位，用于實現(xiàn)兩固定點間的快速驅(qū)動；間的快速驅(qū)動；電熱驅(qū)動器電熱驅(qū)動器- -利用物體利用物體( (如金屬棒如金屬棒) )的熱變形來驅(qū)動運的熱變形來驅(qū)動運行機構的直線位移，用控制電熱器行機構的直線位移，用控制電熱器( (電阻電阻) )的加熱電流的加熱電流來改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，

7、位移量當來改變位移量，由于物體的線膨脹量有限，位移量當然很小，可用在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進給。然很小，可用在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)微量進給。82.2.液壓式執(zhí)行元件液壓式執(zhí)行元件 液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運動的油缸、回轉油缸、液壓馬達等，動的油缸、回轉油缸、液壓馬達等，其中油缸占絕大多數(shù)。目前，世界上其中油缸占絕大多數(shù)。目前，世界上已開發(fā)了各種數(shù)字式液壓式執(zhí)行元件，已開發(fā)了各種數(shù)字式液壓式執(zhí)行元件，例如電例如電- -液伺服馬達和電液伺服馬達和電- -液步進馬達，液步進馬達，這些電這些電- -液式馬達的最大優(yōu)點是比電動液式馬達的最大優(yōu)點是比電動機的轉矩大，可以直接

8、驅(qū)動運行機構，機的轉矩大，可以直接驅(qū)動運行機構，轉矩轉矩/ /慣量比大，過載能力強，適合于慣量比大，過載能力強，適合于重 載 的 高 加 減 速 驅(qū) 動 。重 載 的 高 加 減 速 驅(qū) 動 。3.3.氣壓式執(zhí)行元件氣壓式執(zhí)行元件 氣壓式執(zhí)行元件除了用壓氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓式執(zhí)行元件無區(qū)別。具有代表式執(zhí)行元件無區(qū)別。具有代表性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、氣性的氣壓執(zhí)行元件有氣缸、氣壓馬達等。氣壓驅(qū)動雖可得到壓馬達等。氣壓驅(qū)動雖可得到較大的驅(qū)動力、行程和速度，較大的驅(qū)動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能

9、在定位精度較高縮性，故不能在定位精度較高的場合使用。的場合使用。10執(zhí)行元件的特點及優(yōu)缺點執(zhí)行元件的特點及優(yōu)缺點11 二、對執(zhí)行元件的基本要求二、對執(zhí)行元件的基本要求1.1.慣量小、動力大慣量小、動力大122.2.體積小、重量輕體積小、重量輕3.3.便于維修、安裝便于維修、安裝執(zhí)行元件最好不需要維修。無刷執(zhí)行元件最好不需要維修。無刷DCDC及及ACAC伺服電機就是走伺服電機就是走向無維修的一例。向無維修的一例。4.4.宜于微機控制宜于微機控制根據(jù)這個要求，用微機控根據(jù)這個要求，用微機控制最方便的是電氣式執(zhí)行制最方便的是電氣式執(zhí)行元件。因此，機電一體化元件。因此，機電一體化系統(tǒng)所用執(zhí)行元件的系統(tǒng)

10、所用執(zhí)行元件的主流主流是電氣式是電氣式，其次是液壓式，其次是液壓式和氣壓式和氣壓式( (在驅(qū)動接口中需在驅(qū)動接口中需要增加電要增加電- -液或電液或電- -氣變換氣變換環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)) )。內(nèi)燃機定位運動的。內(nèi)燃機定位運動的微機控制較難，故通常僅微機控制較難，故通常僅被用于交通運輸機械。被用于交通運輸機械。143.2 3.2 常用的控制用電動機常用的控制用電動機 控制用電動機有控制用電動機有力矩電動機力矩電動機、脈沖脈沖（步進）電動機、（步進）電動機、變頻調(diào)速變頻調(diào)速電動機、電動機、開開關磁阻關磁阻電動機和各種電動機和各種AC/DCAC/DC電動機電動機等?？氐取？刂朴秒妱訖C是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力

