执行元件(图文教程)

    执行元件，根据来自控制器的控制信息完成对受控对象的控制作用的元件。它将电能或流体能量转换成机械能或其他能量形式，按照控制要求改变受控对象的机械运动状态或其他状态（如温度、压力等）。它直接作用于受控对象，能起“手”和“脚”的作用。

执行元件

    在机械自动化系统中，执行元件根据输入能量的不同可分为电动、气动和液压三类。电动执行元件安装灵活，使用方便，在自动控制系统中应用最广。气动执行元件结构简单，重量轻，工作可靠并具有防爆特点，在中、小功率的化工石油设备和机械工业生产自动线上应用较多。液压执行元件功率大，快速性好，运行平稳，广泛用于大功率的控制系统。

执行元件根据使用场合不同分为气动执行元件，电动执行元件和液压执行元件。

电动执行元件

    将电能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的电磁元件。常用的有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、电磁制动器、继电器等。电动执行元件具有调速范围宽、灵敏度高、响应速度快、无自转现象等性能，并能长期连续可靠地工作。在特殊环境条件下，还能满足防爆、防腐、耐高温等特殊要求。随着自动控制技术的发展，电动执行元件的品种不断更新，性能不断提高。无刷电动机、低惯量电动机、慢速电动机、直线电动机和平面电动机等，都是很有发展前途的新型电动执行元件。而国内现在也有多家企业在做自动化元件，但快易优做得较为全面，比如：气缸、轴承、气压阀、直流伺服电动机、步进电动机等。步进电动机是增量运动控制的主流执行元件也是数控系统的执行元件。 步进电动机作为数控系统的执行元件其走步均匀性也一向受到重视。

直流伺服电动机

    将输入的电信号转换成角位移或角速度输出而带动负载的直流电动机，按激磁方式可分为电磁式和永磁式两类。它的工作原理与普通直流电动机完全相同，一般是应用于功率稍大的自动控制系统中，其输出功率一般为1～600瓦，高的可达数十千瓦。

交流伺服电动机

    定子绕组的轴线在空间相差90°电角度的两相异步电动机。其中一相作为激磁绕组，接至固定的交流电源上；另一相作为控制绕组受功率放大器输出电压的控制。与直流伺服电动机相比，它消除了电刷的摩擦和换向火花造成的干扰，因而工作可靠、寿命长，但其机械性能和控制性能存在非线性，且电机的参数随转速而变，因而控制系统的动态特性会受到不利影响。

电磁制动器

    电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以据需要自由的结合，切离或制动，因使用电磁力来作动，使机械中的运动件停止或减速的机械零件称之电磁离合器，制动器，俗称刹车、闸。具有响应速度快，结构简单等优点。它被用来产生制动力矩使电动机迅速而准确地停止运转，在机床、吊车、等频繁启动和制动的机械设备中有广泛的应用。电磁制动器按电源分为交流和直流两种。下图是电磁制动器工作原理图。电动机通电时，电磁铁的线圈同时通电，将电磁铁吸合，通过杠杆使制动瓦与制动轮松开，电动机自由转动。断电时，电磁铁吸力消失，弹簧通过杠杆使制动瓦抱紧制动轮，电机迅速停转。

电磁接触器

    一种通断功率较大的电磁开关。它被用于遥控交、直流电路的通断，还可与温度继电器组合成磁力起动器，用于机床电机、电力电容器和电焊、电热、起重设备等控制系统的过载保护。电磁接触器按电源分为交流、直流两种。它由电磁铁和连接到铁心上的接触开关构成。当电磁铁线圈中通过规定值电流时，电磁力使铁心吸合，开关的触头即接通电路。

气动执行元件

    将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件。实现直线往复运动的气动执行元件称为气缸；实现回转运动的称为气动马达。

气缸

    它是气压传动中的主要执行元件，在基本结构上分为单作用式和双作用式两种。前者的压缩空气从一端进入气缸，使活塞向前运动，靠另一端的弹簧力或自重等使活塞回到原来位置；后者气缸活塞的往复运动均由压缩空气推动。气缸由前端盖、后端盖、活塞、气缸筒、活塞杆等构成。气缸一般用0.5～0.7兆帕的压缩空气作为动力源，行程从数毫米到数百毫米，输出推力从数十千克到数十吨。随着应用范围的扩大，还不断出现新结构的气缸，如带行程控制的气缸、气液进给缸、气液分阶进给缸、具有往复和回转90°两种运动方式的气缸等，它们在机械自动化和机械人等方面得到了广泛的应用。无给油气缸和小型轻量化气缸也在研制之中。

