机电一体化系统第6-执行装置及其控制-课件.ppt

1、v6.1 步进电机v6.2 直流伺服电机及其控制v6.3 交流伺服电机及其控制v6.4 液压与气压控制第6章 执行装置及其控制v 随着机电一体化技术的不断发展，机电系统对执行装置的一些参数，如位移、速度、加速度、力和力矩等输出参数，要求越来越高，例如在数控机床中，伺服系统接收来自插补器的进给脉冲，经放大和变换后转化为机床工作台的位移。对伺服系统的要求是快速性、精确性和稳定性，即输出量迅速而精确地响应指令输入的变化。因此认识了解执行装置及其控制的有关知识是十分必要的v 在机电一体化系统中，常见的执行装置包括步进电动机、直流电动机、交流电动机、液压与气动装置。本章将从工作原理、特点及控制方式等几个

2、方面阐述这几种执行装置及其应用。6.1 步进电动机v 6.1.1 步进电动机工作原理v 一般的电动机是连续运转的，而步进电动机则是一步一步运转的。步进电动机的转子做成多极的，定子上嵌有多相星型联接的控制绕组，由专用的电源输入电脉冲信号，每给一个脉冲信号就使步进电动机的转子转过一个角度，由于输入的是电脉冲信号而输出的角位移是断续的，因此也称步进电动机为脉冲电动机。v 当仅是A相绕组通电时，气隙磁场与A相绕组轴相重合，如图6-2所示。转子将受磁场拉力旋转到与A相绕组轴线对齐，此时定子、转子之间取得最大磁导位置，转子上只受径向力而无切向力，故此位置使转子具有自锁能力。如果从A相换接到B相通电时，转子

3、将转到使其轴线与B相绕组轴线相重合的位置。可见电流每换接一相，电动机转子旋转沿逆时针方向转过30度，或说在空间前进了一步，每一步所转过的角度称作步距角。v 从一相通电换接到另一相通电，称作一拍，每一拍转子转过一个步距角。如果按A-B-C-A顺序通电，转子就沿此顺序一步一步旋转；反之，若按A-C-B-A顺序通电，转子将反方向转动，如图6-2所示。此种三相依次单相通电方式，称为三相单三拍式运行。所谓单就是指每次有一相绕组通电，三拍是指一个循环周期换接了三次，即A、B、C三相。v 三相反应式步进电动机也可以是三相双三拍方式运行，即通电方式以AB-BC-CA-AB的顺序，每次有两相绕组同时通电。这种电

4、动机动作原理与单三拍方式相同，双三拍式的转子每拍前进一步也转过30度空间角度。改变通电顺序，将按AC-CB-BA-AC通电时，则转子旋转方向将相反。如果步进电动机按A-AB-B-BC-C-CA-A方式通电就称为三相六拍运行方式，即一个循环内共换接六次，则其步距角相应地为三拍方式的一半。6.1.2 反应式步进电动机的主要机械特性v 2.静态特性v静态特性是指绕组电流为恒定值，转子不动时步进电动机的一些特性。矩角特性是在单位脉冲、电流不变的情况下，步进电动机静转矩M与转子失调角之间的关系。v 如图6-3中所示，两曲线的交点所对应的转矩Mst是电动机的最大起动转矩。实践证明，凡是外加转矩小于Mst的

5、，均能启动电动机。随着电动机相数的增加，步距角减小，两曲线的交点就升高，Mst也增大。v 3.动态特性v步进电动机的控制电流的增加和转速的上升不是瞬间完成的，它需要有一个过度过程的时间，动态特性就是研究过渡过程对电动机运行的影响。v 当控制脉冲的时间大于步进电动机的过渡时间，电动机呈步进运行状态。如果控制脉冲的时间间隔适当小于过渡过程时间，在B相通电时，当转子还未减速到其稳定平衡点以前，B相就断电而C相通电，则转子将继续顺时针方向转动，这种状态就称为步进电动机的连续运行状态。如果控制脉冲的时间间隔过度小于过渡过程时间，则出现丢步或堵转，步进电动机失去工作能力。v 低频特性：步进电动机在低速时易

