技術(shù)性能的比較 

 

    眾所周知，相比電動(dòng)執(zhí)行器，氣缸可在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡(jiǎn)單，基本可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。氣缸擅長作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，尤其適于工業(yè)自動(dòng)化中最多的傳送要求——工件的直線搬運(yùn)。而且，僅僅調(diào)節(jié)安裝在氣缸兩側(cè)的單向節(jié)流閥就可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制，也成為氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大的特征和優(yōu)勢(shì)。所以對(duì)于沒有多點(diǎn)定位要求的用戶，絕大多數(shù)從使用便利性角度更傾向于使用氣缸。目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用電動(dòng)執(zhí)行器的應(yīng)用大部分都是要求高精度多點(diǎn)定位，這是由于用氣缸難以實(shí)現(xiàn)，退而求其次的結(jié)果。

 

    而電動(dòng)執(zhí)行器主要用于旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)工況。其優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)時(shí)間快，通過反饋系統(tǒng)對(duì)速度、位置及力矩進(jìn)行精確控制。但當(dāng)需要完成直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要通過齒形帶或絲桿等機(jī)械裝置進(jìn)行傳動(dòng)轉(zhuǎn)化，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，而且對(duì)工作環(huán)境及操作維護(hù)人員的專業(yè)知識(shí)都有較高要求。 

 

氣缸的優(yōu)勢(shì)在于： 

 

（1）對(duì)使用者的要求較低。氣缸的原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝維護(hù)，對(duì)于使用者的要求不高。電缸則不同，工程人員必需具備一定的電氣知識(shí)，否則極有可能因?yàn)檎`操作而使之損壞。 

 

（2）輸出力大。氣缸的輸出力與缸徑的平方成正比；而電缸的輸出力與三個(gè)因素有關(guān)，缸徑、電機(jī)的功率和絲桿的螺距，缸徑及功率越大、螺距越小則輸出力越大。一個(gè)缸徑為50mm的氣缸，理論上的輸出力可達(dá)2000N，對(duì)于同樣缸徑的電缸，雖然不同公司的產(chǎn)品各有差異，但是基本上都不超過1000N。顯而易見，在輸出力方面氣缸更具優(yōu)勢(shì)。 

 

（3）適應(yīng)性強(qiáng)。氣缸能夠在高溫和低溫環(huán)境中正常工作且具有防塵、防水能力，可適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。而電缸由于具有大量電氣部件的緣故，對(duì)環(huán)境的要求較高，適應(yīng)性較差。 

電缸的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面： 

 

（1）系統(tǒng)構(gòu)成非常簡(jiǎn)單。由于電機(jī)通常與缸體集成在一起，再加上控制器與電纜，電缸的整個(gè)系統(tǒng)就是由這三部分組成的，簡(jiǎn)單而緊湊。 

 

（2）停止的位置數(shù)多且控制精度高。一般電缸有低端與高端之分，低端產(chǎn)品的停止位置有3、5、16、64個(gè)等，根據(jù)公司不同而有所變化；高端產(chǎn)品則更是可以達(dá)到幾百甚至上千個(gè)位置。在精度方面，電缸也具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，定位精度可達(dá)±0.05mm，所以常常應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體等精密的行業(yè)。

 

（3）柔韌性強(qiáng)。毫無疑問，電缸的柔韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于氣缸。由于控制器可以與PLC直接進(jìn)行連接，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定位和正反轉(zhuǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，在一定程度上，電缸可以根據(jù)需要隨意進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；由于氣體的可壓縮性和運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性，即使換向閥與磁性開關(guān)之間配合地再好也不能做到氣缸的準(zhǔn)確定位，柔韌性也就無從談起了。 

 

在技術(shù)性能方面，本人認(rèn)為電動(dòng)和氣動(dòng)各有所長，首先電動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)勢(shì)主要包括： 

 

