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1定義

對于執(zhí)行機構(gòu)廣泛的定義是：一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動裝置，它利用某種驅(qū)動能源并在某種控制信號作用下工作。

因為越來越多的工廠采用了自動化控制，人工操作被機械或自動化設(shè)備所替代，人們要求執(zhí)行機構(gòu)能夠起到控制系統(tǒng)與閥門機械運動之間的界面作用，更要求執(zhí)行機構(gòu)增強工作安全性能和環(huán)境保護性能。在一些危險性的場合，自動化的執(zhí)行機構(gòu)裝置能減少人員的傷害。某些特殊閥門要求在特殊情況下緊急打開或關(guān)閉，閥門執(zhí)行機構(gòu)能阻止危險進一步擴散同時將工廠損失減至少。對一些高壓大口徑的閥門，所需的執(zhí)行機構(gòu)輸出力矩非常大，這時所需執(zhí)行機構(gòu)必須提高機械效率并使用高輸出的電機，這樣平穩(wěn)的操作大口徑閥門。

2分類

以電能、壓縮空氣或壓力油為動力，輸出與控制信號相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角或直線位移，以一定轉(zhuǎn)矩或推力推動調(diào)節(jié)機構(gòu)，從而完成生產(chǎn)過程參數(shù)控制要求的裝置，也稱執(zhí)行器。根據(jù)采用動力源的不同，通常有電動執(zhí)行機構(gòu)，氣動執(zhí)行機構(gòu)，液動執(zhí)行機構(gòu)等。執(zhí)行機構(gòu)是自動控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。它接受來自控制儀表或人工給定的控制信號，對其進行功率放大，然后轉(zhuǎn)換為輸出軸的相應(yīng)的角位移或直線位移，用以推動各種調(diào)節(jié)機構(gòu)，如調(diào)節(jié)閥、風(fēng)門擋板等，改變被調(diào)介質(zhì)流量，以完成各種過程參數(shù)的自動控制或人工手動控制。執(zhí)行機構(gòu)的動作規(guī)律通常是線性的，也有采用等百分比型的。其控制信號有連續(xù)的電流信號，也有斷續(xù)的電壓信號或脈沖信號。 

目前常用的執(zhí)行機構(gòu)是電信號氣動長行程執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行器。

電信號氣動長行程執(zhí)行機構(gòu)

以壓縮空氣為動力，可直接接受標(biāo)準(zhǔn)電流控制信號的氣動執(zhí)行機構(gòu)，具有動作平穩(wěn)，推力大，精度高，本質(zhì)防爆，易于實現(xiàn)所要求的控制規(guī)律等特點。其多數(shù)品種帶有斷電源、斷氣源、斷電信號的“三斷”自鎖保位功能，使用安全性高。 

圖1為氣動執(zhí)行機構(gòu)原理框圖。氣動執(zhí)行機構(gòu)由自動工作系統(tǒng)和各種輔助裝置兩大部分組成。前者包括電-氣轉(zhuǎn)換器、定位器、氣缸、連桿等部件，后者包括手操機構(gòu)、“三斷”自鎖裝置、閥位變送器、行程開關(guān)等。電-氣轉(zhuǎn)換器將電流控制信號變?yōu)闅鈮嚎刂菩盘?。按力平衡原理工作的定位器和作為動力部件的氣缸以及連桿等構(gòu)成的自動工作系統(tǒng)的功能是使執(zhí)行機構(gòu)的輸出角位移與輸入控制信號相對應(yīng)。手操機構(gòu)用于裝置調(diào)整和就地應(yīng)急操作?！叭龜唷弊枣i裝置由氣源、電源、電信號的監(jiān)控回路和斷氣源時的鎖緊裝置構(gòu)成。當(dāng)上述故障之一發(fā)生時，執(zhí)行機構(gòu)輸出保位，保證設(shè)備和運行安全。閥位變送器將執(zhí)行機構(gòu)的輸出角位移轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流信號，行程開關(guān)用來發(fā)出極限位置的開關(guān)量信號。

功能完善的帶“三斷”保護的氣動執(zhí)行機構(gòu)廣泛用于各個工業(yè)部門。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護工作量較大。常見的氣動執(zhí)行機構(gòu)有僅帶斷氣源保護功能的氣動執(zhí)行機構(gòu)，氣動隔膜調(diào)節(jié)閥，脈沖電信號氣動長行程執(zhí)行機構(gòu)等。前兩者結(jié)構(gòu)簡單，后者采用脈沖控制，安全性好。

