第三章执行元件

1. 电气式执行元件
电气式执行元件包括控制用电动机(步进电动 机、DC和AC伺服电动机)、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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ繁使用时的 适应性和便于维修性能。
一、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 。
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。
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 (T2/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伺服电动机就是走向无维 修的一例。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量 能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系 统。
伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常 是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给 定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、 连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。
二、伺服系统类型
• 从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、 液压伺服系统和电气—液压伺服系统、电气—气 动伺服系统等；
• 从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速 度伺服系统和位置伺服系统等；
• 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来 看，有模拟式伺服系统和数字式伺服系统；
• 从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多 回路伺服系统和开环伺服系统、闭环伺服系统。
• 精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是 指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
• 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项 重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动 态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的 迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。
第一节 执行元件的种类、 特点及基本要求
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（联接）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。
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 液压式执行元件无什么区别。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。
1. 二惯量、小对、动执力行大 元件的基本要求
2. 体积小、重量轻
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。
第三章 执行元件的选择与设计
• 伺服系统 • 执行元件 • 常用的控制用电机 • 步进电动机及其驱动 • 直流伺服电动机及其驱动 • 交流伺服电动机及其驱动
一、伺服系统概念
• “伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思 。人们想把“伺 服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求 而动作。在讯号来到之前，转子静止不动;讯号来到之后， 转子立即转动;当讯号消失，转子能即时自行停转。由于 它的“伺服”性能，因此而得名伺服系统。
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)反馈环节的叫闭环系统，没有位 置与速度反馈环节的叫开环系统。
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。
二、伺服系统类型
• 例：数控机床伺服系统，
• 由图可以看出，它与一般的反馈控制系统一样， 也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分 组成。
三、伺服系统的基本要求
• 对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速 响应性。
• 稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统 能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指 令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态 的能力。
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。