第三章 执行元件的选择与的设计 机电一体化系统的设计课件.pptVIP

第三章执行元件的选择与设计 ; 第一节 执行元件的种类、 特点及基本要求 执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、信息处理计算机外围设备、办公室设备、车辆电子设备、医疗器械、各种光学装置、家用电器(音响设备、录音机、摄像机、电冰箱)等机电一体化系统(或产品)必不可少的驱动部件，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即执行元件。该元件是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件，能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、气缸、内燃机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。由于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。 ;一. 执行元件的种类及特点;执行元件的分类; 1) 电气式执行元件 ;; 二. 对执行元件的基本要求; 2) 体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度或比功率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则 功率密度 :P/G。 比功率密度:(T2/J)/G。 ; 第二节 常用的控制用电动机 ;伺服电动机控制方式的基本形式;一.对控制用电动机的基本要求;二. 控制用电动机的种类、特点及选用;; 伺服电动机的特点及应用实例 ;伺服电动机的性能比较; 伺服电动机优缺点比较 ; 不同的应用场合，对控制用电动机的性能密度的要求也有所不同。对于起停频率低(如几十次／分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能指标；对于起停频率高(如数百次／分)，但不特别要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率。???额定输出功率相同的条件下,交流伺服电动机的比功率最高、 直流伺服电动机次之、步进电动机最低。 ;;;;;第三节 直流（DC）与交流（AC）伺服电动机及驱动一.直流(DC)伺服电动机及其驱动; 宽调速直流伺服电动机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。永久磁铁的宽调速直流伺服电动机的结构如图3.3所示。有不带制动器a和带制动器b两种结构。电动机定子(磁钢)1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁)、转子(电枢)2直径大并且有槽，因而热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合，提高了电动机气隙磁通密度。同时，在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电动机并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器，为速度环提供了较高的增量，能获得优良的低速刚度和动态性能。;; 日本法纳克(FANUC)公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC)的L系列(低惯量系列。)、M系列(中惯量系列)和H系列(大惯量系列直流伺服电动机如表3-12所示。其中L系列适合于在频繁起动、制动场合应用，M系列是在H系列的基础上发展起来的，其惯量较H系列小，适合于晶体管脉宽调制(PWM)驱动，因而提高了整个伺服系统的频率响应。而H系列是大惯量控制用电动机，它有较大的输出功率，采用六相全波晶闸管整流驱动。表中电动机型号带有H标志(如30MH)的表示该电动机装有热管冷却器，该电动机的有效尺寸与不带热管冷却器的同型号的相同，但其额定转矩大。; 宽调速直流伺服电动机应根据负载条件来选择。加在电动机轴上的有两种负载，即负载转矩和负载惯量。当选用电动机时，必须正确地计算负载，即必须确认电动机能满足下列条件：①在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；②工作负载与过载时间应在规定的范围以内；③应使加速度与希望的时间常数一致。一般讲，由于负载转矩起减速作用，如果可能，加减速应选取相同的时间常数。 值得提出的是惯性负载值对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响。对于大的惯性负载，当指令速度变化时，电动机达到指令速度的时间需要长些。如果负载惯量达到转子惯量的三倍，灵敏度要受到影响，当负载惯量比转子惯量大三倍时响应时间将降低很多，而当惯量大大超过时，伺服放大