执行机构

工业工程概念

执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。

定义

对于执行机构最广泛的定义是：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。

因为越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩散同时将工厂损失减至最少。对一些高压大口径的阀门，所需的执行机构输出力矩非常大，这时所需执行机构必须提高机械效率并使用高输出的电机，这样平稳的操作大口径阀门。

分类

以电能、压缩空气或压力油为动力，输出与控制信号相对应的转角或直线位移，以一定转矩或推力推动调节机构，从而完成生产过程参数控制要求的装置，也称执行器。根据采用动力源的不同，通常有电动执行机构，气动执行机构，液动执行机构等。执行机构是自动控制系统的重要环节。它接受来自控制仪表或人工给定的控制信号，对其进行功率放大，然后转换为输出轴的相应的角位移或直线位移，用以推动各种调节机构，如调节阀、风门挡板等，改变被调介质流量，以完成各种过程参数的自动控制或人工手动控制。执行机构的动作规律通常是线性的，也有采用等百分比型的。其控制信号有连续的电流信号，也有断续的电压信号或脉冲信号。

目前最常用的执行机构是电信号气动长行程执行机构和电动执行器。

电信号气动长行程执行机构

以压缩空气为动力，可直接接受标准电流控制信号的气动执行机构，具有动作平稳，推力大，精度高，本质防爆，易于实现所要求的控制规律等特点。其多数品种带有断电源、断气源、断电信号的“三断”自锁保位功能，使用安全性高。

图1为气动执行机构原理框图。气动执行机构由自动工作系统和各种辅助装置两大部分组成。前者包括电-气转换器、定位器、气缸、连杆等部件，后者包括手操机构、“三断”自锁装置、阀位变送器、行程开关等。电-气转换器将电流控制信号变为气压控制信号。按力平衡原理工作的定位器和作为动力部件的气缸以及连杆等构成的自动工作系统的功能是使执行机构的输出角位移与输入控制信号相对应。手操机构用于装置调整和就地应急操作。“三断”自锁装置由气源、电源、电信号的监控回路和断气源时的锁紧装置构成。当上述故障之一发生时，执行机构输出保位，保证设备和运行安全。阀位变送器将执行机构的输出角位移转变为相应的电流信号，行程开关用来发出极限位置的开关量信号。

功能完善的带“三断”保护的气动执行机构广泛用于各个工业部门。但其结构复杂，维护工作量较大。常见的气动执行机构有仅带断气源保护功能的气动执行机构，气动隔膜调节阀，脉冲电信号气动长行程执行机构等。前两者结构简单，后者采用脉冲控制，安全性好。

电动执行器

分角行程、直行程两大类。根据信号制和全行程时间的不同，又分基型品种和多个派生品种。在自动控制系统中，它们和不同型号电动操作器配用，可实现过程参数的自动控制，控制系统的手动/自动双向无扰切换，中途限位及远方手操等功能。

电动执行器由伺服放大器和伺服机构两大部件配套组成。图2为电动执行器原理框图。它是一个位置自动控制系统。来自控制仪表的控制信号和由位置发送器返回的阀位反馈信号的偏差，经伺服放大器进行功率放大，然后驱动伺服电机，使减速器推动调节机构朝减小偏差方向转动，输出轴最后稳定在与控制信号相对应的转角位置上，电动操作器的作用是进行控制系统的手动/自动切换及远方手动操作。

1—伺服放大器; 2—电动操作器; 3—伺服机构;4—伺服电机; 5—减速器; 6—位置发送器

阀门与自动化

为了成功的实现过程自动化，最重要的是要确保阀门自身能够满足过程及管道内介质的特殊要求。通常生产过程和工艺介质能够决定阀门的种类，阀芯的类型以及阀内件和阀门的结构和材料。