6、出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电动机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。v 矩频特性：步进电动机的力矩会随转速的升高而下降：当步进电动机转动时，电动机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电动机随频率电动机或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。所以其最高工作转速一般在300600RPM。v 过载能力：步进电动机一般不具有过载能力。v运动性

7、能：步进电动机的控制一般为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。v 速度响应性能：步进电动机从静止加速到工作转速电动机一般为每分钟几百转）需要50200毫秒。6.1.3 步进电动机的控制v 步进电动机的驱动控制是通过弱电驱动强电来实现的。v 1.步进电动机的弱电控制v弱电部分实现了频率、数量和方向的变化，主要包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和环形分配器四个部分。下面简要介绍各部分的作用。v (1)脉冲混合电路 无论是数控装置送来的插补进给信号、齿补信号，还是手动进给、手动回原点信号等等，

8、这些信号的目的无非是要使工作台正向进给和反向进给，因此首先应将这些信号混合为使工作台正向运行的“正向进给”信号或使之反向运行的“反向进给”信号。这就是脉冲混合电路的作用。v (3)加减速电路(自动升降速电路)步进电动机的加减速特性要求是，进入步进电动机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑。而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电动机绕组，使步进电动机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。v (4)环行分配器 环行分配器的作用是将来自加减速电路的一系列脉冲按一定方式送入并驱动功率放大器工作。如图6-4是三相六拍环行分配器原理图，

9、其三根输出引线分别接步进电动机三个线圈的A相、B相、C相功率放大器输入端，+X表示正转信号，-X表示反转信号，CP0是进给脉冲序列，其工作状态如表6-1所示。v 随着计算机技术的飞速发展，环行分配器已软件化了。关于软环行分配器在这里不再赘述。v 2.功率放大器v 由于环行分配器输出的功率很小，一般只有几毫安，但步进电动机绕组所需的脉冲电流高达几安培，甚至几十安培，才能满足步进电动机的工作需要，因此需要有一个功率放大装置，即功率放大器。功率放大器一般有单电压供电和双电压供电两种方式。v (1)单电压供电方式 如图6-5所示，单电压供电线路比较简单，便于控制和维护，尤其适用于速度要求不高、输出功率

10、小的步进电动机供电。其原理如图6-5所示。v (2).双电压供电方式v 由于步进电动机的励磁绕组中存在电感，电流上升速度受到抑制，影响步进电动机的输出转速和力矩进一步提高。为了克服这一缺点，人们常采用双电压供电方式供电，如图6-6所示。其工作原理过程如图6-7所示。v 步进电动机的工作电流是脉冲电流，周期性地接通和切断，接通的时间随控制脉冲的频率而变化，频率越高，则每次接通的时间越短，另外，步进电动机的工作电流就是起动电流。v 步进电动机的电压并不是指加在电动机绕组两端的额定电压，而是施加在电动机的一相绕组、大功率管和外接电阻Rc上的电压总和，如图6-6所示。在实际工作中，电压和电流的确定如下

11、：v 1)电压的确定：混合式步进电动机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围电动机 比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电动机的工作转速和响应要求来选择。如果电动机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。v 2)电流的确定：供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.52.0倍。6.1.4 步进电动机的主要特点v 1.步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声：步进

12、电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电动机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电动机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频电动机电动机转速从低速升到高速）。v 2.两相混合式步进电动机在低速运转时具有较大振动和噪声，步进电动机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，在实际工作中，通常采用以下方式来减低振动和噪声：v (1)如步进电动机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；v (2)采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最

