氣動(dòng)執(zhí)行器與電動(dòng)執(zhí)行器：哪個(gè)更好？

氣動(dòng)線性致動(dòng)器和電動(dòng)線性致動(dòng)器經(jīng)常被比較以滿足不需要液壓線性致動(dòng)器的高力的線性運(yùn)動(dòng)要求。以下是應(yīng)考慮的 15 個(gè)因素。

首先，什么是執(zhí)行器？

根據(jù)維基百科，“執(zhí)行器”是機(jī)器的一個(gè)組件，負(fù)責(zé)移動(dòng)和控制機(jī)制或系統(tǒng)。“線性致動(dòng)器”是一種致動(dòng)器，可以用推力推動(dòng)或?qū)⒇?fù)載線性地運(yùn)送到特定位置。雖然結(jié)構(gòu)相似，但執(zhí)行器的不同之處在于它們的動(dòng)力源，可以是液壓（流體）、氣動(dòng)（空氣）或電動(dòng)（AC/DC）。

正確使用的線性致動(dòng)器類型取決于它滿足應(yīng)用要求的程度，例如負(fù)載、速度、精度等。

例如，氣動(dòng)執(zhí)行器可以提供更高的速度，但電動(dòng)線性執(zhí)行器提供最精確的控制，因?yàn)榭諝夂土黧w壓力比電力更難控制。

對(duì)于不需要來自液壓執(zhí)行器的極高力的平均負(fù)載，解決方案是氣動(dòng)執(zhí)行器或電動(dòng)執(zhí)行器。

在這篇文章中，我們將比較氣動(dòng)執(zhí)行器與電動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)缺點(diǎn)，以幫助您為下一個(gè)項(xiàng)目做出正確的決定。

在選擇氣動(dòng)執(zhí)行器或電動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，需要考慮以下 15 個(gè)因素。

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設(shè)計(jì)

氣動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)更簡單，而電動(dòng)執(zhí)行器使用更復(fù)雜的組件，例如滾珠絲杠和電動(dòng)機(jī)。

氣動(dòng)執(zhí)行器的簡單設(shè)計(jì)也比電動(dòng)執(zhí)行器更緊湊，但當(dāng)您考慮維持氣壓所需的所有其他組件時(shí)，它實(shí)際上會(huì)占用更多空間。 稍后會(huì)詳細(xì)介紹。

在這里，我們將典型的氣動(dòng)執(zhí)行器與帶滾珠絲杠的電動(dòng)缸進(jìn)行比較。

由于設(shè)計(jì)簡單，氣動(dòng)執(zhí)行器的安裝也更容易、更快捷。然而，其運(yùn)動(dòng)曲線在調(diào)整尺寸后更難改變。電動(dòng)執(zhí)行器還需要確定尺寸和更復(fù)雜的編程來預(yù)先設(shè)置其參數(shù)，但只要所需的扭矩、速度或負(fù)載慣性不增加，它就可以相當(dāng)容易地改變其運(yùn)動(dòng)曲線。

雖然氣動(dòng)執(zhí)行器的基本設(shè)計(jì)相似，但電動(dòng)執(zhí)行器可以用幾種不同的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，包括滾珠絲杠、絲杠、齒輪齒條、皮帶和滑輪等。該機(jī)制會(huì)改變最終規(guī)格，例如負(fù)載、速度和精度，以便更好地滿足某些應(yīng)用要求。

僅供參考，這里有一些不同類型的電動(dòng)執(zhí)行器的示例。

氣動(dòng)執(zhí)行器也有不同的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈冊(cè)跉飧字械幕钊麛?shù)量可能不同。更多的活塞等于更多的力，但它也需要更多的壓縮空氣。

力與速度

傳統(tǒng)上，與電動(dòng)執(zhí)行器相比，氣動(dòng)執(zhí)行器提供更高的速度和更低的力。然而，一些因素，例如電動(dòng)執(zhí)行器的螺距/導(dǎo)程，或氣動(dòng)執(zhí)行器中的活塞數(shù)量，會(huì)影響比較。

對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行器，力的計(jì)算方法是將活塞面積（力因數(shù)）乘以氣缸中的氣壓。對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器，線性力是從電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換而來的。

