氣缸與電動執行器的區別

　　從傳統觀念來看，氣缸與電動執行器一直被認為是屬于兩個完全不同領域的自動化產品，但是近年來，隨著電氣化程度的不斷提高，電動執行器卻慢慢浸入氣動領域，二者在應用中既有競爭又相互補充。在本期欄目中，我們將從技術性能、購買和應用成本、能源效率、應用場合及市場形勢等幾個方面來對比氣缸與電動執行器各自的優勢

技術性能

　　眾所周知，相比電動執行器，氣缸可在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡單，基本可實現免維護。氣缸擅長作往復直線運動，尤其適于工業自動化中最多的傳送要求——工件的直線搬運。而且，僅僅調節安裝在氣缸兩側的單向節流閥就可簡單地實現穩定的速度控制，也成為氣缸驅動系統最大的特征和優勢。所以對于沒有多點定位要求的用戶，絕大多數從使用便利性角度更傾向于使用氣缸。目前工業現場使用電動執行器的應用大部分都是要求高精度多點定位，這是由于用氣缸難以實現，退而求其次的結果。

　　而電動執行器主要用于旋轉與擺動工況。其優勢在于響應時間快，通過反饋系統對速度、位置及力矩進行精確控制。但當需要完成直線運動時，需要通過齒形帶或絲桿等機械裝置進行傳動轉化，因此結構相對較為復雜，而且對工作環境及操作維護人員的專業知識都有較高要求。

優勢

　�。�1）對使用者的要求較低。氣缸的原理及結構簡單，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因素有關，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勢。

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

　　電缸的優勢主要體現在以下3個方面：

　�。�1）系統構成非常簡單。由于電機通常與缸體集成在一起，再加上控制器與電纜，電缸的整個系統就是由這三部分組成的，簡單而緊湊。

　�。�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，低端產品的停止位置有3、5、16、64個等，根據公司不同而有所變化；高端產品則更是可以達到幾百甚至上千個位置。在精度方面，電缸也具有絕對的優勢，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。

　�。�3）柔韌性強。毫無疑問，電缸的柔韌性遠遠強于氣缸。由于控制器可以與PLC直接進行連接，對電機的轉速、定位和正反轉都能夠實現精確控制，在一定程度上，電缸可以根據需要隨意進行運動；由于氣體的可壓縮性和運動時產生的慣性，即使換向閥與磁性開關之間配合地再好也不能做到氣缸的準確定位，柔韌性也就無從談起了。

在技術性能方面，本人認為電動和氣動各有所長，首先電動執行器的優勢主要包括：

　�。�1）結構緊湊，體積小巧。比起氣動執行器，電動執行器結構相對簡單，一個基本的電子系統包括執行器，三位置DPDT開關、熔斷器和一些電線，易于裝配。

　�。�2）電動執行器的驅動源很靈活，一般車載電源即可滿足需要，而氣動執行器需要氣源和壓縮驅動裝置。

　�。�3）電動執行器沒有“漏氣”的危險，可靠性高，而空氣的可壓縮性使得氣動執行器的穩定性稍差。

　�。�4）不需要對各種氣動管線進行安裝和維護。

　�。�5）可以無需動力即保持負載，而氣動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，電動執行器更加安靜。通常，如果氣動執行器在大負載的情況下，要加裝消音器。

　�。�7）電動執行器在控制的精度方面更勝一籌。

　�。�8）氣動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多的復雜回路。

而氣缸的優勢則在于以下4個方面：

　�。�1）負載大，可以適應高力矩輸出的應用（不過，現在的電動執行器已經逐漸達到目前的氣動負載水平了）。

　�。�2）動作迅速、反應快。

　�。�3）工作環境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射和振動等惡劣工作環境中，比液壓、電子、電氣控制更優越。

　�。�4）行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。

購買和應用成本比較

　　從總體上來講，電伺服驅動比氣動伺服驅動要貴，但也要因具體要求及場合而定。有些小功率的直流電機構成電動滑臺(電伺服系統)實際上比氣動伺服系統要便宜。

　　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，FESTO公司采用小型電動滑臺、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，其價格就比氣動伺服系統便宜25%。同樣，對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的話，所組成的電伺服系統的價格要比氣動伺服系統高出40%左右。

　　從購買和應用成本來看，目前氣缸還是具有比較明顯的優勢的。對于氣動系統來說，控制系統及執行機構都非常簡單，每個氣缸只需配置一個電磁閥就可完成氣路的切換，進行運動控制，氣缸發生故障的概率也比較小，維護簡單方便，成本也低。

　　而對于電動執行器來說，雖然電能的獲得比較簡單，能量成本較低，但購買及應用成本較高，不僅需要配置電機，還需要一套機械傳動機構以及相應的驅動元件。同時使用電動執行器需要很多保護措施，錯誤的電路連接、電壓的波動及負載的超載都會對電驅動器造成損壞，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，由于電動執行器驅動單元的參數化設置較多，且集成度高，所以其一旦發生故障，就要更換整個元件。而且當系統需要的驅動力增加時，也要成套更換元件才能實現。因此綜合比較可以看出氣缸在購買及維護成本上有較大優勢。

