运动控制系统第四讲执行器设计与执行器课件.pptx

1、本讲主要内容第四章 执行器技术4.1 执行器技术基础4.2 电动执行部件4.3 液压执行部件4.4 气动执行部件4.5 新型执行器执行器概述 实现特定的功能（运动），离不开执行器。执行器是完成运动需求不可或缺的基本元件。人力的执行器:典型的执行器：新原理的执行器：4.1 执行器技术基础 1执行器的分类(1)按照动力来源：电动执行器、液压执行器、气动执行器和新型微机电执行器。(2)按照运动部件结构特征：缸类执行器、马达类执行器(3)按照运动轨迹特征：直线型执行器、旋转型执行器，旋转型执行器又可分为位移式、周期式和往复式。新型执行器 压电执行器，记忆合金执行器，电致聚合分子执行器，磁力控制执行器，

2、电、磁流变液体执行器等。因为新型执行器技术有可能带来新的创新应用，会对未来人类生活产生积极影响。希望同学们关注此项技术的发展。2执行器的设计 执行器的设计是建立在系统运动功能分析的基础上；执行器设计，首先需要明确运动控制系统所要完成的机械任务，建立对系统的机械分析，主要包括运动学分析与力学分析。2执行器的设计 思路为：通过对基本机械连接方式的分析，可计算出机械传动机构的惯性矩。这类系统可分为四种基本连接形式：直接连接、齿轮连接、输送带连接和丝杆传动连接，如图4-1所示。4-14-1执行器设计步骤 选择机械传动连接形式，确定转动惯量；确定运动方程式和运动轨迹曲线；计算选择合适的电机和驱动功率单元

3、（驱动器）。原则：把负载参数等效到电机轴端。详见公式4-14-4 转动惯量的计算(1)圆柱体的转动惯量 圆柱体的转动惯量是根据圆柱体的质量和半径，或其密度、半径和长度计算而来的。式(4-1)用于计算实心圆柱体的转动惯量，它是质量m和半径R的函数。公式4-1 若已知圆柱体长度L、材料密度、半径R，则可用式(4-2)计算实心圆柱体的转动惯量，即 公式4-2(4-1)(4-2)4-24-34-3(2)空心圆柱体的转动惯量 计算空心圆柱体的转动惯量，它是质量m和空心圆柱体内外半径Ro、Ri的函数，即公式4-3.计算空心圆柱体的转动惯量，它是长度L、材料密度、空心圆柱体内外半径Ro、Ri的函数，即公式4

4、-4.(4-3)(4-4)L21J440iRR 几种常用材料密度表4-2(kg/dm)(kg/dm)例题【例4-1】一根钢制丝杆是实心圆柱体，其长度为560 mm，半径为8 mm，求其转动惯量？求解过程见书。(3)直接连接的转动惯量 运动驱动最简单的连接形式就是直接连接，如图4-1(a)所示。由于负载与电机直接相连，因此电机的速度与负载速度相同。因为电机必须要克服负载的摩擦力，所以这种连接总的转动惯量就是负载转动惯量加上电机转动惯量，即 公式4-5 tlmJ J J(4)齿轮连接的转动惯量 齿轮连接如图4-1(b)所示。负载与电机之间的机械连接是齿轮，反馈到电机轴端的负载参数如下。(4-6)(

5、4-7)(4-8)(4-9)(5)输送带连接的转动惯量 同步齿形带与同步齿形带轮传动连接、齿轮与齿条传动连接、链轮与链条传动连接均属于输送带连接，如图4-1(c)所示。它们都需要把负载参数折算到电机轴端，相关参数计算如下。(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)(6)丝杠连接的转动惯量 丝杠连接如图4-1(d)所示，同前也需要把负载参数折算到电机轴端，负载转动惯量和丝杠转动惯量都必须考虑在内。如果丝杆转动惯量不便计算的话，那么可以利用圆柱体的计算公式计算丝杠转动惯量。对于精密位置传动，为了消除或者减小反冲，需要在丝杆上施加预紧力。表(4-3)表(4-4)(4-15)(4-1

