再談氣動行業(yè)內電缸的發(fā)展

作者：費斯托（中國）有限公司總經理

                                      -------王雄耀先生

大約3年前，我寫過一篇“電缸在氣動行業(yè)內悄然興起”，從部分國外氣動行業(yè)內廠商己悄然發(fā)展電缸，來探討我國氣動行業(yè)也應注意這一發(fā)展動向。至今，形勢己更加明朗，雖然氣驅動還在繼續(xù)發(fā)展，但電驅動則以更快的速度發(fā)展著，并且已有越來越多的氣動廠商參與到對電驅動的開發(fā)中來。

氣驅動與電驅動的優(yōu)勢

電氣驅動技術早在1860年開始使用，而100年后氣驅動才開始其應用。有趣的是，直至今天，我們仍在對這兩種驅動技術進行比較。顯然，它們確實各有優(yōu)劣勢。

比較這兩種技術，主要是比較其技術特性與成本因素。在驅動控制技術中，有開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩種型式。常見的純粹氣驅動主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，且多數(shù)都設終點為控制點位置。用于閉環(huán)控制的氣動控制稱為氣動伺服控制，其控制精度不高（最高精度為0.2mm）。而電驅動同樣可分有開環(huán)控制與閉環(huán)控制，電驅動中的開環(huán)控制可設多個位置的控制點，顯然比氣動開環(huán)控制性能優(yōu)越得多；而用于閉環(huán)控制的電驅動，其最高精度為0.02mm，在自動化閉環(huán)控制技術中，應用極頻繁。除控制方式和精度的差別外，二者可比較的因素還有很多。例如，氣驅動的力過載并不損壞驅動器，而電驅動軸受額定力限制，過載時會產生大量熱能，燒毀電機，為了防止過熱，需增加散熱裝置（如水冷、風冷或壓縮空氣冷卻）。另外，二者的成本因素也存在較大差距。圖為閉環(huán)控制中氣驅動與電驅動的成本分析（驅動系統(tǒng)中各元件組成成本分析）。

從圖表中可看出，成本分析將涉及許多配套部件、傳感器、控制器、專用電纜及供能等諸多因素。盡管，伺服氣動在閉環(huán)控制系統(tǒng)中成本最低，但伺服氣動應用情況并不多。而電伺服閉環(huán)控制，雖然成本高于伺服氣動，但在大多數(shù)有精度要求的控制中，還是采用電驅動的居多。需要說明的是，直至今天，開環(huán)控制的氣驅動憑借價格優(yōu)勢，仍是應用范圍最廣的控制方式。事實上，每種控制方式都有其合適的應用領城，只是氣動廠商為了提供全新的自動化解決方案，將兩種技術結合起來，揚長避短，使兩種控制技術相得益彰。

氣驅動的優(yōu)勢還是成本與創(chuàng)新

眾周所知，氣驅動操作方便、成本低廉，而且氣驅動器非常堅固耐用。盡管壓縮空氣成本不菲，但比起電驅動的成本還是低了許多。未來氣驅動的發(fā)展仍要保持這方面的優(yōu)勢，在保證性能的基礎上降低成本。例如，德國FESTO公司在相當成熟的ISO 15552氣缸標準上，通過優(yōu)化缸筒外形、減少型材的壁厚材料、改進活塞結構和選用新材料的導向襯套等一系列措施，使氣缸成本再降20%，表明氣驅動正朝著更低的成本方向發(fā)展。與此同時，還要細分市場，根據不同應用需求，采取量身定做的方式，使氣缸成本處于最經濟狀態(tài)。氣驅動的另一方向是開發(fā)模塊化的帶導向裝置的產品，繼續(xù)完善抓取和放置的模塊化系統(tǒng)。