電動執(zhí)行器

分角行程、直行程兩大類。根據(jù)信號制和全行程時間的不同，又分基型品種和多個派生品種。在自動控制系統(tǒng)中，它們和不同型號電動操作器配用，可實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制，控制系統(tǒng)的手動/自動雙向無擾切換，中途限位及遠方手操等功能。[1] 

電動執(zhí)行器由伺服放大器和伺服機構(gòu)兩大部件配套組成。圖2為電動執(zhí)行器原理框圖。它是一個位置自動控制系統(tǒng)。來自控制儀表的控制信號和由位置發(fā)送器返回的閥位反饋信號的偏差，經(jīng)伺服放大器進行功率放大，然后驅(qū)動伺服電機，使減速器推動調(diào)節(jié)機構(gòu)朝減小偏差方向轉(zhuǎn)動，輸出軸后穩(wěn)定在與控制信號相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角位置上，電動操作器的作用是進行控制系統(tǒng)的手動/自動切換及遠方手動操作。

1—伺服放大器; 2—電動操作器; 3—伺服機構(gòu);4—伺服電機; 5—減速器; 6—位置發(fā)送器

3閥門與自動化

為了成功的實現(xiàn)過程自動化，重要的是要確保閥門自身能夠滿足過程及管道內(nèi)介質(zhì)的特殊要求。通常生產(chǎn)過程和工藝介質(zhì)能夠決定閥門的種類，閥芯的類型以及閥內(nèi)件和閥門的結(jié)構(gòu)和材料。

閥門選擇好后接下來就要考慮自動化的要求即執(zhí)行機構(gòu)的選擇?？梢院唵蔚陌磧煞N基本的閥門操作類型來考慮執(zhí)行機構(gòu)。

1.旋轉(zhuǎn)式閥門（單回轉(zhuǎn)閥門）

這類閥門包括：旋塞閥、球閥、蝶閥以及風(fēng)門或擋板。這類閥門需要已要求的力矩進行90度旋轉(zhuǎn)操作的執(zhí)行機構(gòu)

2.多回轉(zhuǎn)閥門

這類閥門可以是非旋轉(zhuǎn)提升式閥桿或旋轉(zhuǎn)非提升式桿，或者說是他們需要多轉(zhuǎn)操作去驅(qū)動閥門到開或關(guān)的位置。這類閥門包括：直通閥（截止閥）、閘閥、刀閘閥等。作為一種選擇，直線輸出的氣動或液動氣缸或薄膜執(zhí)行機構(gòu)也開來驅(qū)動上述閥門。

目前共有四種類型的執(zhí)行機構(gòu)，它們能夠使用不同的驅(qū)動能源，能夠操作各種類型的閥門。

1.電動多回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機構(gòu)

電力驅(qū)動的多回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機構(gòu)是常用、可靠的執(zhí)行機構(gòu)類型之一。使用單相或三相電動機驅(qū)動齒輪或蝸輪蝸桿后驅(qū)動閥桿螺母，閥桿螺母使閥桿產(chǎn)生運動使閥門打開或關(guān)閉。

多回轉(zhuǎn)式電動執(zhí)行機構(gòu)可以快速驅(qū)動大尺寸閥門。為了保護閥門不受損壞，安裝在在閥門行程的終點的限位開關(guān)會切斷電機電源，同時當(dāng)安全力矩被超過時，力矩感應(yīng)裝置也會切斷電機電源，位置開關(guān)用于指示閥門的開關(guān)狀態(tài)，安裝離合器裝置的手輪機構(gòu)可在電源故障時手動操作閥門。

這種類型執(zhí)行機構(gòu)的主要優(yōu)點是所有部件都安裝在一個殼體內(nèi)，在這個防水、防塵、防爆的外殼內(nèi)集成了所有基本及*的功能。主要缺點是，當(dāng)電源故障時，閥門只能保持在原位，只有使用備用電源系統(tǒng)，閥門才能實現(xiàn)故障安全位置（故障開或故障關(guān)）

2.電動單回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機構(gòu)

這種執(zhí)行機構(gòu)類似于電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)，主要差別是執(zhí)行機構(gòu)終輸出的是1/4轉(zhuǎn)記90度的運動。新一代電動單回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機構(gòu)結(jié)合了大部分多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)的復(fù)雜功能，例如：使用非進入式用戶友好的操作界面實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定與診斷功能。

