执行机构及应用

第3章执行装置的构造及其使用方法执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。新型执行装置：压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。数字计算机执行装置（电机、液压等）执行机构（臂、手等）传感器（视觉、触觉等）环境（控制对象）运动控制卡A/D驱动器端子板图像采集卡一、直流电机驱动（DCmotor）1.直流电机工作原理止口左手定则直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。T=BILr换向器电刷2.矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。3.直流电机的控制方式改变电压或电流控制转速和转距。RKKVTTE)(其中，KE为电动势常数，KF为转矩常数。PWM(PulseWidthModulation)控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。4.直流电机的特点书籍是进步的阶梯缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。二、交流电机驱动（ACmotor）1.工作原理ACservomotor止口2.矩频特性曲线同步电机：转子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速度差（不是角度差）。同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。伺服电机的精度由编码器的精度决定。3.交流电机的特点4.交流电机的控制方式改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。西门子主轴电机特性曲线西门子进给电机特性曲线三、步进电机驱动（steppingmotor）步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环控制，所以精度不高。步进电机有三种：永磁式PM（permanentmagnet）；反应式（也称可变磁阻式）VR（variablereluctance），在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.工作原理PM式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o~90o。VR式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o~15o。HB式步进电机是PM式和VR式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状与VR式相似，步距角一般为0.9o~15o。相数：产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。2.相关术语失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。保持转距（HOLDINGTORQUE）或静转矩是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。比如，当说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情况下一般是指保持转矩为2Nm的步进电机。定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译。细分驱动器的原理驱动器细分后的主要优点：（1）完全消除了电机的低频振荡。（2）同时也提高了电机的输出转矩。（3）提高了电机的分辨率。通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。3.运行矩频特性4.步进电机驱动的特点控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。起动曲线运行曲线在这个输出转矩区间，步进电机启动时的输入脉冲频率必须缓慢增加1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；2、高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；4、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；5、电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；6、发热和噪音明显降低。伺服电机与步进电机比较伺服电机的优势：超声波电机特点：超声波电机具有体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能好，没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。工作原理：当给压电陶瓷施加一定方向的电压时，各部分产生的应变方向相反（在正电压作用下，+的部分伸长，-的部分压缩），+、-部分交替相接。在交流电压的作用下，压电陶瓷就会沿圆周方向产生交替的伸缩变形，定子弹性体的上下运动产生驻波。此外，由于重叠在一起的两片压电陶瓷的相位差为90O，所以，在形成驻波的同时也会在水平方向形成行波。这样，在驻波和行波的合成波的作用下，使定子作椭圆运动轨迹的振动。这样，装在定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。同样也有直线运动的超声波电机。超声电机精密平台日本的CANON公司最早将超声波马达使用在照相机的透镜驱动上，对焦快速而且准确美国航空暨太空总署已经成功地将超声波马达应用在无人探测船的机械手臂上，所使用的超声波马达比同功能的电磁马达减轻了40％的重量！清华大学亦研制了世界上最小的超声波马达，直径只有1毫米，长5毫米，重量仅有36毫克直接驱动电机（directdrive:DD）优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。种类：直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。3.2液压驱动液压缸液压马达优点：（1）容易获得比较大的扭矩和功率；（2）功率/重量比大，可以减小执行装置的体积；（3）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；（4）通过流量控制可以实现无级变速。缺点：（1）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；（2）有因漏油而发生火灾的危险；（3）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。液压驱动的特点：气动驱动气动执行装置的种类：气缸、气动马达。优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；（2）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；（3）无火灾危险和环境污染；（4）系统结构简单，价格低。缺点：（1）由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差；（2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢；（3）噪音大；气动驱动的特点：机械传动机构目前，机器人的旋转关节有60%~70%都使用谐波齿轮。谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮组成。（1）谐波齿轮减速器假设刚性齿轮由100个齿，柔性齿轮比它少2个齿，则当谐波发生器转50圈时，柔性齿轮转1圈，这样只占用了很小的空间就可得到1:50的减速比。波发生器是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器相反方向的缓慢旋转。1）蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。2）谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差，输入转速不能太高，价格较高。3）行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。另外行星减速箱，有平齿和斜齿2种，精度和价格都有不同。同步齿型带（带齿的皮带）、V型带（三角皮带）、平型带、链、绳索（钢丝绳）、连杆等机构都是长距离传递运动的机构。四连杆机构刚度好、精度高，机械手等系统上经常使用。利用同步齿形带减速,可自由调节传动比,没有传动间隙,工作中没有冲击。（2）同步齿型带转动惯量MomentofInertia刚体绕轴转动惯性的度量。其数值为J=∑mi*ri^2，式中mi表示刚体的某个质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离。转动惯量折算依据折算前后动能不变的原则►伺服电机转子惯量有大、中、小之分，分别应用在不同场合。例如对于数控机床、加工中心等设备，无论是主轴系统还是进给系统，往往采用大惯量电机，使得负载惯量折算到电机轴上与电机转子惯量相比占很小比例，负载惯量折算到电机轴上为:J’L＝JL/N2►JL—负载惯量;N—从电机到负载的减速比;J’L—折算到电机轴上的负载惯量。减速环节减速以后的传动件,其转动惯量对电机的影响随减速比的平方减少,而使等效转动惯量降低。另外,电机额定转距减少,使电机尺寸缩小,价格降低,设计实例：►己知：拖板重量W=2000N，拖板与贴塑导轨之间的摩擦因数u=0.06，车削时最大切削负载Fs=2150N(与运动方向相反)，y向切削分力Fy=2Fz=300N(垂直于导轨）,要求刀具切削时的进给速度：V=10~500mm/min，快速行程速度：V0=3000mm/min，滚珠丝杠名义直径D0=32mm,导程：p=6mm，丝杠总长l=1400mm拖板最大行程1150mm，定位精度0.01mm，试选择合适的步进电机。(1)脉冲当量的选择:初步选择三相步进电机的步距角为0.750/1.50，三相六拍控制时步距角为0.750，每转其脉冲数为rpn/48075.036000根据脉冲当量的定义，可以得到中间齿轮传动比i为：mm01.0当时，由公式：inp25.101.04806npi设计大小齿轮为：Z1=20Z2=25m=2mm等效惯量的计算：1)滚珠丝杠的惯量：2434401031.11321085.71402.314.332mkglDJs2)齿轮的惯量：324bdJG求得：241102.0mkgJG24210481.0mkgJG3)拖板的运