2.4 执行机构

2.4.1 执行机构的基本要求

执行机构是利用某种驱动能源，在控制信号作用下，提供直线或旋转运动的驱动装置。执行机构是机电一体化系统及产品实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并应具有响应速度快，动态特性好，灵敏等特点。对执行机构的要求有：惯量小、动力大；体积小、质量轻；便于维修、安装；易于计算机控制。

机电一体化系统常用的执行机构主要有电磁执行机构、微动执行机构、工业机械手以及液压和气动执行机构。

2.4.2 电磁执行机构

随着机电一体化技术的高速发展，对各类系统的定位精度也提出了更高的要求。在这种情形下，传统的旋转电机加上一套变换机构（比如滚珠丝杠螺母副）组成的直线运动装置，由于具有“间接”的性质，往往不能满足系统的精度要求。而直线电动机的输出直接为直线运动，不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，其传动具有“直接”的性质。

如图2-27所示，在结构上，直线电动机可以认为是由一台旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成。永磁无刷旋转电动机的两个基本部件是定子（线圈）和转子（永磁体）。在无刷直线电动机中，将旋转电动机的转子沿径向剖开并拉直，则成为直线电动机的永磁体轨道（也称为直线电动机的定子）；将旋转电动机的定子沿径向剖开并拉直，则成为直线电动机的线圈（也称为直线电动机的动子）。

图2-27 直线电动机结构图

1—定子 2—线圈 3—气隙 4—永磁体 5—转子 6—底座 7—动子

在大多数无刷直线电动机的应用中，通常是永磁体保持静止，线圈运动，其原因是这两个部件中线圈的质量相对较小，但有时将运动与静止件反过来布置会更有利并完全可以接受。在这两种情况中，基本电磁工作原理是相同的，并且与旋转电动机完全一样。目前有两种类型的直线电动机：无铁芯电动机和有铁芯电动机，如图2-28所示，每种类型电动机均具有取决于其应用的最优特征和特性。有铁芯电动机有一个绕在硅钢片上的线圈，以便通过一个单侧磁路，产生最大的推力；无铁芯电机没有铁芯或用于缠绕线圈的长槽，因此，无铁芯电机具有零齿槽效应、非常轻的质量以及在线圈与永磁体之间绝对没有吸引力。这些特性非常适合用于需要极低轴承摩擦力、轻载荷高加速度，以及能在极小的恒定速度下运行（甚至是在超低速度下）的情况。模块化的永磁体由

图2-28 直线电动机

a）无铁芯 b）有铁芯

双排永磁体组成，以产生成最大的推力，并形成磁通返回的路径。

与旋转电动机相比，直线电动机有如下几个特点：

1）结构简单。直线电动机不需要把旋转运动变成直线运动的中间传递装置，使得系统本身的结构大为简化，重量和体积均大大下降。

2）极高的定位精度。直线电动机可以实现直接传动，消除了中间环节所带来的各种误差，定位精度仅受反馈分辨率的限制，通常可达到微米以下的分辨率。并且，因为消除了定、动子间的接触摩擦阻力，大大地提高了系统的灵敏度。

3）刚度高。在直线电动机系统中，电机被直接连接到从动负载上。在电动机与负载之间，不存在传动间隙，实际上也不存在柔度。

4）速度范围宽。由于直线电动机的定子和动子为非接触式部件，不存在机械传动系统的限制条件，因此，很容易达到极高和极低的速度，通常可实现超过5m/s或低于1μm/s的速度。相比之下，机械传动系统（如滚珠丝杠副）通常将速度限制为0.5～0.7m/s。

5）动态性能好。除了高速能力外，直接驱动直线电动机还具有极高的加速度。大型电动机通常可得到3～5g的加速度，而小型电动机通常很容易得到超过10g的加速度。

2.4.3 微动执行机构

微动执行机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构，在机电一体化产品中，它一般用于精确、微量地调节某些部件的相对位置。微动执行机构应该能满足以下要求：灵敏度高，最小移动量能达到移动要求；传动灵活、平稳，无空行程与爬行现象，制动后能保持在稳定的位置；抗干扰能力强，响应速度快；能实现自动控制；良好的结构工艺性。微动执行机构按照运动原理可分为热变形式、磁致伸缩式和压电陶瓷式。

