第3章 执行元件的选择与设计
机电一体化系统设计
机电一体化系统设计一、概论1、机电一体化：是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
2、对检测传感器的要求：要求检测传感器具有高精度、高灵敏度和高可靠性。
3、检测传感技术的主要难点：提高可靠性、精度和灵敏度。
需要研究的问题有：①提高各种敏感材料和元件灵敏度及可靠性②改进传感器结构，开发温度与湿度、视觉与触觉同时存在的符合传感器③研究在线检测技术，提高抗干扰能力④研究具有自动诊断与自动补偿功能的传感器。
4、自动控制：自动控制是指在没有人参与的情况下，通过控制装置使被控制的对象或控制过程自动的按照预定的规律运行。
5、系统总体技术：系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。
6、系统总体技术包括：插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性和成套设备自动化技术。
7、系统总体技术需要研究的问题：①软件开发与应用技术，包括过程参数应用软件、实时精度补偿软件②研究接插件技术，体改可靠性③通过接口和数据总线标准化④控制系统成套性和成套设备自动化⑤软件的标准化。
8、机电一体化系统由机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统五个系统组成。
9、系统的五种内部功能：即主功能、动力功能、计策功能、控制功能、构造功能。
主功能是实现系统“目的功能”直接必须的功能，主要是对物质、能量、信息及其相互结合进行变换、传递和存储。
动力功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实时“目的功能”。
而构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必须的功能。
10、机电一体化系统设计的考虑方法同城有：几点互补法、融合法和组合法。
11、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。
《液压与气压传动》(课程代码：03631)课程考试大纲汇总
广东省高等教育自学考试《液压与气压传动》（课程代码：03631）课程考试大纲目录一、课程性质与设置目的二、考试内容与考核目标绪论第一节液压与气压传动的工作原理第二节液压与气压传动系统的组成和表示方法第三节液压与气压传动的优缺点第四节液压与气压传动的应用第五节液压与气动技术的进展第一章液体力学基础第一节工作介质第二节流体静力学第三节流体运动学和流体动力学第四节气体状态方程第五节充、放气参数的计算第六节管道流动第七节孔口流动第八节缝隙流动第九节瞬变流动第十节穿透多孔物质的液流第二章能源装置及辅件第一节概述第二节液压泵第三节油箱第四节液压辅件第五节气源装置第六节气动辅件第七节管件第三章执行元件第一节直线往复运动执行元件第二节旋转运动执行元件第三节设计计算第四章控制元件第一节概述第二节阀芯的结构和性能第三节常用液压控制阀第四节常用气动控制阀第五节液压叠加阀、插装阀和多路阀第六节电液伺服控制阀第七节电液比例控制阀第八节电液数字控制阀第九节气动比例/伺服、数字控制阀第十节气动逻辑控制元件第十一节集成式多功能元件第五章密封件第一节密封的作用与分类第二节密封件的材料第三节常用密封件第四节新型密封件第五节组合式密封件第六节防尘圈第七节旋转密封件第八节胶密封与带密封第六章基本回路第一节液压基本回路第二节气动基本回路第七章系统应用与分析第一节液压系统应用与分析第二节气动系统应用与分析第八章系统设计与计算第一节概述第二节液压系统设计与计算第三节液压系统设计计算举例第四节气动程序控制系统设计三、关于大纲的说明与考核实施要求【附录】题型举例课程性质与设置目的（一）课程性质与特点《液压与气压传动》课程是高等教育自学考试机械设计制造及其自动化专业的主干课程。
液压、气压传动是与机械传动、电气传动等相并列的传动形式，是机械设备设计、使用和维护所必须掌握的技术和知识，具有实践性较强，与生产实际联系紧密的特点。
本课程主要讲授流体力学基础，各种液压、气动元件的工作原理、特点、应用和选用方法，各类液压和气动基本回路的功用、组成和应用场合，典型的液压、气动传动系统。
Protel99SE教程第3章原理图元件库编辑
Add按钮：加入新的同组元件 Del按钮：删除列表框中选中的元件。 Description按钮：单击该按钮，屏幕弹出图3-4所示的元 件信息编辑对话框，用于设置元件的默认标号、封装形式（可以 有多个）、元件的描述等信息。 Update Schematics按钮：作用是使用库中新编辑的元件更 新原理图中的同名元件。 ⑶Pins区。列出在Component区中选中元件的管脚。
插入图片
• Place|Drawing Tools|Graphic命令或快捷键 • 启动此命令后,出现Image File对话框,找到指定
