第3章 机电一体化系统的执行元件的选择与设计共78页

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。
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执行元件的特点及优缺点
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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 。
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。
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§3-2 常用的控制用电动机
控制用电动机有力矩电动机、脉冲（步进）电动机、变频调 速电动机、开关磁阻电动机和各种AC/DC电动机等。控制用电动机 是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种 能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、 精确的控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。
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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。
伺服电机控制方式的基本形式
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控制用电动机应具有的基本功能要求
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伺服电机的特点及应用实例
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伺服电机的性能比较
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伺服电机优缺点比较
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不同的应用场合，对控制用电动机的性能
密度的要求也有所不同。对于启停频率低(如几 十次／分)，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高 速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均 可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给运动、 机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能 指标；
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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。
控制用电动机有回转和直线驱动电动机，通过电压、电流、 频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、 停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同 而不同。机电一体化系统或产品中常用的控制用电动机是指能提 供正确运动或较复杂动作的伺服电机。
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1. 控制用电动机的种类、特点及选用
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二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
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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 (T2/J)/G 。
在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机,一类为一般的动力用电动 机,如感应式异步电动机和同步电动机等;另一类为控制用电动机,如力矩电动机、 脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和各种AC/DC电动机等，下图为 常用电动机的适用范围。
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2. 伺服电机控制方式及控制用电动机 应具有的基本功能要求
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§3-1 执行元件的种类、 特点及基本要求
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。
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。
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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。