1、第二章 执行机构的种类及使用方法 2.1 执行机构的功能及特性执行元件是将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件执行元件的特点1. 1. 电气执行元件电气执行元件 电气执行元件包括直流电气执行元件包括直流(DC)(DC)伺服电机、交流（伺服电机、交流（ACAC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺）伺服电机、步进电机以及电磁铁等。对这些伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等好，适合于频繁使用，便于维修等 2 2液压式执行元件液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油液压式执行元件主要包
2、括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点 3 3气压式执行元件气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大与液压式执行元件没有区别。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，故不能在定位精度要求较高的场合使用。压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。
3、2.2 执行元件的种类及性能 种类特点优点缺点电气式 可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。 操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。 瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。 气压式 气体压力源压力57Mpa；要求操作人员技术熟练。 气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。 功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。 液压式 液体压力源压力2080Mpa；要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；
4、易与计算机（CPU）连接。 设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。 机电一体化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。 （3）安装方便、便于维修维护。 （4）易于实现自动化控制。 2.3 电动执行机构 常用电动执行机构 ： DC/AC电动机、力矩电动机、步进（脉冲）电动机、变频调速电动机、开关电磁电动机以及其他电动机（直流或交流脉宽调速电动机、电磁伸缩元件）等。 常用伺服控制电动机的控制方式 主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。 它由控制器、被控对象、反馈测量装置它由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分
5、组成。等部分组成。机电一体化系统对伺服控制电动机的基本要求 为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。（1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。（2）快速性好。加速度大、响应特性好。（3）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。（4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5）易于与计算机对接，实现计算机控制。伺服控制电动机基本特性 无论动力用伺服控制电动机，还是控制用伺服控制电动机，功率转速转矩的电特性是电机重要的基本特性指标之一。 对于伺服控制电机而言，恒转矩工作特性是衡量电
6、机调速性能的重要参数之一。 2.3.1 直流电机驱动一、直流电机工作原理 1. 直流电机分类 （1）根据励磁相数 （2）根据励磁方式 （3）根据电机结构 有刷直流电机：通过换向器和电刷改变电枢励磁电流方向，实现电机驱动。 无刷直流电机：由电子换向器改变绕组励磁电流方向和相序，实现电机驱动。2.普通直流电机工作原理图2-1 直流电机模型3.无刷直流电机工作原理图2-2 无刷直流电机简图二.直流电机结构 1.普通直流电机结构图2-3 直流电机结构1风扇；2机座；3电枢；4主磁极；5刷架；6换向器；7接线板；8出线盒；9换向极；10端盖图2-4 直流电机主磁极1固定主磁极的螺钉； 2主磁极铁心；3励