13、简便的方法；v (3)换成步距角更小的步进电动机，如三相或五相步进电动机；v (4)换成交流伺服电动机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；v (5)在电动机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。v 在一些要求不高的场合常用步进电动机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电动机。v 3.由于步进电动机是一种属于同步电动机范畴的电动机，其转子运转的速度要与定子磁场断续移动同步。磁场移动速度是无惯性的，而转子受力后的运转是有惯性的，两者速度很难一致，因此必然引起振动并带来噪音。这是别的电动机很少碰到或根本没有的现象

14、。v 4.步进电动机在工作时有铜损和铁损，运转时还有机械损耗，所以步进电动机也发热。但这些损耗都随频率而变化，发热也随频率而变化，这与一般的电动机不同。一般步进电动机不带散热装置，日本EPM310型电动机带有风扇，有的则用油冷却以解决散热问题。6.2 直流伺服电动机及控制v 直流伺服电动机，又称直流执行电动机，或又叫控制电动机。在自动控制系统中作为执行元件，它将输入的电信号转换成轴上的转角或转速，以带动控制对象。它能够通过输入的信号电压经有关电路控制电动机转矩、转速和转角的输出，实现不同应用目的要求。6.2.1 直流伺服电动机v1.工作原理 v传统式直流伺服电动机的基本结构和工作原理与普通直流

15、电动机相同，是基于电磁感应定律和电磁力定律，将直流电能转化为机械能的旋转机械装置。v2.技术指标v额定输出功率：指电动机在铭牌规定的额定状态下运行时，电动机的输出功率，以“W”为量纲单位。v 额定转矩：是指在连续时间工作情况下，电动机输出的转矩。v 最大转矩：电动机在很短时间内所能够输出的峰值转矩。v 最高转速：是指电动机在所允许的最高转速。v 转子惯量：电动机转子的转动惯量。v 反电势常数-表示了永磁磁场强度。它是当电枢在磁场中按规定速度机械旋转时所产生的电压值。v 转矩常数-是转矩灵敏度，它表示每安培电流能产生的转矩。该值通常是在额定电流下测量所产生的转矩得到的。v （机械）时间常数-为施

16、加一个阶跃电压时电动机电枢达到相应速度时所需的时间v热时间常数-为达到额定温度的63.2%时所需时间。v在机电系统的设计过程中，或改装机电设备的时候，上述各项技术指标是选择电动机的依据，直流伺服电动机选择的是否合适，直接影响着整个机电系统的使用性能。v 3.主要特点v 它的优点：调速范围宽广，即要求伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广范围内连续调节，i=110000；转子的惯性好，响应快速，随控制电压改变反映很灵敏，即能实现迅速启动、停转；控制功率小、过载能力强，可靠性好。v 它的缺点是：有换向器和电刷的滑动接触；接触电阻的变化使工作性能的稳定受到影响；电刷下的火花使换向器需要经常维护；

17、不能在易爆炸的地方使用；又因控制电源为直流，使得放大元件变得复杂而贵重。v 4、分类及应用v 1）改进型直流伺服电动机。v 2）小惯量直流伺服电动机。v 3）永磁直流伺服电动机（大惯量直流伺服电动机）。6.2.2 直流伺服电动机的机械特性和调节特性v 伺服电动机是把输入的信号电压变为转轴的角位移或者角速度输出去，转轴的转向与转速随信号电压的方向和大小而改变，在自动控制系统中作执行元件。伺服电动机又称为执行电动机。它具有独特的优点：线性的机械特性，对控制信号能作出快速反应。v 直流伺服电动机就是典型的他励直流电动机，其结构与工作原理都与他励直流电动机相同。按磁极的种类，它可以分为两种：磁极是永久

18、磁铁的，称为永磁式直流伺服电动机；磁极是电磁铁的，外面套着他励励磁绕组的，称为电磁式直流伺服电动机。v 以他励直流电动机为例，当磁力电压U恒定，负载转矩也恒定时；升高电枢电压U，电动机的转速随之增高；减小电枢电压U，电动机的转速就降低；若电枢电压的转速为零，电动机停转。当电枢电压的极性改变以后，电动机的旋转方向也随之改变。v 因此把电枢电压U作为控制讯号，就可以控制电动机的转速和转向，这种控制方式称为电枢控制式。电枢控制绕组称为控制绕组，电枢电压称为控制电压。v 直流伺服电动机也可以采用磁场控制方式，磁极绕组用做控制绕组，加在其他的电压为控制电压U，而电枢绕组为励磁绕组，所加电压为恒定的励磁电

