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

首先，什么是執(zhí)行器？

根據(jù)維基百科，“執(zhí)行器”是機(jī)器的一個組件，負(fù)責(zé)移動和控制機(jī)制或系統(tǒng)。“線性致動器”是一種致動器，可以用推力推動或?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力源，可以是液壓（流體）、氣動（空氣）或電動（AC/DC）。

正確使用的線性致動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，氣動執(zhí)行器可以提供更高的速度，但電動線性執(zhí)行器提供最精確的控制，因為空氣和流體壓力比電力更難控制。

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

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

在選擇氣動執(zhí)行器或電動執(zhí)行器時，需要考慮以下 15 個因素。

請繼續(xù)閱讀以獲取更多信息。

設(shè)計

氣動執(zhí)行器的設(shè)計更簡單，而電動執(zhí)行器使用更復(fù)雜的組件，例如滾珠絲杠和電動機(jī)。

氣動執(zhí)行器的簡單設(shè)計也比電動執(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，它實際上會占用更多空間。 稍后會詳細(xì)介紹。

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

由于設(shè)計簡單，氣動執(zhí)行器的安裝也更容易、更快捷。然而，其運(yùn)動曲線在調(diào)整尺寸后更難改變。電動執(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)動曲線。

雖然氣動執(zhí)行器的基本設(shè)計相似，但電動執(zhí)行器可以用幾種不同的機(jī)構(gòu)驅(qū)動，包括滾珠絲杠、絲杠、齒輪齒條、皮帶和滑輪等。該機(jī)制會改變最終規(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執(zhí)行器的示例。

氣動執(zhí)行器也有不同的設(shè)計，因為它們在氣缸中的活塞數(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，與電動執(zhí)行器相比，氣動執(zhí)行器提供更高的速度和更低的力。然而，一些因素，例如電動執(zhí)行器的螺距/導(dǎo)程，或氣動執(zhí)行器中的活塞數(shù)量，會影響比較。

對于氣動執(zhí)行器，力的計算方法是將活塞面積（力因數(shù)）乘以氣缸中的氣壓。對于電動執(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，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，電動執(zhí)行器也能更好地保持力和速度。電動執(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。

電動執(zhí)行器有多種選擇，因此請確保您是同類比較。 即使用另一個具有更高螺距/導(dǎo)程的滾珠絲桿更換滾珠絲桿也會改變最終規(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

氣動執(zhí)行器通常在 80 到 100 PSI 的壓力下運(yùn)行，而電動執(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

電動執(zhí)行器決定著精度和可重復(fù)性，這使它們成為多點定位應(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，因此電動執(zhí)行器可以準(zhǔn)確地控制其位置并以相同的運(yùn)動曲線重復(fù)該位置。氣動執(zhí)行器通常被選擇用于簡單的端到端定位應(yīng)用，因為它們根本無法實現(xiàn)與電動執(zhí)行器相同的精度和可重復(fù)性。

電動執(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執(zhí)行器逐漸變得更加先進(jìn)，因為它們采用與電動執(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現(xiàn)接近電動執(zhí)行器的“現(xiàn)成”精度和可重復(fù)性，同時占用 PLC 上的 I/O。

運(yùn)動控制能力

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

例如，以下運(yùn)動曲線描述了電動執(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

使用氣動執(zhí)行器很難重復(fù)這種精確的運(yùn)動曲線。

由于其精度和準(zhǔn)確度，電動執(zhí)行器最有能力重復(fù)特定的運(yùn)動曲線。氣動執(zhí)行器在其運(yùn)動曲線生成方面受到限制，并且運(yùn)動曲線一旦實施就更難改變。出于這個原因，氣動執(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，電動執(zhí)行器通常被選擇用于多點定位應(yīng)用和需要同步多個軸的應(yīng)用。

