任务2 用工程逻辑的观点来理解描述机/电转换元件_工业电能变换与控制技术-QQ阅读男生武侠网

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任务2 用工程逻辑的观点来理解描述机/电转换元件

2.2.1 机液电一体化的运动控制系统

在传统的技术中，机械技术、液压技术、电气技术基本上是各自独立的发展。现在，这三门技术正在互相融合，取长补短，走向一个整体。这种融合，在运动控制系统中特别明显。现代运动控制系统中，有一些元件是综合型的元件，所有可以提高其性能的新技术，都有可能融入其中，机液电一体化只是一个总称，其内涵实际上是没有限制的。不仅有机、有液、有电，还可能有其他。这个“电”的含义非常广。可能是动力的电，也可能是信息的电；可能是驱动的电，也可能是检测的电；可能是模拟的电，也可能是数字的电；可能是“无智能”的电，也可能是“有智能”的电。

为什么会出现这种技术综合化的趋势呢？每一种技术都各有所长，也各有所短。只有综合起来，各用所长，才能得到最佳的整体效果。以运动控制为例，机械传动精度高，但平稳性较差，结构较复杂，不易实现无级变速，不能远传；液压传动运行平稳，传送功率大，传送距离更远，易于组合，易于无级调速，但精度不如机械传动；电力传动传送距离远，电能分配容易，但能量密度最低，占用空间最多。而在信息传送和控制功能上，机械和液压则远不如电气。

所以，在系统的构成中，机与电的关系，液与电的关系，从能量的输送、分配与供应角度来看，是一种供需关系，或者说源载关系。而从信息与控制的角度来看，电气控制系统所需要的反馈信息，必须从机械或液压系统中来，机械或液压系统所需的控制信息，必须从电气控制系统中来，双方互为源载关系。

这就是说，对于一个搞电气与控制的人，不仅要精通电气与控制技术，也应该通晓机械传动与液压传动技术，应该善于做系统之间的源载关系分析，处理好系统与系统之间的匹配与协同关系，这样，才能从整体上理解和调试、运行这个系统，确保系统的安全与优化。

2.2.2 机械运动控制系统中的元件分析

机械传动系统是由机械运动变换元件加上适当的连接、支撑、导向和操控元件组合成的。描述和分析机械传动系统，基于描述和分析机械运动变换元件。机械运动变换元件包括电能/机械能变换元件和机械能/机械能变换元件。常用的电能/机械能变换元件有电动机、电磁铁、电磁阀、电动阀等。这是电系统与非电系统的接口元件。机械运动变换元件主要是指机械能/机械能变换元件，其作用是改变机械运动的速度或机械运动的形态，例如，将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动。机械运动变换元件又分为固定的和可控的两种。可控的元件有手控的或电控的。机械运动变换元件和机械传动系统的分析工具，首先是元件与系统的描述工具。分析要在描述的基础上才能进行。

1.机/电系统转换元件

1）电动机

电动机的图示描述法：在机械传动系统中，电动机是最重要的机械能源，或者说是电能/机械能系统的主要接口。这个接口的特征是具有电能的输入口（用三根或两根导线表示）和机械能的输出口（用一段直线表示的轴），因此，在绘制机械传动系统图中，电动机可以用下面的简图来表示：

电动机的传动式描述法：机械传动系统图可以用机械传动系统式来描述，并简称为传动式。学习完这个分题之后就会明白，传动式是由各个变换元件的符号组成的表达式。在传动式中，电动机用符号M来表示。

M的取值可以用来表示电动机的状态。这可以有两种取法，采用哪一种取法，视所考虑的问题而定。一种是M取实数值。例如，如果问题是要考虑系统的转速，则M可能取0到额定转速之间的任意一个实数。这时M表示的电动机状态是一种模拟量状态或连续量状态。

