從傳統觀(guān)念來(lái)看,氣缸與電動(dòng)執行器一直被認為是屬于兩個(gè)完全不同領(lǐng)域的自動(dòng)化產(chǎn)品,但是近年來(lái),隨著(zhù)電氣化程度的不斷提高,電動(dòng)執行器卻慢慢浸入氣動(dòng)領(lǐng)域,二者在應用中既有競爭又相互補充。在本期欄目中,我們將從技術(shù)性能、購買(mǎi)和應用成本、能源效率、應用場(chǎng)合及市場(chǎng)形勢等幾個(gè)方面來(lái)對比氣缸與電動(dòng)執行器各自的優(yōu)勢
技術(shù)性能的比較
眾所周知,相比電動(dòng)執行器,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)現免維護。氣缸擅長(cháng)作往復直線(xiàn)運動(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(xiàn)搬運。而且,僅僅調節安裝在氣缸兩側的單向節流閥就可簡(jiǎn)單地實(shí)現穩定的速度控制,也成為氣缸驅動(dòng)系統最大的特征和優(yōu)勢。所以對于沒(méi)有多點(diǎn)定位要求的用戶(hù),絕大多數從使用便利性角度更傾向于使用氣缸。目前工業(yè)現場(chǎng)使用電動(dòng)執行器的應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,退而求其次的結果。
而電動(dòng)執行器主要用于旋轉與擺動(dòng)工況。其優(yōu)勢在于響應時(shí)間快,通過(guò)反饋系統對速度、位置及力矩進(jìn)行精確控制。但當需要完成直線(xiàn)運動(dòng)時(shí),需要通過(guò)齒形帶或絲桿等機械裝置進(jìn)行傳動(dòng)轉化,因此結構相對較為復雜,而且對工作環(huán)境及操作維護人員的專(zhuān)業(yè)知識都有較高要求。

氣缸的優(yōu)勢在于:
(1)對使用者的要求較低。氣缸的原理及結構簡(jiǎn)單,易于安裝維護,對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,否則極有可能因為誤操作而使之損壞。
(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2000N,對于同樣缸徑的電缸,雖然不同公司的產(chǎn)品各有差異,但是基本上都不超過(guò)1000N。顯而易見(jiàn),在輸出力方面氣缸更具優(yōu)勢。
(3)適應性強。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,對環(huán)境的要求較高,適應性較差。
電缸的優(yōu)勢主要體現在以下3個(gè)方面:
(1)系統構成非常簡(jiǎn)單。由于電機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)系統就是由這三部分組成的,簡(jiǎn)單而緊湊。
(2)停止的位置數多且控制精度高。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,根據公司不同而有所變化;高端產(chǎn)品則更是可以達到幾百甚至上千個(gè)位置。在精度方面,電缸也具有絕對的優(yōu)勢,定位精度可達¡0.05mm,所以常常應用于電子、半導體等精密的行業(yè)。
(3)柔韌性強。毫無(wú)疑問(wèn),電缸的柔韌性遠遠強于氣缸。由于控制器可以與PLC直接進(jìn)行連接,對電機的轉速、定位和正反轉都能夠實(shí)現精確控制,在一定程度上,電缸可以根據需要隨意進(jìn)行運動(dòng);由于氣體的可壓縮性和運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性,即使換向閥與磁性開(kāi)關(guān)之間配合地再好也不能做到氣缸的準確定位,柔韌性也就無(wú)從談起了。

在技術(shù)性能方面,本人認為電動(dòng)和氣動(dòng)各有所長(cháng),首先電動(dòng)執行器的優(yōu)勢主要包括:
(1)結構緊湊,體積小巧。比起氣動(dòng)執行器,電動(dòng)執行器結構相對簡(jiǎn)單,一個(gè)基本的電子系統包括執行器,三位置DPDT開(kāi)關(guān)、熔斷器和一些電線(xiàn),易于裝配。
(2)電動(dòng)執行器的驅動(dòng)源很靈活,一般車(chē)載電源即可滿(mǎn)足需要,而氣動(dòng)執行器需要氣源和壓縮驅動(dòng)裝置。
(3)電動(dòng)執行器沒(méi)有“漏氣”的危險,可靠性高,而空氣的可壓縮性使得氣動(dòng)執行器的穩定性稍差。
(4)不需要對各種氣動(dòng)管線(xiàn)進(jìn)行安裝和維護。
(5)可以無(wú)需動(dòng)力即保持負載,而氣動(dòng)執行器需要持續不斷的壓力供給。
(6)由于不需要額外的壓力裝置,電動(dòng)執行器更加安靜。通常,如果氣動(dòng)執行器在大負載的情況下,要加裝消音器。
(7)電動(dòng)執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轉化為氣信號,然后再轉化為電信號,傳遞速度較慢,不宜用于元件級數過(guò)多的復雜回路。