19、压Uf。由于磁场控制的特性不如电枢控制式的特性好，所以在自动控制系统中大多采用电枢控制式。v 曲线a为电动机温度限制，在此曲线上，电动机达到绝缘所允许的极限值，故史电动机在此曲线内长时间连续运行。曲线c为电动机最高转速限制线，随着转速上升，电枢电压升高，整流子片间电压加大，超过一定值有发生环火的危险。最大转距d主要受永磁材料的去磁特性所限制，当除磁超过某值后，铁氧体磁体发生变化。6.2.4 直流调速控制方式v 在伺服系统中，速度控制已经成为一个独立、完整的模块，称为速度控制单元。现在直流速度控制单元较多的采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。这两种调速系统都是直流伺服电动机调速

20、的控制电路，其调速过程就是通过改变电动机电枢电压，达到速度调节的目的。v 晶闸管(可控硅)直流调速系统是由电流环、速度环和可控硅整流放大器等组成的，该系统在低速轻载时，电枢电流出现断续，机械特性变软，整流装置的外特性变陡，总放大倍数下降，同时也使动态品质恶化。为此，可采取电枢电流自适应调节器。近年来，由于大功率晶体管工艺上的成熟和高反压大电流的模块型功率晶体管的商品化，晶体管脉宽调制型(PWM)的直流调速系统得到了广泛的应用。与可控硅相比，晶体管控制简单，开关特性好。克服了可控硅调速系统的波形脉动，特别是轻载低速调速特性差的问题。v 晶体管脉宽调制系统由控制部分、晶体管开关式放大器和功率整流三

21、部分组成。PWM调速系统组成原理，如图6-12所示。该系统控制部分包括速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器及三角波发生器、脉冲宽度调制器等。其中脉宽调制PWM调速系统的核心。v 脉宽调制PWM，就是用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变其输出，从而使电动机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。脉宽的连续变化，使电枢电压的平均值也连续变化，因而使电动机的转速连续调整。v 与可控硅调速系统相比，PWM调速系统的频带宽，截止频率高于可控硅，两者相差一个数量级。因为元件的截止频率高，可允许系统有较高的工作频率。PWM系统的开关工作频率多数为2kHz，有的使用5kHz这远大于可控硅系统，

22、远比转子能跟随的频率高得多，避开了机械共振。此外PWM调速系统的电流脉动小，电动机内部发热小，输出转矩平稳，对低速加工有利，具有优良的动态硬度。6.3 交流伺服电动机及其控制v 随着直流伺服电动机占据市场首位的时间延续，直流伺服电动机自身存在的问题也越来越明显，加之国内外电子学和电力电子学的发展，使交流伺服电动机的发展极为迅速，很快进入了与直流拖动相媲美、相竞争的时代，并有取而代之的趋势。本节主要讲永磁同步电动机的工作原理、特点及其调速方法为基础，讨论交流电动机的驱动和调速方法。6.3.1 交流伺服电动机v 交流伺服电动机一般有两种类型，笼型异步伺服电动机和永磁同步伺服电动机。笼型异步伺服电动

23、机的本身原理结构与鼠笼式异步电动机是一样的，区别在于输出量可调，也就是说，输入的电压、电流或频率具有可控性；永磁同步伺服电动机的情况与笼型异步伺服电动机是十分相似的。6.3.2 晶闸管调压调速v 通过改变感应电动机的定子电压对它进行调速，这是一种比较简单的调速方法，它具有线路简单、装置体积小、造价低廉、使用维修方便等优点。这种调速方法在一定范围内得到了较多的应用。但由于它有调速范围不宽、低速稳定性较差、深调速时效率下降、发热厉害等缺点，它主要被应用在一些作短时或重复短时调速的设备上。v 晶闸管调压调速系统虽有线路简单、装置体积小、使用维修方便、价格低等优点，但是也存在比较严重的缺点：低速时感应