另一种是M取逻辑值。逻辑值是用来表示事物的逻辑状态的。事物的逻辑状态，是指事物的某一类状态总共只有有限种，其中每一种状态都与其余各种状态有明显的质的区别；各种状态的总和，完整的表达了事物在某一方面的性质。例如，如果关心的是电动机的两种状态——运转还是停止，就可以用最常用的二值逻辑来描述。二值逻辑只有两个逻辑值“1”与“0”；这个“1”与“0”不是普通的实数，而是表示两种完全相反的状态，即“动”与“静”两种状态的符号。如果用“1”表示“动”，“0”就表示“静”。总共有而且只有两种状态，非“1”即“0”，非“0”即“1”；非“动”即“静”，非“静”即“动”。在大多数简单的情况下，关心的就是这种问题。于是，对于停止的电动机，其状态可以表示为

M=0

对于运行的电动机，其状态可以表示为

M=1

而正在启动的电动机，其状态可以表示为

M→1

正在制动的电动机，其状态可以表示为

M→0

工业中有很多事物，其状态可以用二值逻辑来表达，并且在工业技术中有非常重要的意义。例如，电平的高与低，信号的有与无，开关、阀门的通与断，继电器、接触器的动作与释放，电子开关的导通与截止，触发器的触发与复位，电源的“ON”与”OFF”，设备的正常与故障，离合器的离与合，制动器的闸紧与松开，各种监测值的到与未到等。所以，二值逻辑在工业逻辑控制系统中应用非常广泛。

对于有正、反转控制的电动机，其状态还可以用三值逻辑来描写。三值逻辑可以取“+1”，“0”，“-1”三种不同的值，如用“+1”表示电动机正转，“-1”表示电动机反转。只要领会了工业逻辑的精神，自己就可以灵活运用。

图2.2.1 电磁制动器作用原理

2）电磁制动器

电磁制动器利用电磁力/弹簧力实现对机械传动系统的制动。电磁力即电磁铁对衔铁的吸引力，其作用原理如图2.2.1所示。

电磁制动器的结构形式较多。闸瓦式电磁制动器的结构原理与外形如图2.2.2所示。

图2.2.2 闸瓦式电磁制动器结构原理与外形

图2.2.3 圆盘式电磁制动器外形图

机床中主要是应用圆盘式的电磁制动器，其外形图如图2.2.3所示。

这类制动器的结构及其在轴端的安装如图2.2.4所示。圆盘形的电磁铁固定在机座上，摩擦片通过键与轴连接。电磁铁线圈无电压时，盘上的弹簧通过衔铁将摩擦片紧紧的压住，使轴不能旋转。在线圈上加电激励，电磁铁将衔铁牢牢吸住，压缩弹簧，放开摩擦片，制动即被解除。这种电磁制动器称为断电制动器。与之相反，通电以后实现制动的则称为通电制动器。

图2.2.4 圆盘式电磁制动器的结构及在轴端的安装

电磁制动器的线圈是输入端，输入量是电压U，如DC24V或AC380V。摩擦片是输出端，输出量是制动转矩，用M或MB表示。电压与转矩是两种不同的物理量，但从逻辑控制的角度来看，它们又都是逻辑量，可以用逻辑“1”与“0”来表达。作为一个逻辑元件，在电气图中用如下图形符号来描述：

在机械传动系统简图中，也可以用同样的图形符号来表示闸瓦式电磁制动器。而圆盘式电磁制动器则采用下面的图形符号来表示更为方便：

对于输入端，我们约定，如果有电压输入，记为

U=1

如果没有电压输入，则记为

U=0

对于输出端，我们也约定，如果有制动转矩输出，记为

MB=1

如果没有制动转矩输出，则记为

MB=0

输入与输出的关系，是输入决定输出。如果加上电压（即U=1）时产生制动作用（即MB=1），则称为通电制动器，其逻辑功能式为

MB=U

相应的输入/输出逻辑功能表为

反之，如果加上电压（即U=1）时解除制动（即MB=0），断开电压（即U=0）时实现制动（即MB=1），则称为断电制动器，其逻辑功能式为

读作“非U”，其逻辑值与U相反：为0，则为1，U为1则为0。故断电制动器的输入/输出逻辑功能表为

3）摩擦片式电磁离合器

电磁离合器借助于电磁力/弹簧力的相互作用，利用摩擦力实现传动件之间可控制的接合与分离，常用于机械传动系统中的传动、调速、制动，是电气控制系统与机械传动系统之间一种重要的接口元件。