在處理壓縮空氣時(shí)，很難始終保持設(shè)定的速度或力。由于電壓和電流更容易控制，即使沒有閉環(huán)反饋，電動(dòng)執(zhí)行器也能更好地保持力和速度。電動(dòng)執(zhí)行器上的滾珠絲杠或齒條齒輪機(jī)構(gòu)也起到齒輪減速比的作用，因此可以在犧牲速度的情況下增加力。

電動(dòng)執(zhí)行器有多種選擇，因此請(qǐng)確保您是同類比較。 即使用另一個(gè)具有更高螺距/導(dǎo)程的滾珠絲桿更換滾珠絲桿也會(huì)改變最終規(guī)格，如下表所示。

下圖描述了線性執(zhí)行器的力與速度的示例。

來源：https ://www.medicaldesignbriefs.com/component/content/article/mdb/features/articles/26236

氣動(dòng)執(zhí)行器通常在 80 到 100 PSI 的壓力下運(yùn)行，而電動(dòng)執(zhí)行器將電機(jī)扭矩和 RPM 轉(zhuǎn)換為線性力和線性速度。為了增加氣動(dòng)執(zhí)行器的力或速度，需要更多的活塞和/或空氣 PSI。要增加電動(dòng)執(zhí)行器的力、速度或加速度，需要更大或更長的電機(jī)提供更大的扭矩。

準(zhǔn)確性和可重復(fù)性

電動(dòng)執(zhí)行器決定著精度和可重復(fù)性，這使它們成為多點(diǎn)定位應(yīng)用的理想選擇。

來源：https ://www.linearmotiontips.com/does-my-system-need-high-accuracy-or-repeatability-or-both/

由于電壓和電流比氣壓更容易控制，因此電動(dòng)執(zhí)行器可以準(zhǔn)確地控制其位置并以相同的運(yùn)動(dòng)曲線重復(fù)該位置。氣動(dòng)執(zhí)行器通常被選擇用于簡單的端到端定位應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兏緹o法實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)執(zhí)行器相同的精度和可重復(fù)性。

電動(dòng)執(zhí)行器使用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，它們已經(jīng)提供了高停止精度和扭矩控制能力。電機(jī)的保持力矩還可以防止位置漂移。

我注意到的一件事是氣動(dòng)執(zhí)行器逐漸變得更加先進(jìn)，因?yàn)樗鼈儾捎门c電動(dòng)執(zhí)行器類似的控制，但它們?nèi)匀恍枰~外的傳感器和編程來實(shí)現(xiàn)接近電動(dòng)執(zhí)行器的“現(xiàn)成”精度和可重復(fù)性，同時(shí)占用 PLC 上的 I/O。

運(yùn)動(dòng)控制能力

通過更精確地控制扭矩、速度和加速/減速模式，電動(dòng)執(zhí)行器可以比氣動(dòng)執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)曲線上做更多的事情。

例如，以下運(yùn)動(dòng)曲線描述了電動(dòng)執(zhí)行器或電機(jī)可以做什么。

來源： https: //www.digikey.com/en/blog/motion-control-profiles-good-better-and-best

使用氣動(dòng)執(zhí)行器很難重復(fù)這種精確的運(yùn)動(dòng)曲線。

由于其精度和準(zhǔn)確度，電動(dòng)執(zhí)行器最有能力重復(fù)特定的運(yùn)動(dòng)曲線。氣動(dòng)執(zhí)行器在其運(yùn)動(dòng)曲線生成方面受到限制，并且運(yùn)動(dòng)曲線一旦實(shí)施就更難改變。出于這個(gè)原因，氣動(dòng)執(zhí)行器被選擇用于單軸、端到端定位應(yīng)用。由于重復(fù)精度高，電動(dòng)執(zhí)行器通常被選擇用于多點(diǎn)定位應(yīng)用和需要同步多個(gè)軸的應(yīng)用。

對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器，可以保存和存儲(chǔ)數(shù)百個(gè)目標(biāo)位置，用于多點(diǎn)操作。通過修改運(yùn)動(dòng)曲線（例如 S 曲線）可以最大限度地減少振動(dòng)和沖擊載荷，而氣動(dòng)執(zhí)行器需要硬停止和彈簧。

電動(dòng)執(zhí)行器的絕對(duì)位置控制也已經(jīng)推進(jìn)了相當(dāng)長的一段時(shí)間。例如，除了帶有絕對(duì)編碼器的伺服電機(jī)外，帶有內(nèi)置多圈機(jī)械絕對(duì)編碼器的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)也可以通過消除外部原點(diǎn)和限位傳感器來幫助最大限度地減少占地面積。不同的是，機(jī)械式絕對(duì)編碼器不像絕對(duì)編碼器那樣需要備用電池。氣動(dòng)執(zhí)行器已開始提供絕對(duì)反饋，但并不常見。

