機(jī)械電子工程原理第二章執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)

1、機(jī)械電子工程原理機(jī)械電子工程原理第二章第二章 執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)2驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器的作用驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器的作用n機(jī)械系統(tǒng)是由各個(gè)機(jī)械基本要素組成的，其主要的機(jī)械系統(tǒng)是由各個(gè)機(jī)械基本要素組成的，其主要的功能是完成動(dòng)作的傳遞和變換，以及機(jī)械能的利用，功能是完成動(dòng)作的傳遞和變換，以及機(jī)械能的利用，實(shí)現(xiàn)延伸人的體能的目的。實(shí)現(xiàn)延伸人的體能的目的。 n驅(qū)動(dòng)器的作用是將各種類型的能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)器的作用是將各種類型的能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將這種機(jī)械能變換為合適的運(yùn)動(dòng)形式，從執(zhí)行機(jī)構(gòu)將這種機(jī)械能變換為合適的運(yùn)動(dòng)形式，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械做功，完成運(yùn)動(dòng)的傳遞、物質(zhì)或能量的而實(shí)現(xiàn)機(jī)械做功，完成運(yùn)動(dòng)的傳遞、物質(zhì)或

2、能量的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移。n從完成機(jī)械的工作過程考慮，傳動(dòng)從完成機(jī)械的工作過程考慮，傳動(dòng)-執(zhí)行是其核心。執(zhí)行是其核心。n在機(jī)械電子系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器所起到的作用在機(jī)械電子系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器所起到的作用主要是機(jī)械運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力轉(zhuǎn)換。主要是機(jī)械運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力轉(zhuǎn)換。 3機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史 n在原始社會(huì)，人類通過錘擊、碰砧、砸擊等直接在原始社會(huì)，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(shù)，制造出比打擊法，還使用了鉆孔和磨尖等技術(shù)，制造出比較粗糙但實(shí)用的工具。較粗糙但實(shí)用的工具。4機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n在搬運(yùn)重物方面，最初是用樹干或圓木，后來從在搬運(yùn)重物方面，最初是用樹干或圓木，后

3、來從滾動(dòng)的圓桶發(fā)展到在軸的兩端各裝上一個(gè)輪子，滾動(dòng)的圓桶發(fā)展到在軸的兩端各裝上一個(gè)輪子，這是機(jī)構(gòu)學(xué)上的一個(gè)巨大發(fā)明，現(xiàn)代所有機(jī)械發(fā)這是機(jī)構(gòu)學(xué)上的一個(gè)巨大發(fā)明，現(xiàn)代所有機(jī)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(yùn)輸工具，也是史前時(shí)期的一項(xiàng)船只作為水上的運(yùn)輸工具，也是史前時(shí)期的一項(xiàng)重要發(fā)明。船只的制造從木筏、獨(dú)木舟、動(dòng)物皮重要發(fā)明。船只的制造從木筏、獨(dú)木舟、動(dòng)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(dòng)力則由最初的撐篙到用槳來推進(jìn)，后來發(fā)明而動(dòng)力則由最初的撐篙到用槳來推進(jìn)，后來發(fā)明了帆，以風(fēng)能為動(dòng)力，

4、并把槳當(dāng)作舵來行駛，大了帆，以風(fēng)能為動(dòng)力，并把槳當(dāng)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(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n冶金術(shù)的出現(xiàn)為人類轉(zhuǎn)入金屬工具的制造和使用提供了條冶金術(shù)的出現(xiàn)為人類轉(zhuǎn)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(nóng)具代替石器之外，還出現(xiàn)了用于耕作除了用金屬制作的農(nóng)具代替石器之外，還出現(xiàn)了用于耕作的鐵鏵犁的鐵鏵犁 n動(dòng)力由牛和馬（畜力）取代人力，馬具（頸圈、挽具和馬動(dòng)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(yīng)用蹄鐵）的使用使馬耕很快取代了牛耕，帶輪犁的普遍應(yīng)用提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率

5、。 青銅犁頭青銅犁頭 鐵鏵犁鐵鏵犁 6機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n糧食的存儲(chǔ)和釀酒需要制造大量的陶罐，制陶輪糧食的存儲(chǔ)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(gè)重要進(jìn)步，它是今天盤是輪子在制造方面的一個(gè)重要進(jìn)步，它是今天車床的雛形。車床的雛形。 7機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n在農(nóng)業(yè)灌溉上經(jīng)常使用風(fēng)車作動(dòng)力，水輪機(jī)則被在農(nóng)業(yè)灌溉上經(jīng)常使用風(fēng)車作動(dòng)力，水輪機(jī)則被用于磨和碾谷物，魏晉時(shí)期的用于磨和碾谷物，魏晉時(shí)期的“水轉(zhuǎn)連磨水轉(zhuǎn)連磨”可以可以用齒輪帶動(dòng)好幾個(gè)磨同時(shí)工作，風(fēng)車和水輪機(jī)可用齒輪帶動(dòng)好幾個(gè)磨同時(shí)工作，風(fēng)車和水輪機(jī)可以看作是最早的氣動(dòng)馬達(dá)和液壓馬達(dá)，而水力和以看作是最早的氣動(dòng)馬達(dá)和

