执行元件的种类和特点以及基本要求

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

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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