11、制用電動機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉換為機械能的一種能部件，是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。量轉換裝置。由于其可在很寬的速度和由于其可在很寬的速度和負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制負載范圍內(nèi)進行連續(xù)、精確的控制，因，因而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛而在各種機電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。的應用?？刂朴秒妱訖C有回轉和直線驅(qū)動電動控制用電動機有回轉和直線驅(qū)動電動機，通過機，通過電壓、電流、頻率電壓、電流、頻率( (包括指包括指令脈沖令脈沖) )等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅(qū)動或反復啟動、停止的增量驅(qū)動以及動或反復啟動、停止的增量驅(qū)動以及復雜的驅(qū)動，而驅(qū)動

12、精度隨驅(qū)動對象復雜的驅(qū)動，而驅(qū)動精度隨驅(qū)動對象的不同而不同。機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)的不同而不同。機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品中常用的控制用電動機是指能提供品中常用的控制用電動機是指能提供正確運動或較復雜動作的正確運動或較復雜動作的伺服電機伺服電機。伺服電機控制方式的基本形式伺服電機控制方式的基本形式 伺服電機的特點及應用實例伺服電機的特點及應用實例 伺服電機優(yōu)缺點比較伺服電機優(yōu)缺點比較 191.1.控制用電動機的種類、特點及選用控制用電動機的種類、特點及選用 在機電一體化系統(tǒng)在機電一體化系統(tǒng)( (或產(chǎn)或產(chǎn)品品) )中使用兩類電動機中使用兩類電動機, ,一類一類：動力用電動機動力用電動機, ,如如感應式異步

13、電動機和同感應式異步電動機和同步電動機等步電動機等; ;另一類另一類：控控制用電動機制用電動機, ,如力矩電動如力矩電動機、脈沖電動機、開關機、脈沖電動機、開關磁阻電動機、變頻調(diào)速磁阻電動機、變頻調(diào)速電動機和各種電動機和各種AC/DCAC/DC電動電動機等，下圖為常用電動機等，下圖為常用電動機 的 適 用 范 圍 。機 的 適 用 范 圍 。202.2.控制用電動機應具有的基本功能要求控制用電動機應具有的基本功能要求21 不同的應用場合，對控制用電動機的不同的應用場合，對控制用電動機的性能密度性能密度的的要求也有所不同。對于啟停頻率低要求也有所不同。對于啟停頻率低( (如幾十次分如幾十次分)

14、)，但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲小，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運動的機械，如聲小，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運動的機械，如NCNC工作機械的進給運動、機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其功率密工作機械的進給運動、機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標；度是主要的性能指標； 對于啟停頻率高對于啟停頻率高( (如數(shù)百次分如數(shù)百次分) )，但不特別要求，但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機、繪圖機、打孔機、低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機、繪圖機、打孔機、集成電路焊接裝置等主要的性能指標是集成電路焊接裝置等主要的性能指標是高比功率高比功率。 在

15、額定輸出功率相同的條件下在額定輸出功率相同的條件下, ,交流伺服電機的交流伺服電機的比功率最高、直流伺服電機次之、步進電機最低。比功率最高、直流伺服電機次之、步進電機最低。 22無級變速電動機實例無級變速電動機實例23 伺服電機及其驅(qū)動電源電路板伺服電機及其驅(qū)動電源電路板24 齒輪減速電動機例齒輪減速電動機例伺服電機及其驅(qū)動器系列例伺服電機及其驅(qū)動器系列例263.3 3.3 直流（直流（DCDC）與交流（）與交流（ACAC）伺服電機及驅(qū)動）伺服電機及驅(qū)動 直流伺服電機通過電刷和換向器產(chǎn)生的直流伺服電機通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場磁動勢和電樞電流磁動勢整流作用，使磁場磁動勢和電樞電流磁

