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摘 要 : 本文在對液壓缸、氣缸和電動缸的發(fā)展、應(yīng)用及現(xiàn)狀進(jìn)行簡介基礎(chǔ)上，分述了這三種直線往復(fù)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原 理、性能特點(diǎn)、主要類型和適用場合；對它們進(jìn)行了應(yīng)用行業(yè)分析比較，并從負(fù)載能力、運(yùn)動速度及控制精度、 工作環(huán)境、成本因素、維修保養(yǎng)等主要方面給出其選型要點(diǎn)，可供自動化裝備研發(fā)設(shè)計(jì)及管理人員參考。

文/河北科技大學(xué) 張利平

1 液壓缸、氣缸和電動缸的發(fā)展應(yīng)用及現(xiàn)狀

液壓缸、氣缸和伺服電動缸（以下簡稱電動缸）分別是 以液體壓力能、氣體壓力能和電能為動力源的直線運(yùn)動執(zhí)行 器，是當(dāng)代自動化裝備中除了機(jī)械、磁力和熱力以外應(yīng)用最 為普遍的三種執(zhí)行元件。液壓缸原理源于法國物理學(xué)家布萊 士·帕斯卡于1653年提出的液體靜壓力傳遞原理（帕斯卡原 理），而正式進(jìn)入工程應(yīng)用領(lǐng)域是 1795 年英國制造出世界 上第一臺水壓機(jī)，液壓缸已成為當(dāng)今諸多機(jī)械裝備尤其是重 型裝備首選的直線執(zhí)行器。氣缸的原理源于1680年荷蘭科學(xué) 家霍因斯受到大炮原理的啟發(fā)進(jìn)行的相關(guān)探索，汽車領(lǐng)域在 早期也使用過單缸發(fā)動機(jī)，自1970年代以來氣缸驅(qū)動系統(tǒng)在 工業(yè)領(lǐng)域得到了迅速普及，氣缸已成為當(dāng)今制造業(yè)甚至使用 自動化解決方案的機(jī)械裝備最常用的直線執(zhí)行器。但液壓缸 和氣缸的發(fā)展及應(yīng)用面臨著復(fù)雜性、高能耗、強(qiáng)噪音、安全 性及對環(huán)境的影響等一系列挑戰(zhàn)。
電動缸大約在1970年代起源于日本，最初應(yīng)用于自動 化設(shè)備和機(jī)器人中，以替代傳統(tǒng)液壓缸和氣缸。在2000年 前后中國首次引入電動缸概念，并主要用于軍事和高端工業(yè) 領(lǐng)域，2021年作為國內(nèi)核心標(biāo)準(zhǔn)的JB/T 13811-2020《電動 缸》開始實(shí)施。近年來，電動缸的關(guān)注度、應(yīng)用和市場一直 在增長并取得了諸多技術(shù)進(jìn)步，功能和用例隨之增強(qiáng)，例如 在重型移動裝備行業(yè)已開始少量采用電動缸，而在建筑設(shè)備 和其它移動機(jī)械中，電動缸業(yè)也逐漸成為可行的替代品。究 其原因主要還是由于受到了制造業(yè)自動化實(shí)施的增加、機(jī)器 人技術(shù)、移動機(jī)械的進(jìn)步與設(shè)備小型化的推動。最新研究報(bào) 告預(yù)計(jì)，電動缸市場將在未來幾年出現(xiàn)顯著增長，到2032 年，其市場的復(fù)合年增長率 （CAGR）將達(dá)到6%以上，建筑可能是電動缸下一個增長機(jī)會最高行業(yè)。

作為自動化裝備研發(fā)設(shè)計(jì)和管理人員，了解和掌握上述 三種在執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理、性能特點(diǎn)、主要類型、適用場合 及選型要點(diǎn)等，在執(zhí)行器類型論證及選擇中做到有的放矢， 物盡其用，更好為先進(jìn)高效、綠色環(huán)保及安全可靠的主機(jī)裝 備而賦能無疑甚為重要。