單回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊可以安裝到小尺寸閥門上，通常輸出力矩可達800公斤米，另外應(yīng)為所需電源較小，它們可以安裝電池來實現(xiàn)故障安全操作。

3.流體驅(qū)動多回轉(zhuǎn)式或直線輸出執(zhí)行機構(gòu)

這種類型執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)常用于操作直通閥（截止閥）和閘閥，它們使用氣動或液動操作方式。結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，很容易實現(xiàn)故障安全操作模式。

通常情況下人們使用電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)來驅(qū)動閘閥和截止閥，只有在無電源時才考慮使用液動或氣動執(zhí)行機構(gòu)。

4.流體驅(qū)動單回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機構(gòu)

氣動、液動單回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)非常通用，它們不需要電源并且結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。它們應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛。通常輸出從幾公斤米到幾萬公斤米。它們使用氣缸及傳動裝置將直線運動轉(zhuǎn)換為直角輸出，傳動裝置通常有：撥叉、齒輪齒條，杠桿。齒輪齒條在全行程范圍內(nèi)輸出相同力矩，它們非常適用于小尺寸閥門，撥叉具有較率在行程起點具有高力矩輸出非常適合于大口徑閥門。氣動執(zhí)行機構(gòu)一般安裝電磁閥、定位器或位置開關(guān)等附件來實現(xiàn)對閥門的控制和監(jiān)測。

這種類型執(zhí)行機構(gòu)很容易實現(xiàn)故障安全操作模式。

4選擇要素

選擇一臺合適的閥門執(zhí)行機構(gòu)類型和規(guī)格時必須考慮下列要素：

驅(qū)動能源

常用的驅(qū)動能源是電源或流體源，如果選擇電源為驅(qū)動能源，對于大尺寸閥門一般選用三相電源，對于小尺寸閥門可選用單相電源。一般電動執(zhí)行機構(gòu)可有多種電源類型供選擇。有時也可選直流供電，此時可通過安裝電池實現(xiàn)電源故障安全操作。

流體源種類很多，首先可以是不同的介質(zhì)如：壓縮空氣、氮氣、天然氣、液壓流體等，其次它們可以具備各種壓力，第三執(zhí)行機構(gòu)具有各種尺寸以提供輸出力活力矩。

閥門類型

當(dāng)選擇閥門用執(zhí)行機構(gòu)時，必須要知道閥門的種類，這樣才可以選擇正確的執(zhí)行機構(gòu)類型。有些閥門需要多回轉(zhuǎn)驅(qū)動，有些需要單回轉(zhuǎn)驅(qū)動，有些需要往復(fù)式驅(qū)動，它們影響了執(zhí)行機構(gòu)類型的選擇。

通常多回轉(zhuǎn)的氣動執(zhí)行機構(gòu)比電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)價格要貴，但是往復(fù)式直行程輸出的氣動執(zhí)行機構(gòu)價格比電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)便宜。

力矩大小

對于90度回轉(zhuǎn)的閥門如：球閥、碟閥、旋塞閥，好通過閥門廠商獲得相應(yīng)閥門力矩大小，大部分閥門廠商是通過測試閥門在額定壓力下閥門所需的操作力矩，他們將這一力矩提供給客戶。對于多回轉(zhuǎn)的閥門情況有所不同，這些閥門可分為：往復(fù)式（提升式）運動-閥桿不旋轉(zhuǎn)、往復(fù)式運動-閥桿旋轉(zhuǎn)、非往復(fù)式-閥桿旋轉(zhuǎn)，必須測量閥桿的直徑，閥桿連接螺紋尺寸已決定執(zhí)行機構(gòu)規(guī)格。

執(zhí)行機構(gòu)選型

一旦執(zhí)行機構(gòu)類型和閥門所需驅(qū)動力矩確定了，就可以使用執(zhí)行機構(gòu)廠商提供的數(shù)據(jù)表或選型軟件進行選型。有時還需考慮閥門操作的速度和頻率。

流體驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)可調(diào)節(jié)行程速度，但是三相電源的電動執(zhí)行機構(gòu)只有固定的行程時間。

部分小規(guī)格的直流電動單回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)可調(diào)節(jié)行程速度。