6、6)(4-17)(4-18)(4-19)2)运动方程与运动轨迹 运动方程的选择是由运动控制系统的任务需求所决定的，其基础就是第1章所述的运动学公式。运动轨迹的生成完全是由运动控制器的轨迹生成器根据运动控制系统的任务需要所生成的。3)选择驱动单元和电机 系统要根据运动对象的要求选择执行器的类别。对于电动执行器，先要选择电机的类型，然后根据机械负荷的惯性，计算出电机功率，再选配电机功率驱动器。在电机选用中，通常涉及的参数是电机额定输出功率、额定转速和额定转矩。计算公式为4-20.(4-20)4.2 电动执行部件 电动是经典驱动执行器中应用最为广泛的一种，本节旨在全面介绍各种电动执行机构，常见的电动

7、执行器有直线型电动执行器和角行程型电动执行器。其核心是各种电动机。4.2.1 电动缸 1电动缸的特点 电动缸（也称为电动推杆）是一种为用户提供运动及动力的执行元件。作为一种典型的点对点位置执行器，电动缸应用广泛，其主要特点是推力大，可以作为重型载荷执行器。2电动缸的工作原理 电动缸的工作原理是电机通过丝杠把旋转运动转变为直线往复运动，并通过推杆将力传给负载，本质上也是电机驱动的一类变异执行器。电动缸有直线型和角行程型。图4-4所示的是一个电动缸的三维剖视图，其主要部件包括基座（外壳）、推杆、丝杠、导向轮、推力轴承、定位传感器和电机。图4-4 电动缸实物图3.电动缸的主要结构特点电动缸的主要结构

8、特点如下：（1）铝合金外壳：矩形结构，规格可以根据具体需要制造；（2）不锈钢或电镀推杆；（3）丝杠：滚动丝杠或滑动丝杠；（4）导向：防旋转导轮；（5）推力轴承；（6）防尘密封；（7）限位/回零传感器：磁性霍尔传感器；（8）可选电机：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、普通交/直流电机、减速电机等；（9）推力范围 1010000kg；（10）运动行程50-2500mm；（11）最高速度1500mm/s；（12）单向重复定位精度0.02mm，可选高精度。4.电动缸的应用领域 电动缸作为重载执行器广泛应用在电力、冶金、煤炭能源、化工、机械等领域。（1）坐标机械手：物流传送、自动化生产线；（2）造波

9、机；（3）并联机构：实验台、仿真台、天线；（4）并联机床；（5）医疗设备：CT；（6）专用设备：自动调偏、阀门控制、激光加工、炼钢；（7）实验设备：汽车零部件的实验和测试。4.2.2 电动执行阀 1电动执行阀的组成 电动执行阀与电动缸相比，控制更复杂，定位精度更高，广泛应用在各种阀门控制之中。图4-5所示的是电动执行阀的基本结构。4-52电动执行阀的工作原理 电动执行阀的工作原理是：电动执行阀的伺服电机由伺服放大器或者电动操纵器控制，当选择自动操作模式时，电动执行阀受伺服放大器的控制，而伺服放大器的控制指令来自外部输入，通常是420 mA仪表信号；位置发送器把阀门的实际位置反馈给伺服放大器，进

10、行位置检测与反馈。当阀门开度小、流量不能满足要求时，输入信号与反馈信号的差值就会增大，伺服放大器控制伺服电机增大阀门开度，加大流量；反之亦然。图4-6是电动执行阀的外形结构图。电动执行阀有直线型和角行程型两类。角行程型的工作原理与直线型的基本相同。4-63电动执行阀的分类(1)自动型电动执行器 依靠介质（液体、气体）本身的能力而自行动作的电动执行器，如止回阀、安全阀、调节阀、疏水阀、减压阀等。自动型电动执行阀按照连接方法还可以分为：螺纹连接电动执行器 阀体带有内螺纹或外螺纹，与管道螺纹连接；法兰连接电动执行器 阀体带有法兰，与管道法兰连接；焊接连接电动执行器 阀体带有焊接坡口，与管道焊接连接；

