3执行器

在上一章中，我们将人类的运作方式与自动化联系起来。我们将眼睛、触觉和嗅觉比作开关和传感器，而将控制器比作大脑。在本章中，我们将探讨执行器，它可以比作手。在我们的身体系统中，双手按照大脑的指令行事。同样，在自动化系统中，控制器让执行器做什么，执行器就做什么。执行器只是一个移动装置。它可以像手一样移动、搬运或执行其他类似功能。它需要控制器发出控制信号才能执行动作。控制信号是控制器通过写入其中的程序（一组指令）进行处理的结果。没有执行器，工业自动化就不完整。

本章将介绍工业自动化中使用的各种执行器。您将了解它们的基本工作原理及其在工业中的应用。执行器是工业自动化中需要给予足够重视的关键部件之一。本章将提供自动化工程师需要了解的有关执行器的相关信息。

在本章中，我们将介绍这些主要内容：

  • 介绍执行器
  • 了解电动执行器
  • 了解气动执行器
  • 了解液压执行器

3.1 执行器介绍

执行器是一种能产生动作或运动的设备或部件。它可以被称为执行器，因为它通过运动来控制系统。它通常需要来自控制器的控制信号和能源，能源可以是电力、气动（空气）或液压（液体）。当它接收到控制信号时，就会将自身的能量（电能、气动或液压）转换为一种能量或运动形式，从而执行所需的动作。

执行器在工业中的一个主要应用是打开和关闭阀门。

手动操作的阀门使用手轮、手动齿轮箱、旋钮等作为操作执行机构。人可以顺时针或逆时针转动手轮或旋钮来打开或关闭阀门。

在不现实的情况下，例如偏远地区或大型阀门，需要使用气动、电动或液压执行机构来手动打开或关闭阀门。

执行机构（气动、电动或液压）在接收到控制器发出的控制信号后，通过将自身能量转换为机械力（或运动），提供打开或关闭阀门所需的动力或运动。下图显示了左侧带有手轮的阀门，可手动操作；右侧带有气动执行器的阀门，可通过控制信号自动操作。

执行器产生的运动可以是直线运动，也可以是旋转运动。执行器有多种类型，其产生的运动可以是直线运动，也可以是旋转运动。

执行器基本上有三种类型：

  • 电动执行器
  • 气动执行器
  • 液压执行器

3.2 电动执行器

电动执行器在工业中用于将电能转换为动能，以实现负载运动或执行需要运动或力的操作。大多数电动执行器的运行都是基于磁场与携带导体的电流之间的相互作用，从而产生转动力。工业风扇、鼓风机、泵、阻尼器等都是此类电动执行机构的常见应用。它们利用电机来执行必要的动作。电动推杆因其精确性、灵活性和低运行成本而广泛应用于机器人和其他装配应用中。它们被用于需要圆周运动的工业机器中。它们还可用于夹紧、冲压、切割、冲压和其他需要线性运动的应用。电动推杆可以指将电能转换为直线或圆周运动的装置。因此，电动执行器分为两种类型：

  • 电动线性执行器

这是一种沿线性方向移动的执行器。其中，旋转运动首先由电机高速产生。然后通过变速箱降低转速以增加扭矩，从而带动导螺杆旋转，进而使驱动螺母线性移动。限位开关用于确保驱动螺母在前进或后退方向上的移动不会超过某个点。

  • 电动旋转执行器：

电动旋转执行器通常用于自动化系统。例如直流 (DC) 电机、交流电机、步进电机和伺服电机。
我们将在接下来的章节中介绍电动旋转执行器的示例。

3.2.1 直流电机

直流 (DC Direct current) 电机将电能（通过直流）转换为机械能（运动）。直流电机由定子、电枢、分环换向器和电刷组成。定子是静止部分，通常由永久磁铁组成，电枢是旋转部分，由导线线圈组成。线圈的绕组与分环换向器相连。分环换向器确保线圈中的电流方向每转半圈就会反转。