6、液壓馬達(dá)，而水力和風(fēng)力的應(yīng)用是這一時(shí)期能源動(dòng)力方面的重要成就。風(fēng)力的應(yīng)用是這一時(shí)期能源動(dòng)力方面的重要成就。 8機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n由于軍事方面的需要，各種軍用機(jī)械也得到了發(fā)由于軍事方面的需要，各種軍用機(jī)械也得到了發(fā)展，如攻城時(shí)用的沖車和利用彈力和杠桿原理制展，如攻城時(shí)用的沖車和利用彈力和杠桿原理制造的拋石機(jī)等軍事機(jī)械。造的拋石機(jī)等軍事機(jī)械。 9機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n18世紀(jì)世紀(jì)80年代，瓦特對蒸汽機(jī)的改進(jìn)，不僅使蒸年代，瓦特對蒸汽機(jī)的改進(jìn)，不僅使蒸汽機(jī)的熱效率由汽機(jī)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(dòng)裝置，將氣缸中活塞的直曲軸連桿、飛輪等傳動(dòng)

7、裝置，將氣缸中活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為連續(xù)而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就可線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為連續(xù)而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就可以帶動(dòng)一切其他的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，使得蒸汽機(jī)成為一以帶動(dòng)一切其他的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，使得蒸汽機(jī)成為一種通用的驅(qū)動(dòng)機(jī)械。種通用的驅(qū)動(dòng)機(jī)械。 10機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n熱力學(xué)和電磁學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)和電磁學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)在19世紀(jì)中期催生了內(nèi)燃機(jī)和世紀(jì)中期催生了內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)這兩類新型的驅(qū)動(dòng)機(jī)械。電動(dòng)機(jī)這兩類新型的驅(qū)動(dòng)機(jī)械。 n內(nèi)燃機(jī)以其小型化、高效率的特點(diǎn)迅速在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中內(nèi)燃機(jī)以其小型化、高效率的特點(diǎn)迅速在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。被廣泛應(yīng)用。11機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n因?yàn)殡娔芫哂斜阌趥鬏敽涂刂啤?/p>

8、易于與其他能源形式進(jìn)行因?yàn)殡娔芫哂斜阌趥鬏敽涂刂?、易于與其他能源形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化的特性，電動(dòng)機(jī)在更多的領(lǐng)域中取代了蒸汽機(jī)的地位，轉(zhuǎn)化的特性，電動(dòng)機(jī)在更多的領(lǐng)域中取代了蒸汽機(jī)的地位，產(chǎn)生了以電氣技術(shù)為核心的新一輪技術(shù)革命。產(chǎn)生了以電氣技術(shù)為核心的新一輪技術(shù)革命。n電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，使得傳動(dòng)裝置大為簡化，驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)裝電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，使得傳動(dòng)裝置大為簡化，驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三者開始出現(xiàn)成為一個(gè)集中整體的趨勢。同置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三者開始出現(xiàn)成為一個(gè)集中整體的趨勢。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也對控制提出了更高的要求，促成了機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也對控制提出了更高的要求，促成了機(jī)械系統(tǒng)中專用控制器的出現(xiàn)。械系統(tǒng)中專用控制

9、器的出現(xiàn)。12機(jī)械工程歷史機(jī)械工程歷史n今天，信息技術(shù)的飛速發(fā)展為傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)注今天，信息技術(shù)的飛速發(fā)展為傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)注入了新的活力。入了新的活力。n現(xiàn)代的驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以分為電磁驅(qū)動(dòng)和非電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代的驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以分為電磁驅(qū)動(dòng)和非電磁驅(qū)動(dòng)兩大技術(shù)類別，但不論是在哪個(gè)類別中，驅(qū)動(dòng)器兩大技術(shù)類別，但不論是在哪個(gè)類別中，驅(qū)動(dòng)器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)都在向著一體化、微型化、信息化的與執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jìn)驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用將為機(jī)械工程的發(fā)先進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用將為機(jī)械工程的發(fā)展拓展出一片全新的領(lǐng)域，進(jìn)而促進(jìn)人類社會(huì)生展拓展出一片全新的領(lǐng)域，進(jìn)而促進(jìn)人類社會(huì)生產(chǎn)的