圖1 驅動系統(tǒng)中各元件組成成本分析

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需要電驅動

電驅動器的特點是精確和靈活。在作用力快速增大且需要精確定位的應用中，電驅動器是理想解決方案。不僅如此，在某些場合，如車間內沒有氣源、僅需少數(shù)幾根軸的運動且運行頻率又低的狀況下，采用電驅動既方便又節(jié)能。同時，電驅動結構緊湊；有寬廣的規(guī)格和種類；既可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制；尤其隨著電子行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新和高速發(fā)展，電驅動器的價格不斷下降，這些無疑都證明了電驅動在自動化領域中有著極強的生命力。誠然，電驅動需滿足自動化行業(yè)的基本需求和現(xiàn)代工業(yè)背景下的特殊要求。在滿足工業(yè)自動化基本需求方面，其力求簡單、緊湊和輕便的設計，快速安裝，運行精確，較低的維護費用和較長的保養(yǎng)周期，能快速便捷的購買到易損件的替代品，另外，簡單編程己變得越來越重要，這也是自動化用戶的一致要求。電驅動需要滿足很多特殊要求。首先是采用模塊化的電驅動結構，用戶在流水線上添置或改變某些功能驅動模塊單元，便可達到不同產品或尺寸上的需求，縮短產品上市時間，快速響應市場對小批量產品的需求。

目前電驅動應用非常廣泛，ABS氣囊的生產、電子元件和精密機械的裝配、手機的液晶顯示裝配線（連接、擠壓、傳送、定位）、IC領域的測試設備（HP 8300芯片測試設備）、高科技電子元件的自動存儲送料（如電腦硬盤的儲存及運送）、轎車燈座的生產（送料、裝配、最后檢驗）、有精度要求的抓取與裝配（定位、電子元件裝配、輕型裝配、測試和質量控制、裝入貨盤）、包裝領域（藥片的氣泡膜包裝）及材料抓取和存儲（板材的運送、自動堆疊設備）中均有電驅動的身影。

氣缸與電缸的模塊化

根據對德國FESTO公司氣缸與電缸模塊化產品的研究，它們的產品己經走在行業(yè)前面。這里所指的是氣驅動與電驅動己形成模塊化框架結構（FESTO稱模塊化機械手系統(tǒng)）。模塊化產品的前提就是聯(lián)接界面標準化。FESTO公司的氣缸與電缸模塊化，從設計、制造、包括選用缸筒型材和轉接板等，一應都作了全方位考慮。例如，在標準化的采納上，有桿氣缸己有ISO15552國際標準（有與外部連接尺寸的規(guī)定數(shù)值），F(xiàn)ESTO公司新開發(fā)的有桿電缸，則也采用ISO15552標準，與公司原產有桿氣缸保持一致。對于無桿氣缸，由于還未形成ISO國際標準，因此FESTO公司的無桿電缸便直接參照其無桿氣缸連接尺寸來設計生產。

因此，在氣缸與電缸的互換上，基本己掃清障礙。更值得一提的是，電桿的外殼型材采用與氣缸相同型材及轉接板，不僅堅持了原氣驅動的模塊化搭建系統(tǒng)，還擴展了氣驅動或電驅動之間的互換、增添或搭建，率先奠定了氣驅動與電驅動模塊化的框架結構。顯而易見，選擇氣驅動或電驅動的依據是：負載、加速度、定位的位置數(shù)和精度等應用需求，選擇哪一類系統(tǒng)，將根據行程、空間位置和負載等因素來決定。另外，還要強調的是，如今氣動廠商提供純電動產品及系統(tǒng)已不足為奇。

氣驅動和電驅動混搭往往是最佳方案

由氣動行業(yè)的廠商開發(fā)電驅動對現(xiàn)代驅動意義非凡。我們知道，多數(shù)第一步的自動化設計是搭建驅動平臺，搭建什么樣的驅動平臺，是氣缸？油缸？還是電缸？是齒形帶式電缸（帶導軌或不帶導軌）？還是絲桿形電缸（帶導軌或不帶導軌）？用步進電機控制？還是用伺服電機控制？這將根據工況條件和需要, 如溫度、環(huán)境狀況、負載慣性矩、工作軌跡、定位位置的數(shù)量、定位精度、循環(huán)周期、速率、加速度、垂直或水平、同步問題及使用壽命等諸多因素來制定。在驅動技術領域，氣動技術并不是總能符合各類驅動要求。而氣動廠商提供氣驅動或電驅動產品，表明這兩種驅動技術在應用中不僅不存在推斥，而且已經形成非常有效的互補。有利于自動化方案選擇上的自然性、客觀性及必然性。一條流水線上有氣驅動和電驅動互搭的情況再正常不過，而且這往往是最佳方案。

綜上所述，氣動廠商要開發(fā)電驅動產品，應使電驅動有一個與氣驅動互換聯(lián)接界面的模塊化框架結構，為機電一體化開創(chuàng)一個全新時代。