7、磁绕组 图2-5 直流电机换向极 换向极用来改善换向，由铁心和套在铁心上的绕组构成，如图2.5所示。换向极铁心一般用整块钢制成，如换向要求较高，则用1.0mm1.5mm厚的钢板叠压而成，其绕组中流过的是电枢电流。换向极装在相邻两主极之间，用螺钉固定在机座上。1换向极铁心；2换向极绕组 图2-6 直流电机电刷装置 1电刷；2刷握；3弹簧压板； 4座圈；5刷杆 电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把电枢绕组中的交流量转变成电刷端的直流量。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆架、弹簧、铜辫构成，如图所示。电刷组的个数，一般等于主磁极的个数。图2-7 直流电机电枢 电枢铁心是电机磁路的一
8、部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如图所示。电枢铁心固定在转轴或转子支架上。铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔。图2-8 直流电机换向器 换向器是由多个紧压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接，如图所示。换向器与转轴固定在一起。2.无刷直流电机结构图2-9 无刷直流电机结构2. 直流电机PWM调速原理图2-10 直流电机调速结构框图图2-11 直流电机调速结构框图3. PWM功率放大器 （a）单极性功放 （b）带动力控
9、制的单极性功放图2-12 单极性PWM功放图2-13 直流电机H型单极性PWM功放H型PWM功率放大器图2-15 直流电机H型双极性PWM功放直流电机的调速方式由于直流伺服电机的机械特性方程为：式中，UC 电枢控制电压；R 电枢回路电阻； 每极磁通；Ce、Ct分别为电动机的结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下：（1 1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）（2 2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（3 3）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速典型直流伺服电动机控制数学模型2.3.3 步进电机驱动一、步进电机工
10、作原理 1. 步进电机分类 （1）根据励磁相数 （2）根据转子结构 反应式（可变磁阻式）：由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢组成的转子作步进驱动。 永磁式：由定子绕组产生的反应电磁力吸引或排斥由永磁材料组成的转子作步进驱动。 混合式：定子上镶有永磁体，定子和转子的导磁体和反应式步进电机相似，由二者混合效应驱动。 使机械结构运动的装置 2.反应式步进电机结构和工作原理（1）反应式步进电机结构和工作原理图2-16 反应式步进电机结构 根据相数及各相通电顺序分：两相两拍，两相四拍，三相单三拍，三相双三拍，三相六拍等类型。 拍：从一相通电到另一相通电称为一拍； 步距角：步进电机每接受一个脉冲，转子
11、转过的角度 （a）两相两拍工作示意 （b）两相四拍工作示意图2-17 反应式步进电机工作模拟图2-18 永磁式步进电机运行模拟（2）永磁式步进电机工作原理二、步进电机的性能参数1、齿距角z：转子相邻两齿的夹角2、步距角：步进电机每接受一个脉冲，转子转过一个固定的角度3、最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值Z：转子的齿数m：定子绕组相数k：通电状态系数K=1 单拍或双拍K=2 单双拍定子绕组每改变一次通电的方式，称为“一拍”绕组的电流越大，静转矩越大，一般取TL=（3050%）Tmax4、最高运行频率fmax：5、最高启动频率fq max：步进电机由静止状态不失步达到稳速所允许的
12、最高输入脉冲频率（可以是空载下或有负载下）步进电机不失步运行时，输入脉冲的最高频率失步丢步：齿距数少于脉冲数越步：齿距数多于脉冲数6、失调角：单相定子通电时，该相定子齿与转子齿的中心线不重合所夹角三、步进电机的驱动系统构成图2-19 步进电机驱动系统四、脉冲分配器1.步进电机的运行模式 三相单三拍运行图2-20三相单三拍运行时序A-B-C-A-图2-21 三相双三拍运行时序AB-BC-CA-AB-三相双三拍运行图2-22 三相六拍运行时序A-AB-B-BC-C-CA-A 三相六拍运行图2-23 三相六拍脉冲分配器A-AB-B-BC-C-CA-A 2.分立器件脉冲分配器图2-24 CH250三相