电磁离合器有各种不同的结构形式，如干式单片式、干式多片式、湿式单片式、湿式多片式、磁粉式等。电磁线圈一般用DC24V直流电压激励。圆盘形的磁轭与线圈若装在转轴上随轴一同旋转，要通过碳刷与滑环为线圈供电。也可以将静止的磁轭和线圈通过弹子盘与旋转的动盘相连接，这样供电更容易，无须要碳刷和滑环。图2.2.5所示的是多片式和单片式电磁离合器。

图2.2.5 多片式和单片式电磁离合器

图2.2.6所示的是对轴安装的单片式电磁离合器的结构图。线圈装在静止的圆盘形磁轭内，动盘装在左边的主动转轴端上，与磁轭保持0.5～1.5的轴向距离，两者通过弹子盘互相连接。右边的从动轴端装着法兰盘，圆盘形的衔铁与法兰盘之间有弹簧片，三者用铆钉连接在一起。当线圈没有受到电压激励时，弹簧片将衔铁向右紧紧的拉着，紧贴在法兰盘的左端面上，与动盘有一点轴向间隙，使从动轴与主动轴分离而保持静止。在线圈上加上DC24V直流电压后，电磁铁克服弹簧片的拉力，将衔铁吸向左边，牢牢地压紧在动盘的右端面上，依靠摩擦力实现主动轴与从动轴之间的传动连接。这种离合器通电则合，断电则离，称为通电式电磁离合器。反之，如果是断电则合，通电则离，就称为断电式电磁离合器。

图2.2.7所示的是多摩擦片式电磁离合器的结构。一部分摩擦片靠花键形内孔与花键轴连接，可以轴向移动。另一部分摩擦片靠花键形外圆与其外面的带有花键槽的空心转盘相连。也可以轴向移动。两种摩擦片相间安装，相互间略有轴向间隙，所以转轴的旋转运动不能通过摩擦片传给转盘。当线圈通电后，摩擦片右边的盘形衔铁在电磁力的作用下向左运动，将两种摩擦片紧紧压在一起，转轴便借助摩擦力将转矩传到了转盘上。

图2.2.6 对轴安装的单片式电磁离合器的结构图

图2.2.7 多摩擦片式电磁离合器的结构图

图2.2.8所示的是单片式电磁离合器的安装示例。图2.2.8（a）的离合器装在立轴的端部。图2.2.8（b）是离合器装在水平轴的端部，控制三角皮带轮与轴的离合。图2.2.8（c）是两只离合器装在一根通轴上，每只离合器管一个三角皮带轮。要哪一个皮带轮传动，就给哪一个离合器通电。

图2.2.8 单片式电磁离合器的安装示例

在电气图中，电磁离合器用下面的图形符号来表示：

在机械传动系统图中则用下面的图形符号来表示：

电磁离合器是机械传动系统中的逻辑元件，其状态非离即合，非合即离，只有两个逻辑值。从动轴的逻辑值取决于主动轴的逻辑值和线圈的逻辑值。主动轴是传动输入端，输入量是转矩M1或转速N1。从动轴是传动输出端，输出量是转矩M2或转速N2。线圈是控制端，控制量是电压U。这些量都是二值逻辑量。我们约定，线圈加电时，控制量U=1；线圈断电时，控制量U=0。有转矩时M1=1（或M2=1）；无转矩时M1=0（或M2=0）。或者有转速时N1=1（或N2=1）；无转速时N1=0（或N2=0）。于是，通电电磁离合器的逻辑功能可以描述为下表：

这是“与”的逻辑关系。当且仅当主动轴旋转且线圈通电时，从动轴才旋转且一定旋转。于是，通电电磁离合器的逻辑功能可以写成如下的逻辑函式：

M2=UM1

断电电磁离合器的逻辑功能与此相反，可以描述为下表：

这也是“与”的逻辑关系。当且仅当主动轴旋转且线圈断电时，从动轴才旋转且一定旋转。这个关系可以用逻辑函量式表示为。

4）位置开关和行程开关

位置开关和行程开关用于检测机械运动的位置信息或行程信息，并回送给电气控制系统，是位置/行程控制系统自动进行控制回路切换的指令元件。这是一类很重要的逻辑元件，在进行系统分析或综合时应该特别注意。