图片,单击”打开”即插入该图片. • 双击该图片设置其属性 • 按[Tab]键设置其属性. • 单击图片,在其周围出现控点
3.3.3 IEEE工具栏
执行菜单View→Toolbars→IEEE Toolbar，或单击主工具 栏上按钮 ，可以打开或关闭IEEE工具栏。
Name：设置管脚的名称。 Number：设置管脚号。
Orientation下拉列表框：设置管脚的放置方向。 Dot Symbol复选框：选中后管脚末端出现一个小圆圈，代 表该管脚为低电平有效。 Clk Symbol复选框：选中后管脚末端出现一个小三角形， 代表该管脚为时钟信号管脚。 Electrical Type下拉列表框：设置管脚的类型，共有八种 管脚类型，即Input输入型、I/O输入/输出型、Output输出型、 Open Collector集电极开路输出型、Passive无源型、Hiz 三态 输出型、Open Emitter发射极开路输出型、Power电源型。 Hidden复选框：选中后管脚具有隐藏特性，管脚不显示。 Pin Length：设置管脚的长度。 参数设置完毕，单击OK按钮，将管脚移动到合适位置后， 单击鼠标左键，放置管脚。 放置管脚时要注意管脚只有一端具有电气特性，在放置时应 将不具有电气特性的一端（即光标所在端），与元件图形相连。
第三章 执行元件讲解
不相等，因此，活塞向右
运动。
特点：
差动连接时因回油腔的油液 利用两端面积差进行工作！
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
6
液压缸的工作原理及设计计算
柱塞式液压缸
单活塞杆式液压缸
双活塞杆式液压缸
伸缩式液压缸
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
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液压缸的工作原理及设计计算
双活塞杆式液压缸
单活塞杆式液压缸
伸缩式液压缸
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
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液压缸的工作原理及设计计算
活塞式液压缸分类：
双杆
按伸出活塞杆不同 单杆
无杆
按固定方式不同
缸体固定 活塞杆固定
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
9
液压缸的工作原理及设计计算
（1）双杆活塞缸
特点： 1） 两腔面积相等； 2） 压力相同时，推力相等，
流量相同时，速度相等。
即具有等推力等速度特性！
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
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液压缸的工作原理及设计计算
单杆活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞杆，使两 腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入流 量相同的情况特下点，：活塞的往复运动速度不相等。 12） ）压两力腔相面同积时不，等推，力A1不>单等A杆2 活塞缸的安装 流量相同时，速度不也等有缸筒固定和活 即不具有等推力等速度塞特杆性固！定两种，进、
d D v 1（5） v
由此可见，速比λv 越大，活塞杆直径d越大。
液压与气动技术
殷国栋 ygd@
18
液压缸的工作原理及设计计算
差动液压缸
单杆活塞缸的左右腔同时接 通压力油，如右图所示， 称为差动连接，此缸称为 差动液压缸。
机电一体化系统设计 第3章 执行元器件
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
伺服系统的有哪几部分组成 ➢ 机构-结构：接受执行器输出的力、力矩或功率产生机构 运动，完成最终目标。结构部分把各组成部分联成一体， 起支持与定位作用。 ➢ 能源：主要作用是给机械运动提供足够的动力，同时也 向传感器、信息处理器提供所需的能量。 ➢ 伺服电机:（M）驱动信号控制转换电路 电力电子驱动放 大模块, 电流调解单元，速度调解单元 检测装置
6）电机测试方式
通过键盘操作，伺服电机按照参数设定的脉冲频率转动。用于测试位置控制方式。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
电子齿轮
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器
（1）电源输入端子：
§3-3 交流伺服电机及驱动器