当电流通过电刷和分环换向器进入线圈时，就会产生旋转磁场，该磁场与定子中磁铁的不同磁场相互作用，产生旋转力（转矩），从而使电枢（线圈）旋转。

3.2.2 交流电机

交流电机(AC Alternating current)将电能（通过交流电）转换为机械能（运动）。直流电机以直流电为能源，而交流电机则以交流电为能源。交流电机一般由定子和转子两大部分组成。

定子是一个静止的部件，线圈中装有交流电。交流电在定子线圈中流动产生旋转磁场。转子是旋转部件，连接在输出轴上。转子也会通过定子的感应电流或其他方式产生自己的旋转磁场。定子的旋转磁场和转子的磁场相互作用，产生旋转力，从而导致旋转。交流电机可以是单相的，也可以是三相的。单相交流电机使用单相电源（带电和中性线），而三相交流电机使用三相电源（L1、L2 和 L3）。

3.2.3 步进电机

步进电机是一种按步骤旋转的直流电机。当其端子连接到源时，它不会任意转动，而是按步骤转动。它也由定子和转子组成。定子由绕组（线圈）组成，而转子通常由永磁体制成。当定子绕组的电磁极与转子永久磁铁的磁极发生反应时，按特定顺序逐级启动定子绕组就会产生转动力。

3.2.4 伺服电机

伺服电机是一种旋转执行器，可以高效、精确地旋转。它适用于以特定角度或距离旋转物体。伺服电机常用于机器人和自动化技术领域。它们由一个控制电路组成，可对轴的当前位置提供反馈。来自控制电路的反馈信号使电机能够控制旋转或线性速度和位置。伺服电机类型包括直流伺服电机和交流伺服电机等。直流伺服电机由直流电源供电。玩具和其他机器人相关产品中常用的直流伺服电机由直流电机、齿轮、电位计和控制电路组成，控制电路通过控制信号确保电机以特定角度转动。

交流伺服电机由交流电源供电。它带有编码器，与控制器配合使用，可提供反馈和闭环控制。下图显示了交流伺服电机的一些部件：

交流伺服电机由交流电源供电。它带有编码器，与控制器配合使用，可提供反馈和闭环控制。下图显示了交流伺服电机的一些部件：

其他形式的电气执行器包括电磁铁、机电继电器和接触器等。让我们在接下来的章节中了解一下它们分别是什么。

电磁线圈是一种将电能转换为机械能（运动）的装置。它由线圈、柱塞和弹簧组成。线圈的形成方式使柱塞可以进出线圈体。当电流通过线圈时，就会产生磁场，并根据不同类型产生线性或角度运动。当电源断开时，弹簧会使柱塞回到原来的位置。在下中，当电流流过线圈时，会产生电磁场，将柱塞向内拉。断电后，弹簧将其推回原位。

螺线管在自动化系统中用于产生运动。如下图中的电磁阀所示，该系统可用于打开或关闭阀门：

当电流流过线圈时，通电线圈的磁场拉动柱塞打开阀门。断电后，线圈断电，弹簧迫使柱塞关闭阀门。电磁阀可用于控制压缩空气流入气动缸或液压流体流入液压缸。电磁阀的其他应用还包括提供安全闭门功能的门锁系统，以及将物体或包裹转移到特定位置的传送带上的推杆。

3.2.5 电动机械继电器

机电继电器是一种电动开关，可以通过触点的物理移动来打开或关闭电路。

继电器由线圈（电磁铁）、动触点、静触点和弹簧组成。

当继电器线圈通电并有电流流过端子时，可动触点 (C) 将被吸引到固定触点的常开 (NO) 位置，使两者相互接触。断电后，可动触点返回常闭 (NC) 位置。如下图所示，可动触点和固定触点可用作需要供电设备的开关：