2 液壓缸

2.1結(jié)構(gòu)原理
液壓缸主要由缸筒、活塞、活塞桿、缸蓋、密封等部分 組成，其典型結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)圖形符號如圖1所示。根據(jù)帕斯卡 原理，當(dāng)通過油口A或B向液壓缸的無桿腔或有桿腔輸入一定 壓力和流量的液壓油時，在活塞上產(chǎn)生運(yùn)動的推力，使活塞 桿伸出或縮回，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。通過液壓閥調(diào)控液壓油 的流向、流量和壓力，可以精確控制液壓缸的運(yùn)動方向、速 度和輸出力。例如，在雙作用缸中，可通過A和B兩油口交替 進(jìn)回油，實(shí)現(xiàn)活塞桿的雙向往復(fù)運(yùn)動；而在單作用缸中，液 壓油僅從一端進(jìn)入而推動活塞桿運(yùn)動，活塞桿的回程則依靠 如彈簧力或重力等外力實(shí)現(xiàn)。

圖 2 全球出力最大的液壓油缸

2.2性能特點(diǎn)
(1)易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。只要給液壓缸輸入一定壓力的 液壓油即可驅(qū)動負(fù)載實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動而無需其他轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。還可 與杠桿、齒輪齒條、四連桿等機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動。
(2)功率密度高。液壓缸能夠以較小體積和自重產(chǎn) 生較大的輸出力，適應(yīng)不同的工作環(huán)境和負(fù)載要求。（圖2 所示為目前全球出力最大的液壓缸：國產(chǎn)150m樁架打樁船 主油缸，其直徑1.6m，行程21m，重達(dá)385t，額定推力達(dá) 5000t）。
(3)調(diào)節(jié)控制方便。通過液壓閥易于實(shí)現(xiàn)液壓缸運(yùn)動方 向、速度和輸出力的控制調(diào)節(jié)，滿足不同主機(jī)及其工況需求。
(4)運(yùn)動平穩(wěn)、工作可靠。利用液壓油的粘性阻尼及不 可壓縮作用，液壓缸可平穩(wěn)拖動負(fù)載運(yùn)動，并實(shí)現(xiàn)精確停位。 通過合理選取密封材料和結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。
(5)結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)簡便。
(6)制造精度及成本相對較高（尤其是伺服控制的高 精度缸）；在高速運(yùn)動和換向過程中可能會產(chǎn)生一定沖擊和振 動；對液壓油污染較為敏感，系統(tǒng)需配備良好的過濾裝置。
2.3主要類型
(1)按作用方式分類：①雙作用缸，其雙向運(yùn)動通 過缸兩腔交替進(jìn)、回油，靠液壓力的作用來完成。②單作用 缸，其壓力油只供缸的一腔，靠液壓力使缸單向運(yùn)動，反向運(yùn)動則靠彈簧力、自重或外部載荷等來實(shí)現(xiàn)。