交流伺服系统 PSDD驱动器驱动方式简介
4）JOG控制方式
通过按键操作控制电机点动。按下按键，电机按设定的参数转动，松开按键， 停止转动。用于手动移动机械装置到某一固定位置。
5）电机零点调试方式
长期使用后，编码器的零点可能偏移。该操作重新将编码器调零。该操作只能 在空载下进行，否则影响精度。
第 3 章 执行元件的选择与设计
§3-1 执行元件的种类、特点及基本要求
一、执行元件的种类及特点
电磁式是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。 液压式是先将电能变换为液压能并用电磁阀改变压力油的流向，
从而使液压执行元件驱动运行机构运动。 气压式与液压式的原理相同，只是将介质由油改为气体而已。 其他执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金
电气控制线路的设计及元器件选择课件
电气控制线路的设计步骤
明确控制要求
在设计电气控制线路之前，需要明确 控制要求，确定需要实现的功能和性 能指标。
制作和测试
根据设计的电路原理图，制作出实际 的电气控制线路并进行测试，确保其 性能符合要求。
01
02
选择合适的元器件
根据控制要求，选择合适的电气元器 件，如电源、开关、继电器等。
03
设计电路原理图
接口电路
设计合理的接口电路，实现变频器与外部控制器的信号传输 和控制。
滤波与抗干扰
采取有效的滤波和抗干扰措施，保证系统的稳定性和可靠性 。
PLC控制线路设计
可靠、灵活、集成
PLC控制线路广泛应用于工业自动化领域，具有高可靠性、灵活性和集成性。
PLC控制线路设计
设计要点：
I/O模块选择：根据实际需求选择合适的输入输出模块，满足信号采集和 控制需求。
根据元器件的特性和控制要求，设计 出电路原理图，明确各元器件之间的 连接关系和工作原理。
05
04
优化和完善设计
对电路原理图进行优化和完善，确保 设计的可靠性和稳定性。
常用电气元器件及
02
其选择
开关电器
开关电器
用于接通或断开电路， 包括刀开关、断路器、
接触器等。
刀开关
用于不频繁开启和关闭 电路，结构简单，价格
控制算法：根据工艺要求选择合适的控制算法，如PID控制、模糊控制等 。
PLC控制线路设计
网络通信
实现PLC与上位机和其他智能设备的通信 ，提高系统的集成度和智能化水平。
VS
安全保护
设置安全保护措施，如故障检测与诊断、 冗余设计等，提高系统的可靠性和稳定性 。
电气控制线路的优
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
机电一体化课程设计指导书
机电一体化系统设计课程设计指导书邓春岩编著UESTC 机电工程学院第一章绪论1.1 机电一体化课程设计的目的机电一体和课程设计是一个重要的实践教学环节。
学生需综合运用所学的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行机电结合的设计训练，主要目的是：1）学习机电一体化系统总体设计方案的分析、拟定和比较的方法。
2）对机械系统进行设计，掌握典型传动机构和导向机构等工作原理、设计计算方法和选用方法。
3）掌握控制用电机的工作原理，能够对控制用电机、驱动器进行计算与选用。
4）对控制系统进行设计，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。
5）根据系统的要求，掌握常用传感器的工作原理和选用方法。
6）培养学生独立分析问题、解决问题的能力，学习并初步建立“系统设计”的思想。
7）训练学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。
1.2 课程设计的内容与要求课程设计的内容应是典型的机电一体化系统或产品，如数控机床、工业机器人、三坐标测量仪、自动检测仪、全自动洗衣机、电子秤、自动售货机、家用智能装置等。
设计的内容需包扩：机械系统的设计；执行元件的计算与选择；计算机控制系统的选择、电路的设计和软件的设计；传感检测的选择与电路的设计等，根据专业性质的差异，可以适当调整相应部分设计工作量。
本次设计任务是CNC二维工作台的设计，主要包括：机械系统的设计与计算、控制电机的计算与选择、驱动器的选择与接线图的设计。
1.3 课程设计的原始数据试设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割的CNC二维工作平台。
切割刀位于Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向的轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。