對于電動執(zhí)行器，可以保存和存儲數(shù)百個目標(biāo)位置，用于多點操作。通過修改運(yùn)動曲線（例如 S 曲線）可以最大限度地減少振動和沖擊載荷，而氣動執(zhí)行器需要硬停止和彈簧。

電動執(zhí)行器的絕對位置控制也已經(jīng)推進(jìn)了相當(dāng)長的一段時間。例如，除了帶有絕對編碼器的伺服電機(jī)外，帶有內(nèi)置多圈機(jī)械絕對編碼器的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)也可以通過消除外部原點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)械式絕對編碼器不像絕對編碼器那樣需要備用電池。氣動執(zhí)行器已開始提供絕對反饋，但并不常見。

效率與成本

電動推桿的另一個主要優(yōu)勢是效率。氣動執(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%。電動執(zhí)行器的運(yùn)行效率約為 80%。

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

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

如果初始成本對您很重要，那么氣動執(zhí)行器是您的不二之選。相比之下，電動執(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，電動推桿實際上排在首位。這是因為空氣動力和流體動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 用于電阻點焊。

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

氣動和電動線性執(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，這取決于管接頭的設(shè)計、系統(tǒng)的維護(hù)情況以及您的使用方式。對于不需要精度或連續(xù)使用壽命的應(yīng)用，氣動執(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

電動機(jī)和執(zhí)行器的控制方面已經(jīng)進(jìn)步了很長時間，因此它們使用更復(fù)雜的控制。數(shù)據(jù)收集更容易實施，因為其中許多功能已經(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，可隨時用于連接各種 PLC、HMI 和 IPC。盡管氣動執(zhí)行器也在進(jìn)步，但要趕上可以使用數(shù)據(jù)實時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，因此氣動執(zhí)行器更適合危險環(huán)境。但是，請注意進(jìn)入保護(hù) (IP) 等級和/或規(guī)格，以了解它可以準(zhǔn)確處理什么樣的環(huán)境。

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

由于壓縮空氣，氣動執(zhí)行器的噪音也比電動執(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)，電動推桿是您的不二之選。

與電動執(zhí)行器相比，氣動執(zhí)行器的維護(hù)需求非常高。需要從儲罐中持續(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。

電動執(zhí)行器需要最少的維護(hù)，因為由于軸承和線性導(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，電動機(jī)可以被視為非維護(hù)項目，因為修理電動機(jī)的成本通常超過購買新電動機(jī)的成本。

使用氣動執(zhí)行器時，防止漏氣很重要。隨著密封件的磨損，氣動執(zhí)行器產(chǎn)生的力會發(fā)生變化，從而使精度和可重復(fù)性變得更差。氣動執(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，調(diào)整或調(diào)節(jié)氣流可能需要很長時間。

這里有更多關(guān)于氣動執(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

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

然而，電動機(jī)的壽命可以計算，而氣動執(zhí)行器的壽命只能估計。預(yù)測氣封何時失效非常困難，因此必須對氣動執(zhí)行器進(jìn)行定期維護(hù)。

延長氣動執(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)能力都會受到影響。延長電動執(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

氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器之間的設(shè)計差異導(dǎo)致它們在特性上的差異。因此，氣動執(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，而電動執(zhí)行器的精度使其成為具有高級運(yùn)動曲線或多軸同步的多點定位應(yīng)用的理想選擇。

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

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

概括

用最簡單的話來說，氣動執(zhí)行器和電動執(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運(yùn)動曲線的長行程、多點定位應(yīng)用。

盡管初始成本有利于氣動執(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。請記住，用于氣動執(zhí)行器的空氣壓縮機(jī)也使用電力。從長遠(yuǎn)來看，電動推桿的運(yùn)行和維護(hù)成本會更低。

將氣動執(zhí)行器切換為電動執(zhí)行器的情況對于需要位置、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，對具有高功率效率和低重量的線性致動器的需求將推動對線性致動器的需求。

審核編輯黃宇