11、卡箍连接电动执行器 阀体带有夹口，与管道夹箍连接；卡套连接电动执行器 与管道采用卡套连接；对夹连接电动执行器 用螺栓直接将电动执行器及两头管道穿夹在一起的连接形式。(2)驱动型电动执行器 借助手动、电动、液压、气动来操纵动作的电动执行器，如闸阀，截止阀、节流阀、蝶阀、球阀、旋塞阀等。驱动型电动执行阀还可以分为：截门阀 关闭件沿着阀座中心移动；旋塞阀 关闭件是柱塞或球，围绕本身的中心线旋转；闸门形 关闭件沿着垂直阀座中心移动；旋启阀 关闭件围绕阀座外的轴旋转；蝶阀 关闭件是圆盘，围绕阀座内的轴旋转；滑阀 关闭件在垂直于通道的方向滑动。4电动执行阀的应用领域 电动执行阀在航空、航天、军工、机械、冶

12、金、化工、开采、交通、建材、食品加工、皮革处理、日常生活污水处理等方面均有广泛应用。(1)污水处理中的应用 依据污水处理后的pH值和颗粒悬浮数量，对污水流量进行控制。(2)石灰石/水泥厂中的应用 处理对象为干水泥、石膏或液体，控制对象为送风和引风机、调节型风门挡板、旁路型风门挡板。(3)在天然气生产和输送中的应用 处理对象为气体流量，控制对象为管路主阀门及控制型阀门，阀门的开度大小由管道压力决定，还可以作为管道应急关断控制等。4.3 液压执行部件 液压执行部件的典型代表是液压缸与液压马达。液压缸和液压马达是一种把液体的压力能转换成机械能以实现旋转或往复运动的能量转换装置。4.3.1 液压缸 液

13、压缸是将液压能转换成机械能（做直线往复运动或摆动）的液压执行元件。它结构简单，工作可靠，在实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸一般由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。除缓冲装置与排气装置视具体场合而定外，其他装置必不可少。1液压缸的类型 按照结构分，有活塞式（单活塞、双活塞）、柱塞式和伸缩式。按照作用方式分，有单向作用缸和双向作用缸。按照用途分，有推力液压油缸、摆动液压缸、拉杆液压缸、焊接型液压缸和法兰型液压缸，其中推力液压缸又可分为单作用缸、双作用缸和组合液压缸。2单活塞式液压缸的结构图4-73单

14、活塞式液压缸的工作原理 单活塞式液压缸的工作原理是利用液体的压力克服外界负载阻力，利用液体的流量维持运动速度。对于单活塞式液压缸，左右两腔的有效工作面积不等，从左腔通压力油与从右腔通相同的压力油，所得两个方向的推力是不相等的。把液压缸两腔互相接通并同时通压力油称为“差动连接”。图4-8 液压缸实物4液压缸的应用领域 液压缸广泛使用在港口、电力、钢铁、造船、石油化工、矿山、铁路、建筑、冶金化工、汽车制造、塑料机械、工业控制、公路、大件运输、管道辅设、边坡隧道、井道治理防护、海上救助、海洋工程、机场建设、桥梁、航空、航天、场馆等重要行业，以及各种基础建设工程所需的机械设备上。4.3.2 液压马达

15、液压马达是将液体的压力能转换为机械能的能量转换装置，它是液压设备执行机构实现旋转运动的执行元件。从工作原理上讲，它与液压泵是可逆的，但由于功用不同，它们的实际结构有所差别。1液压马达的工作原理和图形符号4-92液压马达的分类 液压马达按其结构形式分，有齿轮式、叶片式和柱塞式；按其排量分，有定量式和变量式；按其转速分，有高速液压马达和低速液压马达，高速液压马达的额定转速大于等于500 r/min；低速液压马达的额定转速小于500 r/min。高速与低速液压马达的优缺点见表4-5。表4-53液压马达结构上与液压泵的差异(1)液压马达是依靠输入压力油来启动的，密封容腔必须有可靠的密封。(2)液压马达

16、往往要求能正反转，因此它的配流机构应该对称，进出油口的大小应该相等。(3)液压马达是依靠泵输出压力进行工作的，不需要具备自吸能力。(4)液压马达要实现双向转动，高、低压油口要能相互变换，故采用外泄式结构。(5)液压马达应有较大的启动转矩，为使启动转矩尽可能接近工作状态下的转矩，要求液压马达的转矩脉动小，内部摩擦小，齿数、叶片数、柱塞数比液压泵多一些。4液压马达的应用领域 液压马达具有鲜明的转速和力矩输出特点，可以广泛地应用在各类机械的行走、牵引、驱动及提升等场合，因此在冶金、矿山、起重、运输、船舶等机械的液压系统中经常使用4.4 气动执行部件 4.4.1 气缸 气动执行部件是将压缩空气的压力能