阀门选择好后接下来就要考虑自动化的要求即执行机构的选择。可以简单的按两种基本的阀门操作类型来考虑执行机构。

1.旋转式阀门（单回转阀门）

这类阀门包括：旋塞阀、球阀、蝶阀以及风门或挡板。这类阀门需要已要求的力矩进行90度旋转操作的执行机构

2.多回转阀门

这类阀门可以是非旋转提升式阀杆或旋转非提升式杆，或者说是他们需要多转操作去驱动阀门到开或关的位置。这类阀门包括：直通阀（截止阀）、闸阀、刀闸阀等。作为一种选择，直线输出的气动或液动气缸或薄膜执行机构也开来驱动上述阀门。

目前共有四种类型的执行机构，它们能够使用不同的驱动能源，能够操作各种类型的阀门。

1.电动多回转式执行机构

电力驱动的多回转式执行机构是最常用、最可靠的执行机构类型之一。使用单相或三相电动机驱动齿轮或蜗轮蜗杆最后驱动阀杆螺母，阀杆螺母使阀杆产生运动使阀门打开或关闭。

多回转式电动执行机构可以快速驱动大尺寸阀门。为了保护阀门不受损坏，安装在在阀门行程的终点的限位开关会切断电机电源，同时当安全力矩被超过时，力矩感应装置也会切断电机电源，位置开关用于指示阀门的开关状态，安装离合器装置的手轮机构可在电源故障时手动操作阀门。

这种类型执行机构的主要优点是所有部件都安装在一个壳体内，在这个防水、防尘、防爆的外壳内集成了所有基本及先进的功能。主要缺点是，当电源故障时，阀门只能保持在原位，只有使用备用电源系统，阀门才能实现故障安全位置（故障开或故障关）

2.电动单回转式执行机构

这种执行机构类似于电动多回转执行机构，主要差别是执行机构最终输出的是1/4转记90度的运动。新一代电动单回转式执行机构结合了大部分多回转执行机构的复杂功能，例如：使用非进入式用户友好的操作界面实现参数设定与诊断功能。

单回转执行机构结构紧凑可以安装到小尺寸阀门上，通常输出力矩可达800公斤米，另外应为所需电源较小，它们可以安装电池来实现故障安全操作。

3.流体驱动多回转式或直线输出执行机构

这种类型执行机构经常用于操作直通阀（截止阀）和闸阀，它们使用气动或液动操作方式。结构简单，工作可靠，很容易实现故障安全操作模式。

通常情况下人们使用电动多回转执行机构来驱动闸阀和截止阀，只有在无电源时才考虑使用液动或气动执行机构。

4.流体驱动单回转式执行机构

气动、液动单回转执行机构非常通用，它们不需要电源并且结构简单，性能可靠。它们应用的领域非常广泛。通常输出从几公斤米到几万公斤米。它们使用气缸及传动装置将直线运动转换为直角输出，传动装置通常有：拨叉、齿轮齿条，杠杆。齿轮齿条在全行程范围内输出相同力矩，它们非常适用于小尺寸阀门，拨叉具有较高效率在行程起点具有高力矩输出非常适合于大口径阀门。气动执行机构一般安装电磁阀、定位器或位置开关等附件来实现对阀门的控制和监测。

这种类型执行机构很容易实现故障安全操作模式。

选择要素

选择一台合适的阀门执行机构类型和规格时必须考虑下列要素：

驱动能源

最常用的驱动能源是电源或流体源，如果选择电源为驱动能源，对于大尺寸阀门一般选用三相电源，对于小尺寸阀门可选用单相电源。一般电动执行机构可有多种电源类型供选择。有时也可选直流供电，此时可通过安装电池实现电源故障安全操作。

流体源种类很多，首先可以是不同的介质如：压缩空气、氮气、天然气、液压流体等，其次它们可以具备各种压力，第三执行机构具有各种尺寸以提供输出力活力矩。

阀门类型

当选择阀门用执行机构时，必须要知道阀门的种类，这样才可以选择正确的执行机构类型。有些阀门需要多回转驱动，有些需要单回转驱动，有些需要往复式驱动，它们影响了执行机构类型的选择。

