下载文档原格式
6.2 执行元件6.2.1执行元件的分类及其特点执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。
机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。
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，如图6-2所示。
图6-2 执行元件的种类(1)电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。
(2)液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。
(3)气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。
6.2.2直流伺服电动机1.直流伺服电动机的分类直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。
2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成,如图6-3所示。
图6-3 直流伺服电动机基本结构3.直流伺服电动机的特性分析直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图6-4所示。
图6-4 电枢等效电路当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为Ea=Ua-IaRa (6-1)式中，Ea是电枢反电动势； Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。
转子在磁场中以角速度ω切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度ω之间存在如下关系：Ea=CeΦω (6-2)式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；Φ是定子磁场中每极的气隙磁通量。
由式（6-1）、式（6-2）得Ua-IaRa=CeΦω（6-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁转矩Tm可由下式表达:Tm=CmΦIa则 Tm=CmΦIn式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关。
将式（6-4）代入式（6-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（ Tm＝0，转子惯量忽略不计）和电机启动（ω＝0）时的电机特性: （1）当Tm＝0时，有（2）当ω＝0时，有式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。
第四章、液压执行元件第一节液压马达一、液压马达的特点及分类液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置，从原理上讲，液压泵可以作液压马达用，液压马达也可作液压泵用。
但事实上同类型的液压泵和液压马达虽然在结构上相似，但由于两者的工作情况不同，使得两者在结构上也有某些差异。
例如：1.液压马达一般需要正反转，所以在内部结构上应具有对称性，而液压泵一般是单方向旋转的，没有这一要求。
2.为了减小吸油阻力，减小径向力，一般液压泵的吸油口比出油口的尺寸大。
而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所以没有上述要求。
3.液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此，应采用液动轴承或静压轴承。
因为当马达速度很低时，若采用动压轴承，就不易形成润滑滑膜。
4.叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片始终贴紧定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。
若将其当马达用，必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，以保证叶片始终贴紧定子内表面，以便马达能正常起动。
5.液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这一要求。
6.液压马达必须具有较大的起动扭矩。
所谓起动扭矩，就是马达由静止状态起动时，马达轴上所能输出的扭矩，该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩，所以，为了使起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动小，内部摩擦小。
由于液压马达与液压泵具有上述不同的特点，使得很多类型的液压马达和液压泵不能互逆使用。
液压马达按其额定转速分为高速和低速两大类，额定转速高于500r/min的属于高速液压马达，额定转速低于500r/min的属于低速液压马达。
高速液压马达的基本型式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。
它们的主要特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调速和换向的灵敏度高。
通常高速液压马达的输出转矩不大(仅几十牛·米到几百牛·米)，所以又称为高速小转矩液压马达。
高速液压马达的基本型式是径向柱塞式，例如单作用曲轴连杆式、液压平衡式和多作用内曲线式等。
1—1、试说机电一体化的含义答：机电一体化是在机械主功能、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。
1-2、机电一体化的主要组成、作用及其特点是什么答:主要由机械本体、动力系统、传感与检测系统、信息处理及控制系统和执行装置等组成。
机械本体用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。
动力系统为机电一体化产品提供能量和动力功能，驱动执行机构工作以完成预定的主功能。
传感与检测系统将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电一体化产品提供运行控制所需的各种信息。
执行装置在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。
1-3、工业三大要素是什么？答:物质、能量和信息.1-4、传统机电产品与机电一体化产品主要区别是什么？答：传统的机电产品机械与电子系统相对独立，可以分别工作。
机电一体化产品是机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予其新的功能和性能的一种新产品，产品功能是由所有功能单元共同作用的结果。
1-5、试举几个日常生活中的机电一体化产品?自动洗衣机、空调、数码相机1-6、应用机电一体化技术的突出特点是什么？答：①精度提高;②生产能力和工作质量提高;③使用安全性和可靠性提高；④调解和维护方便，使用性能改善;⑤具有复合功能，适用面广；⑥改善劳动条件,有利于自动化生产;⑦节约能源,减少耗材；⑧增强柔性.1—7、机电一体化的主要支撑技术有哪些,它们的作用如何?答：1、传感测试技术，在机电一体化产品中，工作过程的各种参数、工作状态以及工作过程有关的相关信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。
2、信息处理技术,在机电一体化产品工作过程中，参与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析.3、自动控制技术，主要实现机电一体化系统的目标最佳化.4、伺服驱动技术，5、接口技术，将各组成要素的输入/输出装置联系成一体的系统。
目录
执行元件的种类和特点以及基本要求 (1)
1.执行元件的种类及特点 (1)
（1）电气式执行元件 (1)
（2）液压式执行元件 (2)
（3）气压式执行元件 (2)
3.执行元件的特点及优缺点 (2)
4.系统对执行元件的基本要求 (2)
（1）惯量小、动力大 (2)
（2）体积小、重量轻 (3)
（3）便于维修、安装 (3)
（4）宜于微机控制 (3)
执行元件的种类和特点以及基本要求
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。
该元件是处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（连接）部位的能量转换元件。
它能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能，例如电动机、电磁铁、继电器、液动机、油（气缸）、内燃机等分别把输入的电能、液压能、气压能和化学能转换为机械能。
由于大多数执行元件已作为系列化商品生产，故在设计机电一体化系统时，可作为标准件选用、外购。
1.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。
（1）电气式执行元件
电气式执行元件包括：控制用电动机(步进电机、DC和AC伺服电机)、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。
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）反馈环节的称为闭环系统，没有位置与速度反馈环节的称为开环系统。
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。
（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。
（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。
3.执行元件的特点及优缺点
i
4.系统对执行元件的基本要求
（1）惯量小、动力大
（2）体积小、重量轻
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(T^2/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伺服电机就是走向无维修的一例。
（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。
i摘自张建民《机电一体化系统设计》第四版。