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧。比起氣動(dòng)執(zhí)行器，電動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一個(gè)基本的電子系統(tǒng)包括執(zhí)行器，三位置DPDT開關(guān)、熔斷器和一些電線，易于裝配。 

 

（2）電動(dòng)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)源很靈活，一般車載電源即可滿足需要，而氣動(dòng)執(zhí)行器需要?dú)庠春蛪嚎s驅(qū)動(dòng)裝置。 

 

（3）電動(dòng)執(zhí)行器沒有“漏氣”的危險(xiǎn)，可靠性高，而空氣的可壓縮性使得氣動(dòng)執(zhí)行器的穩(wěn)定性稍差。 

 

（4）不需要對(duì)各種氣動(dòng)管線進(jìn)行安裝和維護(hù)。 

 

（5）可以無需動(dòng)力即保持負(fù)載，而氣動(dòng)執(zhí)行器需要持續(xù)不斷的壓力供給。 

 

（6）由于不需要額外的壓力裝置，電動(dòng)執(zhí)行器更加安靜。通常，如果氣動(dòng)執(zhí)行器在大負(fù)載的情況下，要加裝消音器。 

 

（7）電動(dòng)執(zhí)行器在控制的精度方面更勝一籌。 

 

（8）氣動(dòng)裝置中的通常需要把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為氣信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳遞速度較慢，不宜用于元件級(jí)數(shù)過多的復(fù)雜回路。 

 

而氣缸的優(yōu)勢(shì)則在于以下4個(gè)方面： 

 

（1）負(fù)載大，可以適應(yīng)高力矩輸出的應(yīng)用（不過，現(xiàn)在的電動(dòng)執(zhí)行器已經(jīng)逐漸達(dá)到目前的氣動(dòng)負(fù)載水平了）。 

 

（2）動(dòng)作迅速、反應(yīng)快。 

 

（3）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射和振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制更優(yōu)越。 

 

（4）行程受阻或閥桿被扎住時(shí)電機(jī)容易受損。 

 

購買和應(yīng)用成本比較 

 

從總體上來講，電伺服驅(qū)動(dòng)比氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)要貴，但也要因具體要求及場(chǎng)合而定。有些小功率的直流電機(jī)構(gòu)成電動(dòng)滑臺(tái)(電伺服系統(tǒng))實(shí)際上比氣動(dòng)伺服系統(tǒng)要便宜。 

 

如：當(dāng)負(fù)載為1.5 kg、工作行程為80 mm、速度在2~170 mm/s之間、精度為±0.1 mm、加速度2.5 m/s2等工況條件時(shí)，F(xiàn)ESTO公司采用小型電動(dòng)滑臺(tái)、控制器、馬達(dá)電纜、控制電纜、編程電纜以及電源電纜等組成的電伺服系統(tǒng)，其價(jià)格就比氣動(dòng)伺服系統(tǒng)便宜25％。同樣，對(duì)于帶活塞桿電缸也是如此。需要說明的是如果采用交流電機(jī)的話，所組成的電伺服系統(tǒng)的價(jià)格要比氣動(dòng)伺服系統(tǒng)高出40％左右。 

 

從購買和應(yīng)用成本來看，目前氣缸還是具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)的。對(duì)于氣動(dòng)系統(tǒng)來說，控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，每個(gè)氣缸只需配置一個(gè)電磁閥就可完成氣路的切換，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，氣缸發(fā)生故障的概率也比較小，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，成本也低。 

 

而對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器來說，雖然電能的獲得比較簡(jiǎn)單，能量成本較低，但購買及應(yīng)用成本較高，不僅需要配置電機(jī)，還需要一套機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)元件。同時(shí)使用電動(dòng)執(zhí)行器需要很多保護(hù)措施，錯(cuò)誤的電路連接、電壓的波動(dòng)及負(fù)載的超載都會(huì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)器造成損壞，因此需要在電路及機(jī)械上加裝保護(hù)系統(tǒng)，增加了很多額外的費(fèi)用支出。另外，由于電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)單元的參數(shù)化設(shè)置較多，且集成度高，所以其一旦發(fā)生故障，就要更換整個(gè)元件。而且當(dāng)系統(tǒng)需要的驅(qū)動(dòng)力增加時(shí)，也要成套更換元件才能實(shí)現(xiàn)。因此綜合比較可以看出氣缸在購買及維護(hù)成本上有較大優(yōu)勢(shì)。 