24、电动机的转差功率损耗大，运行效率低；采用相位控制方式时，电压为非正弦，电动机电流中存在着较大的高次谐波，电动机将主生附加谐波损耗，电磁转矩也会因谐波的存在而发行脉动，对它的出力有较大的影响。6.3.3 （PWM）型晶闸管变频调速系统v 1.晶闸管变频器的工作原理v 如图6-17所示为交-直-并变频器的主电路，它由整流器、中间滤波环节及逆变器三部分组成。整流器为晶闸管三相桥式电路，它的作用是将恒压恒频交流电变换为直流电，然后再作为逆变器的直流供电电源。逆变器也是晶闸管三相桥式电路，但它的作用与整流器相反，它是将直流电变换调制为可调频率的交流电，是变频器的主要组成部分。中间滤波环节由电容器、电抗器

25、组成，它的作用是对整流后的电压或电流进行滤波。v 在逆变器中，所用的晶闸管或晶体管，都是作为开关元件使用的，因此要求它们有可靠的导通和关断能力，晶闸管的触发导通比较容易，只要对其控制端加入正的触发信号且阴阳极间有正向电压即可。但其关断却不太容易，因为普通晶闸管一旦触发导通后，控制端就失去了控制作用。要使普通晶闸管由导通转为阻断，必须在其阴阳极间加反向电压或使阳极电流小于维持电流，因而在交-直-交变频的逆变器中，需增设专门的换流电路（图中未画出）以保证晶闸管按时关断。v 另一种控制方式为恒幅脉宽控制方式。如图6-19所示，由二极管整流桥、中间滤波环节和逆变器组成。逆变器输入恒定不变的直流电压，通

26、过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和输出电压的频率，既实现调压双实现变频，变频和变压都由PWM逆变器承担。这是一种新型的变频系统，主回路简单，只要有相应的控制电路就可以了。由于输出电压直接由逆变器可以接在一个公共的直流母线上，便于实现多台电动机拖动。若逆变器采用快速开关元件，实现高频脉宽调制，可以提高系统的性能，缩小装置的体积，降低成本。6.4 液压与气动控制v 液压与气压传动控制是以流体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。随着机电一体化技术的发展，微电子、计算机技术不断渗入，液压与气压传动控制，成为机械设备中发展速度最快的技术之一。它们通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路

27、有机地组合成具有一定控制功能的传动系统，应用在日常工作和生活中经常见到各种机器中，如汽车、电梯、机床等机电设备都有不同程度的液压气动控制回路。6.4.1 液压控制v 液压传动装置本质上是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，后又将液压能转换为机械能做功，以实现某种控制目的。v 1.液压系统的基本特点v 液压控制与其它控制方式相比较，在相同功率下，液压控制回路的能量转换元件体积较小，工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向；工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命较长；因操纵简单，易于实现复杂的自动工作循环；加之液压元件系列化、标准化和通用化，因此液压系统应用十分广泛。但在液压传

28、动过程中，存在泄漏和能量损失（如泄漏损失、摩擦损失等），故传动效率不是很高，不适合远距离传动；另外由于液体对温度的变化敏感，不宜在很高和很低的温度下工作；液压传动出现故障时不易找出原因。v 2.液压控制系统的组成v 液压控制系统由以下四个部分组成：v (1)动力元件 如：液压泵，它将机械能转换为液体介质的压力能，向液压系统提供动力，是系统的动力源。v (2)执行元件 如：液压缸，液压马达等，它是将液压能转换为机械能的装置，在压力油的推动下，它输出力和速度(或力矩和转速)以其它驱动工作部件。v (3)控制元件 如：溢流阀、节流阀、换向阀等。这些元件通过电气、手动等方式来实现对液压系统中油液压力、

