机械电子工程原理第二章执行与驱动

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,机械工业出版社,*,机械电子工程原理,第二章 执行与驱动,2,驱动器和执行器的作用,机械系统是由各个机械基本要素组成的，其主要的功能是完成动作的传递和变换，以及机械能的利用，实现延伸人的体能的目的。,驱动器的作用是将各种类型的能源转化为机械能，执行机构将这种机械能变换为合适的运动形式，从而实现机械做功，完成运动的传递、物质或能量的转移。,从完成机械的工作过程考虑，传动,-,执行是其核心。,在机械电子系统中，驱动器和执行器所起到的作用主要是机械运动或动力转换。,3,机械工程历史,在原始社会，人类通过锤击、碰砧、砸击等直接打击法，还使用了钻孔和磨尖等技术，制造出比较粗糙但实用的工具。,4,机械工程历史,在搬运重物方面，最初是用树干或圆木，后来从滚动的圆桶发展到在轴的两端各装上一个轮子，这是机构学上的一个巨大发明，现代所有机械发明几乎都离不开轮子。,船只作为水上的运输工具，也是史前时期的一项重要发明。船只的制造从木筏、独木舟、动物皮缝制的皮筏，直到制造较大的木船，使用了多种原始的工具。,而动力则由最初的撑篙到用桨来推进，后来发明了帆，以风能为动力，并把桨当作舵来行驶，大大增加了航行的范围。,5,机械工程历史,冶金术的出现为人类转入金属工具的制造和使用提供了条件。,除了用金属制作的农具代替石器之外，还出现了用于耕作的铁铧犁,动力由牛和马（畜力）取代人力，马具（颈圈、挽具和马蹄铁）的使用使马耕很快取代了牛耕，带轮犁的普遍应用提高了农业生产率。,青铜犁头,铁铧犁,6,机械工程历史,粮食的存储和酿酒需要制造大量的陶罐，制陶轮盘是轮子在制造方面的一个重要进步，它是今天车床的雏形。,7,机械工程历史,在农业灌溉上经常使用风车作动力，水轮机则被用于磨和碾谷物，魏晋时期的“水转连磨”可以用齿轮带动好几个磨同时工作，风车和水轮机可以看作是最早的气动马达和液压马达，而水力和风力的应用是这一时期能源动力方面的重要成就。,8,机械工程历史,由于军事方面的需要，各种军用机械也得到了发展，如攻城时用的冲车和利用弹力和杠杆原理制造的抛石机等军事机械。,9,机械工程历史,18,世纪,80,年代，瓦特对蒸汽机的改进，不仅使蒸汽机的热效率由,1,提高到,3,以上，而且采用了曲轴连杆、飞轮等传动装置，将气缸中活塞的直线运动转换为连续而稳定的旋转运动，这样就可以带动一切其他的机器运转，使得蒸汽机成为一种通用的驱动机械。,10,机械工程历史,热力学和电磁学的重大发现在,19,世纪中期催生了内燃机和电动机这两类新型的驱动机械。,内燃机以其小型化、高效率的特点迅速在交通运输领域中被广泛应用。,11,机械工程历史,因为电能具有便于传输和控制、易于与其他能源形式进行转化的特性，电动机在更多的领域中取代了蒸汽机的地位，产生了以电气技术为核心的新一轮技术革命。,电动机的应用，使得传动装置大为简化，驱动器、传动装置、执行机构三者开始出现成为一个集中整体的趋势。同时，电动机的应用也对控制提出了更高的要求，促成了机械系统中专用控制器的出现。,12,机械工程历史,今天，信息技术的飞速发展为传统的机械系统注入了新的活力。,现代的驱动技术可以分为电磁驱动和非电磁驱动两大技术类别，但不论是在哪个类别中，驱动器与执行机构都在向着一体化、微型化、信息化的方向发展。,先进驱动器和执行机构的应用将为机械工程的发展拓展出一片全新的领域，进而促进人类社会生产的不断发展与进步。,13,执行机构,简单地讲，一个机械电子系统的目的是产生某种机械运动或物理作用，如直线运动或压力变化等，这主要是由系统中的执行机构来完成的，这种物理量的变化可以用一些性能指标来定量分析。,两个例子,1.,绘图仪,如果两个垂直的带轮机构同时运行，就可以组成一个两维的绘图仪系统，每个方向的运动都由一个带轮机构（啮合齿）实现，绘图仪的输出性能可以更直观地通过观察所画曲线的质量来度量。,同步齿型带轮机构,绘图仪工作示意图,14,执行机构,两个例子,2.,阀门作动器,在炼油生产的催化裂化过程中，要根据工艺要求而改变某个阀门的开度，该阀的开度也是通过直线位移来实现的。由于生产过程中的高温、高压气体，作用在阀上的力很大，使该阀门动作需要,100kN,的力。,两系统相比，驱动器的负载能力是系统的主要性能指标。,电液伺服直线位移系统,15,驱动器,“,原动机”一词指将燃料中的化学能、水力或风力中的自然能转化成机械运动而产生机械能，进而产生电能的装置或系统。比如蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机、水轮机和风车等。与执行机构不同，原动机的主要指标是能量转换的效率，而不再是精度、分辨率等指标。,驱动器输出的运动形式一般有旋转和直线两种。,在大多数情况下，一个确定的机构只能实现某个特定的运动，如果要改变运动轨迹，就需要重新设计另一种机构来实现。,16,性能指标,对于控制用的驱动器和执行器，除能量转换效率外，更注重速度、位置精度等性能指标。,17,执行器的选择,选择驱动器和执行器时，首先应根据该机构能产生的运动和系统所需的运动之间的关系来考虑。,执行器的输出由控制器的算法和计算过程决定，也与传感器测得的结果有关。,选用执行器首先要考虑被控参数的量值范围，其次考虑体积、重量、成本、精度、分辨率、响应速度等。,18,可供选择的各种驱动器和执行器,19,选择运动转换装置和负载能力的大致原则,直线运动能量转换装置：根据力和距离。,旋转运动能量转换装置：根据转矩和速度。,运动转换机构：根据输入输出速度、力,/,转矩的大小以及方向的变化。,在使用环境、安装空间、设备自重等条件没有特殊要求的情况下，由于电能使用方便，因此大多选择电气类的驱动器，再配合一些简单的运动转换机构来实现各种运动。,20,直线运动能量转换装置的选择,21,旋转运动能量转换装置的选择,22,运动转换装置的选择,23,思考题,机械电子系统中的执行机构和驱动器的作用是什么？主要都有哪些性能指标？,信息与控制在机电系统中可以起到什么作用？,在什么情况下执行器和驱动器可以合为一体？,机械类执行器有什么特点？,电器类执行器有什么特点？,气动类执行器有什么特点？,液压类执行器有什么特点？,选择执行器有哪些原则？,