图2.2.9 有触点开关

位置开关或行程开关包括有触点开关和无触点开关两类。图2.2.9所示的是有触点开关。其输入端为机械触点，一般用弹子盘或带半球形端部的圆柱杆做成，并在弹簧力的作用下自动保持一个或两个稳定的位置。输入量是反映机械运动的位置或行程信息的力。输出端是电路触点，包括动断触点与动合触点。输入量和输出量都是逻辑量。我们约定，位置开关或行程开关输入端未受到力的作用时的状态为静态（或常态）；受力作用后转入的状态为动态（或激励态）。静态用逻辑“0”表示，动态用逻辑“1”表示。用M表示输入量，BG表示动合触点的状态，表示动断触点的状态，则行程开关的功能可以表示为下表：

位置开关、行程开关的电气图形符号如下图，在机械、液压传动系统图中也可以使用同一图形符号。

无触点开关又称为接近开关，其使用越来越普遍。无触点开关的门类非常多，有高频振荡式、电感式、电容式、霍耳效应式等。图2.2.10所示的是一些无触点开关。

图2.2.10 无触点开关

接近开关的电气图形符号为

以上几种电/机或机/电系统转换元件在运动控制系统中应用最为广泛，所以做了介绍。没有介绍的这类元件，可按同一精神去学习理解。还有一些重要的机/电系统转换元件，如测速发电机、轴编码器、旋转变压器、各种位移传感器等，这些元件主要用于连续量控制系统中，留待相关的模块中学习。

2.机械运动变换元件

机械传动系统用于改变机械运动的形式和速度，并传递所需要的动力，以满足生产的要求。所以，运动变换与动力传递，是机械传动系统的两大要求。如何满足这两大要求，需要机械设计、液压设计和电气控制系统设计的相互配合，综合运用。

应用最普遍的运动形式有两大类，即旋转运动与往复直线运动。所以，在机械传动系统中，存在着四种基本的运动变换，即旋转运动/旋转运动、旋转运动/往复直线运动、往复直线运动/旋转运动、往复直线运动/往复直线运动四种运动变换。

各种运动变换由相应的机构来实现。机械传动系统是由各种运动变换机构组成的。我们称这些运动变换机构为机械传动系统的元件。研究机械传动系统的方法，是将机械传动系统画成机械传动系统图，根据机械传动系统图进行分析、计算、综合与设计。传统的机械设计，就是这样做的。

但是，在技术综合化的今天，这种设计模式已经落后了。在现代设计中，机械传动系统、液压传动系统和电气控制系统已经融合在一起。先进的设计，要把三者综合起来才能得到。所以，要彻底的理解一个机械，仅仅从机械传动系统的角度来看是不够的，仅仅从电气控制系统的角度来看也是不够的，必须把两者或三者结合起来才能解决问题。要彻底的理解一个运动控制系统，也是同样的道理。所以，一个搞电气控制的人，他不仅要精通电气控制系统图，也应该熟习机械传动系统图。

因为机械传动系统是由各种传动机构组成的，所以，学习机械传动系统，要从学习各种基本的传动机构开始。

1）旋转/旋转运动变换

在机械传动系统中，齿轮传动的应用最为广泛。和齿轮传动类似的还有链轮传动、齿形带轮传动、三角带轮传动等。在学习了齿轮传动元件之后，可以举一反三，用类似精神来学习理解。

齿轮的种类很多，各有其用途，如图2.2.11所示。

各种齿轮传动元件的系统图画法和性能如下。

（1）平行轴之间的齿轮传动

平行轴之间采用圆柱齿轮传动。传动系统图的画法如下：

Ⅰ是主动轴，齿数为Z1，每分钟转速为n1；Ⅱ是从动轴，齿数为Z2，每分钟转速为n2。主动轴转速与从动轴转速之比称为传动比，记为i12：

图2.2.11 齿轮的种类及用途

n1，n2和i12都是实数值，可用于转速或位移等的计算。从动轴的转速决定于传动比和主动轴的转速：

n2=i12n1 （2.2.2）

若从逻辑的角度来看，轴、齿轮只有转与不转两种状态，可以用“1”表示转，用“0”表示不转。如果用N1表示主动轴的状态，N2表示从动轴的状态，则N2的状态决定于N1的状态，并可以用下表来表示：