17、转换为机械能的装置。它包括气缸和气马达，其中气缸用于实现直线往复运动或摆动，气马达用于实现连续回转运动。1气缸的工作原理表4-10 其整个工作过程可简单地分为三个阶段。第一个阶段是复位阶段如图4-10(a)所示，压缩空气由孔A输入冲击缸的下腔，蓄气缸经孔B排气，活塞上升并用密封垫封住喷嘴，中盖和活塞间的环形空间经排气孔与大气相通。第二个阶段是储能阶段如图4-10(b)所示，压缩空气改由孔B进气，输入蓄气缸中，冲击缸下腔经孔A排气。由于活塞上端气压作用在面积较小的喷嘴上，而活塞下端受力面积较大，一般设计成喷嘴面积的9倍，缸下腔的压力虽因排气而下降，但此时活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的

18、作用力。第三个阶段是冲击阶段如图4-10(c)所示，蓄气缸的压力继续增大，冲击缸下腔的压力继续降低，当蓄气缸内压力高于活塞下腔压力9倍时，活塞开始向下移动，活塞一旦离开喷嘴，蓄气缸内的高压气体迅速充入到活塞与中间盖间的空间，使活塞上端受力面积突然增加9倍，于是活塞将以极大的加速度向下运动，气体的压力能转换成活塞的动能。在冲程达到一定时，获得最大冲击速度和能量，利用这个能量对工件进行冲击做功，产生很大的冲击力。2气缸的分类 按有无缓冲分，有无缓冲普通气缸和有缓冲普通气缸；按动作形态分，有单动气缸和双动气缸；按功能需求分，有普通气缸和特殊气缸（包括气液阻尼缸、薄膜式气缸和冲击式气缸）。3气缸的应用

19、领域 气缸作为执行部件在印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨、挑粒、分选）、自动化控制、机器人等诸多领域都有极为广泛的应用。4.4.2 气动马达 气动马达是气动执行元件的一种。它的作用相当于电动机或液压马达，即输出力矩，拖动机械机构做旋转运动。1气动马达的工作原理图4-11叶片式马达工作原理 图4-11(a)所示的是叶片式气动马达的工作原理图。它的主要结构和工作原理与叶片式液压马达相似，由转子、定子和机座构成。转子通常有310个叶片，偏心安装在定子内。转子两侧有前后盖板，叶片在转子的槽内可径向滑动，叶片底部通有压缩空气，转子转动是靠离心力和叶片底部气压将叶片紧压在定子内表面上。定子内有半

20、圆形的切沟，提供压缩空气及排出废气。当压缩空气从A口进入定子内时，会使叶片带动转子做逆时针旋转，产生转矩。废气从排气口C排出；而定子腔内残留气体则从B口排出。如需改变气动马达旋转方向，只需改变进、排气口即可。活塞式马达工作原理 图4-11(b)所示的是径向活塞式气动马达的原理图。它由气缸、活塞连杆组件、分配阀和曲柄组成。压缩空气经进气口进入分配阀（又称配气阀）后再进入气缸，推动活塞及连杆组件运动，再使曲柄旋转。曲柄旋转的同时，带动固定在曲轴上的分配阀同步转动，使压缩空气随着分配阀角度位置的改变而进入不同的缸内，依次推动各个活塞运动，由各活塞及连杆带动曲轴连续运转。与此同时，与进气缸相对应的气缸

21、则处于排气状态。薄膜式马达工作原理 图4-11(c)所示的是薄膜式气动马达的工作原理图。它实际上是一个薄膜式气缸，当它做往复运动时，通过推杆端部的棘爪使棘轮转动。2气动马达的分类 气动马达按结构形式分，有叶片式气动马达、活塞式气动马达和齿轮式气动马达。其中最为常见的是活塞式气动马达和叶片式气动马达。3气动马达特点 气动马达具有以下特点。(1)安全性好，可以在易燃易爆场所工作，同时不受高温和振动的影响。(2)温度一致性好，可以长时间满载工作而温升较小。(3)调速性能好，可以无级调速。(4)启动转矩大，可以直接带负载运动。(5)结构简单，操纵方便，维护容易，成本低。(6)输出功率相对较小，最大只有