(2)按結(jié)構(gòu)特征分類：①活塞式缸，它可分為單桿式 和雙桿式兩種：前者僅一端有活塞桿，兩腔有效面積不同， 故雙向運(yùn)動速度和輸出力也不同；后者的兩端都有活塞桿， 兩腔有效面積一般相等，當(dāng)輸入相同流量和壓力時，往返運(yùn) 動速度和輸出力相同?；钊礁走€可分為缸筒固定式和桿固 定式兩種，前者是將缸筒固定在主機(jī)上，由活塞桿拖動負(fù)載 運(yùn)動；后者則是將活塞桿固定在主機(jī)上，由缸筒拖動負(fù)載運(yùn) 動?；钊礁资菓?yīng)用最為量大面廣的液壓缸，但當(dāng)缸的行程 較長時，加工難度大、成本較高。② 柱塞式缸，它屬單作用 缸，柱塞回程需靠外力。柱塞與缸筒內(nèi)壁不接觸，依靠缸筒 端部的導(dǎo)向套對柱塞進(jìn)行導(dǎo)向。故柱塞缸缸筒內(nèi)表面無需精 加工，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，適用于行程較長的場合，且同 結(jié)構(gòu)柱塞缸若成對反向使用，二缸推挽運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu) （如大型平面磨床的工作臺）的進(jìn)退作業(yè)。③伸縮式缸，它 有二級或多級活塞（桿），活塞（桿）從大到小伸出，空載 縮回從小到大，可實(shí)現(xiàn)較長行程，縮回時長度較短，結(jié)構(gòu)緊 湊，常用于車輛和工程機(jī)械（如自卸汽車等）。
(3)按功能分類：①普通缸，它以動力傳遞為主，其 主要要求是力、位移和速度的輸出，用于一般的直線往復(fù)運(yùn) 動場合，在各類機(jī)械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。②伺服缸，它是 一種將伺服控制與液壓結(jié)合的執(zhí)行器，用于位置、速度和力 的精確控制。其組成除了缸外、尚包括伺服閥及控制器、反 饋傳感器等。在工業(yè)自動化、航空航天、軋鋼機(jī)、注塑機(jī)以 及風(fēng)電設(shè)備等高速高精度要求的領(lǐng)域中都有應(yīng)用。③磁感應(yīng) 缸，它是一種通過磁電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)位置檢測的液壓缸。其核心 原理是在缸的活塞（桿）上安裝永磁體（磁環(huán)），并在缸筒 外部（或內(nèi)部）設(shè)置磁性傳感器（如磁性開關(guān)），通過磁場 變化感知活塞位置，從而實(shí)現(xiàn)行程監(jiān)測、定位控制或狀態(tài)反 饋，具有低成本、易安裝、可靠性高的優(yōu)勢。其核心價(jià)值在 于將傳統(tǒng)液壓缸升級為“可感知”執(zhí)行器，為設(shè)備數(shù)智化提 供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。此外尚有數(shù)字液壓缸、增壓缸等。
(4)按安裝方式分類：液壓缸有法蘭式、底座式、銷軸 式、耳環(huán)式、球頭式等多種安裝連接型式，用于不同的場景。
2.4適用領(lǐng)域
液壓缸的主要適用領(lǐng)域有先進(jìn)制造（如數(shù)控機(jī)床及加 工心等）、橡膠塑料機(jī)械（如硫化機(jī)、注塑機(jī)等）、汽車工 業(yè)（零部件的加工及整車的裝配、焊接等）、礦山冶金（如采掘機(jī)、連鑄機(jī)、高爐等）、工程機(jī)械（如挖掘機(jī)、裝載機(jī) 等）、航空航天航海（飛機(jī)起落架、艦船舵機(jī)等）、檢測與 測試（如拉力壓力試驗(yàn)機(jī)等）、能源領(lǐng)域（如海上鉆井平 臺、LNG碼頭卸載臂等）、娛樂游藝機(jī)（如海盜船、旋轉(zhuǎn)塔 和高空飛翔等設(shè)備等）等等。