这个关系可以表示为逻辑式：

N2=N1 （2.2.4）

我们也可以仿照传动比的定义式定义两个轴之间的（逻辑）“状态比”并记之为I12：

并且约定，当主动轴旋转时，如果从动轴也旋转，则I12=1；如果从动轴不转，则I12=0，亦即

根据这些约定，从动轴与主动轴之间的逻辑关系便可以表示为

n2=i12n1 （2.2.7）

（2）平行轴之间的带轮传动

平行轴之间的带轮传动包括齿形带轮传动、三角带轮传动和平皮带轮传动。齿形带轮传动与齿轮传动类似，是定传动比传动，如图2.2.12所示。三角带轮和平皮带轮传动受到滑动影响，是近似定传动比传动。

图2.2.12 带轮传动

带轮传动的画法如下：

式（2.2.1）～式（2.2.7）的论述对带轮传动也适用。

（3）平行轴之间的链轮传动

链轮传动如图2.2.13所示。

图2.2.13 链轮传动

链轮传动的画法如下：

链传动与齿轮传动一样，也属于定传动比传动。齿轮传动中的讨论，对链传动也适用。

（4）相交轴之间的齿轮传动

相交轴之间采用圆锥齿轮传动，如图2.2.14所示。

图2.2.14 圆锥齿轮传动

圆锥齿轮传动的画法如下：

式（2.2.1）～式（2.2.7）的论述对圆锥齿轮传动也适用。

（5）垂直相错轴之间的蜗杆蜗轮传动

空间垂直相错的两轴之间，可以采用螺旋圆柱齿轮传动，也可以采用蜗杆蜗轮传动。实际上这两者是同一种元件。单头蜗杆相当于只有一个齿的螺旋齿轮，双头蜗杆相当于有两个齿的螺旋齿轮。

平行轴间的传动，只改变旋转运动的转速，不改变旋轴的方向。非平行轴之间的传动，既改变转速，又改变旋转轴的方向。图2.2.15所示的是蜗杆蜗轮传动。

图2.2.15 蜗杆蜗轮传动

蜗杆蜗轮传动是一种不可逆的单向传动，旋转运动只能由蜗杆传给蜗轮，而不能由蜗轮传给蜗杆。所以主动轴必定是蜗杆，从动轴只能是蜗轮。通常多半都是单头蜗杆，即齿数为1。若蜗轮的齿数为Z，则由蜗杆到蜗轮的传动比为

图2.2.16 蜗杆蜗轮的结构和工作原理

从图2.2.16可以更清楚的理解蜗杆蜗轮的结构和工作原理。

蜗杆蜗轮的画法如下图所示：

描述主、从动轴之间逻辑关系的式（2.2.1）～式（2.2.7）对蜗杆蜗轮传动也适用。

2）旋转/直线运动变换

由旋转到直线的运动变换，是机械传动系统中一种非常重要的运动变换。因为动力源是旋转的，而工作机械的输出运动常常是直线的。

能够实现由旋转到直线运动变换的传动机构有齿轮/齿条机构、滚珠螺母/丝杆传动机构、凸轮/滑杆机构、曲柄/连杆机构等。

（1）齿轮/齿条传动

齿轮/齿条机构将旋转运动变为直线运动，由主动齿轮传送给从动齿条，齿条带着负载做直线运动。通过电动机的正反转，可以使齿条做往复直线运动。这时需要按照一定的速度图来控制电动机的正、反转，启动、加速、减速、制动。运动切换指令可以由行程开关发出。

图2.2.17 齿轮/齿条传动元件

图2.2.17所示的是齿轮/齿条传动元件。

齿轮/齿条传动机构可以看成是齿轮传动机构的极端情形。当从动齿轮的直径趋向于无穷大时就成为齿数有无限多的齿条。这时传动比趋于零，已经没有意义。“从动齿轮”转速的计算应该代之以齿条运动速度v的计算。

