1定義

對于執行機構廣泛的定義是：一種能提供直線或旋轉運動的驅動裝置，它利用某種驅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備所替代，人們要求執行機構能夠起到控制系統與閥門機械運動之間的界面作用，更要求執行機構增強工作安全性能和環境保護性能。在一些危險性的場合，自動化的執行機構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閉，閥門執行機構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，所需的執行機構輸出力矩非常大，這時所需執行機構必須提高機械效率并使用高輸出的電機，這樣平穩的操作大口徑閥門。

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的轉角或直線位移，以一定轉矩或推力推動調節機構，從而完成生產過程參數控制要求的裝置，也稱執行器。根據采用動力源的不同，通常有電動執行機構，氣動執行機構，液動執行機構等。執行機構是自動控制系統的重要環節。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，然后轉換為輸出軸的相應的角位移或直線位移，用以推動各種調節機構，如調節閥、風門擋板等，改變被調介質流量，以完成各種過程參數的自動控制或人工手動控制。執行機構的動作規律通常是線性的，也有采用等百分比型的。其控制信號有連續的電流信號，也有斷續的電壓信號或脈沖信號。 

目前常用的執行機構是電信號氣動長行程執行機構和電動執行器。

電信號氣動長行程執行機構

以壓縮空氣為動力，可直接接受標準電流控制信號的氣動執行機構，具有動作平穩，推力大，精度高，本質防爆，易于實現所要求的控制規律等特點。其多數品種帶有斷電源、斷氣源、斷電信號的“三斷”自鎖保位功能，使用安全性高。 

圖1為氣動執行機構原理框圖。氣動執行機構由自動工作系統和各種輔助裝置兩大部分組成。前者包括電-氣轉換器、定位器、氣缸、連桿等部件，后者包括手操機構、“三斷”自鎖裝置、閥位變送器、行程開關等。電-氣轉換器將電流控制信號變為氣壓控制信號。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成的自動工作系統的功能是使執行機構的輸出角位移與輸入控制信號相對應。手操機構用于裝置調整和就地應急操作。“三斷”自鎖裝置由氣源、電源、電信號的監控回路和斷氣源時的鎖緊裝置構成。當上述故障之一發生時，執行機構輸出保位，保證設備和運行安全。閥位變送器將執行機構的輸出角位移轉變為相應的電流信號，行程開關用來發出極限位置的開關量信號。

功能完善的帶“三斷”保護的氣動執行機構廣泛用于各個工業部門。但其結構復雜，維護工作量較大。常見的氣動執行機構有僅帶斷氣源保護功能的氣動執行機構，氣動隔膜調節閥，脈沖電信號氣動長行程執行機構等。前兩者結構簡單，后者采用脈沖控制，安全性好。

電動執行器

分角行程、直行程兩大類。根據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。在自動控制系統中，它們和不同型號電動操作器配用，可實現過程參數的自動控制，控制系統的手動/自動雙向無擾切換，中途限位及遠方手操等功能。[1] 

電動執行器由伺服放大器和伺服機構兩大部件配套組成。圖2為電動執行器原理框圖。它是一個位置自動控制系統。來自控制儀表的控制信號和由位置發送器返回的閥位反饋信號的偏差，經伺服放大器進行功率放大，然后驅動伺服電機，使減速器推動調節機構朝減小偏差方向轉動，輸出軸后穩定在與控制信號相對應的轉角位置上，電動操作器的作用是進行控制系統的手動/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;4—伺服電機; 5—減速器; 6—位置發送器

3閥門與自動化

為了成功的實現過程自動化，重要的是要確保閥門自身能夠滿足過程及管道內介質的特殊要求。通常生產過程和工藝介質能夠決定閥門的種類，閥芯的類型以及閥內件和閥門的結構和材料。

閥門選擇好后接下來就要考慮自動化的要求即執行機構的選擇。可以簡單的按兩種基本的閥門操作類型來考慮執行機構。

1.旋轉式閥門（單回轉閥門）

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

2.多回轉閥門

這類閥門可以是非旋轉提升式閥桿或旋轉非提升式桿，或者說是他們需要多轉操作去驅動閥門到開或關的位置。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行機構也開來驅動上述閥門。