16、動勢正交，從而產(chǎn)生轉矩。其電樞大多為永久磁正交，從而產(chǎn)生轉矩。其電樞大多為永久磁鐵。鐵。 直流伺服電機具有較高的響應速度、精直流伺服電機具有較高的響應速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。但由于度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。但由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。維修。一、一、直流直流(DC)(DC)伺服電機及其驅(qū)動伺服電機及其驅(qū)動 1.1.直流伺服電機的特性及選用直流伺服電機的特性及選用 20 20世紀世紀6060年代研制出了年代研制出了小慣量直流伺服電機小慣量直流伺服電機，其電樞無槽，繞組直接粘接固定在電樞鐵心上，因其電樞無槽，繞組直接粘

17、接固定在電樞鐵心上，因而轉動慣量小、反應靈敏、動態(tài)特性好，適用于高而轉動慣量小、反應靈敏、動態(tài)特性好，適用于高速且負載慣量較小的場合，否則需根據(jù)其具體的慣速且負載慣量較小的場合，否則需根據(jù)其具體的慣量比設置精密齒輪副才能與負載慣量匹配，增加了量比設置精密齒輪副才能與負載慣量匹配，增加了成本。成本。 直流印刷電樞電動機是一種盤形伺服電機，電直流印刷電樞電動機是一種盤形伺服電機，電樞由導電板的切口成形，導體的線圈端部起換向器樞由導電板的切口成形，導體的線圈端部起換向器作用，這種空心式高性能伺服電機大多用于工業(yè)機作用，這種空心式高性能伺服電機大多用于工業(yè)機器人、小型器人、小型NCNC機床及線切割機床

18、上。機床及線切割機床上。28 寬調(diào)速直流伺寬調(diào)速直流伺服電機的結構特點是服電機的結構特點是勵 磁 便 于 調(diào) 整勵 磁 便 于 調(diào) 整 , , 易易于安排補償繞組和換于安排補償繞組和換向極，電動機的換向向極，電動機的換向性能得到改善，成本性能得到改善，成本低低, ,可以在較寬的速可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉速度范圍內(nèi)得到恒轉速特性。永久磁鐵的寬特性。永久磁鐵的寬調(diào)速直流伺服電機的調(diào)速直流伺服電機的結構如下圖所示。有結構如下圖所示。有不帶制動器不帶制動器a a和帶制和帶制動 器動 器 b b 兩 種 結 構 。兩 種 結 構 。 電動機定子電動機定子( (磁鋼磁鋼)1)1采用矯頑力高、采用矯頑

19、力高、不易去磁的永磁材料不易去磁的永磁材料( (如鐵氧體永如鐵氧體永久磁鐵久磁鐵) )、轉子、轉子( (電樞電樞)2)2直徑大并且直徑大并且有槽，因而熱容量大，結構上又采有槽，因而熱容量大，結構上又采用了通常用了通常凸極式和隱極式凸極式和隱極式永磁電動永磁電動機磁路的組合，提高了電動機氣隙機磁路的組合，提高了電動機氣隙磁通密度。同時，在電動機尾部裝磁通密度。同時，在電動機尾部裝有高精密低紋波的測速發(fā)電機，并有高精密低紋波的測速發(fā)電機，并可加裝光電編碼器或旋轉變壓器及可加裝光電編碼器或旋轉變壓器及制動器，為速度環(huán)提供了較高的增制動器，為速度環(huán)提供了較高的增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動態(tài)量，能獲得

20、優(yōu)良的低速剛度和動態(tài)性能。性能。29寬調(diào)速直流伺服電機寬調(diào)速直流伺服電機30 日本日本發(fā)那科發(fā)那科(FANUC)(FANUC)公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機器人、公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機器人、CNCCNC機床、加工中心機床、加工中心(MC)(MC)的的L L系列系列( (低慣量系列低慣量系列) )、M M系列系列( (中慣量系列中慣量系列) )和和H H系列系列( (大慣量系列直流伺服電機）。其中大慣量系列直流伺服電機）。其中L L系列適合于頻繁啟動、制動場合應用，系列適合于頻繁啟動、制動場合應用，M M系列是在系列是在H H系列系列的基礎上發(fā)展起來的，其慣量較的基礎上發(fā)展起來的，其慣量較H H系列小，適合