当控制电路向线圈供电时，线圈通电，可动触点与固定触点的常开触点相连，负载接通。当控制电路不再供电时，线圈断电，可动触点回到固定触点的常开触点，负载关闭。

继电器有各种不同的结构，就像开关一样。各种类型包括 SPST、SPDT、DPST 和 DPDT。我解释的继电器是单刀双掷继电器。

下图显示了各种继电器配置的符号：

下图显示的是去掉盖子的单刀双掷继电器：

C可以在常开和常闭之间移动。线圈不通电时，C连接到NC触点；线圈通电时，C返回到NC触点。

机电继电器用于自动化系统中需要大功率和大电流的场合。

  • 接触器（Contactor）

接触器与继电器一样，是一种电动开关。与手动和机械开关不同，它是一种可电动操作的开关。它通常至少由一个线圈和最多三个常开触点组成。在某些情况下，还包括一个与主触点一起操作的辅助触点。线圈的端子通常标为A1和A2。当电流通过端子A1和A2向线圈供电时，线圈通电，磁场迫使触点同时闭合。断电后，触点变为断开状态。

继电器和接触器的基本操作和功能相似。主要区别在于它们的电流处理能力。继电器可以切换高达约20A或更大的较小电流负载，而接触器则可以处理高达12500A的较大电流负载。

如果您好奇，下图显示了接触器的外观：

在本节中，您已经了解了什么是执行器以及工业自动化中执行器的各种类别，包括电气、气动和液压执行器。本节介绍了电动执行器，您将对该主题有一个全面的了解。下一节将重点介绍什么是气动执行器。

3.3 探索气动执行器

气动执行器使用加压空气或气体作为能量或动力源，以产生旋转或线性运动。气动执行器非常可靠、高效，而且在用电可能导致火灾的环境中使用非常安全。气动执行器有多种工业应用，包括定期打开和关闭阀门、取放处理装置等。气动执行器也可称为气缸或气缸。

在气动执行器中，压缩空气或加压气体进入一个腔体，气体会产生与外部大气压力相对应的压力，从而导致一个装置（可以是活塞或齿轮）运动。气动执行器产生的运动可以是直线运动，也可以是圆周运动。因此，气动执行器只是将压缩空气中的能量转换为直线或圆周运动。

下图显示了左侧可手动操作的阀门和右侧带有气动执行器的阀门，后者可通过控制信号自动操作。气动执行器将自身的能量转化为运动，通过控制信号自动打开或关闭阀门。

气动执行器基本上有两种类型：

  • 气动线性执行器
  • 气动旋转执行器

3.3.1 气动线性执行器

在气动线性执行器中，进入腔室或气缸的压缩空气会产生压力，当腔室中产生的压力与外部大气压力形成对比时，就会使活塞向前或向后做线性运动。

气动线性执行器有两种类型：

  • 单作用气缸
  • 双作用气缸

在单作用气缸中，只有一个供空气流入气缸的端口。当空气从这个端口进入时，压力会增加，推动活塞前进（推式）或后退（拉式）。位于气缸内或气缸外的弹簧会使活塞恢复到原来的位置，使其做好再次爆发压力的准备。

上图显示了单作用气缸（又称气锤或千斤顶钻）的实际应用。这是一种将锤子和凿子结合在一起的气动工具，用于击碎岩石、沥青和混凝土。

充气钻或千斤顶锤：

在双作用气缸中，气缸两端各有一个接口。通过其中一个端口的第一股空气推动活塞前进，而通过另一个端口的第二股空气则将活塞推回原位。这样就不需要弹簧了，因为可以在两端分别注入空气，使活塞向前或向后运动。

下图显示了双作用气缸的符号：

下图所示为双作用气缸：

3.3.2 气动旋转执行器

气动旋转执行器是旋转的，而不是直线运动。因此被称为旋转式。气动旋转执行器可安装在阀门上，通过控制信号旋转阀杆来远程或自动打开或关闭阀门。

它由活塞或隔膜一侧或两侧的气室组成。气压的增加推动活塞产生直线或圆周运动。如果产生的是线性运动，则使用齿轮或凸轮（一种用于将旋转运动转换为线性运动或反之亦然的机器部件）在内部将线性运动转换为圆周运动。

