第三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。
第3章机电一体化系统执行元件-文档资料
噪声久磁铁、定子用软磁钢制成
8) 定子上绕组通电建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸 引与排斥产生转矩
电方式有关。
15
3)矩－频特性曲线：步进电动机在连续运行 状态下，电磁转矩随控制频率的升高而逐步 下降。这种电磁转矩与控制频率之间的变化 关系称为矩－频特性。 4) 空载起动频率（空载突跳频率，fq）：在 空载状态下，转子从静止状态能够不失步地 起动时的最大控制频率。反映电动机跟踪的 快速性。负载惯量增加 fq 5) 最高连续运行频率fmax： 步进电动机在额定状态下不丢步地连续 运行时所能接受的最高控制频率。 fmax fq
4. 液压式 先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而 时液压执行元件驱动运行机构运动。
5. 气压式 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执 行元件无什么区别 代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等
3
执行元件的特点及优缺点
种 特点 类
优点
缺点
电 可使用商用电源；信 操作简便；编程容 瞬时输出功率大；过载
六、步进电动机的驱动
1. 步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。 2.驱动电源由脉冲分配器和功率放大器等组成 P.99图3.11 3.脉冲分配器：步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才
6
7
二、机电一体化系统对控制用电动机的基本要求
1. 性能密度大（功率密度、比功率大）
功率密度：PG=P/G (W/N) 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
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
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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@
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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。
第3章 液压执行元件
设此时的速度为v3
q2 = A2v3
A1v3 = q + A2v3
代入上式： q = v3 ( A1 − A2 ) q q 4q = = 速度： v3 = A1 − A2 A杆 π d 2 πd2 推力： F3 = pA 1 − pA 2 = p ( A1 − A2 ) = pA 杆 = p 4 特点：v3 > v1 ；F3 < F1 。
双作用 缸
单向或双向不可调 节缓冲式 单向或双向可调节 缓冲式
双活塞杆（也可设置缓 冲） 伸缩式 增压缸 摆动液 压缸 活塞式 单叶片摆动液压缸 双叶片摆动液压缸
压力油能 控制双向 运动
行程一端或两端有可调节缓冲装置 通常缸两端有效作用面积相等 有两级或两级以上的活塞缸套装而成
有两个不同的压力室组成，输入低压另一室可得高压
增压缸（增压器） 增压缸（增压器）
多级缸（伸缩缸） 多级缸（伸缩缸）
齿条活塞缸（无杆液压缸） 齿条活塞缸（无杆液压缸）
1.伸缩液压缸
伸缩缸又称多级缸， 它由两级或多级活塞 缸套装而成。 前一级活塞缸的活塞 就是后一级活塞缸的 缸筒；.
伸缩液压缸
1．一级缸筒 2．一级活塞 3．二级缸筒 4．二级活塞
摆动液压缸参数计算
T = zb/8·(D2-d2)(p1-p2)ηm ω= 8qηcv/zb(D2-d2)
双叶片摆动式液压马达
T双 = 2T单 ω双=1/2·ω单
摆动液压缸特点
结构紧凑，输出转矩大， 结构紧凑，输出转矩大，但密封
困难，一般只用于中低压系统。 困难，一般只用于中低压系统。
3.1.4其它形式的常用缸 其它形式的常用缸
q 4q v2 = = 2 2 有杆腔进油 A2 π ( D − d )
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
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
机电一体化技术与系统
第一章概述1、机电一体化术语的来源：最早（1971年）起源于日本2、机电一体化乃是在机械的主功能、动机功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与微电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称。
3、机电一体化系统（产品）构成的五大部分（或子系统）是：控制器、检测传感器、执行元件、动力源、机构。
P64、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、融合（结合）法和组合法。
例：机电一体化系统设计考虑方法及设计类型考虑方法——（1）机电互补法（2）结合（融合）法设计类型——（1）开发性设计（2）适应性设计（3）变异性设计第二章机械系统部件的选择与设计1、为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中常提出低摩擦、无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。
2、差动传动方式工作原理图：由图可知螺杆2左、右两段螺纹螺距不同、旋向相同的螺纹Ph1和Ph2，若螺母旋合圈数为5，当丝杠2转动时，Ph1=15，Ph2=8，则螺母1的移动距离为多少？解：Δλ=n(Pn1-Pn2)=352．如图所示的电机驱动工作台系统，其中驱动x 向工作台的三相双三拍步进电机，转子齿数z 为100。
滚珠丝杠的基本导程为l 0=6mm 。
已知传动系统的横向(x 向)脉冲当量δ为0.005mm/脉冲。
试求：（1）步进电机的步距角α；（2）减速齿轮的传动比i 。
解：（1）K=3相，N=3拍，z=100步进电机的步距角α=360º/(z*m)= 360º/(z*K*N)= 360º/(100*3*3)=0.4 º（2）由于一个脉冲，步进电机旋转0.4 º，工作台横向(x 向)脉冲当量0.005mm ，由于滚珠丝杠的基本导程为l 0=6mm ，对应于丝杠转动一周360 º ，设一个脉冲丝杠转动的角度为x ，则 6mm/360º=0.005/x º，得x=0.3º故减速齿轮的传动比i=0.3/0.4=3/46、滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有 内循环 和 外循环 两种。