22、20 kW左右。(7)耗气量大，效率低，噪声大。4.4.3 控制回路 气缸主要是由气路内气体控制，气路气体由气体换向阀控制，换向阀主要有人力控制换向阀、机械控制换向阀和电磁控制换向阀。本书重点讲电磁控制换向阀。1电磁控制换向阀的工作原理 电磁控制换向阀是利用电磁力的作用来实现阀的切换以控制气流的流动方向的。下面简述单动电磁控制换向阀的工作原理。单动电磁控制换向阀只有一个电磁铁，分常态和工作态两种状况。常态即激励线圈不通电，此时阀在复位弹簧的作用下处于上端位置，其通路状态为A与T相通，A口排气。当通电时，电磁铁l推动阀芯向下移动，气路换向，其通路为P与A相通，A口进气。图4-12所示的是二通电磁

23、换向阀气路示意图。图4-12 二通电磁换向阀2电磁控制换向阀的符号如图4-13所示，P表示压力的入口，A/B表示出口，R/S表示排气口，T表示截止不通，箭头表示介质的流向。图形符号的含义一般如下。(1)用方框表示阀的工作位置，有几个方框就表示有几“位”。(2)方框内的箭头表示油路处于接通状态，但箭头方向不一定表示液流的实际方向。(3)方框内符号“”或“”表示该通路不通。(4)方框外部连接的接口数有几个，就表示几“通”。(5)一般来说，阀与系统供油路或气路连接的进油口/进气口用字母P表示，阀与系统回油路或气路连接的回油口/回气口用T表示，而阀与执行部件连接的油口/气口用A、B表示。(6)换向阀都

24、有两个或两个以上的工作位置，其中一个为常态位，即阀芯未受到操纵力时所处的位置。图形符号中的中位是三位阀的常态位。利用弹簧复位的二位阀则以靠近弹簧方框内的通路状态为其常态位。绘制系统图时，油路/气路一般应连接在换向阀的常态位上。图4-133电磁控制换向阀的分类 电磁控制换向阀一般有直动式和先导式，其中直动式又分为单电控电磁阀和双电控电磁阀4.5 新型执行器 新型执行器是随着微电子技术与新材料技术的快速发展而新兴的一种执行器技术。按照新型执行器的主要驱动方式及其对应材料分，有电力型执行器（静电/压电/电致伸缩/凝胶/电流变体）、磁力型执行器（磁力/磁致伸缩）、热力型执行器（SMA/双金属/热气动）

25、、光能型执行器和化学型执行器等；按照驱动材料与驱动结构的关系分，有机械微结构型和可变形微结构型。4.5.1 压电执行器 1压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，也称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。2压电材料 具有逆压电效应的材料有闪锌矿、钠氯酸盐、电

26、气石、石英、酒石酸、蔗糖、方硼石、异极矿、黄晶及若歇尔盐。这些晶体都具有各向异性结构，各向同性材料是不会产生压电性的。PZT陶瓷是典型的压电材料，其弹性模量为63 000 MPa，应变为0.001量级。3压电执行器的工作原理 如图4-14所示，压电执行器的工作原理是在某类电介质材料的极化方向施加电压，由于逆压电现象，电介质就会产生机械形变，从而可以驱动特定的对象动作。4压电执行器的分类 压电执行器按工作方式分，有谐振式和非谐振式。其中，谐振式又有旋转超声电机、行波超声电机和线性超声电机；非谐振式又有双压电晶片式压电执行器、堆栈式压电执行器和尺蠖执行器。图4-14图4-155实例 图4-16所示

27、的是一个仿生尺蠖执行器的结构图。通过对蠕虫运动过程的解析，发现蠕虫的运动可以分解为两个节拍，其中第一节拍是前肢和后肢的蜗节交替固定地形，第二节拍是蠕虫的中间段伸长和收缩交替，两个节拍嵌套提供运动。尺蠖执行器的原理与生物蠕虫完全类同，三个独立的压电陶瓷用于模拟操作前后腿（1和3）和中间部分（2）。压电致动器驱动1和3根据第一节拍使它们夹紧转子，根据第2节拍模仿蠕虫中间部分的伸长和收缩，从而达到相应的运动效果。图4-16 仿生尺蠖执行器结构图4.5.2 形状记忆合金执行器 1形状记忆合金 形状记忆合金现象是马氏体相变的热激活。形状记忆合金具有两个稳定的状态，一个是马氏体态，也称为 相；另外一个是奥