如果您对气动旋转执行器感兴趣，可以通过下图了解其外形：

气动旋转执行器有三种类型。

  • 苏格兰轭（Scotch yoke）

在 Scotch yoke 执行器中，活塞与旋转轴相连。气压增加时，活塞线性移动，通过凸轮带动旋转轴旋转。双作用型需要在另一侧施加气压，以实现反方向旋转。

下图显示了苏格兰轭式气动旋转执行机构的各个部件：

  • 叶片

叶片是一种不使用活塞的旋转执行器，在内部转换为圆周运动之前先做直线运动。它通过气室中的可移动叶片直接利用压缩空气产生圆周运动。

  • 齿轮齿条式执行机构

在齿轮齿条式执行机构中，活塞通过齿轮小齿轮移动齿条。这一动作带动小齿轮旋转，从而在输出轴上产生圆周运动。下图显示了齿轮齿条式气动旋转执行机构的各个部件：

当加压空气通过端口A进入中间气室时，两个活塞被分开并向气缸两端移动。两端气室中的空气通过端口B排出。两个活塞的齿条同时带动轴逆时针旋转。当加压空气通过端口B进入活塞两端的气室时，两个活塞向内移动。两个活塞的齿条同时驱动轴顺时针旋转。

在本节中，您已经了解了如何使用压缩空气通过气动执行器实现运动。您还了解了气动执行器的类型及其在工业中的应用。对气动执行器的了解将有助于您快速理解液压执行器，下一节将介绍液压执行器。

参考资料

  • 软件测试精品书籍文档下载持续更新 https://github.com/china-testing/python-testing-examples 请点赞，谢谢！
  • 本文涉及的python测试开发库 谢谢点赞！ https://github.com/china-testing/python_cn_resouce
  • python精品书籍下载 https://github.com/china-testing/python_cn_resouce/blob/main/python_good_books.md
  • Linux精品书籍下载 https://www.cnblogs.com/testing-/p/17438558.html
  • https://www.sitepoint.com/what-is-an-ide/

3.4了解液压传动器

液压执行器使用加压液压流体（即油）作为能源，产生旋转或线性运动，以满足高强度和坚固耐用的应用要求。液压执行器也可称为液压缸。它将液压能（即流体能）转化为运动。它也由一个气缸组成，在气缸中，通过向活塞一端或另一端的端口泵入液压油，与活塞杆相连的活塞可前后移动。

与气动执行器类似，液压执行器也有两种类型：

  • 液压线性执行器
  • 液压旋转执行器
    每种类型的工作原理都与本章前一节介绍的气动执行器类似，只是液压执行器与气动系统中使用的压缩空气或气体不同，它使用的是液压流体（即油）。

下图所示为单动式液压线性执行器：

上图展示了单作用液压执行机构的各个部件。它由气缸、活塞、活塞杆、弹簧等组成。它只有一个供油液（液压油供应）流入油缸的端口。当液压油从这个端口进入时，压力会增加，推动活塞前进（推式）或后退（拉式）。位于缸内或缸外的弹簧会使活塞返回到原来的位置，以准备好再次爆发压力。

液压执行器还可用于打开或关闭阀门，如图所示：

在本节中，您已经了解了利用加压流体产生运动的概念。您还发现，液压执行器的操作与气动执行器类似。主要区别在于使用的流体种类不同。气动执行器使用的是压缩空气或气体，而液压执行器使用的是液压流体，适用于高强度和坚固的应用场合。

3.5 小结

您已顺利完成本书本章的学习。干得好 通过本章的学习，您现在应该能够解释执行器和现有的基本类型（电动执行器、气动执行器和液压执行器）。

电动执行器使用电力，气动执行器使用压缩空气，而液压执行器则使用加压流体（油）。它们都通过运动来执行操作，运动可以是线性的，也可以是旋转的。有些执行器比其他执行器更适合特定应用。例如，液压执行器适用于需要高力的任务。了解本书中提到的所有三种类型是有好处的。作为一名自动化工程师，您可能会在所从事的行业中发现其中任何一种类型。

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