气动马达

    分为摆动式和回转式两类，前者实现有限回转运动，后者实现连续回转运动。摆动式气动马达有叶片式和螺杆式两种（图1）。螺杆式气动马达利用螺杆将活塞的直线运动变为回转运动。它与叶片式相比，虽然体积稍嫌笨重，但密闭性能很好。摆动马达是依靠装在轴上的销轴来传递扭矩的，在停止回转时有很大的惯性力作用在轴心上，即使调节缓冲装置也不能消除这种作用，因此需要采用油缓冲，或设置外部缓冲装置。回转式气动马达可以实现无级调速，只要控制气体流量就可以调节功率和转速。它还具有过载保护作用，过载时马达只降低转速或停转，但不超过额定转矩。回转式气动马达常见的有叶片式和活塞式两种(图2)。活塞式比叶片式转矩大，但叶片式转速高；叶片式的叶片与定子间的密封比较困难，因而低速时效率不高，可用以驱动大型阀的开闭机构。活塞式气动马达用以驱动齿轮齿条带动负荷运动。

液压执行元件

    是利用流体能量作机械功的液压元件。

    将液压能转换为机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件，分为液压缸、摆动液压马达和旋转液压马达三类。液压执行元件的优点是单位重量和单位体积的功率很大，机械刚性好，动态响应快。因此它被广泛应用于精密控制系统、航空和航天等各部门。导弹舵机采用液压缸推动舵面，可以减轻导弹重量、提高舵系统的快速性和动态、静态刚度。它的缺点是制造工艺复杂、维护困难和效率低。

液压缸

    实现直线往复机械运动，输出力和线速度。液压缸的种类很多，仅能向活塞一侧供高压油的为单作用液压缸，活塞反相靠弹簧或外力完成；能向活塞两侧交替供高压油的为双作用液压缸；活塞杆从缸体一端伸出的为单出杆液压缸，两个运动方向的力和线速度不相等；活塞杆从缸体两端伸出的为双出杆液压缸，两个运动方向具有相同的力和线速度。图1是双作用液压缸的结构和动作原理。四通阀根据对液压缸活塞的运动要求，将缸体开口A与油源、开口B与回油接通时，高压油从A流入缸体一腔推动活塞，通过装在活塞上的活塞杆带动负载向图示方向作机械功。被活塞隔开的另一腔低压油由B流出缸体，经四通阀达回油。当四通阀将A与回油、B与油源接通时，活塞运动方向反相。

摆动液压马达

    实现有限往复回转机械运动，输出力矩和角速度。它的动作原理与双作用液压缸相同，只是高压油作用在叶片上的力对输出轴产生力矩，带动负载摆动做机械功。这种液压马达结构紧凑，效率高，能在两个方向产生很大的瞬时力矩。

旋转液压马达

    实现无限回转机械运动，输出扭矩和角速度。它的特点是转动惯量小，换向平稳，便于启动和制动，对加速度、速度、位置具有极好的控制性能，可与旋转负载直接相联。旋转液压马达通常分为齿轮型、叶片型、柱塞型三种。①齿轮液压马达：当高压油进入高压腔时，在牙齿2和 3′表面上产生的液压力，分别对齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ的轴产生力矩推动齿轮旋转(图2)。②双作用叶片液压马达：当高压油同时进入两个高压腔时，在叶片伸出最长位置的两个叶片上产生的液压力，对转子中心形成扭矩，推动转子带动输出轴旋转。转子每转一圈，进油、回油各两次。③柱塞液压马达：有多种型式，其中点接触轴向柱塞液压马达（图3）是由输出轴、固定不动的配油盘、斜盘和装有一些柱塞的转子体（缸体）组成的。高压油经配油盘进入腔室并推动柱塞向缸体外伸出，当柱塞端部与斜盘紧密接触时，斜面向柱塞施加反作用力，使转子带动输出轴旋转。