3 氣缸

3.1功能原理
除了工作介質(zhì)不同外，氣缸在結(jié)構(gòu)組成、工作原理、圖 形符號等方面，基本與液壓缸類同，此處從略。
3.2性能特點(diǎn)
(1)工作介質(zhì)是經(jīng)濟(jì)清潔的空氣，不需回收處理，綠 色環(huán)保；空氣的粘性小，在管路中流動時壓力損失小，便于 集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。
(2)氣缸的動作速度快，響應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)快速的啟 停和換向。
(3)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低廉，維護(hù)方便，使 用壽命長。
(4)可根據(jù)不同工作要求，方便進(jìn)行組合集成，實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜的運(yùn)動控制（如半導(dǎo)體設(shè)備）。
(5)安全性高，在危險(xiǎn)環(huán)境中使用時，不會燃爆。
(6)因壓縮空氣的工作壓力較低（一般MPa）,故氣缸 的輸出力相對較小，一般用于輕載場合；另因空氣的可壓縮 性，不僅缸的定位精度不高，而且速度剛性較差，難以實(shí)現(xiàn) 精準(zhǔn)的速度控制。
3.3主要類型
(1)按作用方式分類：有雙作用缸和單作用缸兩類， 其結(jié)構(gòu)、原理及圖形符號與同名液壓缸類同。
(2)按結(jié)構(gòu)特征分類：①活塞式缸，這是使用最為量 大面廣的氣缸。其組成與液壓缸類同?；钊诟淄矁?nèi)做往復(fù) 運(yùn)動，通過活塞桿輸出力和位移，可實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動，常 用于各種機(jī)械的驅(qū)動、推壓、拉伸等動作。②柱塞式缸，其 柱塞與缸筒內(nèi)壁不接觸，依靠缸筒端部的導(dǎo)向套對柱塞進(jìn)行 導(dǎo)向。因缸筒內(nèi)表面不需要精加工，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但 它只能單作用，回程需要借助外力（如彈簧力或其他機(jī)械裝 置）。③膜片式缸（見圖3），它利用膜片在氣壓作用下的 變形來推動活塞桿運(yùn)動，靠彈簧力復(fù)位。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重 量輕、動作靈敏的優(yōu)點(diǎn)，但輸出力較小，行程較短，常用于一些要求響應(yīng)速度快、安裝空間受限的場合，如氣動夾具、 小型控制閥等。

(3)按功能分類：①普通缸，它用于一般的直線往復(fù) 運(yùn)動場合，對缸的性能和功能要求不高，主要滿足基本的力 和位移輸出要求。②氣-液阻尼缸，它將氣缸和液壓缸組合 在一起，利用氣體的可壓縮性和液體的不可壓縮性及粘性阻 尼，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動，兼具氣缸動作快速和液壓缸速度穩(wěn)定 的特性，可用于要求運(yùn)動速度穩(wěn)定、定位精度高的場合。此 外還有沖擊氣缸、數(shù)字氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸和鋼索氣缸等類型。
(4)按安裝方式分類：氣缸有法蘭式、底座式、擺動 式、嵌入式等安裝方式，可用于多種場景。
3.4適用領(lǐng)域
氣缸的主要適用領(lǐng)域有自動化生產(chǎn)線（如物料的輸送、 定位、夾緊、裝配等工序等）、人形機(jī)器人（如機(jī)器人手臂 的伸縮、旋轉(zhuǎn)和關(guān)節(jié)的彎曲等動作等）、汽車工業(yè)（零部件 的加工、裝配和檢測、汽車的噴涂等）、電子設(shè)備制造（如 電子產(chǎn)品組裝測試和包裝等）、包裝印刷行業(yè)（如包裝袋 （盒）的封口、物料的填充、貼標(biāo)、印刷等）等等。

4電動缸

4.1結(jié)構(gòu)原理
如圖4所示，電動缸是將伺服電機(jī)1、減速器2、聯(lián)軸器 3、絲杠螺母7、缸筒8及活塞桿（亦稱推桿）9等機(jī)械零部件 集成為一體，再配置所需的傳感器、驅(qū)動器及控制器等檢測控制元件，即可按圖5所示的原理流程圖進(jìn)行工作：當(dāng)控制 器發(fā)出動作指令時，伺服電機(jī)接受驅(qū)動器給定驅(qū)動電流而旋 轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器降低轉(zhuǎn)速并增加扭矩，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上 的螺母因受活塞桿的限制，不能隨絲杠一起轉(zhuǎn)動，只能沿絲 杠的軸向做直線運(yùn)動，從而驅(qū)動與之相連的活塞桿及負(fù)載進(jìn) 行直線往復(fù)運(yùn)動。缸的位置、速度和力傳感器由傳感器進(jìn)行 檢測并反饋給控制器實(shí)施閉環(huán)控制，確保精確的位置和運(yùn)動 控制。在JB/T 13811-2020行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對電動缸圖形符號進(jìn)行了規(guī)定，其示例如圖7所示。

