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摘 要 : 本文在對液壓缸、氣缸和電動缸的發(fā)展、應用及現(xiàn)狀進行簡介基礎上，分述了這三種直線往復執(zhí)行器的結構原 理、性能特點、主要類型和適用場合；對它們進行了應用行業(yè)分析比較，并從負載能力、運動速度及控制精度、 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，可供自動化裝備研發(fā)設計及管理人員參考。

文/河北科技大學 張利平

1 液壓缸、氣缸和電動缸的發(fā)展應用及現(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動執(zhí)行 器，是當代自動化裝備中除了機械、磁力和熱力以外應用最 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），而正式進入工程應用領域是 1795 年英國制造出世界 上第一臺水壓機，液壓缸已成為當今諸多機械裝備尤其是重 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 家霍因斯受到大炮原理的啟發(fā)進行的相關探索，汽車領域在 早期也使用過單缸發(fā)動機，自1970年代以來氣缸驅動系統(tǒng)在 工業(yè)領域得到了迅速普及，氣缸已成為當今制造業(yè)甚至使用 自動化解決方案的機械裝備最常用的直線執(zhí)行器。但液壓缸 和氣缸的發(fā)展及應用面臨著復雜性、高能耗、強噪音、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，最初應用于自動 化設備和機器人中，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) 領域，2021年作為國內核心標準的JB/T 13811-2020《電動 缸》開始實施。近年來，電動缸的關注度、應用和市場一直 在增長并取得了諸多技術進步，功能和用例隨之增強，例如 在重型移動裝備行業(yè)已開始少量采用電動缸，而在建筑設備 和其它移動機械中，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)自動化實施的增加、機器 人技術、移動機械的進步與設備小型化的推動。最新研究報 告預計，電動缸市場將在未來幾年出現(xiàn)顯著增長，到2032 年，其市場的復合年增長率 （CAGR）將達到6%以上，建筑可能是電動缸下一個增長機會最高行業(yè)。

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

2 液壓缸

2.1結構原理
液壓缸主要由缸筒、活塞、活塞桿、缸蓋、密封等部分 組成，其典型結構的標準圖形符號如圖1所示。根據(jù)帕斯卡 原理，當通過油口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)生運動的推力，使活塞 桿伸出或縮回，實現(xiàn)直線往復運動。通過液壓閥調控液壓油 的流向、流量和壓力，可以精確控制液壓缸的運動方向、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 進回油，實現(xiàn)活塞桿的雙向往復運動；而在單作用缸中，液 壓油僅從一端進入而推動活塞桿運動，活塞桿的回程則依靠 如彈簧力或重力等外力實現(xiàn)。

圖 2 全球出力最大的液壓油缸

2.2性能特點
(1)易于實現(xiàn)直線運動。只要給液壓缸輸入一定壓力的 液壓油即可驅動負載實現(xiàn)直線運動而無需其他轉換機構。還可 與杠桿、齒輪齒條、四連桿等機構配合，實現(xiàn)多種運動。
(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，適應不同的工作環(huán)境和負載要求。（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385t，額定推力達 5000t）。
(3)調節(jié)控制方便。通過液壓閥易于實現(xiàn)液壓缸運動方 向、速度和輸出力的控制調節(jié)，滿足不同主機及其工況需求。
(4)運動平穩(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)拖動負載運動，并實現(xiàn)精確停位。 通過合理選取密封材料和結構，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。
(5)結構簡單，安裝維護簡便。
(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，其雙向運動通 過缸兩腔交替進、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動，反向運動則靠彈簧力、自重或外部載荷等來實現(xiàn)。
(2)按結構特征分類：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，當輸入相同流量和壓力時，往返運 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上，由活塞桿拖動負載 運動；后者則是將活塞桿固定在主機上，由缸筒拖動負載運 動?；钊礁资菓米顬榱看竺鎻V的液壓缸，但當缸的行程 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。柱塞與缸筒內壁不接觸，依靠缸筒 端部的導向套對柱塞進行導向。故柱塞缸缸筒內表面無需精 加工，結構簡單、制造方便，適用于行程較長的場合，且同 結構柱塞缸若成對反向使用，二缸推挽運動可實現(xiàn)工作機構 （如大型平面磨床的工作臺）的進退作業(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，可實現(xiàn)較長行程，縮回時長度較短，結構緊 湊，常用于車輛和工程機械（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運 動場合，在各類機械設備中得到廣泛應用。②伺服缸，它是 一種將伺服控制與液壓結合的執(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、注塑機以 及風電設備等高速高精度要求的領域中都有應用。③磁感應 缸，它是一種通過磁電轉換實現(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（或內部）設置磁性傳感器（如磁性開關），通過磁場 變化感知活塞位置，從而實現(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。其核心價值在 于將傳統(tǒng)液壓缸升級為“可感知”執(zhí)行器，為設備數(shù)智化提 供基礎數(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適用領域
液壓缸的主要適用領域有先進制造（如數(shù)控機床及加 工心等）、橡膠塑料機械（如硫化機、注塑機等）、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、連鑄機、高爐等）、工程機械（如挖掘機、裝載機 等）、航空航天航海（飛機起落架、艦船舵機等）、檢測與 測試（如拉力壓力試驗機等）、能源領域（如海上鉆井平 臺、LNG碼頭卸載臂等）、娛樂游藝機（如海盜船、旋轉塔 和高空飛翔等設備等）等等。