 

能源效率比較 

 

    我們研究的結(jié)果表明，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期較短（小于1min）的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行能耗通常低于氣缸的運(yùn)行能耗，即更節(jié)能。而在往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期較長（大于1min）時(shí)，氣缸竟然變得更節(jié)能。這首先是由于終端停止時(shí)電動(dòng)執(zhí)行器的控制器通常需要消耗約10W的電力，而氣缸僅有電磁閥耗電和氣體泄露，一般低于1W，即終端停止時(shí)間越長，對(duì)氣缸越有利；其次電機(jī)在連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下的額定效率可達(dá)90%以上，但在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（絲杠轉(zhuǎn)換）中的臺(tái)形加減速旋轉(zhuǎn)條件下的平均效率卻不到50%。在豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，夾持工件的保持動(dòng)作要求不斷供給電流給電動(dòng)執(zhí)行器以克服重力，而氣缸只需關(guān)閉電磁閥即可，耗電極少。因此在豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)執(zhí)行器相比氣缸的能耗優(yōu)勢(shì)不是很大。 

 

    由上可見，電機(jī)本身效率很高，但在往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)中考慮其效率下降及控制器的電力消耗，電動(dòng)執(zhí)行器未必一定比氣缸節(jié)能，具體比較取決于實(shí)際的工作條件，即安裝方向、往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期和負(fù)載率等。 

 

應(yīng)用場(chǎng)合比較 

 

氣動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)系統(tǒng)并不互相排斥。相反，這只是一個(gè)要求不同的問題。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)顯而易見，當(dāng)面臨諸如灰塵、油脂、水或清潔劑等惡劣的環(huán)境條件時(shí)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器就顯得較適應(yīng)惡劣環(huán)境，而且非常堅(jiān)固耐用。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器容易安裝，能提供典型的抓取功能，價(jià)格便宜且操作方便。 

 

    在作用力快速增大且需要精確定位的情況下，帶伺服馬達(dá)的電驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于要求精確、同步運(yùn)轉(zhuǎn)、可調(diào)節(jié)和規(guī)定的定位編程的應(yīng)用場(chǎng)合，電驅(qū)動(dòng)器是最好的選擇，帶閉環(huán)定位控制器的伺服或步進(jìn)馬達(dá)所組成的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠補(bǔ)充氣動(dòng)系統(tǒng)的不足之處。 

 

    從技術(shù)和使用成本的角度來說，氣缸占有較明顯的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際使用中究竟應(yīng)該選用哪種技術(shù)做驅(qū)動(dòng)控制，還是應(yīng)從多方因素進(jìn)行綜合考量?，F(xiàn)代控制中各種系統(tǒng)越來越復(fù)雜、越來越精細(xì)，并不是某種驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)就可滿足系統(tǒng)的多種控制功能。氣缸可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)快速直線循環(huán)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)便捷，同時(shí)可以在各種惡劣工作環(huán)境中使用，如有防爆要求、多粉塵或潮濕的工況。 

 

    電動(dòng)執(zhí)行器主要用于需要精密控制的應(yīng)用場(chǎng)合，現(xiàn)在自動(dòng)化設(shè)備中柔性化要求在不斷提升，同一設(shè)備往往要求適應(yīng)不同尺寸工件的加工需要，執(zhí)行器需要進(jìn)行多點(diǎn)定位控制，而且要對(duì)執(zhí)行器的運(yùn)行速度及力矩進(jìn)行精確控制或同步跟蹤，這些利用傳統(tǒng)氣動(dòng)控制是無法實(shí)現(xiàn)的，而電動(dòng)執(zhí)行器就能非常輕松的實(shí)現(xiàn)此類控制。由此可見氣缸比較適用于簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制，而電執(zhí)行器則多用于精密運(yùn)動(dòng)控制的場(chǎng)合。 

