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氣缸與電動執(zhí)行器的區(qū)別

日期:2018/4/20 16:59:57 人氣: 標(biāo)簽:氣缸與電動執(zhí)行器的區(qū)別 氣缸 電動執(zhí)行器 專題:



氣缸與電動執(zhí)行器的區(qū)別

 

  從傳統(tǒng)觀念來看,氣缸與電動執(zhí)行器一直被認(rèn)為是屬于兩個完全不同領(lǐng)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領(lǐng)域,二者在應(yīng)用中既有競爭又相互補(bǔ)充。在本期欄目中,我們將從技術(shù)性能、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)性能

  眾所周知,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(hù)。氣缸擅長作往復(fù)直線運動,尤其適于工業(yè)自動化中最多的傳送要求——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)最大的特征和優(yōu)勢。所以對于沒有多點定位要求的用戶,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。

  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(jìn)行精確控制。但當(dāng)需要完成直線運動時,需要通過齒形帶或絲桿等機(jī)械裝置進(jìn)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(hù)人員的專業(yè)知識都有較高要求。

優(yōu)勢

 。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(hù),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(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。

 。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(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。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)到幾百甚至上千個位置。在精度方面,電缸也具有絕對的優(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)性能方面,本人認(rèn)為電動和氣動各有所長,首先電動執(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,一個基本的電子系統(tǒng)包括執(zhí)行器,三位置DPDT開關(guān)、熔斷器和一些電線,易于裝配。

 。2)電動執(zhí)行器的驅(qū)動源很靈活,一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。

 。4)不需要對各種氣動管線進(jìn)行安裝和維護(hù)。

 。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一籌。

  (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,不宜用于元件級數(shù)過多的復(fù)雜回路。

而氣缸的優(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(qiáng)磁、輻射和振動等惡劣工作環(huán)境中,比液壓、電子、電氣控制更優(yōu)越。

  (4)行程受阻或閥桿被扎住時電機(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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)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(jìn)行運動控制,氣缸發(fā)生故障的概率也比較小,維護(hù)簡單方便,成本也低。

  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(jī),還需要一套機(jī)械傳動機(jī)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(hù)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(jī)械上加裝保護(hù)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,所以其一旦發(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(hù)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。這首先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,一般低于1W,即終端停止時間越長,對氣缸越有利;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(jī)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)行器未必一定比氣缸節(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

  氣動系統(tǒng)和電動系統(tǒng)并不互相排斥。相反,這只是一個要求不同的問題。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精確定位的情況下,帶伺服馬達(dá)的電驅(qū)動器具有優(yōu)勢。對于要求精確、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)動系統(tǒng)能夠補(bǔ)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(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(hù)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)行多點定位控制,而且要對執(zhí)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(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(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(jī)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(jìn)了能實現(xiàn)高精度多點定位的電動執(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(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(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。

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)用場合具有一定優(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(jìn)一步下降,預(yù)期其應(yīng)用領(lǐng)域還會進(jìn)一步拓廣,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)提到若電缸從一開始就參照氣缸的外形及安裝連接尺寸生產(chǎn),是一個很好的開端。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絕氣驅(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)動器性能的完美補(bǔ)充。電驅(qū)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(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(bǔ)的,也一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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