3 氣缸

3.1功能原理
除了工作介質不同外，氣缸在結構組成、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
(1)工作介質是經(jīng)濟清潔的空氣，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 集中供氣和遠距離輸送。
(2)氣缸的動作速度快，響應靈敏，能實現(xiàn)快速的啟 停和換向。
(3)結構簡單，制造容易，成本低廉，維護方便，使 用壽命長。
(4)可根據(jù)不同工作要求，方便進行組合集成，實現(xiàn) 復雜的運動控制（如半導體設備）。
(5)安全性高，在危險環(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，難以實現(xiàn) 精準的速度控制。
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， 其結構、原理及圖形符號與同名液壓缸類同。
(2)按結構特征分類：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。活塞在缸筒內做往復 運動，通過活塞桿輸出力和位移，可實現(xiàn)直線往復運動，常 用于各種機械的驅動、推壓、拉伸等動作。②柱塞式缸，其 柱塞與缸筒內壁不接觸，依靠缸筒端部的導向套對柱塞進行 導向。因缸筒內表面不需要精加工，結構簡單，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動，靠彈簧力復位。具有結構緊湊、重 量輕、動作靈敏的優(yōu)點，但輸出力較小，行程較短，常用于一些要求響應速度快、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 運動場合，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，實現(xiàn)平穩(wěn)的運動，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適用領域
氣缸的主要適用領域有自動化生產(chǎn)線（如物料的輸送、 定位、夾緊、裝配等工序等）、人形機器人（如機器人手臂 的伸縮、旋轉和關節(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、印刷等）等等。

4電動缸

4.1結構原理
如圖4所示，電動缸是將伺服電機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等機械零部件 集成為一體，再配置所需的傳感器、驅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行工作：當控制 器發(fā)出動作指令時，伺服電機接受驅動器給定驅動電流而旋 轉，經(jīng)減速器降低轉速并增加扭矩，帶動絲杠轉動，絲杠上 的螺母因受活塞桿的限制，不能隨絲杠一起轉動，只能沿絲 杠的軸向做直線運動，從而驅動與之相連的活塞桿及負載進 行直線往復運動。缸的位置、速度和力傳感器由傳感器進行 檢測并反饋給控制器實施閉環(huán)控制，確保精確的位置和運動 控制。在JB/T 13811-2020行業(yè)標準中對電動缸圖形符號進行了規(guī)定，其示例如圖7所示。