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

1.電動多回轉式執行機構

電力驅動的多回轉式執行機構是常用、可靠的執行機構類型之一。使用單相或三相電動機驅動齒輪或蝸輪蝸桿后驅動閥桿螺母，閥桿螺母使閥桿產生運動使閥門打開或關閉。

多回轉式電動執行機構可以快速驅動大尺寸閥門。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會切斷電機電源，同時當安全力矩被超過時，力矩感應裝置也會切斷電機電源，位置開關用于指示閥門的開關狀態，安裝離合器裝置的手輪機構可在電源故障時手動操作閥門。

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

2.電動單回轉式執行機構

這種執行機構類似于電動多回轉執行機構，主要差別是執行機構終輸出的是1/4轉記90度的運動。新一代電動單回轉式執行機構結合了大部分多回轉執行機構的復雜功能，例如：使用非進入式用戶友好的操作界面實現參數設定與診斷功能。

單回轉執行機構結構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，另外應為所需電源較小，它們可以安裝電池來實現故障安全操作。

3.流體驅動多回轉式或直線輸出執行機構

這種類型執行機構經常用于操作直通閥（截止閥）和閘閥，它們使用氣動或液動操作方式。結構簡單，工作可靠，很容易實現故障安全操作模式。

通常情況下人們使用電動多回轉執行機構來驅動閘閥和截止閥，只有在無電源時才考慮使用液動或氣動執行機構。

4.流體驅動單回轉式執行機構

氣動、液動單回轉執行機構非常通用，它們不需要電源并且結構簡單，性能可靠。它們應用的領域非常廣泛。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。氣動執行機構一般安裝電磁閥、定位器或位置開關等附件來實現對閥門的控制和監測。

這種類型執行機構很容易實現故障安全操作模式。

4選擇要素

選擇一臺合適的閥門執行機構類型和規格時必須考慮下列要素：

驅動能源

常用的驅動能源是電源或流體源，如果選擇電源為驅動能源，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。一般電動執行機構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，第三執行機構具有各種尺寸以提供輸出力活力矩。

閥門類型

當選擇閥門用執行機構時，必須要知道閥門的種類，這樣才可以選擇正確的執行機構類型。有些閥門需要多回轉驅動，有些需要單回轉驅動，有些需要往復式驅動，它們影響了執行機構類型的選擇。

通常多回轉的氣動執行機構比電動多回轉執行機構價格要貴，但是往復式直行程輸出的氣動執行機構價格比電動多回轉執行機構便宜。

力矩大小

對于90度回轉的閥門如：球閥、碟閥、旋塞閥，好通過閥門廠商獲得相應閥門力矩大小，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。對于多回轉的閥門情況有所不同，這些閥門可分為：往復式（提升式）運動-閥桿不旋轉、往復式運動-閥桿旋轉、非往復式-閥桿旋轉，必須測量閥桿的直徑，閥桿連接螺紋尺寸已決定執行機構規格。

執行機構選型

一旦執行機構類型和閥門所需驅動力矩確定了，就可以使用執行機構廠商提供的數據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。

流體驅動的執行機構可調節行程速度，但是三相電源的電動執行機構只有固定的行程時間。

部分小規格的直流電動單回轉執行機構可調節行程速度。

開關控制

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過程而不需要親臨現場去人工操作閥門的開和關。人們只需鋪設一些管線連接控制室和執行機構，驅動能源通過管線直接激勵電動或氣動執行機構，通常用的4-20mA信號來反饋閥門的位置。

連續控制

如果執行機構被要求用于控制過程系統的液位、流量或壓力等參數，這是要求執行機構頻繁動作的工作，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行機構，只有選擇特殊的能頻繁啟停的調節型執行機構。當一個過程中需要多臺執行機構時，可以通過使用數字通訊系統將各個執行機構連接起來，這樣可大大降低安裝費用。數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和專為閥門執行機構設計的PAKSCAN等。數字通訊系統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測性維護程序非常有價值。

