液壓缸、氣缸、電動缸 的分析比較與選型

文:河北科技大學(xué) 張利平2025年第三期

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)。

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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。


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(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。

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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。

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