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。
CK6163数控车床卡紧,尾座顶紧及预紧液压系统
（4）液压系统压力（0.2～4.5MPa），预计液压系统使用流量：23L/min。
液压系统作为CK6163数控机床的传动装置， 应采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离传递大能量；能承受较大的载荷；没有复杂的传动机构；在室内的空气里能保证安全，动作迅速；操作、调节简单；过载保护简单可靠。
3.2 CK6163机床液压系统选型
F= = =860kg
计算油缸面积A= = =0.002107 =2107
计算液压缸直径D= =51.8mm,可圆整为D=80mm,活塞杆直径d=0.5D=40mm。
第三章 CK6163数控机床液压系统设计计算
3.1CK6163数控机床液压系统的设计要求
《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。
液压与气动控制技术辛连学3液压执行元件答案
3.在液压系统的液压缸是（ ）
A.动力元件B.执行元件C.控制元件D.传动元件
4.在液压传动中，液压缸的（ ）决定于流量。
A.压力B.负载C.速度D.排量
5. 将压力能转换为驱动工作部件机械能的能量转换元件是（ ）。
A、动力元件； B、执行元件； C、控制元件。
6.要求机床工作台往复运动速度相同时，应采用（ ）液压缸。
5.根据工作压力和材料，确定液压缸的壁厚尺寸、活塞杆尺寸、螺钉尺寸及端盖结构。
6.可靠的密封是保证液压缸正常工作的重要因素，应选择适当的密封结构。
7.根据缓冲要求，选择适用的缓冲机构，对高速液压缸必须要设置缓冲装置。
8.在保证获得所需要的往复运动行程和驱动力条件下，尽可能减小液压缸的轮廓尺寸。
9.对运动平稳性要求高的液压缸应设置排气装置。
A、不动 ； B、动，速度低于任一腔单独通压力油； C、.动，速度高于任一腔单独通压力油。
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第三章 液压执行元件
思考题与习题
二、单项选择题
1.液压缸差动连接工作时，缸的（ ），缸的（ ）。
A.运动速度增加了B.输出力增加了C.运动速度减少了D.输出力减少了
2.在某一液压设备中需要一个完成很长工作行程的液压缸，宜采用（ ）
A.单活塞液压缸B.双活塞杆液压缸C.柱塞液压缸D.伸缩式液压缸
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第三章 液压执行元件
第一节 液压缸 四、其他液压缸
3．增压缸 在某些短时或局部需要高压的液压系统中，常用增压缸与低压大流量泵配合作用，单作用增压缸的 工作原理如图3-16a所示，输入低压力p1的液压油，输出高压力为p2的液压油，
单作用式增压缸不能连续向系统供油，图3-16b为双作用式增压缸，可由两个高压端连续向系统供油。
机电一体化复习要点
机电一体化复习知识总结（ML制作）第一章绪论1 Mechatronics机电一体化，由机械学与电子学组合而成。
2 机电一体化含有两方面内容，首先是机电一体化技术，其次是机电一体化产品。
3 机电一体化的目的是提高系统的附加值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源。
4 机电一体化系统需解决的共性关键技术有检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机密机械技术及系统总体技术。
5 机电一体化系统由机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。
6 构成机电一体化系统的要素或子系统之间必须能顺利的进行物质、能量与信息的交换和传递。
7 机电一体化系统设计类型有开发性设计、适应性设计与变异性设计。
8 确定机电一体化系统目的功能与规格后，机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程为“机电一体化工程”。
9 机电一体化系统设计的现代设计方法，计算机辅助设计与并行工程、虚拟产品设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计、网络合作设计。
第二章机械系统部件的选择与设计1 机械系统部件的设计要求低摩擦、短传动链、最佳传动比、反向死去误差少、高刚性。
2 机械传动部件实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。
3 机电一体化发展要求传动机构不断适应精密化，高速化，小型、轻量化要求。
4 滚珠丝杠四种基本类型（1）螺母固定、丝杠转动并移动，（2）丝杠转动、螺母移动，（3）螺母移动、丝杠移动，（4）丝杠固定、螺母移动并转动。
5 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种，内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触。
6 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧（1）双螺母螺纹预紧调整式，（2）双螺母齿差预紧调整式，（3）双螺母垫片调整预紧式，（4）弹簧式自动调整预紧式，（5）单螺母变位导程预紧式，（6）单螺母滚珠过盈预紧式。
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。
基于项目教学法的机电一体化系统设计教学改革研究
基于项目教学法的机电一体化系统设计教学改革研究摘要：机电一体化系统设计是一门多学科交叉融合、各章节相对独立的课程，而且理论知识与实践联系较为紧密，学习难度较大；因此本文提出一种与智能物流机器人研究项目相结合的项目驱动教学方法，在教学内容、教学实施以及学习评价等方面进行了相应改革，以提高学生学习的积极性并促进学生能够将知识点繁多的课程内容系统性学习，切实提高学生专业实践动手能力和创新精神。
关键词：项目教学法；教学改革；机电一体化系统设计机电一体化系统设计是机械电子工程专业一门重要的专业课程，该课程的任务是通过机械设计理论、控制原理、传感检测技术以及信号处理等多方面基本知识的学习，使学生掌握机电一体化系统设计的主要步骤、过程和方法[1]。