預測性維護

操作人員可以借助內置的數據存儲器來記錄閥門每次動作時力矩感應裝置測得的數據，這些數據可以用來監測閥門運行的狀態，可以提示閥門是否需要維修，也可以用這些數據來診斷閥門。

針對閥門可以診斷如下數據：

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.閥芯的所受的動態力

6.閥桿螺紋摩擦力

7.閥桿位置

上述大部分數據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，終楔緊效應使力矩迅速增大直到關閉到位。所以根據力矩曲線的變化可以預測出將會發生的故障，可以對預測性維護提供有價值的信息。

智能變頻控制

執行機構在工作過程中，由于電機的頻繁啟動，導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，導致執行機構行程控制的誤差，運用智能變頻控制，可以改變輸入轉速，從而使執行機構的工作更可靠和穩定

5廣義執行機構

李學榮于1988年提出廣義執行機構的概念[1]，其主要出發點有兩條：1）為了開發性能更加優良的機器，必須將純機械的機構加以拓展，開發出結構新穎的擴展傳統機構功能的廣義執行機構；2）將構成機構的構件加以廣義化。在此基礎上，鄒慧君從現代機械發展動向出發，給出廣義執行機構的更加確切定義：廣義執行機構是由驅動單元與執行單元組成的可控執行機構，是實現機器的機械能轉化、運動生成和轉化等功能的執行者，是機電一體化系統的核心。 

廣義執行機構的基本特性

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

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

（3）微型化：通過微型馬達、壓電晶體等作用可使機構產生微米級工作行程，實現機構微型化。

（4）集成性：隨著現代機構技術的發展，通過設計可制造出實現各種運動輸出的“運動集成塊”，如直線位移單元等。

（5）高性能化：廣義執行機構的運動輸出與驅動元件的特性和機構類型有關，而不是單純取決于機構類型。現代的驅動元件己包括各類電機、液壓缸和氣動缸、壓電驅動器、電磁開關、形狀記憶合金等多種形式，其驅動特性不同于傳統單一的動力源。將機構內涵擴大為驅動元件與機構的集成體使得設計師的設計空間由一維設計空間變為同時設計驅動元件參數和機構結構參數并考慮兩者集成的兩維設計空間，設計者有更多的設計參數用以提升機構的運動和動力性能，擴大機構的功能。

廣義執行機構的應用

（1）縫制設備

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展到多功能工業縫紉機。進入上世紀60年代后，縫紉機的研制開始應用電子技術，出現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，縫制設備向機電結合的方向發展己是業內人士的共識。不少人認為要使四大機構以及橫針機構、剪線機構的動作做到“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“傳統機構”己是無能為力，必須求助于“機電運動技術”，以提高縫制設備的性能。

（2）照相機調焦系統

照相機由鏡頭、快門、光圈、調焦裝置、取景器、卷片機構和盒體等部分組成。由于機電一體化技術在該領域中的廣泛應用，其內部大量復雜的機構己經被集成電路、驅動電機和電磁執行元件所代替。照相機從精密機械與光學結合的傳統產品已發展為精密機械、光學和微電子技術三者一體化的自動化系統。

（3）數控銑床

在數控銑床中，主要分別以伺服馬達、齒輪減速機和螺旋機構為原動機，傳動機構和執行機構，通過利用伺服控制系統來控制伺服馬達的輸出運動，以補償螺旋機構的運動誤差。廣義執行機構的應用使得螺旋機構的輸入運動呈非線性函數，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計中，出現了由大功率的常速電機和小功率的伺服電機混合驅動一個兩自由度的平面七桿機構。這種混合驅動壓力機具有非常*的性能，可以實現壓力機的低成本數控化。另外，日本Muratec公司采用伺服驅動系統來改善壓力機的工作性能，該系統采用伺服馬達控制沖頭的工作方式，實現了較同類機械高出150%的沖壓速度，并同時抑制了振動及噪音。