13、双三拍脉冲分配器A-AB-B-BC-C-CA-A 除CH250外，还有YB系列TTL集成脉冲分配器：YB013三相，YB014四相，YB015五相，YB016六相3.专用集成脉冲分配器图2-25 步进电机单片机驱动 软件环行分配器编码定义：0 x01-0 x03-0 x02-0 x06-0 x04-0 x05-0 x01- A- AB- B- BC- C- CA- A-4.用单片机实现脉冲分配高低压功率放大器 特点：具有高压驱动，电流增长速度快、前沿变陡，电机的扭矩和频率得到提高。 特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，其余时间仅接通低压电源供电。具有功效高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡
14、有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。 （2）功率放大器 功率放大器是实现控制信号与步进电机匹配的重要组件。 常见的步进电机功率放大器的组成与特点如下： 单电压功率放大电路 特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。3.电流检测型驱动图2-28 电流检测驱动电路原理恒流斩波驱动（a）恒流斩波驱动电路 （b）电路波形图2-29恒流斩波驱动电路4.细分驱动图2-30基于AD转换的细分驱动原理及波形细分驱动电路（a）恒频脉宽调制细分电路 （b）阶梯波形成图2-31 恒频脉宽调制细分电路六、步进电
15、机驱动参数设计与选用1、脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移单位为 mm/pulse= 0.0010.0025 精密机床0.0050.01 数控机床 0.10.15 一般机床角脉冲当量：就是步距角(/pulse)当通过中间传动装置时，角脉冲当量为：如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量为：M驱动器指令脉冲Z1Z2 设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。 2、最大静转矩Tmax与相数、拍数 一般根据 TL（3050%）Tmax选择Tmax其中：TL为把负载折合到步进电机轴的负
16、载力矩，若相数、拍数较多，可选0.5，否则选0.3，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。3、最高运行频率与速度关系 根据工作台的最高速度vmax选择步进电机最高运行频率fmax得注意量纲：vmax (m/min) 步进电机的加减速性能与转动惯量所产生的惯性力矩有关惯性力矩： 转动惯量和角加速度越大，步进电机的启动频率越低，加减速性能越差，越容易失步。 通过减小步距角和减小转动惯量改善启动、加减速性能5、电机负载转矩计算 作用在步进电机轴的总的负载转矩按下式计算：4、转动惯量与加减速性能其中：Jm是电机轴自身的转动惯量（Kg.m2）Jd是系统折算到电机轴的总的转动惯量（Kg.m2）是
17、电机启动、制动时的角加速度（rad/s2）F 作用在工作台的摩擦力（N）FW作用在工作台的外力（N）伺服系统传动链的总效率（取0.70.85） 丝杠螺母预紧时的传动效率（取0.9）F0丝杠螺母预紧时的力（N） P是丝杠螺距（mm）i是总传动比2.3.4 步进电机的驱动与控制 步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大器两部份组成。 变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。步进电机驱动电路的组成 （1）环形脉冲分配器 由于步进电机的工作原理是各绕组必须按一定的顺序通电变化才能正常工作（A B C A B ；A AB B BC C CA A AB B ），完成这种通电顺序变化规律的部件
18、称为环形脉冲分配器。实现脉冲环形分配的方法主要有三种： 软件分频可充分利用计算机资源降低硬件成本，可适用多相脉冲分配，但将占用计算机运行时间，影响步进电机的运行速度。 IC集成电路分频（DDT分频器）灵活性强，可搭接成任意通电顺序的环形分配器，不站用计算机的工作时间。 CH250 管角定义与三相六拍工作状态的接线图 专用环形分频器使用方便，接口简单，专业化生产质量可靠，成本低等。如：CH250三相绕组分频器 ；L297和PMM8714两相绕组分频器；PMM8713五相绕组电机分频器等。3.5 交流（AC）伺服电动机及其驱动（1）常用交流伺服电动机永磁同步型（SM）、电磁感应型（IM）伺服电动机