其它参数见下表：表1.1 大题目及其参数项目名称大题编号一二三四五六备注行程 mm 500³500500³400500³300400³400400³300300³300X*Y方向的行程X丝杠转速n1200 150 120 80 50 50 单位： r/minY丝杠转速n2200 150 120 80 50 50 单位： r/min理论定位精度δ30 25 20 15 10 5 单位：μm表1.2 小题目（方案）及其参数方案项目名称方案编号ⅠⅡⅢⅣV VIX方向轴向载荷(N)F15000 4500 4000 3500 2000 1200Y方向轴向载荷(N)F24000 3500 3000 2500 1500 1000X方向工作台滑板及组件重量(N) 1000 900 800 700 600 400Y方向工作台滑板及组件重量(N) 600 500 400 400 300 200表1.3 控制实现的轨迹方案项目名称方案编号１２３４二维平台编程控制的轨迹ＮＳＣＬ注：CNC二维工作平台设计题目共五个大题目，每个大题目下面又有三个小题目（即方案）。
Altium Designer 14原理图与PCB设计教程 第三章 原理图元器件符号编辑
3.1 原理图元器件符号库、集成库概念
电路原理图是由众多元器件符号连接而成的。在Altium Designer中，原理图 中的元器件符号通过元器件库的形式进行分类管理，这样做有利于用户快捷准确 地定位所需要的原理图元器件符号。
在Altium Designer中，后缀是SchLib的文件为原理图元器件符号库文件。 由于绘制电路原理图的过程中通常需要用到大量的原理图元器件符号，其中很多 原理图元器件符号是通用的，所以在Altium Designer中提供了一种叫做元器件集 成库的库文件供用户使用。集成库中一般包含了元器件的符号、PCB封装和仿真模 型。
即可。
3-5-3 74LVC1G74DP
3-5-5
Componen t_1
选
择
名
” 的
称 为
元
“名图
” 的
称 为
元
件
选
择
3.6 为元器件符号添加封装模型
3.6.1 元器件封装与原理图符号的关系 元器件原理图符号只是该元件的功能性
说明符号，有时为了绘制原理图方便， 元件的管脚顺序可以根据需要随意改变。 如图3-6-1所示
在Altium Designer中，后缀是IntLib的文件为元器件集成库文件。
1
3.1 库文件包和元器件符号库
3.2.1 创建库文件包
1.创建文件包执行菜单命令 File → New → Project，弹出如图3-2-1 所示的New Project对话框。在对话框 中的Project Types选择框中选择 Integrated Library。
鼠标左键单击打开按钮，如图3-5-1所示。在弹出的Choose Document to open对话框中选择一个原理图库文件。这里选择了一个笔者电脑上的原理图库 文件，如图3-5-2所示。鼠标左键单击【打开】按钮打开名称为 89C51_StartKit的原理图库文件。
机电一体化系统(产品)对执行元件基本要求
T Tjmax
定 子
p
p /2 p /2
p
e
转子
Tjmax
失调角示意图
矩－角特性曲线
（3）动态特性
厚 励 志 勤 工 德 达 理
动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、 动态稳定区 频特性、 频特性等 矩－频特性、惯－频特性等。 动态稳定区：在步进电机从A相转换为B AB） 动态稳定区：在步进电机从A相转换为B（或AB） 相通电，不产生丢步时的稳定工作区域 θr 。 从 相通电 ， 图中可以得出，步进电机工作的拍数越多， 图中可以得出，步进电机工作的拍数越多，稳定 工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越不 容易丢步。 容易丢步。 两相（ 起动转矩Tq：两相（A、B）矩－角特性之交点 Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载 Tq表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载 转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。 转矩，与步进电机的相数和通电方式有关。
P Pw nd n
对于伺服控制电机而言， 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特 性是衡量电机调速性能的重要参数之一。 性是衡量电机调速性能的重要参数之一。
3.3 步进电动机与驱动
3.3.1 步进电动机的特点、种类、工作原理 步进电动机的特点、种类、
厚 励 志 勤 工 德 达 理