但是机电一体化系统设计课程由多学科交叉融合而且各章节相对独立，部分内容需要以先修课程为基础，在同一个班级里每位学生的专业基础知识水平参差不齐，因此保证该课程的教学效果难度较大，单纯的传统讲授教学以及仅凭借考试评定成绩的方式已经不能适应这样一门综合性强的课程[2]。
本文提出将课程内容与智能物流机器人研究项目相结合，将书本上抽象的的知识通过项目具体化，学生能够在项目实施的过程中真正将理论知识转化为实践，提高教学效果。
一、项目教学内容机电一体化系统设计教材中通常包含机械系统部件的选择与设计、执行元件的选择与设计、微机控制系统的选择及接口设计等内容，而本文中的智能物流搬运机器人是指能够根据调度系统下达的控制指令以及预先写入的程序，依照车载传感器感知的位置和坐标信息，沿着在车间中规划好的路线前进，同时能够对物料进行识别将所需物料运送至指定位置的机电一体化设备，其设计以及制造的过程中涉及到对机器人的机械结构设计、伺服电机控制、传感器信息检测以及单片机程序编写等方面，与机电一体化系统设计课程内容联系紧密，几乎与机电一体化系统设计教材中的各个章节相互对应，因此智能物流搬运机器人研究项目与课程内容具有较高的匹配度，同时该项目将教材中原本独立的章节融合为一个整体，有利于学生系统性学习并为将来从事机械电子系统设计、工程机械、机器人、自动控制等领域工作积累项目经验。
第三章 执行元件
T F r F R sin FRtg sin
i T T
R为柱塞在缸体中的分布圆半径。液压马达的转矩是高压腔柱塞产生的转矩总和。
T FRtg sin
二、主要参数
(3 21)
液压马达产生的总转矩也是脉动的。
设液压马达的进、回油腔的压差为 p 输入流量为q，液压马达的排量为V, 液压马达的理论转矩 Tt 实际转矩 T
4.缓冲装置
• 原理：利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸盖 之间封住一部分油液，强迫它从小孔或缝隙中挤出，以产 生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度， 达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。
5.排气装置 两种形式： a .在缸盖最高处安排气孔 b.在缸盖最高处安排气塞 油中混入的空气或外界侵入的空气的危害： 影响液压缸运动的平稳性，低速时引起爬行，启动时造成冲击，换向时降低精 度等。
(3 3)
F2 ( p1 A2 p2 A1 ) m [( p1 p2 ) D 2 p1d 2 ] m 4
v1 4qV q V A1 D 2 (3 5)
(3 4)
输出速度比
v
v 1 v 1 ( d ) D
2 1
2
• 单杆活塞缸在左右两腔都接通高压油时， 称为差动连接，这时称作差动缸。
4qV q v1 v2 V A (D2 d 2 ) (3 2)
(3 1)
• A为活塞的有效工作面积；D、d为活塞、活塞杆 直径；q为输入流量； p 、p2为缸进、出口压 v为缸的机械、容积效率。 、 力；
1
m
(二)单杆活塞缸
F1 ( p1 A1 p2 A2 ) m [( p1 p2 ) D 2 p2 d 2 ] m 4
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二、 交流(AC)伺服电动机及其驱动
同步型和感应型伺服电动机称为交流 伺服电动机，其基本原理是检测SM（同步） 型和IM（感应）型的气隙磁场的大小和方向， 用电力电子变换器代替整流子和电刷，并通 过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙 磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量 和转矩。
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
第二节 常用的控制用电动机 第三节 直流(DC)与交流(AC)
伺服电动机及驱动
第四节 步进电动机及驱动
习题与
执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、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 业机器人手臂的升降、回转和伸缩运动等所用驱动部件即执行元件。
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
1. 直流伺服电动机的特性及选用
直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电 枢电流磁动势正交，从而产生转矩。其电枢大多为永久磁铁。
直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等 优点。但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。
2. 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。目前常用晶体管 脉宽调速驱动和晶闸管直流调速驱动两种方式。
晶闸管直流驱动方式，主要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。由于晶闸管本身的工作原理和电源的特点，导 通后是利用交流(50Hz)过零来关闭的，因此，在低整流电压 时。其输出是很小的尖峰值(三相全波时每秒300个)的平均值， 从而造成电流的不连续性。而采用脉宽调速驱动系统，其开 关频率高(通常达2000~3000Hz)，伺服机构能够响应的频带范 围也较宽，与晶闸管相比，其输出电流脉动非常小，接近于 纯直流。
3. 气压式执行元件
气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与 液压式执行元件无什么区别。具有代表性的气压执行元 件有气缸、气压马达等。气压驱动虽可得到较大的驱动 力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性， 故不能在定位精度较高的场合使用。
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
2. 体积小、重量轻
4. 宜于微机控制
根据这个要求，用微机控制最方便的是电气式执行元件。因此机电 一体化系统所用执行元件的主流是电气式，其次是液压式和气压式(在驱 动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。内燃机定位运动的微机控制 较难，故通常仅被用于交通运输机械。
第二节 常用的控制用电动机