通常多回转的气动执行机构比电动多回转执行机构价格要贵，但是往复式直行程输出的气动执行机构价格比电动多回转执行机构便宜。

力矩大小

对于90度回转的阀门如：球阀、碟阀、旋塞阀，最好通过阀门厂商获得相应阀门力矩大小，大部分阀门厂商是通过测试阀门在额定压力下阀门所需的操作力矩，他们将这一力矩提供给客户。对于多回转的阀门情况有所不同，这些阀门可分为：往复式（提升式）运动-阀杆不旋转、往复式运动-阀杆旋转、非往复式-阀杆旋转，必须测量阀杆的直径，阀杆连接螺纹尺寸已决定执行机构规格。

执行机构选型

一旦执行机构类型和阀门所需驱动力矩确定了，就可以使用执行机构厂商提供的数据表或选型软件进行选型。有时还需考虑阀门操作的速度和频率。

流体驱动的执行机构可调节行程速度，但是三相电源的电动执行机构只有固定的行程时间。

部分小规格的直流电动单回转执行机构可调节行程速度。

开关控制

自动控制阀最大的好处是可以远距离的操作阀门，这就意味着操作人员可以坐在控制室控制生产过程而不需要亲临现场去人工操作阀门的开和关。人们只需铺设一些管线连接控制室和执行机构，驱动能源通过管线直接激励电动或气动执行机构，通常用的4-20mA信号来反馈阀门的位置。

连续控制

如果执行机构被要求用于控制过程系统的液位、流量或压力等参数，这是要求执行机构频繁动作的工作，可以用4-20mA或0～10V的模拟量作为控制信号，然而这个信号可能会和过程一样频繁的改变。如果需要非常高频率动作的执行机构，只有选择特殊的能频繁启停的调节型执行机构。当一个过程中需要多台执行机构时，可以通过使用数字通讯系统将各个执行机构连接起来，这样可大大降低安装费用。数字通讯回路可以快速高效的传递指令和收集信息。目前有多种通讯方式如：FOUNDATION FIELDBUS、PROFIBUS、DEVICENET、HART和专为阀门执行机构设计的PAKSCAN等。数字通讯系统不单单可以降低投资费用，它们还可以收集大量阀门信息，这些信息对于阀门的预测性维护程序非常有价值。

预测性维护

操作人员可以借助内置的数据存储器来记录阀门每次动作时力矩感应装置测得的数据，这些数据可以用来监测阀门运行的状态，可以提示阀门是否需要维修，也可以用这些数据来诊断阀门。

针对阀门可以诊断如下数据：

1.阀门密封或填料摩擦力

2.阀杆、阀门轴承的摩擦力矩

3.阀座摩擦力

4.阀门运行中的摩擦力

5.阀芯的所受的动态力

6.阀杆螺纹摩擦力

7.阀杆位置

上述大部分数据存在于所有种类的阀门，但着重点不同，例如：对于蝶阀，阀门运行中的摩擦力是可以忽略的，但对于旋塞阀这个力数值却很大。

不同的阀门具有不同的力矩运行曲线，例如：对于楔式闸饭，开启和关闭力矩都非常大，其它行程时只有填料摩擦力和螺纹摩擦力，关闭时，液体静压力作用在闸板上增加了阀座摩擦力，最终楔紧效应使力矩迅速增大直到关闭到位。所以根据力矩曲线的变化可以预测出将会发生的故障，可以对预测性维护提供有价值的信息。