（1）步进电动机的特点 ） 控制精度由步进角决定（ ① 控制精度由步进角决定（ ）。 抗干扰能力强， ② 抗干扰能力强，在电机电特性工作范围 不产生丢步或无法工作等现象。 内，不产生丢步或无法工作等现象。 电机每转动一步进角， ③ 电机每转动一步进角，尽管存在一定的 转角误差，但电机转动360 360时 转角误差，但电机转动360时，转角累计误 差将归零。 差将归零。 控制性能好，不会产生“ ④ 控制性能好，不会产生“丢步 ”现象 频繁启动、停止、变换）。 （频繁启动、停止、变换）。 易于与计算机实现对接。 ⑤易于与计算机实现对接。
模型飞机微小型起落架液压系统的设计
模型飞机微小型起落架液压系统的设计摘要：模型飞机的结构设计与内部系统设计能够为真实飞机生产制造提供可靠的性能参数，根据模型飞机的自主飞行情况，可以对飞机设计参数进行合理调整，进一步提高飞机设计水平，保障使用效果。
模型飞机起落架液压系统设计质量关系到飞机的飞行安全，在实际进行系统设计的过程中应从安全可靠的角度出发，保证起落架能够正常、高效收放。
本文主要根据某模型飞机的起落架制作要求设计了微小型液压控制系统，以期为飞机制造提供参考。
关键词：模型飞机；起落架；液压系统；微小型；控制系统飞机起落架的正常工作是保障飞机安全稳定运行的关键，在实际进行该结构部位设计时，应明确不同类型模型飞机的飞行控制要求，根据现实需要做好设计工作，保证起落架舱门开关动作的稳定性以及起落架收放的平稳性。
要掌握具体的技术要求，设计合理的系统方案，结合设计要求选择合适的元器件，保证微小型起落架液压系统设计的科学性与合理性，为飞机的安全可靠运行提供保障。
1.模型飞机微小型起落架液压系统设计要求以某模型飞机为例，在进行起落架液压系统设计过程中，首先要保证舱门开关过程中都能保持平稳状态，完全打开后不会随意移动，舱门关闭后作动器的各项动作也随之停止，以免出现损坏舱盖的情况，而且在完全关闭后也不会受到外界因素的影响而出现变形情况。
其次，作动器在运行过程中能够顺利进入锁止的位置并保持稳定状态，不会受到外力影响而离开指定位置。
再次，不能出现刹车动作长时间抱死的情况，应进行这一动作的周期性和间歇性设计。
最后，要将整个液压系统的额定工作压力、额定流量和重量等控制在合理的范围内，同时也要保障系统具有较强的安全保护功能。
2.模型飞机微小型起落架液压系统方案设计2.1动作回路设计模型飞机起落架液压系统设计时需要充分考虑到飞机起飞阶段和回收阶段的功能要求，在起飞之前，应将起落架及时收回而后关闭起落架舱门。
在飞机飞行期间，应保证液压系统一直保持关闭状态。
在回收阶段，先要打开起落架舱门而后放下起落架，达到指定位置后锁紧处理。
《机电一体化系统设计》复习资料解读
思考题：
1.机电一体化的涵义、目的、特征、基本组成 要素以及分别实现哪些功能?
2. 工业三大要素指的是什么？机电一体化设计 的目标是哪些？
3. 机电一体化的接口功能有哪些？根据不同的 接口功能试说明接口的种类。
4. 说明机电一体化系统设计的设计思想、方法。
5. 开发性设计、变异性设计、适应性设计有何 异同？
一对齿轮区中在的闭一环个系齿统轮中4装，则可能造成系统不稳 在电机输定出，轴常上会，使并得将系电统机产生以1～5倍的间隙 2安装在偏而心进套行1的(或低偏频心振轴荡) 。 上，通过转动为偏此心尽套量(采偏用心齿轴侧) 隙较小、精度较高 的轮齿轮转的正角中、， 心的 则反就 距齿 多转可 ，轮 采时调 从传用的节而动各齿两消副种侧啮除。调间合圆但整隙齿柱为齿。了侧13偏减降隙心速低的套箱 2制方电动造法机成来本消，除 特点是结或构减简小单啮，合但间其隙侧，隙以提4和高5减传速动齿轮精度和系 不能自动统补的偿稳。定性。
弹簧-阻尼系统图
1-主动件；2-弹簧-阻尼； 3-运动件；4-静导轨
防止爬行现象采取以 下几项措施
为防止爬行现象的出现，可同时采取以下 几项措施： ★ 采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴 塑料层导轨等； ★ 在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的 导轨油； ★ 用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动 链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。
导向支承部件
▪ 导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要 求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被标为导轨副， 简称导轨。
▪ 导轨副主要由承导件1和运动件2两部分组成，如图2-20所 示。运动方向为直线的被称为直线导轨副，为回转的被称为 回转运动导轨副。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩 擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。
第三章 执行元件.