4.2性能特點(diǎn)
(1)精度高。高精度的絲杠螺母及伺服電機(jī)的閉環(huán)控 制特性并用，再配以光柵尺、壓力傳感器等傳感器進(jìn)行檢測反饋，可方便地實(shí)現(xiàn)位置、速度和推力的精確控制：重復(fù)精 度及定位控制精度高達(dá)±0.01mm及以上；推力控制精度可 達(dá)0.5%FS。
(2)速度高。可以較高的運(yùn)行速度（可達(dá)數(shù)米秒甚至 更高）運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足某些快速運(yùn)動場景的應(yīng)用需求。
(3)負(fù)載大。能夠承受較大的軸向負(fù)載，輸出推力從 幾百N到數(shù)十kN不等，可在全行程范圍內(nèi)任意位置達(dá)到額定 推力。
(4)數(shù)智化?？筛鶕?jù)不同應(yīng)用需求，利用運(yùn)動控制、 數(shù)控及總線（網(wǎng)絡(luò)）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)位置、速度和推力的數(shù)智 化控制。因其控制、使用的方便性，可實(shí)現(xiàn)液壓缸和氣缸所 不能企及的精密運(yùn)動控制。
(5)節(jié)能環(huán)保。能量轉(zhuǎn)換效率高，僅在運(yùn)動時才消耗 能量，具有較好的節(jié)能效果。
(6)維護(hù)簡便。沒有液壓和氣動系統(tǒng)的油源和氣源裝置 及復(fù)雜管路，結(jié)構(gòu)相對簡單，安裝維護(hù)簡便，維護(hù)成本較低。
4.3主要類型
(1)按驅(qū)動電機(jī)分類：①直流電動缸，直流伺服電 機(jī)與高精度的滾珠絲杠配合，控制精度高；動態(tài)性能好，響 應(yīng)速度快；運(yùn)行平穩(wěn)，過載能力強(qiáng)；需要直流電源供電，通 常為 24V、48V 或更高電壓，電源系統(tǒng)相對簡單，但需要配 備相應(yīng)的直流電源設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線、機(jī)器 人、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域。②交流電動缸，交流伺服 電機(jī)功率密度高，故缸的輸出功率大；精度保持性好；交流 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，故缸的可靠性高，使用壽命長，維護(hù)成 本低；電源通常為三相或單相交流電，常見電壓有 220V、 380V 等；常用于數(shù)控機(jī)床、注塑機(jī)和電子制造領(lǐng)域等。③ 步進(jìn)電動缸，步進(jìn)電機(jī)通過接收脈沖信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動 角度和步數(shù)，缸的額位置和速度控制精確； 一般為開環(huán)控 制，但對一些對精度要求較高的場合，則可以使用外部傳感器或編碼器等位置反饋元件（安裝在電機(jī)上，輸出軸位置的 旋轉(zhuǎn)裝置）構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；低速性能好，在低速運(yùn)行時 能夠保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和力矩，不會出現(xiàn)抖動或失步現(xiàn)象；對電 源波動和電磁干擾具有一定的抗干擾能力，能夠在較為惡劣的工 業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作，常用于包裝印刷機(jī)械、自動化倉儲設(shè)備中。
(2)按驅(qū)動方式分類：①直驅(qū)式（直連式），其伺服 電機(jī)與絲桿直接連接，使伺服電機(jī)的編碼器直接反饋電缸移 動活塞的位移量，減少了中間環(huán)節(jié)的慣量和間隙，提高了響 應(yīng)速度和控制精度；且因伺服電機(jī)與電動缸整體相連，故安 裝容易、設(shè)定簡單、使用便捷；但輸出扭矩相對較小。②減 速式，它是在伺服電機(jī)和絲桿之間安裝了減速器，可增大輸 出扭矩，滿足大負(fù)載的需求，但會增加一定的慣量和傳動間 隙，影響其快速性和控制精度。
為了縮短電動缸的整體長度，以便將其用于安裝空間較 小的場合，還可將減速式電動缸設(shè)計(jì)成伺服電機(jī)1、減速器2 與絲桿螺母9和活塞桿10不同軸的折疊式結(jié)構(gòu)（見圖6），通 過強(qiáng)度高、間隙小、壽命長的同步帶4實(shí)現(xiàn)減速器和絲杠之間 的傳動，故整個電動缸具有較高響應(yīng)速度和控制精度，同時 伺服電機(jī)與電動缸配合靈活，易于安裝、設(shè)定及使用簡便。
(3)按結(jié)構(gòu)分類：①絲桿式，它結(jié)構(gòu)簡單、成本低， 但精度和負(fù)載能力相對較低。②滾珠絲杠式，它具有高精 度、高速度和較高的負(fù)載能力，是目前應(yīng)用最廣泛的類型。
③行星滾柱絲杠式，它具有更高負(fù)載能力和剛性，適用于重 載和高精度要求的場合。
4.4適用場合
電動缸主要適用領(lǐng)域有工業(yè)自動化及機(jī)器人（如精確的 定位、搬運(yùn)、裝配等操作等）、先進(jìn)制造（數(shù)控機(jī)床及加工 中心等）、航空航天航海（飛機(jī)襟翼及起落架、六自由度模 擬仿真平臺等）、電子制造（電子元件生產(chǎn)線上芯片搬運(yùn)、 精密焊接、封裝等）、醫(yī)療器械（如醫(yī)療床的升降、手術(shù)機(jī) 器人的操作臂等），檢測與測試（如拉力壓力試驗(yàn)機(jī)、扭力 試驗(yàn)機(jī)等）、物流包裝印刷（如輸送機(jī)、堆垛機(jī)、封口機(jī)、 印刷機(jī)等）、娛樂游藝機(jī)（如動感座椅、旋轉(zhuǎn)塔、機(jī)械人手 臂及關(guān)節(jié)等）等等。