效率與成本

電動(dòng)推桿的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是效率。氣動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行效率約為 10~25%，甚至低于液壓線性執(zhí)行器的 ~40%。電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行效率約為 80%。

從長遠(yuǎn)來看，效率會(huì)影響電力成本。在這里，我們比較了同一應(yīng)用中氣動(dòng)執(zhí)行器與電動(dòng)執(zhí)行器的能源成本。

來源：https ://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

如果初始成本對(duì)您很重要，那么氣動(dòng)執(zhí)行器是您的不二之選。相比之下，電動(dòng)執(zhí)行器的初始成本較高，但運(yùn)行和維護(hù)成本較低。

然而，當(dāng)您將長期總擁有成本考慮在內(nèi)時(shí)，電動(dòng)推桿實(shí)際上排在首位。這是因?yàn)榭諝鈩?dòng)力和流體動(dòng)力都需要更多的維護(hù)工作，而且效率低于電力。

資料來源：https ://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/supplements/mct/features/articles/35859

短期成本包括系統(tǒng)成本，但總擁有成本包括更換成本、空氣管路安裝和維護(hù)。請(qǐng)記住，空氣壓縮機(jī)也需要電力才能運(yùn)行。

這是我從 Linear Motion Tips 中收集的兩個(gè)應(yīng)用示例。應(yīng)用 #1 用于面條切割應(yīng)用，應(yīng)用 #2 用于電阻點(diǎn)焊。

來源：https ://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

氣動(dòng)和電動(dòng)線性執(zhí)行器之間的總擁有成本比較包括許多變量和假設(shè)。有時(shí)，這取決于管接頭的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的維護(hù)情況以及您的使用方式。對(duì)于不需要精度或連續(xù)使用壽命的應(yīng)用，氣動(dòng)執(zhí)行器可以節(jié)省一些錢。

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)收集可以帶來更高的效率或預(yù)測性維護(hù)。電動(dòng)推桿也是這一類別的贏家。

資料來源：https ://www.tolomatic.com/info-center/resource-details/a-technical-comparison-performance-of-pneumatic-cylinders-and-electric-rod-actuators

電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行器的控制方面已經(jīng)進(jìn)步了很長時(shí)間，因此它們使用更復(fù)雜的控制。數(shù)據(jù)收集更容易實(shí)施，因?yàn)槠渲性S多功能已經(jīng)包含在內(nèi)。更多工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，例如 EtherNetIP、Profinet 和 EtherCAT，可隨時(shí)用于連接各種 PLC、HMI 和 IPC。盡管氣動(dòng)執(zhí)行器也在進(jìn)步，但要趕上可以使用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制過程的程度可能具有挑戰(zhàn)性。

環(huán)境、溫度和噪音

由于電動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)可能包含更敏感的組件，例如電機(jī)、編碼器和傳感器，因此氣動(dòng)執(zhí)行器更適合危險(xiǎn)環(huán)境。但是，請(qǐng)注意進(jìn)入保護(hù) (IP) 等級(jí)和/或規(guī)格，以了解它可以準(zhǔn)確處理什么樣的環(huán)境。

氣動(dòng)執(zhí)行器有時(shí)可以處理比電動(dòng)執(zhí)行器（40~150°F）更寬的環(huán)境溫度（約 -20~350°F），但是當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行器在高環(huán)境溫度下工作時(shí)，氣封可能會(huì)失效，并且操作可能會(huì)緩慢. 高溫還會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的軸承潤滑脂壽命并影響金屬膨脹性能，從而增加電動(dòng)執(zhí)行器的摩擦和磨損。

由于壓縮空氣，氣動(dòng)執(zhí)行器的噪音也比電動(dòng)執(zhí)行器大。但是，多年來，這種情況也有所改善。

維護(hù)

如果您不喜歡維護(hù)，電動(dòng)推桿是您的不二之選。

與電動(dòng)執(zhí)行器相比，氣動(dòng)執(zhí)行器的維護(hù)需求非常高。需要從儲(chǔ)罐中持續(xù)供應(yīng)壓縮空氣，這不容易維護(hù)。除了執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，還有更多部件需要維護(hù)，例如壓縮機(jī)、閥門、管件、消聲器、潤滑器、過濾調(diào)節(jié)器潤滑器、電磁閥和氣管。