第三章 执行元件
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第一节 直线往复运动执行元件
液压传动中的执行元件是将流体的压力能转化为机械能的元件。它驱动机 构作直线往复或旋转（或摆动）运动，其输出为力与速度，或转矩与转速。
一、液压缸
液压缸是用油液的压力能来实现直线往复运动的执行元件。
（一）液压缸的类型
液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。它们输入为 压力和流量，输出为力和速度。
2019/7/7
第三章 执行元件
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第二节 旋转运动执行元件
图3-22 轴向点接触柱塞式液压马达结构图
1-轴；2-斜盘；3-轴承；4-鼓轮；5-弹簧；6-传动销；7-缸体； 8-配油盘；9-柱塞；10-推杆
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第三章 执行元件
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第二节 旋转运动执行元件
（四）低速液压马达
低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，它的特点是输入油液压力高、排量 大，可在马达轴转速为 10r/min以下平稳运转，低速稳定性好，输出转矩大， 可达几百 N·m到几千N·m。所以又称低速大扭矩马达。
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第三章 执行元件
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第二节 旋转运动执行元件
一、液压马达 液压马达是一种将液压能转换为机械能的转换装置，是实现连续旋转或摆动的
执行元件。 （一）液压马达的工作原理
Ti Fyr Fy R sin FR tan sin T FRtan sin
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（一）应注意的问题
1）尽量使活塞杆在受拉力状态下承受最大负载，或在受压状态下活塞杆应具 有良好的纵向稳定性。
2）液压缸各部分的结构尽可能按推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽量 做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便。
第三章液压执行元件-PPT
二、液压马达得工作原理
1、叶片式液压马达
叶片式液压马达工作原理
大家学习辛苦了，还是要坚持
❖继续保持安 静
• 原理——由于压力油作用,受力不平衡使转子 产生转矩。
• 输出转矩T——与液压马达得排量VM和液压马
达进出油口之间得压力差有关,
• 转速n——输入液压马达得流量qM大小来决定。
❖ 转动特性——能正反转(压、回油互换) ❖ 结构特点: ❖ 叶片要径向放置---适应正反转
❖ 双杆活塞缸在工作时,一个活塞杆是受拉得,而另一 个活塞杆不受力,(活塞杆始终不受压力)因此这种液 压缸得活塞杆可以做得细些。
连杆式径向 柱塞马达
❖ 曲线定子 式
定子有多段曲线,转子每转一转柱塞来回往复多次, 排量大,所以转矩大。 定子内表面采用正弦曲线,(或等加速曲线、阿基米德曲
线),保证在低转速下也能稳定工作。 为增大转矩,也有做成多排转子,各排错开可减小脉动。
❖ 多作用指定子得内曲面可以多达十几段(多次行程)。转子每转 一转,每个柱塞经过每一段时都要吸排油各一次,柱塞要进行多 次进退,对输出轴产生多次渐增转矩,并通过输出轴带动负载旋 转,因此称为多作用马达。
❖ 原因——液压n马M 达内Vq部MM 有M泄v 漏,
❖ 式中,nM —液压马达得实际转速
❖
qM —液压马达得输入流量;
❖
VM —液压马达得理论排量
❖
ηMV —液压马达得容积效率
❖ 转速过低时得爬行现象——当液压马达工作 转速过低时,往往保持不了均匀得速度,进入 时动时停得不稳定状态。
❖ 为防止“爬行” :高速液压马达工作转速不应
七、液压马达常见故障及其排除
一、转速低输出转矩小
1、由于滤油器阻塞,油液粘度过大,泵间隙过大, 泵效率低,使供油不足。清洗滤油器,更换粘度适 合得液油,保证供油量。
第3章 执行元件
机电一体化
8、步进电机的升降速控制
如要求步进电动机运行速度低，运行脉冲频率低于它本 身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并 以该频率连续运行； 停止的时候，可以从运行频率直接降到零速，无需升降 频控制。 如要求运行速度较高，脉冲 频率选择不当，步进电机或者不 能正常启动，或者由于惯性不能 准确地移到新的位置，即发生失 步或过冲现象。 在步进电机开环控制系统中， 如何防止失步或过冲是步进电机 开环控制系统能否正常运行的关 键。
机电一体化
三、步进电动机及其驱动