開關(guān)控制

自動控制閥大的好處是可以遠距離的操作閥門，這就意味著操作人員可以坐在控制室控制生產(chǎn)過程而不需要親臨現(xiàn)場去人工操作閥門的開和關(guān)。人們只需鋪設(shè)一些管線連接控制室和執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動能源通過管線直接激勵電動或氣動執(zhí)行機構(gòu)，通常用的4-20mA信號來反饋閥門的位置。

連續(xù)控制

如果執(zhí)行機構(gòu)被要求用于控制過程系統(tǒng)的液位、流量或壓力等參數(shù)，這是要求執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作的工作，可以用4-20mA或0～10V的模擬量作為控制信號，然而這個信號可能會和過程一樣頻繁的改變。如果需要非常高頻率動作的執(zhí)行機構(gòu)，只有選擇特殊的能頻繁啟停的調(diào)節(jié)型執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)一個過程中需要多臺執(zhí)行機構(gòu)時，可以通過使用數(shù)字通訊系統(tǒng)將各個執(zhí)行機構(gòu)連接起來，這樣可大大降低安裝費用。數(shù)字通訊回路可以快速的傳遞指令和收集信息。目前有多種通訊方式如：FOUNDATION FIELDBUS、PROFIBUS、DEVICENET、HART和專為閥門執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計的PAKSCAN等。數(shù)字通訊系統(tǒng)不單單可以降低投資費用，它們還可以收集大量閥門信息，這些信息對于閥門的預(yù)測性維護程序非常有價值。

預(yù)測性維護

操作人員可以借助內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲器來記錄閥門每次動作時力矩感應(yīng)裝置測得的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來監(jiān)測閥門運行的狀態(tài)，可以提示閥門是否需要維修，也可以用這些數(shù)據(jù)來診斷閥門。

針對閥門可以診斷如下數(shù)據(jù)：

1.閥門密封或填料摩擦力

2.閥桿、閥門軸承的摩擦力矩

3.閥座摩擦力

4.閥門運行中的摩擦力

5.閥芯的所受的動態(tài)力

6.閥桿螺紋摩擦力

7.閥桿位置

上述大部分數(shù)據(jù)存在于所有種類的閥門，但著重點不同，例如：對于蝶閥，閥門運行中的摩擦力是可以忽略的，但對于旋塞閥這個力數(shù)值卻很大。

不同的閥門具有不同的力矩運行曲線，例如：對于楔式閘飯，開啟和關(guān)閉力矩都非常大，其它行程時只有填料摩擦力和螺紋摩擦力，關(guān)閉時，液體靜壓力作用在閘板上增加了閥座摩擦力，終楔緊效應(yīng)使力矩迅速增大直到關(guān)閉到位。所以根據(jù)力矩曲線的變化可以預(yù)測出將會發(fā)生的故障，可以對預(yù)測性維護提供有價值的信息。

智能變頻控制

執(zhí)行機構(gòu)在工作過程中，由于電機的頻繁啟動，導(dǎo)致工作時額定頻率的變化，通過智能變頻控制可使頻率達到額定值

例如：由于電阻或外力原因，電機啟動速度變慢，導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)行程控制的誤差，運用智能變頻控制，可以改變輸入轉(zhuǎn)速，從而使執(zhí)行機構(gòu)的工作更可靠和穩(wěn)定

5廣義執(zhí)行機構(gòu)

李學(xué)榮于1988年提出廣義執(zhí)行機構(gòu)的概念[1]，其主要出發(fā)點有兩條：1）為了開發(fā)性能更加優(yōu)良的機器，必須將純機械的機構(gòu)加以拓展，開發(fā)出結(jié)構(gòu)新穎的擴展傳統(tǒng)機構(gòu)功能的廣義執(zhí)行機構(gòu)；2）將構(gòu)成機構(gòu)的構(gòu)件加以廣義化。在此基礎(chǔ)上，鄒慧君從現(xiàn)代機械發(fā)展動向出發(fā)，給出廣義執(zhí)行機構(gòu)的更加確切定義：廣義執(zhí)行機構(gòu)是由驅(qū)動單元與執(zhí)行單元組成的可控執(zhí)行機構(gòu)，是實現(xiàn)機器的機械能轉(zhuǎn)化、運動生成和轉(zhuǎn)化等功能的執(zhí)行者，是機電一體化系統(tǒng)的核心。 

廣義執(zhí)行機構(gòu)的基本特性

（1）可控性：廣義執(zhí)行機構(gòu)通過傳感技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等使機電融合在一起，可根據(jù)功能需求的變化，只要對驅(qū)動元件進行可編程控制即可實現(xiàn)復(fù)雜多變的輸出運動，使原來“剛性化”輸出發(fā)展成“柔性化”輸出，實現(xiàn)輸出運動的多樣性。

