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机电一体化(2)

然后详细介绍三种执行装置:

电动执行装置

a.直流伺服电机

特点:直流伺服电机,只要连接到直流电源即可运行,这是直流电机的主要优点。此外,直流伺服电机作为一种控制电机,具有启动扭矩大、体积小、重量轻、扭矩和速度控制方便、效率高等优点。 缺点:由于转子上安装了具有机械运动的电刷和换向器,需要定时维护、更换电刷,因此存在使用寿命短和噪声大等问题。此外,直流电机与步进电机不同,在位置控制和速度控制时,必须使用角度传感器来实现闭环控制。

b.交流伺服电机

优点:因没有电刷和换向器而不需要维护,也没有产生火花的危险; 缺点:驱动电路复杂,价格高于直流电机。 近年来,工业机器人和伺服电机的交流NC机床等许多领域得到了广泛的应用。

c.步进电机和直接驱动电机

步进电机: 特点:步进电机也称为脉冲电机。每当输入脉冲时,电机旋转固定角度(步距角)。因此,电机的转角与输入脉冲总数成正比,电机的转速与输入脉冲的频率成正比。 优点:无传感器,无反馈,可实现开环控制;由于数字信号可以直接控制,与计算机接口容易;维护方便,使用寿命长,启动、停止、正转、反转方便。 缺点:能量效率低,故障(输入脉冲,电机不旋转)等。

步进电机分为永磁体(permanent magnet,PM)类型,可变磁阻(variable reluctance,VR)混合(也称为反应)(hybrid,HB)式。

超声波电机:是一种利用定子与靠近定子的转子之间的摩擦力产生转矩的电机。

液压和气动执行装置

液压执行装置

液压系统: 液压系统由液压泵、减压阀和管道组成 、由控制阀、执行装置等组成。

液压泵将电机或发动机驱动的旋转机械能转化为流体能。减压阀用于将液压泵的出口压力保持在一定的压力值。用于传递流体能和流体信号的管道相当于电气系统的导线。由于控制阀用于控制液压油的流量、压力和流向,因此分别称为流量控制阀、压力控制阀、换向阀等。执行装置是将流体能转化为机械能的装置,产生位移、速度和力等机械量。

除液压电机和280之外,典型的液压执行装置是液压缸°范围内旋转的摆动缸。液压电机与液压泵的输入输出关系正好相反,结构基本相同。

气动执行装置及控制阀

气动系统: 由空气压缩机、二次冷却器、储气罐、干燥机、过滤器、减压阀、管道、控制阀和气动执行装置组成。

除气动电机和摆动式气动执行装置外,气缸是典型的气动执行装置。气动执行装置本质上与液压执行装置相同,但由于空气的压缩性和油的润滑性,两者之间存在一些细微的差异。

典型的气动电机包括叶片电机和径向活塞电机。气动机械噪音大,有时需要安装消音器。叶片气动电机的优点是速度高、体积小、重量轻,缺点是启动扭矩小。径向活塞电机具有输出功率大、启动扭矩高等优点,其缺点是结构复杂、体积大。

用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)或脉码调制(pulse code modulation,PCM)控制高速开关电磁阀也可形成气动伺服控制系统。

机械传动机构

机构用于传递执行装置的能量,改变运动范围、速度、方向和扭矩。

齿轮和减速机构

齿轮齿的大小用模数表示,不同模数的齿轮不能正确啮合。模数定义为节距/圆周率,但更容易用分度圆直径/齿数表示。模数增大,齿轮齿形增大。

同步齿形带与带传动机构

与V型带相比,同步齿形带不需要太大的张力,刚度更好;由于有齿啮合,传动效率更高。链式传动机构在长距离传动中刚度较高,但在高速运行时存在振动噪声问题。与其它传动相比,绳索传动刚度最低,但由于其传动线路限制较少,在许多情况下被用作简单的传动。四杆连杆机构传动刚度好,精度高,常用于机械手等系统。

谐波齿轮减速器

其他传动机构

滚珠丝杠传动机构、齿轮齿条传动机构

阻抗匹配

在电气系统中,如果电源的内部阻抗与负载阻抗相同,则负载消耗的电能最大,效率最高。它在机械系统和流体系统中也具有相似的性质。为了从某种能量中获得最高效率的能量,负载阻抗通常与能量内部阻抗一致,称为阻抗匹配。

机械系统的阻抗包括惯性阻抗(惯性质量和惯性矩,相当于电气系统中的线圈感应)、摩擦阻抗(线性运动和旋转运动摩擦,相当于电气系统中的电阻)和弹性阻抗(弹簧和轴的扭转弹性变形,相当于电气系统中的电容器)。

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