日本SMC氣缸與電動執(zhí)行器的競爭與互補，日本SMC氣缸/39529829/39529830：單榮兵
日本SMC氣缸與電動執(zhí)行器直被認(rèn)為是屬于兩個*不同域的自動化產(chǎn)品，但是近年來，隨著電氣化程度的不斷提高，電動執(zhí)行器卻慢慢浸入氣動域，二者在應(yīng)用中既有競爭又相互補充。在本期欄目中，我們將從技術(shù)、購買和應(yīng)用成本、能源效率、應(yīng)用場合及市場形勢等幾個方面來對比氣缸與電動執(zhí)行器各自的優(yōu)勢
技術(shù)的比較
*，相比電動執(zhí)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(xiàn)免維護。氣缸擅長作往復(fù)直線運動，尤其適于工業(yè)自動化中zui多的傳送要求——工件的直線搬運。而且，僅僅調(diào)節(jié)安裝在氣缸兩側(cè)的單向節(jié)流閥就可簡單地實現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制，也成為氣缸驅(qū)動系統(tǒng)zui大的特征和優(yōu)勢。所以對于沒有多點定位要求的用戶，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)場使用電動執(zhí)行器的應(yīng)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(xiàn)，退而求其次的結(jié)果。

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而電動執(zhí)行器主要用于旋轉(zhuǎn)與擺動工況。其優(yōu)勢在于響應(yīng)時間快，通過反饋系統(tǒng)對速度、位置及力矩進行控制。但當(dāng)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(zhuǎn)化，因此結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，而且對工作環(huán)境及操作維護人員的知識都有較高要求。
日本SMC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(jié)構(gòu)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(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。個缸徑為50mm的氣缸，理論上的輸出力可達(dá)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1000N。顯而易見，在輸出力方面氣缸更具優(yōu)勢。

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（3）適應(yīng)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(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，對環(huán)境的要求較高，適應(yīng)性較差。
電缸的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個方面：
（1）系統(tǒng)構(gòu)成非常簡單。由于電機通常與缸體集成在起，再加上控制器與電纜，電缸的整個系統(tǒng)就是由這三部分組成的，簡單而緊湊。
（2）停止的位置數(shù)多且控制精度高。般電缸有低端與之分，低端產(chǎn)品的停止位置有3、5、16、64個等，根據(jù)公司不同而有所變化；產(chǎn)品則更是可以達(dá)到幾百甚上千個位置。在精度方面，電缸也具有的優(yōu)勢，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。
（3）柔韌性強。毫無疑問，電缸的柔韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于氣缸。由于控制器可以與PLC直接進行連接，對電機的轉(zhuǎn)速、定位和正反轉(zhuǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)控制，在定程度上，電缸可以根據(jù)需要隨意進行運動；由于氣體的可壓縮性和運動時產(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)方面，本人認(rèn)為電動和氣動各有所長，電動執(zhí)行器的優(yōu)勢主要包括：
（1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧。比起氣動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)相對簡單，個基本的電子系統(tǒng)包括執(zhí)行器，三位置DPDT開關(guān)、熔斷器和些電線，易于裝配。
（2）電動執(zhí)行器的驅(qū)動源很靈活，般車載電源即可滿足需要，而氣動執(zhí)行器需要氣源和壓縮驅(qū)動裝置。
（3）電動執(zhí)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(zhí)行器的穩(wěn)定性稍差。

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（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(fù)載，而氣動執(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，電動執(zhí)行器更加安靜。通常，如果氣動執(zhí)行器在大負(fù)載的情況下，要加裝消音器。
（7）電動執(zhí)行器在控制的精度方面更勝籌。
（8）氣動裝置中的通常需要把電信號轉(zhuǎn)化為氣信號，然后再轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞速度較慢，不宜用于元件數(shù)過多的復(fù)雜回路。
日本SMC氣缸的優(yōu)勢則在于以下4個方面：
（1）負(fù)載大，可以適應(yīng)高力矩輸出的應(yīng)用（不過，現(xiàn)在的電動執(zhí)行器已經(jīng)逐漸達(dá)到目前的氣動負(fù)載水平了）。
（2）動作迅速、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、強磁、輻射和振動等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制更*。
（4）行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。
購買和應(yīng)用成本比較
從總體上來講，電伺服驅(qū)動比氣動伺服驅(qū)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(gòu)成電動滑臺（電伺服系統(tǒng)）實際上比氣動伺服系統(tǒng)要便宜。
如：當(dāng)負(fù)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，F(xiàn)ESTO公司采用小型電動滑臺、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)，其價格就比氣動伺服系統(tǒng)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(tǒng)的價格要比氣動伺服系統(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)勢的。對于氣動系統(tǒng)來說，控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)都非常簡單，每個氣缸只需配置個電磁閥就可完成氣路的切換，進行運動控制，氣缸發(fā)生故障的概率也比較小，維護簡單方便，成本也低。