将电脉冲信号转换成机械角位移的 执行元件。 每当电动机绕组接受一个电脉冲， 转子就转过一个相应的步距角。 转子角位移的大小及转速分别 与输入的电脉冲数及频率成正比， 并在时间上与输入脉冲同步。 只要控制输入电脉冲的数量、 频率以及电动机绕组的通电顺序， 电动机即可获得所需的转角、转速 及转向，很容易用微机实现数字控 制。
机电一体化
6、步进电机驱动电源
单电压驱动
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机电一体化
单电压驱动（3相功放）
回首页
机电一体化
高、低压双电压驱动电路
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机电一体化
高、低压双电压驱动电路
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机电一体化
斩波恒流驱动电路
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7、步进电机的细分驱动
基本步距角的大小只有两种，即整步或半步工作（如三相三 拍，三相六拍工作方式：1.5°/0.75°）。步距角已由步进电 动机结构所确定。 如果要求步进电动机有更小的转角（实际步距角）或者为减 小电动机振动、噪声等原因，可以在每次脉冲切换时，不将绕 组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一 部分，电动机转过的每步运动也只是基本步距角的一部分。 绕组电流不再是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式 的投入或切除。电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数 转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法 被称为细分驱动。 细分驱动的特点：在不改动电动 机结构参数的情况下，可使运行平稳， 提高匀速性，减弱或消除振荡。但细 分后的步距角精度并未提高，功率放 大驱动电路也相应复杂。 回首页
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宽调速直流伺服电动机
33
直流伺服电动机的调速方法
• 直流伺服电动机与驱动
• 直流伺服电动机为直流供电，为调节电动机 转速和方向,需要对其直流电压的大小和方向 进行控制
• 驱动方式：
• 晶闸管直流调速驱动
• 通过调节触发装置控制晶闸管的触发延迟角(控制电压的 大小)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小 ，使直流电动机电枢电压的变化易于平滑调速。
机械设计制造及其自动化专业课程
机械电子学 （机电一体化系统设计）
第三章 执行元件的选择与设计
1
3 执行元件的选择与设计
• 3.1 执行元件的种类、特点及基本要求 • 3.2 常用的控制用电动机 • 3.3 直流与交流伺服电动机及驱动 • 3.4 步进电动机及驱动（★）
2
3.1 种类、特点及基本要求
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
29
3.3 直流与交流伺服电动机
• 一、直流(DC)伺服电动机及其驱动
• 直流伺服电动机的特性及选用
• 优点:具有较高的响应速度、精度和频率，优良的 控制特性
• 不足：由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要 定期维修
• 典型产品：宽调速直流伺服电动机
30
宽调速直流伺服电动机
• 结构特点：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
• A、不带制动器 • B、带制动器
• 日本FANUC公司生产的L系列(低惯量系列) 、M系列和H系列直流伺服电动机
31
宽调速直流伺服电动机
• 执行元件的概念：
• 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
3
执行元件——电动机
4
执行元件——电动机
5
执行元件——电动机
6
直线电机平台
7
直线电机平台
8
执行元件——电动机
9
执行元件——电动机
10
执行元件——电动机
11
执行元件——气压式
三相交流量
两相交流量
交流/直流变换
等效直流量
逆变换
还原三相交流量
实现转矩和转速控制
49
同步交流伺服电机控制
• SM伺服电机结构图
永磁转 子材料： 铁氧体 稀土
50
同步交流伺服电机控制
• SM伺服电机结构图
51
同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 图中A，B，C分别为 定子绕组的轴线。
• 转子的磁极轴线为直 轴d，逆时针方向转 90度为交轴q。
12
执行元件——液压式
13
电机执行元件的应用
14
液压执行元件的应用
15
液压执行元件的应用