控制用电动机有力矩电动机、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。控制 用电动机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。由于其可在很宽的速度和负载范围 内进行连续、精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到 了广泛的应用。
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 为 P/G。 比功率密度为 (T2/J)/G 。
3. 便于维修、安装
执行元件最好不需要维修。无刷DC及AC伺服电动机就是走向无维 修的一例。
控制用电动机驱动系统一般由电源供给电力，经电力变换
器变换后输送给电动机，使电动机作回转(或直线)运动，驱动负 载机械(运行机构)运动，并在指令器给定的指令位置定位停止。 这种驱动系统具有位置(或速度)反馈环节的叫闭环系统，没有位 置与速度反馈环节的叫开环系统。
另外，其他电气式执行元件中还有微量位移用器件，例如： ①电磁铁-由线圈和衔铁两部分组成，结构简单，由于是单向驱 动，故需用弹簧复位，用于实现两固定点间的快速驱动；②压电 驱动器-利用压电晶体的压电效应来驱动运行机构作微量位移； ③电热驱动器-利用物体(如金属棒)的热变形来驱动运行机构的直 线位移，用控制电热器(电阻)的加热电流来改变位移量，由于物 体的线膨胀量有限，位移量当然很小，可用在机电一体化产品中 实现微量进给。
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。
采用永久磁铁磁场的同步电动机不需要 磁化电流控制，只要检测磁铁转子的位置即 可。这种交流伺服电动机也叫做无刷直流伺 服电动机(如同步（SM）型伺服电动机控制框 图（见下图)。由于它不需要磁化电流控制， 故比IM型伺服电动机容易控制。
第四节 步进电动机及其驱动
一、步进电动机的特点与种类
1. 步进电动机的特点
控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电 流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复 起动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对 象的不同而不同。机电一体化系统或产品中常用的控制用电动 机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。
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
二十世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电动机，其电枢无槽，绕组直 接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用 于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副 才能与负载惯量匹配，增加了成本。
直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电动机，电枢由导电板的切口成形， 棵导体的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电动机大多用于工 业机器人、小型NC机床及线切割机床上。
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下图所示。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）。其中L系列适合于频繁 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)
1. 电气式执行元件
电气式执行元件包括控制用电动机(步进电 动机、DC和AC伺服电动机)、静电电动机、磁致 伸缩器件、压电元件、超声波电动机以及电磁铁 等。其中，利用电磁力的电动机和电磁铁，因其 实用、易得而成为常用的执行元件。对控制用电 动机的性能除了要求稳速运转性能之外，还要求 具有良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性 能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。
一、执行元件的种类及特点
根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁式、液压式和气压式 等几种类型，如下图所示。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、形状记忆合金或压电元件 。
2. 液压式执行元件
液压式执行元件主要包括往复运动的油缸、回转油 缸、液压马达等，其中油缸占绝大多数。目前，世界上 已开发了各种数字式液压式执行元件，例如电-液伺服马 达和电-液步进马达，这些电-液式马达的最大优点是比 电动机的转矩大，可以直接驱动运行机构，转矩/惯量比 大，过载能力强，适合于重载的高加减速驱动。
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，伺服放大器就不能在正常条件 范围内调整，必须避免使用这种惯性负载。
电动机
伺服电动机与驱动器
驱动器
为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥
式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电 桥由四个大功率晶体管VT1~VT4组成。如果在VT1和 VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极 上加负脉冲，这时VT1和VT4导通，VT2和VT4截止，电 流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流 通。设此时电动机的转向为正向。反之，如果在晶
体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极 上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流 沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通， 电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显