（2）智能化：通過采用一些智能化驅(qū)動元件，如形狀記憶合金等，使機構(gòu)輸出運動具有智能化，實現(xiàn)機器的智能控制。

（3）微型化：通過微型馬達、壓電晶體等作用可使機構(gòu)產(chǎn)生微米級工作行程，實現(xiàn)機構(gòu)微型化。

（4）集成性：隨著現(xiàn)代機構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，通過設(shè)計可制造出實現(xiàn)各種運動輸出的“運動集成塊”，如直線位移單元等。

（5）高性能化：廣義執(zhí)行機構(gòu)的運動輸出與驅(qū)動元件的特性和機構(gòu)類型有關(guān)，而不是單純?nèi)Q于機構(gòu)類型?，F(xiàn)代的驅(qū)動元件己包括各類電機、液壓缸和氣動缸、壓電驅(qū)動器、電磁開關(guān)、形狀記憶合金等多種形式，其驅(qū)動特性不同于傳統(tǒng)單一的動力源。將機構(gòu)內(nèi)涵擴大為驅(qū)動元件與機構(gòu)的集成體使得設(shè)計師的設(shè)計空間由一維設(shè)計空間變?yōu)橥瑫r設(shè)計驅(qū)動元件參數(shù)和機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)并考慮兩者集成的兩維設(shè)計空間，設(shè)計者有更多的設(shè)計參數(shù)用以提升機構(gòu)的運動和動力性能，擴大機構(gòu)的功能。

廣義執(zhí)行機構(gòu)的應(yīng)用

（1）縫制設(shè)備

一百多年來，人們對縫紉機不斷進行改進和革新，從普通腳踏式家用縫紉機發(fā)展到多功能工業(yè)縫紉機。進入上世紀(jì)60年代后，縫紉機的研制開始應(yīng)用電子技術(shù)，出現(xiàn)了機電一體化的縫紉機，這種新型縫紉機用可控電機和微處理器對縫制過程進行控制，提高了縫紉機的柔性。目前，縫制設(shè)備向機電結(jié)合的方向發(fā)展己是業(yè)內(nèi)人士的共識。不少人認為要使四大機構(gòu)以及橫針機構(gòu)、剪線機構(gòu)的動作做到“隨心所欲”，例如任意改變針桿的行為、挑線孔的軌跡和橫針的動作，只采用“傳統(tǒng)機構(gòu)”己是無能為力，必須求助于“機電運動技術(shù)”，以提高縫制設(shè)備的性能。

（2）照相機調(diào)焦系統(tǒng)

照相機由鏡頭、快門、光圈、調(diào)焦裝置、取景器、卷片機構(gòu)和盒體等部分組成。由于機電一體化技術(shù)在該領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，其內(nèi)部大量復(fù)雜的機構(gòu)己經(jīng)被集成電路、驅(qū)動電機和電磁執(zhí)行元件所代替。照相機從精密機械與光學(xué)結(jié)合的傳統(tǒng)產(chǎn)品已發(fā)展為精密機械、光學(xué)和微電子技術(shù)三者一體化的自動化系統(tǒng)。

（3）數(shù)控銑床

在數(shù)控銑床中，主要分別以伺服馬達、齒輪減速機和螺旋機構(gòu)為原動機，傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，通過利用伺服控制系統(tǒng)來控制伺服馬達的輸出運動，以補償螺旋機構(gòu)的運動誤差。廣義執(zhí)行機構(gòu)的應(yīng)用使得螺旋機構(gòu)的輸入運動呈非線性函數(shù)，可有效地改善輸出運動的三維精度，從而提高機床的整體性能。

（4）金屬成形壓力機

在金屬成形壓力機的設(shè)計中，出現(xiàn)了由大功率的常速電機和小功率的伺服電機混合驅(qū)動一個兩自由度的平面七桿機構(gòu)。這種混合驅(qū)動壓力機具有非常*的性能，可以實現(xiàn)壓力機的低成本數(shù)控化。另外，日本Muratec公司采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)來改善壓力機的工作性能，該系統(tǒng)采用伺服馬達控制沖頭的工作方式，實現(xiàn)了較同類機械高出150%的沖壓速度，并同時抑制了振動及噪音。