29、流量和流动方向的控制。v (4)辅助元件 如：油箱、油管、过滤器以及各种指示器和控制仪表等。它们的作用是提供必要的条件使系统得以正常工作和便于监测控制。v 下面机床工作台液压传动系统为例，说明动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件之间在控制系统中的相互关系。v 如图6-22所示，是液压系统原理结构示意图，在图示位置时，液压油路流经途径：v 油箱1过滤器2液压泵3节流阀4换向阀5油管9v v 活塞连同工作台8向左移动液压缸左腔v 同时，液压缸右腔的油通过换向阀4排回油箱。v 当所推动的阻力大于液压推动力时，液压油路流经途径改变为：v 油箱1过滤器2液压泵3溢流阀11油管19油箱v 如果将换向阀的

30、手柄扳到左边时，则压力油经换向阀进入液压缸的右腔，推动活塞连伺工作台向右移动。这时液压缸的左腔的油经换向阀和回油管排回油箱。v 在这里节流阀用来调节工作台的移动速度。当节流阀开口较大时，进入液压缸的流量较大，工作台的移动速度也较快，反之，当节流阀开口较小时，工作台的移动速度则较慢。v 另外，当工作台低速移动时节流阀开口较小，泵出口多余的压力油亦需排回油箱。v 这些功能是由溢流阀4来实现的，调节溢流阀弹簧的预压力就能调整泵出口的油液压力，并让多余的抽在相应压力下打开溢流阀，经回油管流回油箱。v 组成液压系统示意图的各个元件是用半结构式图形画出来的，这种图形直观性强，较易理解，但难绘制，为此，工程

31、技术人员对液压元件专门制定了标准化符号，即国家标准GB786.1-93。对于图6-22所示的液压系统，若用规定的液压图形符号绘制，则其系统原理图如图6-23所示。图中的符号只表示元件的功能，不表示元件的结构和参数，使用这些图形符号，可使液压系统图简单明了、便于绘制。6.4.2 气压传动与控制v 在气压传动中，能源的介质通常是压缩空气。本节将主要介绍气动元件、基本气动系统及基本控制方法等气压传动基本技术。复杂的气动控制系统大多都由程序或其他逻辑控制装置来控制。v 1.气动控制的基本特点v 空气是最方便的传动介质，方便适用，可在许多场合使用；根据需要容易地储存大量的压缩空气；使用气动元件属于简单设

32、计，因而容易地适合较简单自动控制系统，便于控制。易于实现无级调速的直线和回转运动，动作响应快；气动元件价格合适，维护费用较低，经济性好；气动元件有很长的工作寿命，使系统有很高的可靠性；压缩空气很大程度上不受高温、灰尘、腐蚀的影响，对环境无污染，可装入标准的清洁房内，这一点是其他系统所不能及的。但是，气动控制难于实现精确控制，输出力矩较小，因此，广泛应用于食品生产、医药生产等行业。v 2.各类控制阀v 同液压元件一样，气动执行元件的执行，需要控制它的输出力、运动方向、运动速度，才能使气缸满足生产要求，因此，在气动系统中对执行元件的输出力、运动方向和运动速度的控制分别采用压力阀、方向阀和调速阀来完

33、成。v (1)压力控制元件 压力控制元件是用来控制气路中压缩空气的压力，使气缸的输出力保持在一定的范围，保证气缸的输出力大小。压力控制元件分普通调压阀、精密调压阀、电控调压阀(EP调压阀)和增压阀四种。有些教材将顺序阀和安全阀也列入压力控制元件。v 图6-24是一个溢流式普通调压阀的结构原理图。左端是进气口、右端是出气口、中间有一个主阀板，阀板上方有一个膜片及弹簧。弹簧力的大小靠旋钮来控制，以控制出口压力保持一定。v 实际上普通的调压阀很难精确地调整到设定压力值。当进口的压力增大时，由于摩擦力、调压阀弹簧刚度等很多参数的影响，输出的压力降低。当膜片在变形时，弹簧的压力也在改变，同时弹簧作用在膜