（1）热变形式

热变形式微动执行机构利用电热元件作为动力源，通过电热元件通电后产生的热变形实现微小位移，其工作原理如图2-29所示。传动杆1的一端固定在机座上，另一端固定在沿导轨移动的运动件3上。电阻丝2通电加热时，传动杆1受热伸长，其伸长量ΔL（mm）为

ΔL=α·L·（t₁-t₀）=α·L·Δt （2-8）

式中 α——传动杆1材料的线胀系数，mm/℃；

L——传动杆长度，mm；

t₁——加热后的温度，℃；

t₀——加热前的温度，℃；

Δt——加热前后的温度差，℃。

图2-29 热变形式微动执行机构工作原理

1—传动杆 2—电阻丝 3—运动件

热变形微动机构具有高刚度和无间隙的优点，并可通过控制加热电流得到所需微量位移；但由于热惯性以及冷却速度难以精确控制等原因，这种微动系统只适用于行程较短且使用频率不高的场合。

（2）磁致伸缩式

磁致伸缩式微动执行机构是利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应，来实现微量位移。其工作原理如图2-30所示，磁致伸缩棒1左端固定在机座上，右端与运动件2相连；绕在伸缩棒外的磁致线圈通电励磁后，在磁场作用下，磁致伸缩棒1产生伸缩变形而使运动件2实现微量移动。通过改变线圈的通电电流来改变磁场强度，使磁致伸缩棒1产生不同的伸缩变形，从而运动件可得到不同的位移量。在磁场作用下，磁致伸缩棒的变形量ΔL（m）为

ΔL=±λ·L （2-9）

式中 λ——材料磁致伸缩系数，ppm；

L——伸缩棒被磁化部分的长度，m。

磁致伸缩式微动机构的特征有重复精度高、无间隙、刚度好、惯量小、工作稳定性好、结构简单紧凑。但由于工程材料的磁致伸缩量有限，该类机构所提供的位移量很小，如100mm长的铁钴钒棒，磁致伸缩只能伸长7μm，因而该类机构适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿及自动调节系统。

图2-30 磁致伸缩式微动执行机构工作原理

1—磁致伸缩棒 2—运动件

（3）压电陶瓷式

压电陶瓷式微动执行机构是利用压电材料的逆压电效应产生位移的。一些晶体在外力作用下会产生电流，反过来在电流作用下会产生力或变形，这些晶体称为压电材料，这种现象称为压电效应。压电效应是一种机械能与电能互换的现象，分为正压电效应和逆压电效应。对压电材料沿一定的方向施加外力，其内部会产生极化现象，在两个相对的表面上出现正负相反的电荷，这种现象称为正压电效应；相反，沿压电材料的一定方向施加电场，压电材料会沿电场方向伸长，这种现象称为逆压电效应。工程上常用的压电材料为压电陶瓷，如图2-31所示。利用压电陶瓷的逆压电效应可以做成压电微动执行器件。对压电器件要求其压电灵敏度高、线性好、稳定性好和重复性好。

压电器件的主要缺点是变形量小，为获得需要的驱动量常要加较高的电压，一般大于800V。压电陶瓷长度方向变形量为

式中 U——施加于压电器件上的电压；

b——压电陶瓷厚度；

L——压电陶瓷长度；

d——压电系数。

图2-31 压电陶瓷

由上式可以看出，增大压电陶瓷所用方向的长度、减少压电陶瓷厚度、增大外加电压、选用压电系数大的材料均可以增大压电陶瓷长度方向变形量。另外，也可用多个压电陶瓷组成压电堆，采用并联接法，以增大伸长量。

2.4.4 工业机械手末端执行器

末端执行器安装在机械手的手腕或手臂的机械接口上，是直接执行作业任务的装置。末端执行器根据用途不同可分为三类：机械夹持器、吸附式末端执行器和灵巧手。

（1）机械夹持器

机械夹持器具有夹持和松开的功能。夹持工件时，有一定的力约束和形状约束，以保证被夹工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。松开工件时，应完全松开。机械夹持器的组成部分包括手指、传动机构和驱动装置。手指是直接与工件接触的部件，夹持器松开和夹紧工件是通过手指的张开和闭合来实现的。传动机构向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作。驱动装置是向传动机构提供动力的装置，一般有液压、气动、机械等驱动方式。根据手指夹持工件时的运动轨迹的不同，机械夹持器分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。