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而對于電動執(zhí)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(yīng)用成本較高，不僅需要配置電機，還需要套機械傳動機構(gòu)以及相應(yīng)的驅(qū)動元件。同時使用電動執(zhí)行器需要很多保護措施，錯誤的電路連接、電壓的波動及負(fù)載的超載都會對電驅(qū)動器造成損壞，因此需要在電路及機械上加裝保護系統(tǒng)，增加了很多額外的費用支出。另外，由于電動執(zhí)行器驅(qū)動單元的參數(shù)化設(shè)置較多，且集成度高，所以其旦發(fā)生故障，就要更換整個元件。而且當(dāng)系統(tǒng)需要的驅(qū)動力增加時，也要成套更換元件才能實現(xiàn)。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(yōu)勢。
能源效率比較
我們研究的結(jié)果表明，在往復(fù)運動周期較短（小于1min）的水平往復(fù)運動中，電動執(zhí)行器的運行能耗通常低于氣缸的運行能耗，即更節(jié)能。而在往復(fù)運動周期較長（大于1min）時，氣缸竟然變得更節(jié)能。這是由于終端停止時電動執(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，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(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)運動（絲杠轉(zhuǎn)換）中的臺形加減速旋轉(zhuǎn)條件下的平均效率卻不到50%。在豎直往復(fù)運動時，夾持工件的保持動作要求不斷供給電流給電動執(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)運動時電動執(zhí)行器相比氣缸的能耗優(yōu)勢不是很大。
由上可見，電機本身效率很高，但在往復(fù)直線運動中考慮其效率下降及控制器的電力消耗，電動執(zhí)行器未必定比氣缸節(jié)能，具體比較取決于實際的工作條件，即安裝方向、往復(fù)運動周期和負(fù)載率等。
應(yīng)用場合比較

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氣動系統(tǒng)和電動系統(tǒng)并不互相排斥。相反，這只是個要求不同的問題。氣動驅(qū)動器的優(yōu)勢顯而易見，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，氣動驅(qū)動器就顯得較適應(yīng)惡劣環(huán)境，而且非常堅固耐用。氣動驅(qū)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定位的情況下，帶伺服馬達(dá)的電驅(qū)動器具有優(yōu)勢。對于要求、同步運轉(zhuǎn)、可調(diào)節(jié)和規(guī)定的定位編程的應(yīng)用場合，電驅(qū)動器是的選擇，帶閉環(huán)定位控制器的伺服或步進馬達(dá)所組成的電驅(qū)動系統(tǒng)能夠補充氣動系統(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，但在實際使用中究竟應(yīng)該選用哪種技術(shù)做驅(qū)動控制，還是應(yīng)從多方因素進行綜合考量。現(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)動控制技術(shù)就可滿足系統(tǒng)的多種控制功能。氣缸可以簡單的實現(xiàn)快速直線循環(huán)運動，結(jié)構(gòu)簡單，維護便捷，同時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。
電動執(zhí)行器主要用于需要精密控制的應(yīng)用場合，現(xiàn)在自動化設(shè)備中柔性化要求在不斷提升，同設(shè)備往往要求適應(yīng)不同尺寸工件的加工需要，執(zhí)行器需要進行多點定位控制，而且要對執(zhí)行器的運行速度及力矩進行控制或同步跟蹤，這些利用傳統(tǒng)氣動控制是無法實現(xiàn)的，而電動執(zhí)行器就能非常輕松的實現(xiàn)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(zhí)行器則多用于精密運動控制的場合。
市場形勢比較
氣缸驅(qū)動系統(tǒng)自70年代以來就在工業(yè)自動化域得到了迅速普及。今天，氣缸已成為國內(nèi)外工業(yè)域中PTP（PointToPoint）搬運的主流執(zhí)行器，以氣缸驅(qū)動系統(tǒng)為核心的氣動元器件市場規(guī)模已達(dá)到110億美元的規(guī)模。
九十年代開始，電機及其微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，使電動執(zhí)行器在工業(yè)自動化中的應(yīng)用成為可能。而且，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起也直接促進了能實現(xiàn)高精度多點定位的電動執(zhí)行器在工業(yè)域應(yīng)用的擴大。
九十年代末期，日本等主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家，甚度出現(xiàn)了電動執(zhí)行器即將取代氣缸，氣缸將退出歷史舞臺的論調(diào)。因為人們普遍認(rèn)為電動執(zhí)行器中電機的能量轉(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，電動執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場并未得到普及，其市場規(guī)模與氣動相比還有很大差距。而且，無論是在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，還是在等新興工業(yè)國家，氣缸的不僅沒有減少，而且還在穩(wěn)步地增長。在，近幾年氣缸的年增長速度直維持在20%以上。
如需要科學(xué)、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(biāo)。具體指標(biāo)有成本、能耗、對環(huán)境的負(fù)擔(dān)（主要是排放物等）。譬如成本，電動執(zhí)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(biāo)上的比較應(yīng)建立在所有成本的總和上。
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)用場合具有定優(yōu)勢。
綜合以上分析，我們應(yīng)該看出，氣缸與電動執(zhí)行器各有特點，不可單純地用效率的高低來評價其優(yōu)劣。隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，電動執(zhí)行器的成本還會進步下降，預(yù)期其應(yīng)用域還會進步拓廣，但要完自吸無堵塞排污泵全取代氣缸是不現(xiàn)實的。
從市場形式來看，前面己經(jīng)提到若電缸從開始就參照氣缸的外形及安裝連接尺寸，是個很好的開端。而對于目前還未有ISO標(biāo)準(zhǔn)的無桿氣缸和氣動滑臺，則同樣采用相對應(yīng)的外形及安裝連接尺寸，這個便利的措施能夠杜氣驅(qū)動與電驅(qū)動在安裝、添置或更換方面無謂的競爭。FESTO公司的電驅(qū)動產(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)動器不是氣動驅(qū)動器的競爭產(chǎn)品，而是對氣動驅(qū)動器的補充。電驅(qū)動器的特點是和靈活。在作用力快速消失和需要定位的應(yīng)用場合，電驅(qū)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(zhí)行器的發(fā)展應(yīng)該是處于非常良性狀況和互補的，也定會按照這兩門技術(shù)自身的科學(xué)自然發(fā)展規(guī)律發(fā)展

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