34、片上的力也是改变的。因此，没有这个弹簧，它就不能工作。而有了这个弹簧，就对它的特性有一定的影响。对于压力精度要求比较高的回路，可采用精密调压阀。v 对于精密调压阀来说，作用在主膜片上腔的力并不是弹簧力，而是一个比较稳定的空气压力。而且这个空气压力受弹簧力的影响很小。这样的调压阀就有一定的调压精度。v 在一些气动系统中或气动伺服系统中，需要用电信号直接控制调压阀输出压力的高低时，需要用电控调压阀。v 采用复合阀是当今气动技术的一大趋势。图6-25是一种将过滤器和调压阀复合在一起的过滤减压阀结构。它不仅具有过滤的功能，而且还具有调压功能，节省了安装空间，习惯上称双联件。有的是将过滤器、减压阀、油雾

35、器三者合为一件，习惯上称三联件。还有一种是叠装设计的方向阀和减压阀。它是在一个板式连接的换向阀中间，插入一个减压阀，在调压阀和换向阀之间没有管路连接，而是直接由阀块连接。这样把两种阀和汇流板复合在一起，使系统既具有调压、换向功能，又便安装。v 综上所述，应根据不同的使用目的及技术要求来选用压力控制元件。v 选用调压阀时，主要考虑三个方面v 1）压力精度要求，对精度要求不高的压力控制回路，用普通调压阀即可。v 2）压力调节方式，手动调压还是电控调压。当回路需要电控调压阀时，考虑响应速度是否满足要求。比例电磁铁电磁阀，通常是用在高精度、响应速度快、大容量的气动控制系统中。v 3）最大流量校和，选择

36、不同通径的调压阀，也就确定了回路流过这个阀的流通能力。如果所选择的调压阀太小，则回路的最大流量远远大于调压阀所能通过的流量，在最大流量通过的时候，它要产生一个很大的压力损失，使得执行机构不能得到所需最大压力(推力)。因此，选择调压阀一定要根据回路最大流量的大小来进行校核。v (2)方向控制阀v 方向控制阀按其操纵方式可分为如表6-2所示的各种形式v 方向控制阀也可通道数来分类。如两位三通阀、两位四通阀和两位五通阀。这些阀的基本符号、功能如表6-3所示。v 根据阀的控制数量；可以将阀分为单控阀和双控阀。单控阀能在控制力或信号撤消后，在弹簧的作用下复位，具有“单稳”作用。双控阀则，在控制力或信号撤

37、消后“保持”原位，具有“记忆”功能。而这种“记忆”功能单控阀是没有的。v 单向阀和梭阀也属于方向控制阀。单向阀结构简单，多安装于气源终端以便与用气设备连接。梭阀的结构原理图如图6-26所示。它有一个出气口和两个进气口。无论从哪个进气口进气，都有输出气流。当气流来自左边，中间的阀芯被推向右侧，把右边的阀口卡死，气流从出口流出；当气流从右边进来，那么中间的阀芯就被推向左侧，把左边的阀口卡住，气流从流出口流出。梭阀具有逻辑“或”的功能。v 方向控制阀的选择主要考虑以下几个方面：v （1）控制方式的选择。在不同的条件下，对控制方式的选择不同，若在防爆条件要求苛刻的情况下，我们只能考虑选用气控式的。一般

38、情况下最好选用电磁控制方式，它适于用可编程序控制器进行控制，适应比较复杂的气动控制系统。v （2）根据气缸操作方式选择。气缸的操作方式有双动或单动之分，根据不同要求，可以选择二位二通或三通阀，也可以选用二位四通或二位五通阀。如果气动执行元件有特殊要求，如：任意位置停止或保持，则应选用三位阀并确定其中间位置形式。中间位置有封闭式；加压式和排气式三种形式。如果阀是在空气净化程度比较好的气动回路中工作，而阀的工作频率比较高时，应选用金属间隙密封(硬配合)形式，使滑阀的寿命延长。如空气净化程度欠佳，应采用橡胶软密封形式。（3）根据气缸的流量要求选择。方向控制阀的流通能力由回路中的最大流量所决定，气缸的