设齿轮的齿数为Z，每分钟转数为n，齿条相邻两齿的齿距为t，齿条每分钟的运动距离即速度为v，则

v=Ztn

齿轮/齿条传动元件的状态描述仍用式（2.2.1）～式（2.2.7）简单画法如下：

（2）滚珠螺母/丝杆传动

很多工作机械的输出运动都是直线运动或往复直线运动。尤其是机床，所有的机床，都需要直线运动与旋转运动的相互配合。

机床的运动，由主运动与进给运动两者构成。主运动是传递切削力的，大部分是旋转运动，也有一些是直线运动。进给运动是改变切削位置的，大部分是直线运动，也有一些是旋转运动。主运动一般只有一个，而进给运动可能有一个，也可能有多个。进给运动与进给运动相互配合、进给运动与主运动相互配合，在加工表面综合成为复杂的切削运动轨迹，最终得到所需要的加工表面。每一台机床，都对应一个坐标系。每一个运动，都对应于一根坐标轴。零件的加工表面，都是机床坐标系中的一个特定的曲面。

对于一台车床来说，主运动是主轴的旋转运动。进给运动是拖板箱的左右水平移动或刀架的前后水平移动。车床的运动系统如图2.2.18所示。主轴的旋转运动，是由电动机驱动的。主轴运动要求有可供选择的多种运动速度，最好可以得到任意速度。所以，主轴传动系统由旋转/旋转运动变换组成。刀架运动是由主轴传送过来的，这样才能使进给运动与主运动保持一定的关系。主轴传来的旋转运动必须进行旋转/直线运动变换，转化为刀架的直线运动。所以，进给传动系统是由旋转/旋转运动变换与旋转/直线运动变换组合构成的。

图2.2.18 车床的运动系统

每一台机床的运动，都可以这样来分析。如果预先做成一些标准的运动单元，再根据加工的需要，把它们组合起来，就成为一台组合式的专用机床。这解决了通用性与专用性、灵活性与高效性的矛盾。可见，只有充分了解了机床的运动，才能充分的了解机床的控制。

这些论述说明，旋转/直线运动变换，是机床传动系统中重要的一种变换。实现这种运动变换的主要机构是螺旋机构。

螺旋机构就是螺母/丝杆传动机构。以往的机床，都是采用这种机构进行旋转/直线运动变换。图2.2.19所示的是一个螺旋提升机。通过图2.2.19可以理解螺母/丝杆传动机构的工作原理。在固定的底座上，内部装有一对蜗杆蜗轮。蜗轮孔中装有一根竖直的丝杆，丝杆上装有一个螺母。蜗杆轴是输入轴。蜗杆轴旋转时，蜗轮带动丝杆旋转。只要限制螺母不能转动，螺母就会上下移动。主轴传来的旋转运动，就是通过螺母/丝杆机构转化为拖板箱的直线运动的。

图2.2.19 螺旋提升机

加工件的尺寸精度决定于进给运动的精度。机床的加工精度就是由主轴运动的精度和进给运动的精度决定的。由于螺母与丝杆之间存在着间隙，又是滑动摩擦，间隙会不断增大，因而限制了机床精度的提高。所以，在数控机床的发展过程中，出现了机械传动精密化的要求。于是，滚珠螺母/丝杆传动机构应运而生。现在，滚珠螺母/丝杆传动正取代螺母/丝杆传动广泛应用于机床中。

将普通螺母和丝杆的螺纹改为螺旋槽，就得到了滚珠螺母与滚珠丝杆。再在两者的螺旋槽之间放入滚珠，外部加以密封，就得到了滚珠螺母/丝杆传动机构，如图2.2.20和图2.2.21所示。

图2.2.20 滚珠螺母/丝杆传动机构

如果限制滚珠丝杆不能做轴向移动，只能转动，而滚珠螺母不能转动，只能做轴向移动，则当丝杆转动时，丝杆上每一个固定方位的螺旋槽都会沿同一个轴线方向位移，并通过滚珠将作用力传送到滚珠螺母的螺旋槽上，推动滚珠螺母在导轨的约束下沿轴线方向位移，从而将丝杆的旋转运动变成了螺母的直线运动。这时，丝杆是主动件，螺母是从动件。

也可以反过来，把螺母做主动件，丝杆做从动件，限制螺母只能做旋转运动，不能轴向移动，而丝杆只能在轴向移动，不能旋转，就可以把螺母的旋转运动变成丝杆的轴向移动。主、从件的切换、选择决定于机床运动的需要。