19、。（2）基本工作原理 检测交流伺服电动机（SM型/IM型）气隙磁场的大小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与与气隙磁场方向相垂直的等效电流的方法，最终控制交流伺服电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制，简称矢量控制方法。 1）永磁同步型（SM ） 转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和位置控制。永磁同步（SM）型伺服电动机控制框图CONV.整流器；SM同步电机；INV.变换器；PS磁极位置检测器；REF速度基准；IGF电流函数发生器；SC速度放
20、大器；CC电流放大器；RD速度变换器；PWM脉宽调制器；P.B.U再生电力吸收电路。2）感应（IM）型伺服电动机控制框图3）交流伺服电动机的矢量控制 r1,X1定子绕组阻抗和漏抗； r2,X2转子绕组阻抗和漏抗； rm,Xm铁芯等效阻抗和主磁通所对应电抗； Im负载范围内不变。S转差率2.4直线电动机o设想把旋转电动机自转子轴至定子外圆周沿径向AA剖开，转子和定子都展成直条状，就成了直线电动机。 按机械特性可分为 : 推力型电动机 冲量型电动机 功率型电动机 直线电动机应用o直线电机可替代的运动形式直线电动机的分类o按机械特性可分为n1) 推力型电动机：也称力电动机。这类作往复运动的直线电动机
21、要求起动推力很大。 n2）冲量型电动机：也称能电动机。这类电动机的瞬时功率很大 n3）功率型电动机：也称功电动机。长距离或长时连续运行，要求功率因数高，主要用于以一定的速度拖动负载 o直线电动机的结构有平面型和管型两类，平面型又分为单边型和双边型两种，管型有圆管型和方型两种。 直线电动机的特点o优点：n1.可直接产生直线运动，不需要运动转换，使机构简化，便于控制，系统可靠性提高。n2.瞬时线速度很高时，零部件不受离心力的作用。n3.定子和动子之间的电磁推力可消除运行中的机械接触，因而机械功率损耗和磨损可减到很小。n4.由于无机械接触，噪声较小。n5.平面型直线电动机容易散热，容量大的直线电动机
22、常不需要附加冷却装置。o缺点：n1.有所谓边端效应，因为磁路开断，铜损和漏抗压降大。 n2.因为气隙大，功率因数比同样容量的旋转电动机低。 思考题o直流电动机的电磁转矩由哪些因素决定？o直流电动机有哪几种调速方式？o交流异步电动机的电磁转矩由哪些因素决定？o为什么异步电动机的转速随转矩增大而下降才能稳定运行？o交流异步电动机有哪几种调速方式？o步进电动机有哪些特点？o步进电动机有哪些主要指标？o直线电动机有哪些特点？可用于简化哪些运动机构？磁致伸缩式附：工业机器人末端执行器圆弧开合型2.5微动机构o基本要求：o1) 低摩擦、高灵敏度，最小移动量达到使用要求；o2) 传动平稳、可靠，无空程和爬行
23、，有足够的刚度，制动后能保持稳定的位置；o3) 抗干扰能力强，快速响应性好；o4）具有好的动特性,即具频响高；o5) 良好的结构工艺性；o6）应能实现自动控制。圆弧平行开合型直线平行开合型特种末端执行器真空吸附手电磁吸附手灵巧手液压与气动执行装置的组成o液压与气动执行装置分别以液体和气体作为工作介质进行能量传动和控制，通常，它们由不同的元件（如阀、缸、马达、泵、管路等）构成基本回路，进而组成为有机整体。o液压与气动执行装置一般由四部分组成 ： 液压与气动执行装置的组成o能源装置：将机械能转换为流体的压力能的装置，常见的设备包括空气压缩机和液压泵。o执行元件：将流体的压力能转换为机械能输出的装置
24、，它可以是做直线运动的液压缸或气缸，也可以是做回转运动的液压马达或气压马达。o控制元件：对系统中流体压力、流量和流动方向进行控制或调节的装置，还包括实现信号转换、逻辑运算等功能的信号控制元件，主要是指各种阀。o辅助元件：保证系统正常运行的辅助装置，如液压系统的蓄能器、滤油器、油箱和管件以及气动系统的空气过滤器、油雾器、消声器等。液压与气压传动的优点 o液压传动具备有功率密度大的突出优点。在同等输出功率下具有体积小、质量小、运动惯性小、动态性能好的特点。o液压与气动元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其它方法难以组成的复杂系统。o可以在运行过
25、程中实现大范围的无级调速。减速比可达2000：1。o液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。o操作控制方便，易于实现自动控制、中远距离控制、过载保护。o液压与气动元件属机械工业基础件，标准化、系列化、通用化程度较高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低成本。o此外，气压传动还有以空气做工作介质，处理方便、无介质费用、泄漏污染环境小、不需要考虑介质变质及补充等问题等突出的优点。液压与气压传动的缺点 o在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。o由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。o液压传动性能对温度比较敏感，油温变化会引起液压油的粘