28、氏体态，也称为 相。图4-17是形状记忆合金温度与奥氏体的关系曲线。马氏体变换是可逆变换，当低温马氏体受热，温度不断升高，从As升高至Af时，转换就完成；当温度由高温不断下降，又从Mf一直下降至Ms时，反向转换结束。马氏体变换是与时间无关的变换。图4-17特点 形状记忆合金具有较高机械性能，抗蚀性能好，可恢复应变量大，恢复力大，本身既是驱动材料又是结构材料，便于实现机构的简化和小型化。2形状记忆效应 图4-18所示的有三个过程循环：自累积（冷却）过程、应力感应累积过程、恢复（受热）过程。从图4-18中可以看出，这个过程是可以循环的。只要控制温度，状态就可以循环变换。图4-183形状记忆执行器的

29、设计 利用形状记忆合金的可逆变换性能，可制造各类执行器。图4-19所示的就是基于记忆效应的执行器原理示意图，对比图(a)与图(b)，可以清楚地看出杆的形状突变的情形。图4-194形状记忆执行器的应用 图4-20所示的是形状记忆合金的一个实例。当雾浓度增大时，会导致灯具温度升高，形状记忆合金执行器因为温度升高，到达相变点，启动雾灯开始工作；当雾浓度下降时，温度回落，形状记忆合金执行器恢复到低温初始状态，关断雾灯开关。此外，形状记忆合金可以制成用于太空飞船的高档锁，制成用于控制高速列车的自动油路调节器，制成用于医疗中内窥镜的驱动元件等。图4-20 记忆雾灯4.5.3 电致聚合体执行器 电致聚合体是

30、一种新型材料。所谓电致伸缩是指高分子聚合材料可以借由电流的作用产生收缩现象，具有电致伸缩功能的材料就称为电致伸缩材料。1基本原理 电致伸缩的工作原理是：随着施加在材料特定部位的电压的变化，材料自身会产生不同程度的形状改变。通电时，电致聚合体内部分子受到电压的影响，使分子从原本的排列变成偏往一端聚集，整个材料从外观上看就像一根纤维，可以弯曲、伸缩或伸长；当电压极性发生变化时，电致聚合体会向另一个方向弯曲。电致聚合体这种特性被称为“人工肌肉”。图4-21所示的是电致聚合体收缩的机理图，从图中可以清晰地看出，材料棒在未加电压之前是直的，当施加电压后，材料棒发生明显弯曲。图4-212应用领域 高分子聚

31、合物的重量比金属轻，因此应用在航空航天的飞行器上可以大幅减轻自重，提升运载能力。国外已经成功利用电致聚合体制造出机器人手臂和飞行仓。除了机器人手臂外，电致聚合体还可以制成机械昆虫、能在水中畅游的机械鱼，以及用于制造人工视网膜、人工味觉、人工神经传递系统等。目前，电致聚合体的开发与应用尚处于初期阶段，现有的电致聚合体依然存在很多缺点例如，如何降低驱动电压、增加机械强度、加大电压形变比、延长反应时间等。3应用实例 图4-22所示的是基于电致聚合体执行器的触摸式显示装置原理图。这是为有视力障碍的人提供帮助的一项新的研究。利用Braille盲文线帮助建立计算机接口，形成一个鼠标坐标点位，使得盲人可以感

32、觉到屏幕内容的具体位置信息。典型的触摸点位区是0.2 mm0.5 mm，六个点构成一个32矩阵，只要刷新速度够快，就能满足阅读的要求。有基于压电多态的执行器，但是其价格太高，故2002年开始这项技术逐渐引起人们的关注。其基本工作原理是：当PPY执行器无效时，偏置弹簧使触摸位置处于凸位；当触摸点被触及时，触摸点被压下，处于凹位，完成一次触摸操作图 4-224.5.4 磁致伸缩执行器 磁致伸缩是一种能量转换形式，把磁能转化为机械能。20世纪40年代至50年代，镍及其合金材料开始作为磁致伸缩材料应用到军事与民用；近些年研究人员发现元素铽和元素镝的磁致伸缩效应的强度要比镍大1001000倍，但工作温度