16
压电驱动器
17
压电驱动器
18
压电驱动器
19
3.1 种类、特点及基本要求 Nhomakorabea电磁式电动机
电磁铁及其它
交流(AC)伺服电动机 直流(DC)伺服电动机
执
行
液压式
元
件
气压式
油缸
液压马达
气缸
气动马达
步进电动机 其它电动机
• 交流伺服系统分类
正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统 同步型交流伺服系统（SM）
矩形波电流驱动的无刷直流伺服系统 异步型交流伺服系统（IM）
48
3.3 直流与交流伺服电动机
• 二、交流(AC)伺服电动机及其驱动
• 感应交流伺服电机
• SM交流伺服电机的矢量控制
• 直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩的控制容易，动 态性好，而交流电机的电枢电流不容易得到，转矩的动 态控制较困难，进行矢量控制的目的就是模拟直流电机 的转矩控制规律
• 力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频 调速电动机、开关磁阻电动机和各种 AC/DC电动机等。
• 是电气伺服控制系统的动力部件，是将电 能转换为机械能的一种能量转换装置。
• 可在很宽的速度和负载范围内进行连续、 精确的控制。
• 常用的控制用电动机是指能提供正确运动 或较复杂动作的伺服电动机。
22
3.2 常用的控制用电动机
44
晶体管直流调速驱动（PWM）
桥式整流电路
45
晶体管直流调速驱动（PWM）
46
3.3 直流与交流伺服电动机
• 直流伺服电机的应用
47
3.3 直流与交流伺服电动机
• 二、交流(AC)伺服电动机及其驱动
• 交流伺服驱动系统组成
• 伺服电机 • 伺服驱动器
• 采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内 环、速度环为外环的多环闭环控制系统
• 伺服电动机控制方式的基本形式
23
3.2 常用的控制用电动机
• 伺服电动机的特点及应用实例
24
3.2 常用的控制用电动机
25
3.2 常用的控制用电动机
26
3.2 常用的控制用电动机
27
3.2 常用的控制用电动机
28
3.3 直流与交流伺服电动机
• 熟悉直流电机的工作原理
电刷
+
U
N I
I
– S
双金属片
形状记忆合金
其它
与材料有关
压电元件
20
3.1 种类、特点及基本要求
• 对执行元件的基本要求： 比功率密度： • 惯量小，动力大；
• 体积小，重量轻；
• 便于维修，安装； • 宜于微机控制
(T2 / J) / G
• 新术语：
• 比功率：P/T2/J
• P为功率， 为角加速度， 为角速度
21
3.2 常用的控制用电动机
• 晶体管脉宽调速驱动
34
晶体管直流调速驱动（PWM）
• 脉冲宽度调制
• Pulse Width Modulation（PWM）
• 晶体管
• 半导体三极管，Transistor
• 晶闸管
• 晶体闸流管，可控硅整流器，“古”称可控硅 ，Thyristor
35
晶体管直流调速驱动（PWM）
36
晶体管直流调速驱动（PWM）
：i0[iAiBiC]/30
i d ( t ) = 2 3 i A ( t ) c o s ( θ ) + i B ( t ) c o s ( θ - 1 2 0 o ) + i C ( t ) c o s ( θ + 1 2 0 o ) i q ( t ) = 2 3 i A ( t ) s i n ( θ ) + i B ( t ) s i n ( θ - 1 2 0 o ) + i C ( t ) s i n ( θ + 1 2 0 o ) 53
• θ=2πft 为转子d轴 虚部 相对于定子A轴逆时 针转过的角度。
实部
52
同步交流伺服电机控制
• 矢量控制
• 定义定子电流的空间矢量为：
• 其物理意义代表合成磁势的大小及方向
i(t)=2 3 iA (t)ej0 0+ iB (t)ej1 2 0 0+ iC (t)ej2 4 0 0 • 将i(t)向d、q轴变换，并引入零轴电流i0，得
37
晶体管直流调速驱动（PWM）
1 0
0
1
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晶体管直流调速驱动（PWM）
0 0
0 0
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晶体管直流调速驱动（PWM）
0 1
1 0
40
晶体管直流调速驱动（PWM）
0 0
0 0
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晶体管直流调速驱动（PWM）
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晶体管直流调速驱动（PWM）
整流电路
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晶体管直流调速驱动（PWM）
桥式整流电路