26、度变化，从而影响运动速度；系统不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介质时还需注意防火问题。o液压与气动元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。2.5.1能源装置o液压能源装置o气动能源装置2.5.1.1液压能源装置o液压泵利用容积大小的变化吸油和压油，将机械能转变成液压能，是液压系统的主要能源装置。o液压泵的种类很多，按其结构型式，主要有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等类型 。液压泵的分类o按照泵的排量能否改变，液压泵分为定量泵和变量泵。 常用液压泵的主要性能 性 能外合双作用叶片限式量叶片径向柱塞向柱塞定力/MPa低(2.51.6)中(6.316)中(6.316)高(1020)高(214
27、0)流量不能不能能能能效率/(%)低(6387)高(6582)高(8592)高(8183)高(8188)出流量脉最大小一般一般一般自吸性能好差差差差油染的敏感性不敏感敏感敏感敏感敏感噪声大小大大大常用泵符号 o液压泵是向液压系统提供一定流量和压力的油液的动力元件，它是每个液压系统不可缺少的核心元件，合理的选好液压泵对于降低液压系统的能耗、提高系统的效率、降低噪声、改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要 a) 向定量 b) 双向定量 c)向量 d) 双向量液压泵的选择o选择液压泵的原则是：根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，首先确定的压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定
28、其规格型号 。n一般在负载小、功率小、精度要求不高的机械设备中，可用价格便宜的齿轮泵、双作用叶片泵；n精度较高的机械设备（如磨床）可用螺杆泵、双作用叶片泵；在负载较大并有快速和慢速工作行程的机械设备中（如组合机床）可使用限压式变量叶片泵；n负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床）可使用柱塞泵，对于功率密度要求高、结构复杂的系统（如飞机发动机地面模拟系统）也多采用价格昂贵的柱塞泵；n而机械设备的辅助装置，如机床送料、夹紧等不重要的地方，可使用价廉的齿轮泵。液压泵的选择o选择液压泵时，按下式确定液压泵的油压pp:n式中，p1为执行液压件最大工作油压； 为进油沿程油压损失。o按下式选取液压泵供油
29、量（流量）qp :n式中， 为各个执行液压件同时工作时所需的最大流量；K为考虑系统泄漏的修正系数；qmin为溢流阀所需最小溢流量。o液压泵的功率P为(液压泵总效率为p) 2.5.1.2气动能源装置 o空气压缩机是气动执行装置的动力源，它把电机输出的机械能转换成气压能输送给气动系统。o空气压缩机的种类很多，但按工作原理主要可分为容积式和速度式（叶片式）两类。在容积式压缩机中，气体压力的提高是由于压缩机内部的工作容积被缩小，使单位体积内气体的分子密度增加而形成的；而在速度式压缩机中，气体压力的提高是由于气体分子在高速流动时突然受阻而停滞下来，使动能转化为压力能而达到的。 气动能源装置o空气压缩机是
30、气动执行装置的动力源，它把电机输出的机械能转换成气压能输送给气动系统。o空气压缩机的种类很多，但按工作原理主要可分为容积式和速度式（叶片式）两类。在容积式压缩机中，气体压力的提高是由于压缩机内部的工作容积被缩小，使单位体积内气体的分子密度增加而形成的；而在速度式压缩机中，气体压力的提高是由于气体分子在高速流动时突然受阻而停滞下来，使动能转化为压力能而达到的。 o容积式压缩机按结构不同又可分为活塞式、膜片式和螺杆式等；速度式按结构不同可分为离心式和轴流式等，目前，使用最广泛的是活塞式压缩机。 气动能源装置o一般规定：排气量大于或等于612m3/min时，就应独立设置压缩空气站；若排气量低于6m3
31、/min时，可将压缩机或气泵直接安装在主机旁。o气压传动系统所使用的压缩空气必须经过干燥和净化处理，因为压缩空气中的水分、油污和灰尘等杂质会混合而成胶体渣质，若不经处理而直接进入管路系统时，可能会造成不良后果。空气压缩机的图形符号 空气压缩机的选择o选择空气压缩机的主要性能指标是工作压力的额定排气量应大于气动系统的工作压力和所需的自由空气消耗量。供气量q为n式中，qmax为系统中一台设备的最大自由空气消耗量；Z为系统中气动设备数量；nKl为漏损系数，一般取1.151.5；K2为备用系数，一般取1.31.6；n为利用系数，Z越大越低，对应Zl80，有=1.00.42.5.2执行元件 o液压执行元