33、更低。美国海军研究镧系元素，发现了新的合金具有很强的磁致伸缩效应。1磁致伸缩 所谓磁致伸缩指的是铁磁性物质由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向上发生变化。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸会伸长或缩短，去掉外磁场后，其又恢复到原来的长度，这种现象称为磁致伸缩效应。2磁致伸缩执行器 磁致伸缩执行器是基于磁致伸缩效应制成的一类新型执行元件，其特点是以新型功能材料磁致伸缩材料作为致动元件的一类微位移执行器，具有输出行程和输出力大、响应速度快等突出优点。图4-23 磁致伸缩执行器结构图3磁致伸缩执行器的应用 一个是直线型小输出力矩型执行器，一个是大输出力矩型执行器，如图4-24所示。图4-24(a)所示的

34、执行器是芬兰Adaptat公司开发的A52型执行器，其工作行程为3 mm，顶出力为3 N，沿执行器输出轴线方向安装磁性形状记忆合金棒，磁场方向与执行器输出轴线垂直，为了获得更大的输出行程，A52执行器的主导MSMA棒是由三块0.52 mm 2.4 mm 28 mm主动导块构成；执行器的磁场是由两组线圈建立，这两个线圈可以选择并联，也可以串联。绕组时间常数为5 ms，最大工作频率为300 Hz。图4-24(b)所示的是大输出力矩型执行器，其输出力为2 kN，由48块MSMA杆并行组成，每根杆的外形尺寸是2.5 mm 5.0 mm 30 mm，有效工作尺寸是25 mm，执行器的有效工作面积为600

35、 mm2，工作频率为100 Hz。图4-244.5.5 电、磁流变液体执行器 1流变基础 流变是研究材料的弹性、塑性和黏性特性的科学。流变尤其关注的问题是流体的应力与应变的关系，有关流体的应力-形变关系的数学表达式被称为流变状态方程。流体可分为牛顿流体和非牛顿流体两大类。(1)牛顿流体 凡是牛顿流体，流变状态方程表示为线性关系，剪切应力与剪切率之间的关系可用下式表达：公式4-22(2)非牛顿流体 非牛顿流体可分为三类：一是时间无关流体，在这种情况下，剪切率只是剪切力的函数，即是的函数；二是时间相关流体，在这种情况下，流变状态方程不仅与流体当前的剪应力有关，而且与之前的受力历史情况有关；三是弹黏

36、流体，这类流体的主要特性是黏性，但是变性后也会有部分弹性复原。2场响应流体 场响应流体分为三类：磁流变流体、电流变流体和铁磁流体。场响应流体在受到外界磁场或者电场作用下，其机械、物理特性有关性能会发生突变，这些物理性质可以是磁、电、光、声、流变、热等。(1)磁流变流体 磁流变是悬浮在原液中的非胶质、多畴的磁性微粒，微粒大小在0.110 m，原液是有机物或者水溶液。磁流变液体的性质与宾汉塑性体（又称为牛顿流体）相似，当无外加磁场时，其具有显著的黏性，数量级在0.110 Pas；当施加外加磁场之后，黏性就会在数毫秒之内突变56个数量级。磁流变液体的浓度通常在20%60%，如果施加在磁流变液体上的剪

37、切应力小，那么微粒链条就将伸展，开始变形，随着力的不断增大，微粒链终将断裂，液体开始流动起来。(2)电流变流体 电流变流体是悬浮于绝缘液体内的由电活性微粒组成的混合液体；电流变微粒的颗粒大小要比磁流变的颗粒大，通常在1100 m。电流变液体同样也遵循宾汉塑性体模型，其场应变数值也比磁流变液体小2个数量级。(3)铁磁流体 铁磁流体是胶质态的单畴磁性颗粒，悬浮在水或者非水溶液之中，其颗粒大小在510 nm；铁磁液体受磁场作用的影响不是对剪切力，而是对黏性，其原因是其磁微粒太小，微粒热扰动形成的布朗力阻碍了粒子间形成链路连接。铁磁流体外加磁场，反过来会对流体的黏性产生重大影响。3电、磁流变 电流变效