而氣缸的優(yōu)勢則在于以下4個(gè)方面:
(1)負載大,可以適應高力矩輸出的應用(不過(guò),現在的電動(dòng)執行器已經(jīng)逐漸達到目前的氣動(dòng)負載水平了)。
(2)動(dòng)作迅速、反應快。
(3)工作環(huán)境適應性好,特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、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)電機容易受損。

購買(mǎi)和應用成本比較
從總體上來(lái)講,電伺服驅動(dòng)比氣動(dòng)伺服驅動(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構成電動(dòng)滑臺(電伺服系統)實(shí)際上比氣動(dòng)伺服系統要便宜。
如:當負載為1.5kg、工作行程為80mm、速度在2~170mm/s之間、精度為¡0.1mm、加速度2.5m/s2等工況條件時(shí),FESTO公司采用小型電動(dòng)滑臺、控制器、馬達電纜、控制電纜、編程電纜以及電源電纜等組成的電伺服系統,其價(jià)格就比氣動(dòng)伺服系統便宜25%。同樣,對于帶活塞桿電缸也是如此。需要說(shuō)明的是如果采用交流電機的話(huà),所組成的電伺服系統的價(jià)格要比氣動(dòng)伺服系統高出40%左右。
從購買(mǎi)和應用成本來(lái)看,目前氣缸還是具有比較明顯的優(yōu)勢的。對于氣動(dòng)系統來(lái)說(shuō),控制系統及執行機構都非常簡(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)行運動(dòng)控制,氣缸發(fā)生故障的概率也比較小,維護簡(jiǎn)單方便,成本也低。
而對于電動(dòng)執行器來(lái)說(shuō),雖然電能的獲得比較簡(jiǎn)單,能量成本較低,但購買(mǎi)及應用成本較高,不僅需要配置電機,還需要一套機械傳動(dòng)機構以及相應的驅動(dòng)元件。同時(shí)使用電動(dòng)執行器需要很多保護措施,錯誤的電路連接、電壓的波動(dòng)及負載的超載都會(huì )對電驅動(dòng)器造成損壞,因此需要在電路及機械上加裝保護系統,增加了很多額外的費用支出。另外,由于電動(dòng)執行器驅動(dòng)單元的參數化設置較多,且集成度高,所以其一旦發(fā)生故障,就要更換整個(gè)元件。而且當系統需要的驅動(dòng)力增加時(shí),也要成套更換元件才能實(shí)現。因此綜合比較可以看出氣缸在購買(mǎi)及維護成本上有較大優(yōu)勢。

能源效率比較
我們研究的結果表明,在往復運動(dòng)周期較短(小于1min)的水平往復運動(dòng)中,電動(dòng)執行器的運行能耗通常低于氣缸的運行能耗,即更節能。而在往復運動(dòng)周期較長(cháng)(大于1min)時(shí),氣缸竟然變得更節能。這首先是由于終端停止時(shí)電動(dòng)執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(cháng),對氣缸越有利;其次電機在連續旋轉條件下的額定效率可達90%以上,但在直線(xiàn)往復運動(dòng)(絲杠轉換)中的臺形加減速旋轉條件下的平均效率卻不到50%。在豎直往復運動(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。因此在豎直往復運動(dòng)時(shí)電動(dòng)執行器相比氣缸的能耗優(yōu)勢不是很大。
由上可見(jiàn),電機本身效率很高,但在往復直線(xiàn)運動(dòng)中考慮其效率下降及控制器的電力消耗,電動(dòng)執行器未必一定比氣缸節能,具體比較取決于實(shí)際的工作條件,即安裝方向、往復運動(dòng)周期和負載率等。