32、件 n液压马达 n液压缸 o气动执行元件 n气动马达 n气缸 2.5液压执行元件o液压执行元件是将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置，主要包括液压缸和液压马达。o液压马达习惯上是指输出旋转运动的液压执行元件，而把输出直线运动（包括输出摆动运动）的液压执行元件称为液压缸。 常用的液压马达的符号 (a) 单作用定量马达 (b) 双作用定量马达 (c) 单作用变量马达 液压马达 o从能量转换的观点来看，液压马达与液压泵是可逆工作的液压元件 。因为它们具有同样的基本结构要素密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。 o但是，由于液压马达和液压泵的工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以
33、同类别的液压马达和液压泵之间，仍存在许多差别。n首先液压马达应能够正、反转，因而要求其内部结构对称；液压马达的转速范围需要足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求，因此，它通常都采用滚动轴承或静压滑动轴承。n其次液压马达由于在输入压力油条件下工作，因而不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。 液压马达的分类o液压马达按其结构类型来分可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。o按液压马达的额定转速分为高速和低速两大类。n额定转速高于500rmin属于高速液压马达，额定转速低于500rmin的属于低速液压马达。n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
34、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，调节（调速及换向）灵敏度高。 n低速液压马达的基本型式是径向柱塞式，主要特点是排量大、体积大、转速低（有时可达每分钟几转甚至零点几转），可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马达输出转矩较大（可达几千到几万Nm），所以又称为低速大转矩液压马达。 液压马达规格的参数 o液压马达的实际角速度m为：n式中，qm为液压马达实际流量；Vm为液压马达每转排量；为容积效率。 o液压马达的输出转矩Tm为 n式中，pm为液压马达的油压；m为液压马达的机械效率。 o液压马达的输入功率为 Pim=pmqm o液压马达的输出功率
35、为 Pom=Tmm 液压马达规格的选择 o在伺服系统中，既要求大功率又要求快速响应的情况极少。o因此在负载和功率比较大的情况下，液压马达规格的选择主要是满足负载要求，而在要求响应快的小负载或完成计算功能的液压伺服系统中，液压马达的规格就根据液压固有频率值来确定。 (1) 按最大功率或最大负载力矩选择o为了使动力元件在整个工作循环中都能满足负载要求，应使其输出特性曲线能包围全部负载曲线。 o按照负载匹配条件，有：n式中TL*为最大功率点的负载力矩；L*为最大功率点的负载速度；ps为供油压力；qom为伺服阀空载流量；Dm为液压马达每弧度排量，Dm=Vm/2 o若按最大负载力矩选择，则通过对系统工作
36、循环分析，作出位移、速度、加速度时间图，再按负载条件就可求出负载力矩时间图，从而确定出最大负载转矩。 或 或 (2) 根据液压固有频率选择：o需要针对特定的系统，在确定系统的固有频率h后，计算出马达的每弧度排量，从而确定马达的规格。如对于四通阀控液压马达组合，Dm计算公式为：n式中，Vt为液压马达两腔的总容积；Ke为油液等效体积模量；Jt为折算到液压马达轴上的转动惯量。o液压固有频率根据系统要求的频宽确定，可以根据经验推断。 液压缸 o液压缸是将液体的压力能转换成机械能，用于驱动工作机构作直线往复运动或往复摆动的液压执行元件。其结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配
37、合能实现多种机械运动，在液压系统中得到广泛的应用。 o液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸和柱塞缸实现直线住复运动，输出推力和速度，摆动缸则能实现小于360的往复摆动，输出转矩和角速度。 液压缸的符号及说明 液压缸规格的选择原则 o液压缸规格的选择原则与液压马达相同，只要把式(5.7)和式(5.8)中的Dm换成Ap（液压缸活塞有效面积），TL*换成大功率点的负载力，L*换成最大功率点的负载速度；o式(5.9)中，把Jt换成负载质量m，Dm换成Ap，就可以计算出Ap，再确定液压缸的规格。o一般说来，阀控液压缸的液压固有频率随活塞行程变化。当行程较长时，固有频率就降低。此