38、应或者磁流变效应都是因为外加电场或者磁场使得剪切力发生变化，故可以利用这个特点制作执行器。主要分析方法就是两种状态：施加场之前的状态和施加场的状态。当剪应力小于场应力屈服点时，即，此时流体的外特性有如固体，因此在这种情况下，剪切率为0，即=0；并且剪切应变与剪切力成正比，比例系数是G，G是流体的剪切模量。电、磁流变的静态黏性是由原液的黏性决定的。无论怎样，剪切力和剪切模量都是所加磁场或者电场强度的函数。图4-25所示的是流变液体的剪切关系曲线，其中图4-25(a)是剪切应变曲线，可以看出施加场之前基本是线性关系，场加过之后，几乎进入饱和态；从图4-25(b)中可见剪切率几乎是一簇平行线；从图4

39、-25(c)中可以得到屈服点与动态剪应力的关系。图4-254流变材料的机电设计 1)剪切离合、瓣膜和挤压态 电、磁流变液体执行器是结合了几何变送与材料换能概念的器件。电、磁流变液体执行器共有三种几何形式或者受力模式：第一类是剪切离合态，第二类是瓣膜态，第三类是挤压态。2)剪切离合态器件 在这种应用设计中，液体要置于两个基板之间，一个板是固定的，另外一个板是可以相对移动的，两板间的距离是一个常数，如图4-26所示。其中，基板是一个矩形，长为a，宽为b，电场或者磁场方向垂直向下，与z轴重合，力、速度方向与坐标x轴一致。图4-26中下基板固定，一个作用力施加在上基板上，使之沿x轴产生一个位移，其移动

40、速度是，液体受剪切力。当外加电场或者磁场与极板垂直时，液体就会产生一个剪切力，并作用于上基板，使上基板发生位移。图4-26 剪切离合态结构示意图 3)瓣膜态器件 瓣膜态的结构如图4-27所示。在这种方案中，两个基板是固定不动的，基板间的活动液体因为压力而产生一个容积流量Q。当把外加电场或者磁场按图方向施加在两个基板之间后，两个基板之间的电、磁流变液体材料就会产生一个压力，使得液体发生容积流量现象。图4-27 4)挤压态器件 挤压态器件是利用板垂线方向的相对位移，如图4-28所示。请注意图中力的方向与电场者磁场方向轴线重合，方向相反；两个基板之间的液体受力的作用，将沿着内板间隙往外流动。两个基板

41、之间的相对速度是，流速与力、黏度相关，是与场相关的场应变，与分别由式(4-26)、式(4-27)计算求得。图4-285电、磁流变液体执行器等效电路 电、磁流变液体执行器负载等效电路如图4-29所示。其中，图4-29(a)是电流变液体执行器等效电路，它等效为一个可变电容和可变电阻并联；图4-29(b)是磁流变液体执行器负载等效电路，它等效为一个电阻和一个电感线圈串联。从等效电路可以看出，磁流变液体执行器的等效电路参数的稳定性优于电流变液体执行器。图4-296电、磁流变液体执行器的控制 如前所述，电、磁流变液体执行器是半主动器件，其阻尼器可以消耗机械能，但是无法提供能量给它们的被控控对象。图4-3

42、07电、磁流变液体执行器应用实例 1)磁流变人工下肢膝关节 图4-31所示的是磁流变假肢，其中图4-31(a)是磁流变假肢结构图，图4-31(b)是实际使用状态图。人腿的主要功能有两个：站立（支撑）和行走（摆动）。站立时下肢要承载人体重量和吸收脚底接触时的振动，行走时下肢要确保接触地面时平稳。图4-31所示的假肢具有多个传感器，数据传输速率是50 Hz，传感器有力和力矩传感器、角位移和角速度传感器，这些传感器用来反馈假肢的信息，控制磁流变阻尼器调节人工假肢的运动。2)载重卡车司机座椅被动式阻尼器 图4-32所示的是卡车司机座椅被动阻尼吸收装置，图右下方是道路振动颠簸的情况，即输入，图右上方波形是经过弹簧和磁流变阻尼器，振动被衰减之后的波形，很明显，颠簸幅度大为减小。目前，人体工程学十分流行，因为重型卡车司机的工作强度比较大，为了安全可靠，提升驾驶的舒适性就十分必要。图4-31图4-32