 

市場(chǎng)形勢(shì)比較 

 

  氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自70年代以來就在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了迅速普及。今天，氣缸已成為國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP（Point To Point）搬運(yùn)的主流執(zhí)行器，以氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為核心的氣動(dòng)元器件市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到110億美元的規(guī)模。 

 

  九十年代開始，電機(jī)及其微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，使電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用成為可能。而且，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起也直接促進(jìn)了能實(shí)現(xiàn)高精度多點(diǎn)定位的電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)大。 

 

    九十年代末期，日本等主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家，甚至一度出現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行器即將取代氣缸，氣缸將退出歷史舞臺(tái)的論調(diào)。因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為電動(dòng)執(zhí)行器中電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率高，而氣缸能量轉(zhuǎn)換效率較低，低效的產(chǎn)品必將被淘汰出局。然而，十年過去了，電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)并未得到普及，其市場(chǎng)規(guī)模與氣動(dòng)相比還有很大差距。而且，無論是在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，還是在中國等新興工業(yè)國家，氣缸的銷量不僅沒有減少，而且還在穩(wěn)步地增長。在中國，近幾年氣缸銷量的年增長速度一直維持在20%以上。

 

    如需要科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)兩者，必須采用全生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment）手法，考慮比較制造階段、使用階段、廢棄階段三個(gè)階段的綜合指標(biāo)。具體指標(biāo)有成本、能耗、對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)（主要是排放物等）。譬如成本，電動(dòng)執(zhí)行器在運(yùn)行能耗（使用階段）成本上有優(yōu)勢(shì)，但維護(hù)成本（使用階段）和購置成本（制造階段）都比氣缸要高得多，在該指標(biāo)上的比較應(yīng)建立在所有成本的總和上。如下圖所示，

 

    在總成本上，我們的研究結(jié)果表明，氣缸在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合具有一定優(yōu)勢(shì)。 

 

   綜合以上分析，我們應(yīng)該看出，氣缸與電動(dòng)執(zhí)行器各有特點(diǎn)，不可單純地用效率的高低來評(píng)價(jià)其優(yōu)劣。隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)執(zhí)行器的成本還會(huì)進(jìn)一步下降，預(yù)期其應(yīng)用領(lǐng)域還會(huì)進(jìn)一步拓廣，但要完全取代氣缸是不現(xiàn)實(shí)的。 

 

    從市場(chǎng)形式來看，前面己經(jīng)提到若電缸從一開始就參照氣缸的外形及安裝連接尺寸生產(chǎn)，是一個(gè)很好的開端。而對(duì)于目前還未有ISO標(biāo)準(zhǔn)的無桿氣缸和氣動(dòng)滑臺(tái)，則同樣采用相對(duì)應(yīng)的外形及安裝連接尺寸，這個(gè)便利的措施能夠杜絕氣驅(qū)動(dòng)與電驅(qū)動(dòng)在安裝、添置或更換方面無謂的競(jìng)爭(zhēng)。FESTO公司的電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品包含了300多種可自由組合的抓取模塊和多軸系統(tǒng)。在Festo，電驅(qū)動(dòng)器不是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，而是對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器性能的完美補(bǔ)充。電驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是精確和靈活。在作用力快速消失和需要精確定位的應(yīng)用場(chǎng)合，電驅(qū)動(dòng)器是理想的決方案。 

 

    因此今后氣缸與電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展應(yīng)該是處于非常良性狀況和互補(bǔ)的，也一定會(huì)按照這兩門技術(shù)自身的科學(xué)自然發(fā)展規(guī)律發(fā)展。