智能变频控制

执行机构在工作过程中，由于电机的频繁启动，导致工作时额定频率的变化，通过智能变频控制可使频率达到额定值

例如：由于电阻或外力原因，电机启动速度变慢，导致执行机构行程控制的误差，运用智能变频控制，可以改变输入转速，从而使执行机构的工作更可靠和稳定

广义执行机构

李学荣于1988年首次提出广义执行机构的概念[1]，其主要出发点有两条：1)为了开发性能更加优良的机器，必须将纯机械的机构加以拓展，开发出结构新颖的扩展传统机构功能的广义执行机构；2)将构成机构的构件加以广义化。在此基础上，邹慧君从现代机械发展动向出发，给出广义执行机构的更加确切定义：广义执行机构是由驱动单元与执行单元组成的可控执行机构，是实现机器的机械能转化、运动生成和转化等功能的执行者，是机电一体化系统的核心。

广义执行机构的基本特性

(1)可控性：广义执行机构通过传感技术、电子技术、控制技术等使机电融合在一起，可根据功能需求的变化，只要对驱动元件进行可编程控制即可实现复杂多变的输出运动，使原来“刚性化”输出发展成“柔性化”输出，实现输出运动的多样性。

(2)智能化：通过采用一些智能化驱动元件，如形状记忆合金等，使机构输出运动具有智能化，实现机器的智能控制。

(3)微型化：通过微型马达、压电晶体等作用可使机构产生微米级工作行程，实现机构微型化。

(4)集成性：随着现代机构技术的发展，通过设计可制造出实现各种运动输出的“运动集成块”，如直线位移单元等。

(5)高性能化：广义执行机构的运动输出与驱动元件的特性和机构类型有关，而不是单纯取决于机构类型。现代的驱动元件己包括各类电机、液压缸和气动缸、压电驱动器、电磁开关、形状记忆合金等多种形式，其驱动特性不同于传统单一的动力源。将机构内涵扩大为驱动元件与机构的集成体使得设计师的设计空间由一维设计空间变为同时设计驱动元件参数和机构结构参数并考虑两者集成的两维设计空间，设计者有更多的设计参数用以提升机构的运动和动力性能，扩大机构的功能。

广义执行机构的应用

(1)缝制设备

一百多年来，人们对缝纫机不断进行改进和革新，从普通脚踏式家用缝纫机发展到多功能工业缝纫机。进入上世纪60年代后，缝纫机的研制开始应用电子技术，出现了机电一体化的缝纫机，这种新型缝纫机用可控电机和微处理器对缝制过程进行控制，提高了缝纫机的柔性。目前，缝制设备向机电结合的方向发展己是业内人士的共识。不少人认为要使四大机构以及横针机构、剪线机构的动作做到“随心所欲”，例如任意改变针杆的行为、挑线孔的轨迹和横针的动作，只采用“传统机构”己是无能为力，必须求助于“机电运动技术”，以提高缝制设备的性能。

(2)照相机调焦系统

照相机由镜头、快门、光圈、调焦装置、取景器、卷片机构和盒体等部分组成。由于机电一体化技术在该领域中的广泛应用，其内部大量复杂的机构己经被集成电路、驱动电机和电磁执行元件所代替。照相机从精密机械与光学结合的传统产品已发展为精密机械、光学和微电子技术三者一体化的自动化系统。

(3)数控铣床

在数控铣床中，主要分别以伺服马达、齿轮减速机和螺旋机构为原动机，传动机构和执行机构，通过利用伺服控制系统来控制伺服马达的输出运动，以补偿螺旋机构的运动误差。广义执行机构的应用使得螺旋机构的输入运动呈非线性函数，可有效地改善输出运动的三维精度，从而提高机床的整体性能。

(4)金属成形压力机

在金属成形压力机的设计中，出现了由大功率的常速电机和小功率的伺服电机混合驱动一个两自由度的平面七杆机构。这种混合驱动压力机具有非常优越的性能，可以实现压力机的低成本数控化。另外，日本Muratec公司采用伺服驱动系统来改善压力机的工作性能，该系统采用伺服马达控制冲头的工作方式，实现了较同类机械高出150%的冲压速度，并同时抑制了振动及噪音。

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