第二章-机电一体化系统中常用执行机构.doc

机电一体化系统设计基础课程教学辅导
第二章：机电一体化系统中常用执行机构
一、教学建议
l 通过文字教材了解机电一体化系统中常用的执行机构。
l 流媒体课件讲解了机电一体化系统中常用执行机构的基本原理与选择方法
l 在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以再课程论坛寻找帮助。
l 学习完本知识点，可以结合本课程网上辅导栏目的形成性考核作业1检验对所学知识的掌握情况。

二、教学要求：了解机电一体化系统中常用执行机构的基本原理与选择方法
机械执行机构向执行末端件提供动力并带动它实现运动，即把传动机构传递过来的运动和动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。
1.执行机构的基本要求
机电一体化产品的执行机构实现其主功能的重要环节，应能快速完成预期的动作，并具有响应速度快、动态性能好、动静态精度高和动作灵敏度高的特点，另外为便于计算机集中控制，还应满足惯量小、动力大、体积小、重量轻、便于维修和安装、易于计算机控制要求。
2.微动执行机构
微动执行机构是一种能在一定的范围内精确、微量地移动到给定的位置或实现特定的进给运动的机构。
（1）热变形式
热变形式执行机构属于微动机构，该类机构利用电热元件作为动力源，电热元件通电后产生的热变形实现微小位移。其工作原理如图1所示。
图1 热变形式微动机构原理
1
2
3
ΔL

传动杆1的一端固定在机座上，另一端固定在沿导轨移动的运动件3上。电阻丝2通电加热时，传动杆1受热伸长，其伸长量ΔL/mm为
ΔL＝αL（t1-t0）＝αLΔt
式中：α为传动杆1材料的线性膨胀系数，mm/oC；L为传动杆长度（mm）；t1为加热后的温度（oC）；t0为加热前的温度（oC）；Δt为加热前后的温度差（oC）。
热变形微动机构具有高刚度和无间隙的优点，并可通过控制加热电流来得到所需微量位移；但由于热惯性以及冷却速度难以精确控制等原因，这种微动系统只适用于行程较短、频率不高的场合。
（2）磁致伸缩式
磁致伸缩式机构利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应，来实现微量位移。其原理如图2所示。
1—伸缩棒 2—运动部件
图2 磁致伸缩式原理
ΔL
2
1

磁致伸缩棒1左端固定在机座上，右端与运动件2相连；绕在伸缩棒外的磁致线圈通电励磁后，在磁场作用下，棒1产生伸缩变形而使运动件2实现微量移动。通过改变线圈的通电电流来改变磁场强度，使棒1产生不同的伸缩变形，从而运动件可得到不同的位移量。在磁场作用下，伸缩棒的变形量ΔL/μm为
ΔL=±λL
式中：λ为材料磁致伸缩系数，μm/m；L为伸缩棒被磁化部分的长度，m。
磁致伸缩式微动机构的特征为重复精度高，无间隙，刚度好，转动惯量小，工作稳定性好，结构简单、紧凑；但由于工程材料的磁致伸缩量有限，该类机构所提供的位移量很小，如100mm长的铁钴矾棒，磁致伸缩只能伸长7μm，因而该类机构适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿及自动调节系统。
3. 工业机械手末端执行器
工业机械手是一种自动控制、可复重编程、多自由度的操作机，是能搬运物料、工件或操作工具以及完成其它各种作业的机电一体化设备。工业机械手末端执行器装在操作机械手腕的前端，是直接执行操作功能的机构。
（1）机械夹持器
机械夹持器是工业机械手中最常用的一种末端执行器如图3所示为教学型机器人中的机械夹持器。

图3 机械夹持器应用实例
机械夹持器应具备的基本功能：首先它应具有夹持和松开的功能。夹持器夹持工件时，应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。当需要松开工件时，应完全松开。另外它还应保证工件夹持姿态再现几何偏差在给定的公差带内。
机械夹持器常用压缩空气作动力源，经传动机构实现手指的运动。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，机械夹持器分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。
（2）特种末端执行器
图5
图4
①真空吸附手。工业机器人中常把真空吸附手与负压发生器组成一个工作系统（如图4所示控制电磁换向阀的开合可实现对工件的吸附和脱开。结构简单，价格低廉，且吸附作业具有一定柔顺性（如图5所示），即使工件有尺寸偏差和位置偏差也不会影响吸附手的作。常用于小件搬运，也可根据工件形状、尺寸、重量的不同将多个真空吸附手组合使用。
②电磁吸附手。利用通电线圈的磁场对可磁化材料的作用力来实现对工件的吸附作用。具有结构简单，价格低廉等特点，但其最特殊的是：吸附工件的过程从不接触工件开始，工件与吸附手接触之前处于漂浮状态，即吸附过程由极大的柔顺状态突变到低的柔顺状态。吸附力由通电线圈的磁场提供的，所以可用于搬运较大的可磁化性材料的工件。
吸附手的形式根据被吸附工件表面形状来设计，用于吸附平坦表面工件的应用场合较多。图6所示的电磁吸附手可用于吸附不同的曲面工件，这种吸附手在吸附部位装有磁粉袋，线圈通电前将可变形的磁粉袋贴在工件表面上，当线圈通电励磁后，在磁场作用下，磁粉袋端部外形固定成被吸附工件的表面形状，从而达到吸附不同表面形状工件的目的。
③灵巧手。它是一种模仿人手制作的多指多关节的机器人末端执行器。它可以适应物体外形的变化，对物体进行任意方向、任意大小的夹持力，可以满足对任意形状、不同材质的物体操作和抓持要求，但其控制、操作系统技术难度较大。图7为灵巧手的实例。

图6 具有磁粉带的电磁吸附手 图7 灵巧手

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