21、于系列小，適合于晶體管晶體管脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)(PWM)驅(qū)動，因而提高了整個伺服系統(tǒng)的頻率響驅(qū)動，因而提高了整個伺服系統(tǒng)的頻率響應。而應。而H H系列是大慣量控制用電動機，它有較大的輸出功系列是大慣量控制用電動機，它有較大的輸出功率，采用率，采用六相全波晶閘管整流驅(qū)動六相全波晶閘管整流驅(qū)動。表中電動機型號帶有。表中電動機型號帶有H H標志標志( (如如30MH)30MH)的表示該電動機裝有的表示該電動機裝有熱管冷卻器熱管冷卻器，該電動，該電動機的有效尺寸與不帶熱管冷卻器的同型號的相同，但其額機的有效尺寸與不帶熱管冷卻器的同型號的相同，但其額定轉矩大。定轉矩大。發(fā)那科公司直流伺服電機發(fā)那

22、科公司直流伺服電機32 寬調(diào)速直流伺服電機應根據(jù)寬調(diào)速直流伺服電機應根據(jù)負載條件來選擇。加在電動機軸負載條件來選擇。加在電動機軸上的有兩種負載，即上的有兩種負載，即負載轉矩負載轉矩和和負載慣量負載慣量。當選用電動機時，必。當選用電動機時，必須正確地計算負載，即必須確認須正確地計算負載，即必須確認電動機能滿足下列條件：電動機能滿足下列條件：在整在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負載轉矩應在個調(diào)速范圍內(nèi)，其負載轉矩應在電動機連續(xù)額定轉矩范圍以內(nèi)；電動機連續(xù)額定轉矩范圍以內(nèi)；工作負載與過載時間應在規(guī)定工作負載與過載時間應在規(guī)定的范圍以內(nèi)；的范圍以內(nèi)；應使加速度與希應使加速度與希望的時間常數(shù)一致。一般講，由望的時間

23、常數(shù)一致。一般講，由于負載轉矩起減速作用，如果可于負載轉矩起減速作用，如果可能，加、減速應選取相同的時間能，加、減速應選取相同的時間常數(shù)。常數(shù)。 慣性負載值慣性負載值對電動機靈敏度對電動機靈敏度和快速移動時間有很大影響。和快速移動時間有很大影響。對于大的慣性負載，當指令對于大的慣性負載，當指令速度變化時，電動機達到指速度變化時，電動機達到指令速度需要的時間長些。如令速度需要的時間長些。如果負載慣量達到轉子慣量的果負載慣量達到轉子慣量的三倍，靈敏度要受到影響，三倍，靈敏度要受到影響，當負載慣量比轉子慣量大三當負載慣量比轉子慣量大三倍時響應時間將降低很多，倍時響應時間將降低很多，而當慣量大大超過時

24、，伺服而當慣量大大超過時，伺服放大器就不能在正常條件范放大器就不能在正常條件范圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這圍內(nèi)調(diào)整，必須避免使用這種慣性負載。種慣性負載。33 2.2.直流伺服電機與驅(qū)動直流伺服電機與驅(qū)動 直流伺服電機為直流伺服電機為直流供電直流供電，為調(diào)節(jié)電動機，為調(diào)節(jié)電動機轉速轉速和和方方向向, ,需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。目需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。目前常用前常用晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動晶體管脈寬調(diào)速驅(qū)動和和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。兩種方式。采用脈寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其開關頻率高采用脈寬調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其開關頻率高( (通常達通常達200020003000Hz)3000Hz)，伺服機構能夠響應的頻帶范圍也較寬，與晶，伺服機構能夠響應的頻帶范圍也較寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純直流。晶閘管直流驅(qū)動方式晶閘管直流驅(qū)動方式主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管主要通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閘管的觸發(fā)延遲角的觸發(fā)延遲角( (控制電壓的大小控制電壓的大小) )來移動觸發(fā)脈沖的相位，來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變從而改變整流電壓的大小，使直流電動機電樞電壓的變化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本身的工作原理和電源的化易于平滑調(diào)速。由于晶閘管本身