39、直径、效断面积、气缸活塞的移动速度是方向控制阀选择的基本依据。v 3.调速阀v 调速阀用来控制气缸的移动速度。它由一个节流阀和一个单向阀组成，其结构原理如图6-27所示。针阀和阀座之间的间隙决定调速阀的节流开口大小由。针阀和阀座之间的间隙可通过旋钮来调节。调速阀分为排气节流型和进气节流型两种型式。当在这个方向联接一个气缸时，气缸排气腔的压缩空气不能够及时排到大气中去，而会使气缸的速度变低。v 要得到一个稳定的调速特性，通常应采用排气节流调速。虽然调速阀可以调节气缸的移动速度，但在工程上经常需要气缸反向运动时能够快速移动。由于调速阀在气流反向时起节流的作用，再加上管道的气阻，使气缸排气腔的压缩空

40、气不能及时排出，压力不能快速下降，气缸也不会马上反向运动。这时就应考虑使用快速排气阀。快速排气阀的工作原理与前述的梭阀相类似。v 4.气缸v 气缸从最基本的形式派生出各种各样不同的气缸。其中有不同动作特性的复合气缸，也有各种各样特殊性能的特殊气缸。v 目前在工业自动化领域用到的气动执行元件通常可分为直线型和回转型两大类，约有上万个品种型号。按其作用方式及用途细分，直线型可分为单作用气缸、双作用气缸和特殊用途气缸三类；回转型可分为回转气缸与气马达两类。v 有些气缸为了安全的需要，在气缸的前端加一个锁紧装置。通过这个装置，可让活塞停止在行程两端或行程中的任何一个位置。普通气缸不具备这个功能，只能在

41、行程的末端和终端的两个极限位置间往复运动。加上锁紧装置以后，在需要停止的位置。锁紧装置有弹簧锁紧型、气压锁紧型、弹簧与气压并用锁紧型等三种不同的类型。v 5.气动控制回路的基本组成v 气动控制回路与液压控制回路的基本组成一样，也是由以下四个部分组成：v (1)动力元件 如：气泵，它将机械能转换为气体介质的压力能，向气动系统提供动力，是系统的动力源。v (2)执行元件 如：气缸，气爪等，它是将气压能转换为机械能的装置，在压缩空气的推动下，它输出力和速度(或力矩和转速)以使其它驱动工作部件。v (3)控制元件 如：节流阀、换向阀等。这些元件通过电气、手动等方式来实现对气动回路中压缩空气的压力、流量

42、和流动方向的控制。v (4)辅助元件 如：油雾气、过滤器以及各种指示器和控制仪表等。它们的作用是提供必要的条件使系统得以正常工作和便于监测控制。v 气动回路的基本控制方式一般有三种：1）电气一气动控制方式，常用磁性开关、各类继电器、可编程控制器等电器件。v 2)全气动控制方式，常用各类气动逻辑元件、气控阀；气控传感器等元件。v 3)机械操作方式，如手动、脚控机控阀；机械限位阀等。v 由于自动化生产过程的不同要求，实际气动回路的组成千变万化，但是无论多么复杂的回路；它都是由一些典型的气动元件构成的。v 如图6-28所示，是一个比较典型的气动控制回路。气源1的压缩空气经过过滤器2、减压阀3、油雾器4进人气动回路，二位三通阀7分别控制单作用气缸10的方向，两个调速阀8、9串联可在往返行程调速。消声器6和节流阀5，可起到排气节流和消声的目的。二位五通阀13控制双作用气缸11的方向，两个调速阀12分别控制双作用气缸11往返行程的速度。