38、时宜用液压马达驱动，通过丝杠或齿轮齿条装置把旋转运动变成直线运动。2.5.2.2气动执行元件 o气动执行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的元件，它驱动机构实现直线往复、摆动或回转运动，其输出为力（转矩）和速度（角速度），主要包括气缸和气动马达。常用的气动马达的符号 常用的气缸符号气动马达 o气动马达将压缩空气的压力能转换成旋转的机械运动，在气压传动中使用最广泛的是叶片式和活塞式气动马达。 o由于气动马达具有一些比较突出的特点，在某些工业场合，它比电动马达和液压马达更适用，这些特点是：n具有防爆性能。由于气动马达的工作介质空气本身的特性和结构设计上的考虑，能够在工作中不产生火花，故适合于有爆
39、炸、高温、灰尘的场合，并能用于空气极潮湿的环境，而无漏电的危险。n马达本身的软特性使之能长期满载工作，温升较小，且有过载保护的性能。n有较高的起动转矩，能带载启动。n换向容易，操作简单，可以实现无级调速。n与电动机相比，单位功率尺寸小，重量轻，适用于安装在位置狭小的场合及手工工具上。o但气动马达也具有输出功率小，耗气量大，效率低、噪声大和易产生振动等缺点。气缸 o与液压传动相比较，气缸的工作介质是空气，既廉价又不污染环境，管路不易堵塞，回气可随意排入大气；n具有防火、防爆性能，高温下能可靠安全工作；n空气粘度小，所以管道压力损失小，便于集中供气向中远距离输送；n动作迅速，反应快；可靠性高，寿命
40、长；n结构简单，维护方便，安装自由度大；n蓄能方便；n允许工作温度范围广。 o但是由于气体的可压缩性大，所以速度稳定性差，且随负载变化而变化，所以位置及速度控制的精度低，容易产生爬行；工作压力低，所以输出的推力小、总输出力不宜大于l040kN。 标准化气缸的标记 o标准化气缸的标记是用符号“QG”表示气缸，用符号“A、B、C、D、H”表示五种系列。具体的标志方法是：o五种标准化气缸的系列为：nQGA无缓冲普通气缸；nQGB细杆（标准杆）缓冲气缸nQGC粗杆缓冲气缸；nQGD气液阻尼缸；nQGH回转气缸。QGA/B/C/D/H缸径行程2.5.3控制元件 o液压控制元件 n方向控制阀 n压力控制阀
41、 n流量控制阀 o气动控制元件 n方向控制阀n压力控制阀 n流量控制阀 2.5.3.1液压控制元件 o在液压系统中，除需要液压泵供油和液压执行元件来驱动工作装置外，还要配备一定数量的液压控制阀来对液流的流动方向、压力的高低以及流量的大小进行控制，以满足负载的工作要求。 o各类液压控制阀虽然形式不同，控制的功能各异，但具有共性。n首先，在结构上，所有的阀都有阀体、阀芯（座阀或滑阀）和驱使阀芯动作的零部件（如弹簧、电磁铁等）组成；n其次，在工作原理上，都是依靠改变阀孔的通流面积大小和阀孔的开、闭来限制、改变液体的流量大小和液体流动、停止；所有阀的阀口大小，阀进、出油口间的压差以及通过阀的流量之间的
42、关系都符合孔口流量公式，只是各种阀控制的参数各不相同而已。 液压控制阀的分类 o根据其内在联系、外部特征、结构和用途等方面的不同，可将液压阀按不同方式进行分类。 液压传动系统对液压控制阀的基本要求 o动作灵敏、使用可靠，工作时冲击振动和噪声要小，使用寿命要长。o油液通过液压阀时压力损失要小，密封性能好，内泄漏要小，无外泄漏。o结构简单紧凑、安装、维护、调整方便，使用性好。方向控制阀 o方向控制阀主要用来通断油路或改变油液流动的方向，从而控制液压执行元件的起动或停止并改变其运动方向。它主要有单向阀和换向阀。o单向阀的主要作用是控制油液的单向流动。o液压系统对单向阀的主要性能要求是正向流动（P1流
43、向P2）阻力损失小，反向流动（P2流向P1）时密封性能好，油流不能通过，要求动作灵敏。 a) 普通单向阀 b) 液控单向阀典型单向阀的图形符号换向阀 o换向阀是利用阀芯对阀体的相对运动，控制油路通断或变换油流动方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的起动、停止或变换运动方向。o系统对换向阀性能的主要要求是：油液流经换向阀时压力损失要小；互不相通的油口间的泄漏要小；换向要平稳，动作迅速且可靠。o换向阀的种类很多，其分类方式也各有不同:n按阀芯相对于阀体的运动方式来分有滑阀和转阀两种；n按操作方式来分有手动、机动、电磁动、液动和电液动几种；n按阀芯工作时在阀体中所处的位置有二位和三位等；n按换向阀
44、所控制的通路数不同有二通、三通、四通和五通等系列化和规格化了的标准换向阀。 换向阀图形符号的规定和含义 o用方框表示阀的工作位置数，有几个方框就是几位阀。o在一个方框内，箭头“”或堵塞符号“”、“”与方框相交的点数就是通路数，有几个交点就是几通阀。箭头“”表示阀芯处在这一位置时两油口相通，但不一定是油液的实际流向，“”或“”表示此油口被阀芯封闭（堵塞）不通流。o三位阀中间的方框、两位阀画有复位弹簧的那个方框为常态位置（即未施加控制信号以前的原始位置）。在液压系统原理图中，换向阀的图形符号与油路的连接，一般应画在常态位置上。同时在常态位上应标出油口的代号（P为压力油进口，T为回油口，A、B为与执