图2-32所示为圆弧开合型液压连杆传动夹持器。其工作过程如下：

1）抓取。液压缸3向下运动，通过连杆2使手指1绕支架4上的固定销轴转动，抓取工件5。

2）夹紧。液压缸3继续向下运动，使手指2以较大的力夹持工件5。

3）放开。液压缸3向上运动，通过连杆2使手指1绕支架4上的固定销轴的反向转动，放开工件5。

该夹持器用于夹持圆柱形的工件。

图2-33为用于夹持方形工件的圆弧开合型夹持器。夹持器工作时，两手指绕支点作圆弧运动，同时对工件进行夹紧和定心。这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求，否则可能会造成工作状态异常。

图2-34为圆弧平行开合型夹持器。这类夹持器工作时两手指作平行开合运动，而指端运动轨迹为一圆弧。图2-34所示的夹持器是采用平行四边形传动机构带动手指的平行开合的两种情况。图2-34a为机构在夹持时指端前进，图2-34b为机构在夹持时指端后退。

图2-35为直线平行开合型夹持器。这类夹持器两手指的运动轨迹为直线，且两手指夹持面始终保持平行。图2-35所示的为采用齿轮齿条机构的直线平行开合型夹持器，当活塞杆末端的齿条带动齿轮旋转时，手指上的齿条作直线运动，从而使两手指平行开合，进行夹持工件。

（2）吸附式末端执行器

吸附式末端执行器可分为气吸式和磁吸式两类。气吸式末端执行器利用真空吸力或负压吸力吸持工件，它适用于抓取薄片及易碎工件的情形，吸盘通常由橡胶或塑料制成；磁吸式末端执行器则是利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性的小五金工件。

图2-32 圆柱形工件圆弧开合型液压连杆传动夹持器

1—手指 2—传动机构（连杆） 3—驱动装置（液压缸） 4—支架 5—工件

图2-33 方形工件圆弧开合型夹持器

1—杆 2—十字头 3—导轨 4—中间连杆 5—支点 6—手指

图2-34 圆弧平行开合型夹持器

1—导轨 2—十字头 3—中间连杆 4—支点 5—平行连杆 6—手指

图2-35 直线平行开合型夹持器

1—活塞杆齿条 2—齿轮 3—手指齿条 4—手指

图2-36所示为真空吸附式末端执行器（真空吸附手），抓取工件时，橡胶吸盘与工件表面接触，橡胶吸盘起到密封和缓冲的作用，通过真空泵抽气来达到真空状态，在吸盘内形成负压，实现工件的抓取。松开工件时，吸盘内通入大气，失去真空状态后，工件被放下。该吸附式末端执行器结构简单、价格低廉，常用于小件搬运，也可根据工件形状、尺寸、重量的不同将多个真空吸附手组合使用。

图2-37所示为电磁吸附式末端执行器，又称为电磁吸附手，它利用通电线圈的磁场对可磁化材料的作用来实现对工件的吸附。该执行器同样具有结构简单，价格低廉的特点。电磁吸附手的吸附力是由通电线圈的磁场提供的，所以可用于搬运较大的可磁化材料的工件。吸附手的形状可根据被吸附工件表面形状来设计，既可用于吸附平坦表面工件又可用于吸附曲面工件。图2-37所示的电磁吸附手用于吸附曲面工件，吸附手的吸附部位装有磁粉袋，线圈通电前将可变形的磁粉袋贴在工件表面上，当线圈通电励磁后，在磁场作用下，磁粉袋端部外形固定成被吸附工件的表面形状，从而达到吸附不同表面形状工件的目的。

图2-36 真空吸附式末端执行器

1—橡胶吸盘 2—工件

图2-37 电磁吸附式末端执行器

1—励磁线圈 2—磁粉袋 3—工件

（3）灵巧手

灵巧手是一种模仿人手制作的多指多关节的机器人末端执行器。它可以适应物体外形的变化，对物体进行任意方向、任意大小的夹持力，可以满足对任意形状、不同材质物体的操作和抓持要求，但是其控制、操作系统技术难度大。图2-38为灵巧手的一些实例。

图2-38 灵巧手