應用場(chǎng)合比較
氣動(dòng)系統和電動(dòng)系統并不互相排斥。相反,這只是一個(gè)要求不同的問(wèn)題。氣動(dòng)驅動(dòng)器的優(yōu)勢顯而易見(jiàn),當面臨諸如灰塵、油脂、水或清潔劑等惡劣的環(huán)境條件時(shí),氣動(dòng)驅動(dòng)器就顯得較適應惡劣環(huán)境,而且非常堅固耐用。氣動(dòng)驅動(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,帶伺服馬達的電驅動(dòng)器具有優(yōu)勢。對于要求精確、同步運轉、可調節和規定的定位編程的應用場(chǎng)合,電驅動(dòng)器是最好的選擇,帶閉環(huán)定位控制器的伺服或步進(jìn)馬達所組成的電驅動(dòng)系統能夠補充氣動(dòng)系統的不足之處。
從技術(shù)和使用成本的角度來(lái)說(shuō),氣缸占有較明顯的優(yōu)勢,但在實(shí)際使用中究竟應該選用哪種技術(shù)做驅動(dòng)控制,還是應從多方因素進(jìn)行綜合考量?,F代控制中各種系統越來(lái)越復雜、越來(lái)越精細,并不是某種驅動(dòng)控制技術(shù)就可滿(mǎn)足系統的多種控制功能。氣缸可以簡(jiǎn)單的實(shí)現快速直線(xiàn)循環(huán)運動(dòng),結構簡(jiǎn)單,維護便捷,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)執行器主要用于需要精密控制的應用場(chǎng)合,現在自動(dòng)化設備中柔性化要求在不斷提升,同一設備往往要求適應不同尺寸工件的加工需要,執行器需要進(jìn)行多點(diǎn)定位控制,而且要對執行器的運行速度及力矩進(jìn)行精確控制或同步跟蹤,這些利用傳統氣動(dòng)控制是無(wú)法實(shí)現的,而電動(dòng)執行器就能非常輕松的實(shí)現此類(lèi)控制。由此可見(jiàn)氣缸比較適用于簡(jiǎn)單的運動(dòng)控制,而電執行器則多用于精密運動(dòng)控制的場(chǎng)合。

市場(chǎng)形勢比較
氣缸驅動(dòng)系統自70年代以來(lái)就在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了迅速普及。今天,氣缸已成為國內外工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP(PointToPoint)搬運的主流執行器,以氣缸驅動(dòng)系統為核心的氣動(dòng)元器件市場(chǎng)規模已達到110億美元的規模。
九十年代開(kāi)始,電機及其微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展,使電動(dòng)執行器在工業(yè)自動(dòng)化中的應用成為可能。而且,半導體產(chǎn)業(yè)的興起也直接促進(jìn)了能實(shí)現高精度多點(diǎn)定位的電動(dòng)執行器在工業(yè)領(lǐng)域應用的擴大。
九十年代末期,日本等主要工業(yè)發(fā)達國家,甚至一度出現了電動(dòng)執行器即將取代氣缸,氣缸將退出歷史舞臺的論調。因為人們普遍認為電動(dòng)執行器中電機的能量轉換效率高,而氣缸能量轉換效率較低,低效的產(chǎn)品必將被淘汰出局。然而,十年過(guò)去了,電動(dòng)執行器在工業(yè)現場(chǎng)并未得到普及,其市場(chǎng)規模與氣動(dòng)相比還有很大差距。而且,無(wú)論是在工業(yè)發(fā)達國家,還是在中國等新興工業(yè)國家,氣缸的銷(xiāo)量不僅沒(méi)有減少,而且還在穩步地增長(cháng)。在中國,近幾年氣缸銷(xiāo)量的年增長(cháng)速度一直維持在20%以上。
如需要科學(xué)、客觀(guān)地評價(jià)兩者,必須采用全生命周期評價(jià)(LifeCycleAssessment)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。具體指標有成本、能耗、對環(huán)境的負擔(主要是排放物等)。譬如成本,電動(dòng)執行器在運行能耗(使用階段)成本上有優(yōu)勢,但維護成本(使用階段)和購置成本(制造階段)都比氣缸要高得多,在該指標上的比較應建立在所有成本的總和上。

在總成本上,我們的研究結果表明,氣缸在大多數工業(yè)應用場(chǎng)合具有一定優(yōu)勢。
綜合以上分析,我們應該看出,氣缸與電動(dòng)執行器各有特點(diǎn),不可單純地用效率的高低來(lái)評價(jià)其優(yōu)劣。隨著(zhù)電氣技術(shù)的發(fā)展,電動(dòng)執行器的成本還會(huì )進(jìn)一步下降,預期其應用領(lǐng)域還會(huì )進(jìn)一步拓廣,但要完自吸無(wú)堵塞排污泵全取代氣缸是不現實(shí)的。
從市場(chǎng)形式來(lái)看,前面己經(jīng)提到若電缸從一開(kāi)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(kāi)端。而對于目前還未有ISO標準的無(wú)桿氣缸和氣動(dòng)滑臺,則同樣采用相對應的外形及安裝連接尺寸,這個(gè)便利的措施能夠杜絕氣驅動(dòng)與電驅動(dòng)在安裝、添置或更換方面無(wú)謂的競爭。FESTO公司的電驅動(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。在Festo,電驅動(dòng)器不是氣動(dòng)驅動(dòng)器的競爭產(chǎn)品,而是對氣動(dòng)驅動(dòng)器性能的完美補充。電驅動(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用場(chǎng)合,電驅動(dòng)器是無(wú)堵塞自吸排污泵理想的決方案。
因此今后氣缸與電動(dòng)執行器的發(fā)展應該是處于非常良性狀況和互補的,也一定會(huì )按照這兩門(mén)技術(shù)自身的科學(xué)自然發(fā)展規律發(fā)展


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