5 應(yīng)用行業(yè)綜合分析比較與選型要點(diǎn)

5.1三種執(zhí)行器的應(yīng)用行業(yè)分析比較
液壓缸和氣缸早已且迄今仍然是眾多重型機(jī)械和自動化裝備執(zhí)行器使用的選項(xiàng)。而在重型移動機(jī)械行業(yè)首選的執(zhí) 行器依然是液壓缸，或者使用電動缸尚不可行，例如挖掘機(jī) 等。制造和生產(chǎn)機(jī)械甚至那些使用自動化解決方案的機(jī)械設(shè) 備更常用的執(zhí)行器選項(xiàng)則是氣缸。在重型移動機(jī)械行業(yè)，正 處于采用電動缸的早期階段，其機(jī)器上有一些工作機(jī)構(gòu)正在 使用電動缸。但在建筑裝備和其它移動機(jī)械中，電動缸正使 其成為一種可行的替代品，因?yàn)樗攘黧w動力的執(zhí)行器具有 許多優(yōu)勢，能夠更好地滿足某些應(yīng)用場合的自動化和效率需 求。而電動缸能夠克服液壓氣動中泄漏、噪聲等許多問題， 且具有結(jié)構(gòu)緊湊、布線簡單、無流體泄漏及污染環(huán)境問題的 優(yōu)勢。
此外，電動缸在技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到了能夠提供與液壓缸相 當(dāng)?shù)呢?fù)載能力的程度，故使其能夠在更多場合獲得應(yīng)用；先 進(jìn)的控制和診斷功能也可以集成到電動缸中，能夠更好地實(shí) 現(xiàn)與其他機(jī)器和系統(tǒng)的通信，并監(jiān)控性能以減少計(jì)劃外停機(jī) 時間等。
5.2 液壓缸、氣缸和電動缸的選型要點(diǎn)如表1所示。