能源效率比較

　　我們研究的結果表明，在往復運動周期較短（小于1min）的水平往復運動中，電動執行器的運行能耗通常低于氣缸的運行能耗，即更節能。而在往復運動周期較長（大于1min）時，氣缸竟然變得更節能。這首先是由于終端停止時電動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，即終端停止時間越長，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，但在直線往復運動（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%。在豎直往復運動時，夾持工件的保持動作要求不斷供給電流給電動執行器以克服重力，而氣缸只需關閉電磁閥即可，耗電極少。因此在豎直往復運動時電動執行器相比氣缸的能耗優勢不是很大。

　　由上可見，電機本身效率很高，但在往復直線運動中考慮其效率下降及控制器的電力消耗，電動執行器未必一定比氣缸節能，具體比較取決于實際的工作條件，即安裝方向、往復運動周期和負載率等。

應用場合比較

　　氣動系統和電動系統并不互相排斥。相反，這只是一個要求不同的問題。氣動驅動器的優勢顯而易見，當面臨諸如灰塵、油脂、水或清潔劑等惡劣的環境條件時，氣動驅動器就顯得較適應惡劣環境，而且非常堅固耐用。氣動驅動器容易安裝，能提供典型的抓取功能，價格便宜且操作方便。

　　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器具有優勢。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合，電驅動器是最好的選擇，帶閉環定位控制器的伺服或步進馬達所組成的電驅動系統能夠補充氣動系統的不足之處。

　　從技術和使用成本的角度來說，氣缸占有較明顯的優勢，但在實際使用中究竟應該選用哪種技術做驅動控制，還是應從多方因素進行綜合考量�，F代控制中各種系統越來越復雜、越來越精細，并不是某種驅動控制技術就可滿足系統的多種控制功能。氣缸可以簡單的實現快速直線循環運動，結構簡單，維護便捷，同時可以在各種惡劣工作環境中使用，如有防爆要求、多粉塵或潮濕的工況。

　　電動執行器主要用于需要精密控制的應用場合，現在自動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，執行器需要進行多點定位控制，而且要對執行器的運行速度及力矩進行精確控制或同步跟蹤，這些利用傳統氣動控制是無法實現的，而電動執行器就能非常輕松的實現此類控制。由此可見氣缸比較適用于簡單的運動控制，而電執行器則多用于精密運動控制的場合。

市場形勢比較

　　氣缸驅動系統自70年代以來就在工業自動化領域得到了迅速普及。今天，氣缸已成為國內外工業生產領域中PTP（PointToPoint）搬運的主流執行器，以氣缸驅動系統為核心的氣動元器件市場規模已達到110億美元的規模。

　　九十年代開始，電機及其微電子控制技術迅速發展，使電動執行器在工業自動化中的應用成為可能。而且，半導體產業的興起也直接促進了能實現高精度多點定位的電動執行器在工業領域應用的擴大。

　　九十年代末期，日本等主要工業發達國家，甚至一度出現了電動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，低效的產品必將被淘汰出局。然而，十年過去了，電動執行器在工業現場并未得到普及，其市場規模與氣動相比還有很大差距。而且，無論是在工業發達國家，還是在中國等新興工業國家，氣缸的銷量不僅沒有減少，而且還在穩步地增長。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、客觀地評價兩者，必須采用全生命周期評價（LifeCycleAssessment）手法，考慮比較制造階段、使用階段、廢棄階段三個階段的綜合指標。具體指標有成本、能耗、對環境的負擔（主要是排放物等）。譬如成本，電動執行器在運行能耗（使用階段）成本上有優勢，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，氣缸在大多數工業應用場合具有一定優勢。

　　綜合以上分析，我們應該看出，氣缸與電動執行器各有特點，不可單純地用效率的高低來評價其優劣。隨著電氣技術的發展，電動執行器的成本還會進一步下降，預期其應用領域還會進一步拓廣，但要完自吸無堵塞排污泵全取代氣缸是不現實的。

　　從市場形式來看，前面己經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，是一個很好的開端。而對于目前還未有ISO標準的無桿氣缸和氣動滑臺，則同樣采用相對應的外形及安裝連接尺寸，這個便利的措施能夠杜絕氣驅動與電驅動在安裝、添置或更換方面無謂的競爭。FESTO公司的電驅動產品包含了300多種可自由組合的抓取模塊和多軸系統。在Festo，電驅動器不是氣動驅動器的競爭產品，而是對氣動驅動器性能的完美補充。電驅動器的特點是精確和靈活。在作用力快速消失和需要精確定位的應用場合，電驅動器是無堵塞自吸排污泵理想的決方案。

　　因此今后氣缸與電動執行器的發展應該是處于非常良性狀況和互補的，也一定會按照這兩門技術自身的科學自然發展規律發展。