電動(dòng)執(zhí)行器需要最少的維護(hù)，因?yàn)橛捎谳S承和線性導(dǎo)軌的摩擦最小，可能磨損的組件更少。偶爾可能需要潤滑。如果從等式中去掉執(zhí)行器，電動(dòng)機(jī)可以被視為非維護(hù)項(xiàng)目，因?yàn)樾蘩黼妱?dòng)機(jī)的成本通常超過購買新電動(dòng)機(jī)的成本。

使用氣動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，防止漏氣很重要。隨著密封件的磨損，氣動(dòng)執(zhí)行器產(chǎn)生的力會(huì)發(fā)生變化，從而使精度和可重復(fù)性變得更差。氣動(dòng)執(zhí)行器依靠緊密的桿和活塞密封件來防止因磨損而導(dǎo)致的空氣泄漏。有時(shí)，調(diào)整或調(diào)節(jié)氣流可能需要很長時(shí)間。

這里有更多關(guān)于氣動(dòng)執(zhí)行器漏氣的數(shù)據(jù)。

來源：https ://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

使用壽命

氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器均提供基于軸承壽命的中等 L10 使用壽命。

然而，電動(dòng)機(jī)的壽命可以計(jì)算，而氣動(dòng)執(zhí)行器的壽命只能估計(jì)。預(yù)測氣封何時(shí)失效非常困難，因此必須對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行定期維護(hù)。

延長氣動(dòng)執(zhí)行器壽命的關(guān)鍵是保持活塞桿和活塞密封件的安全。密封件的磨損是不可避免的。如果空氣泄漏增加，效率、力量、速度和響應(yīng)能力都會(huì)受到影響。延長電動(dòng)執(zhí)行器壽命的關(guān)鍵是保持較低的工作溫度。始終在兩者的規(guī)格范圍內(nèi)操作。

理想應(yīng)用

氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器之間的設(shè)計(jì)差異導(dǎo)致它們?cè)谔匦陨系牟町?。因此，氣?dòng)執(zhí)行器的粗糙特性使其成為基本的端到端定位應(yīng)用的理想選擇，而電動(dòng)執(zhí)行器的精度使其成為具有高級(jí)運(yùn)動(dòng)曲線或多軸同步的多點(diǎn)定位應(yīng)用的理想選擇。

氣動(dòng)執(zhí)行器可以在比電動(dòng)執(zhí)行器更危險(xiǎn)的環(huán)境中工作。但是，高溫會(huì)縮短這兩種執(zhí)行器的使用壽命。

如果需要高級(jí)操作，如閉環(huán)反饋或數(shù)據(jù)收集，電動(dòng)執(zhí)行器提供了一個(gè)集成選項(xiàng)，在未來幾年應(yīng)該更容易使用。

概括

用最簡單的話來說，氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器之間的選擇歸結(jié)為簡單性、精確性、效率和維護(hù)。

氣動(dòng)執(zhí)行器體積更小，易于安裝，可以輕松滿足簡單、短行程、端到端的定位要求。另一方面，電動(dòng)執(zhí)行器可以憑借其卓越的精度和可重復(fù)性滿足更嚴(yán)格的要求，并且非常適合具有高級(jí)運(yùn)動(dòng)曲線的長行程、多點(diǎn)定位應(yīng)用。

盡管初始成本有利于氣動(dòng)執(zhí)行器，但重要的是要考慮總擁有成本，其中包括初始購買成本、運(yùn)營成本和維護(hù)成本。請(qǐng)記住，用于氣動(dòng)執(zhí)行器的空氣壓縮機(jī)也使用電力。從長遠(yuǎn)來看，電動(dòng)推桿的運(yùn)行和維護(hù)成本會(huì)更低。

將氣動(dòng)執(zhí)行器切換為電動(dòng)執(zhí)行器的情況對(duì)于需要位置、速度、加速度和力的應(yīng)用具有更高的精度和可重復(fù)性是有意義的。他們還更擅長數(shù)據(jù)收集和同步多軸應(yīng)用程序。

隨著近來效率和成本降低的趨勢(shì)，對(duì)具有高功率效率和低重量的線性致動(dòng)器的需求將推動(dòng)對(duì)線性致動(dòng)器的需求。

審核編輯黃宇