10、不斷發(fā)展與進(jìn)步。產(chǎn)的不斷發(fā)展與進(jìn)步。 13執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)n簡單地講，一個(gè)機(jī)械電子系統(tǒng)的目的是產(chǎn)生某種簡單地講，一個(gè)機(jī)械電子系統(tǒng)的目的是產(chǎn)生某種機(jī)械運(yùn)動(dòng)或物理作用，如直線運(yùn)動(dòng)或壓力變化等，機(jī)械運(yùn)動(dòng)或物理作用，如直線運(yùn)動(dòng)或壓力變化等，這主要是由系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的，這種物這主要是由系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的，這種物理量的變化可以用一些性能指標(biāo)來定量分析理量的變化可以用一些性能指標(biāo)來定量分析 。n兩個(gè)例子兩個(gè)例子1.繪圖儀繪圖儀如果兩個(gè)垂直的帶輪機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，就可以組成一個(gè)如果兩個(gè)垂直的帶輪機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，就可以組成一個(gè)兩維的繪圖儀系統(tǒng)，每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都由一個(gè)帶輪機(jī)兩維的繪圖儀系統(tǒng)，每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)

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

12、閥上的力很大，使該閥門動(dòng)作需要100kN的力。的力。 n兩系統(tǒng)相比，驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力是系統(tǒng)的主要性兩系統(tǒng)相比，驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力是系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。能指標(biāo)。電液伺服直線位移系統(tǒng)電液伺服直線位移系統(tǒng)15驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器n“原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)”一詞指將燃料中的化學(xué)能、水力或風(fēng)力一詞指將燃料中的化學(xué)能、水力或風(fēng)力中的自然能轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生機(jī)械能，進(jìn)而中的自然能轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生電能的裝置或系統(tǒng)。比如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啴a(chǎn)生電能的裝置或系統(tǒng)。比如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)、水輪機(jī)和風(fēng)車等。與執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，機(jī)、柴油機(jī)、水輪機(jī)和風(fēng)車等。與執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，原動(dòng)機(jī)的主要指標(biāo)是能量轉(zhuǎn)換的效率，而不再是原動(dòng)

13、機(jī)的主要指標(biāo)是能量轉(zhuǎn)換的效率，而不再是精度、分辨率等指標(biāo)。精度、分辨率等指標(biāo)。 n驅(qū)動(dòng)器輸出的運(yùn)動(dòng)形式一般有旋轉(zhuǎn)和直線兩種。驅(qū)動(dòng)器輸出的運(yùn)動(dòng)形式一般有旋轉(zhuǎn)和直線兩種。n在大多數(shù)情況下，一個(gè)確定的機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)某個(gè)在大多數(shù)情況下，一個(gè)確定的機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)，如果要改變運(yùn)動(dòng)軌跡，就需要重新特定的運(yùn)動(dòng)，如果要改變運(yùn)動(dòng)軌跡，就需要重新設(shè)計(jì)另一種機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)另一種機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 16性能指標(biāo)性能指標(biāo)n對于控制用的驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器，除能量轉(zhuǎn)換效率外，更注對于控制用的驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器，除能量轉(zhuǎn)換效率外，更注重速度、位置精度等性能指標(biāo)。重速度、位置精度等性能指標(biāo)。 17執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇n選擇驅(qū)動(dòng)

14、器和執(zhí)行器時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)該機(jī)構(gòu)能產(chǎn)選擇驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)該機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)所需的運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系來考慮。生的運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)所需的運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系來考慮。 n執(zhí)行器的輸出由控制器的算法和計(jì)算過程決定，執(zhí)行器的輸出由控制器的算法和計(jì)算過程決定，也與傳感器測得的結(jié)果有關(guān)。也與傳感器測得的結(jié)果有關(guān)。 n選用執(zhí)行器首先要考慮被控參數(shù)的量值范圍，其選用執(zhí)行器首先要考慮被控參數(shù)的量值范圍，其次考慮體積、重量、成本、精度、分辨率、響應(yīng)次考慮體積、重量、成本、精度、分辨率、響應(yīng)速度等。速度等。 18可供選擇的各種驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器可供選擇的各種驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器 19選擇運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置和負(fù)載能力的大致原則選擇運(yùn)動(dòng)

15、轉(zhuǎn)換裝置和負(fù)載能力的大致原則n直線運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)力和距離。直線運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)力和距離。n旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)轉(zhuǎn)矩和速度。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置：根據(jù)轉(zhuǎn)矩和速度。n運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)：根據(jù)輸入輸出速度、力運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)：根據(jù)輸入輸出速度、力/轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)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(shè)備自重等條件沒有特在使用環(huán)境、安裝空間、設(shè)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(qū)動(dòng)器，再配合一些簡單的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)選擇電氣類的驅(qū)動(dòng)器，再配合一些簡單的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。換機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。 20直線運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的選擇直線運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的選擇21旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的選擇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的選擇22運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置的選擇運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置的選擇23思考題思考題n 機(jī)械電子系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的作用是機(jī)械電子系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的