45、行元件相连的两个油口）。o控制方式和复位弹簧的符号画在方框的两侧。 换向阀位和通路的图形符号a) 二位二通 b) 二位三通 c) 二位四通 d) 二位五通 e) 三位四通 f) 三位五通换向阀操纵方式符号 a) 手柄式 b) 机动（滚轮式） c) 电磁动 d) 弹簧 e) 液动 f) 液压先导控 g) 电磁-液压先导控制换向阀常见的滑阀机能及其特点 o换向阀处于中间位置（常态位置）时，阀内各油口的连通方式称为滑阀机能（或中位机能），通常用一个大写英文字母表示。压力控制阀 o在液压传动系统中，控制油液压力高低的液压阀称之为压力控制阀，简称压力阀。 o这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧
46、力相平衡的原理工作。 o溢流阀的主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。a) 溢流阀用于过载保护 b) 变量泵调速系统溢流阀的作用液压系统对溢流阀性能的要求 o定压精度高。o灵敏度高。o工作平稳且无振动和噪声。o当阀关闭时密封好，泄漏小。o对于经常开启的溢流阀，主要要求前三项性能；而对于安全阀，则主要要求第2和第4两项性能 。流量控制阀 o流量阀用调节阀芯开口的大小来控制通过的流量，以实现工作机构的速度控制和调节。o常用的流量控制阀有节流阀、调速阀、分流阀及其与单向阀、行程阀组合而成的各种组合式流量阀。 o在液压传动系统中节流元件与溢流阀并联于液压泵的出口，构成恒压油源，使泵出口的压力恒定。
47、o节流元件用来调节流量是有条件的，即要求有一个接受节流元件压力信号的环节（与之并联的溢流阀或恒压变量泵）。通过这一环节来补偿节流元件的流量变化。 液压传动系统对流量控制阀的要求 o较大的流量调节范围，且流量调节要均匀。o当阀前、后压力差发生变化时，通过阀的流量变化要小，以保证负载运动的稳定。o油温变化对通过阀的流量影响要小。o液流通过全开阀时的压力损失要小。o当阀口关闭时，阀的泄漏量要小。2.5.3.2气动控制元件 o气动控制元件是在气压传动系统中控制和调节压缩空气的压力、流量、流动方向与发送信号的重要元件，利用它们可以组成各种气动控制回路，使气动执行元件按设计的程序正常地进行工作。o控制元件
48、按功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类。此外，尚有通过改变气流方向和通断实现各种逻辑功能的气动逻辑元件和射流元件等。 方向控制阀 o气动换向阀和液压换向阀相似、分类方法与符号也大致相同。o气动换向阀按阀芯结构不同可分为滑柱式（又称柱塞式、也称滑阀）、截止式（又称提动式）、平面式（又称滑块式）、旋塞式和膜片式，其中以截止式换向阀和滑柱式换阀应用较多。o由于压缩空气具有可压缩性，气压传动中还有一些具有特殊用途的单向型控制阀，如梭阀、双压阀、快速排气阀。 a) 梭阀 b) 双压阀 c) 快速排气阀特殊用途的单向型控制阀的图形符号压力控制阀 o压力控制阀按其功能可分为：减压阀、顺序
49、阀和安全阀 n减压阀与液压传动中的减压阀一样能起减压作用，但它更主要的作用是调压和稳压。 n顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，其作用和工作原理与液压顺序阀基本相同 。n为了防止管路、受压容器等的破坏，限制系统中最高压力的压力控制阀称为安全阀。 a) 减压阀 b) 顺序阀 c) 安全阀压力控制阀的图形符号流量控制阀 o通过改变阀口的通流面积来控制压缩空气流量的元件称为气动流量控制阀。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀等。 o在气动系统中，气缸的运动速度、换向阀的切换时间和气动信号的传递速度等，都需要通过控制调节压缩空气的流量来实现。 a) 节流阀 b)
50、单向节流阀 c) 排气节流阀流量控制阀的图形符号气动逻辑元件 o气动逻辑元件是利用压缩空气为工作介质，通过元件的可动部件在气控信号的作用下动作，改变气流方向以实现一定逻辑功能的流体控制元件。o气动方向阀有开关特性，也具有一定的逻辑功能，但这类阀的尺寸大，输出功率大，用于直接控制气动执行元件。o在气动控制系统中则广泛地采用各种形式的气动逻辑元件（简称为逻辑阀）。 2.5.4辅助元件 o液压系统典型辅助元件 o气动系统典型辅助元件 2.5.4.1液压系统典型辅助元件 o液压系统中的辅助元件是指除液压动力元件，执行元件和控制元件以外的其它各类组成元件，如管件、油箱、滤油器、密封装置、压力表和蓄能器等