4.2性能特點
(1)精度高。高精度的絲杠螺母及伺服電機的閉環(huán)控 制特性并用，再配以光柵尺、壓力傳感器等傳感器進行檢測反饋，可方便地實現(xiàn)位置、速度和推力的精確控制：重復精 度及定位控制精度高達±0.01mm及以上；推力控制精度可 達0.5%FS。
(2)速度高?？梢暂^高的運行速度（可達數(shù)米秒甚至 更高）運轉，滿足某些快速運動場景的應用需求。
(3)負載大。能夠承受較大的軸向負載，輸出推力從 幾百N到數(shù)十kN不等，可在全行程范圍內任意位置達到額定 推力。
(4)數(shù)智化?？筛鶕?jù)不同應用需求，利用運動控制、 數(shù)控及總線（網(wǎng)絡）等技術，實現(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，可實現(xiàn)液壓缸和氣缸所 不能企及的精密運動控制。
(5)節(jié)能環(huán)保。能量轉換效率高，僅在運動時才消耗 能量，具有較好的節(jié)能效果。
(6)維護簡便。沒有液壓和氣動系統(tǒng)的油源和氣源裝置 及復雜管路，結構相對簡單，安裝維護簡便，維護成本較低。
4.3主要類型
(1)按驅動電機分類：①直流電動缸，直流伺服電 機與高精度的滾珠絲杠配合，控制精度高；動態(tài)性能好，響 應速度快；運行平穩(wěn)，過載能力強；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 備相應的直流電源設備，被廣泛應用于自動化生產(chǎn)線、機器 人、醫(yī)療器械、航空航天等領域。②交流電動缸，交流伺服 電機功率密度高，故缸的輸出功率大；精度保持性好；交流 伺服電機結構簡單，故缸的可靠性高，使用壽命長，維護成 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)控機床、注塑機和電子制造領域等。③ 步進電動缸，步進電機通過接收脈沖信號來控制電機的轉動 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（安裝在電機上，輸出軸位置的 旋轉裝置）構成閉環(huán)控制系統(tǒng)；低速性能好，在低速運行時 能夠保持穩(wěn)定的轉速和力矩，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，常用于包裝印刷機械、自動化倉儲設備中。
(2)按驅動方式分類：①直驅式（直連式），其伺服 電機與絲桿直接連接，使伺服電機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 應速度和控制精度；且因伺服電機與電動缸整體相連，故安 裝容易、設定簡單、使用便捷；但輸出扭矩相對較小。②減 速式，它是在伺服電機和絲桿之間安裝了減速器，可增大輸 出扭矩，滿足大負載的需求，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計成伺服電機1、減速器2 與絲桿螺母9和活塞桿10不同軸的折疊式結構（見圖6），通 過強度高、間隙小、壽命長的同步帶4實現(xiàn)減速器和絲杠之間 的傳動，故整個電動缸具有較高響應速度和控制精度，同時 伺服電機與電動缸配合靈活，易于安裝、設定及使用簡便。
(3)按結構分類：①絲桿式，它結構簡單、成本低， 但精度和負載能力相對較低。②滾珠絲杠式，它具有高精 度、高速度和較高的負載能力，是目前應用最廣泛的類型。
③行星滾柱絲杠式，它具有更高負載能力和剛性，適用于重 載和高精度要求的場合。
4.4適用場合
電動缸主要適用領域有工業(yè)自動化及機器人（如精確的 定位、搬運、裝配等操作等）、先進制造（數(shù)控機床及加工 中心等）、航空航天航海（飛機襟翼及起落架、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、 精密焊接、封裝等）、醫(yī)療器械（如醫(yī)療床的升降、手術機 器人的操作臂等），檢測與測試（如拉力壓力試驗機、扭力 試驗機等）、物流包裝印刷（如輸送機、堆垛機、封口機、 印刷機等）、娛樂游藝機（如動感座椅、旋轉塔、機械人手 臂及關節(jié)等）等等。

5 應用行業(yè)綜合分析比較與選型要點

5.1三種執(zhí)行器的應用行業(yè)分析比較
液壓缸和氣缸早已且迄今仍然是眾多重型機械和自動化裝備執(zhí)行器使用的選項。而在重型移動機械行業(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 等。制造和生產(chǎn)機械甚至那些使用自動化解決方案的機械設 備更常用的執(zhí)行器選項則是氣缸。在重型移動機械行業(yè)，正 處于采用電動缸的早期階段，其機器上有一些工作機構正在 使用電動缸。但在建筑裝備和其它移動機械中，電動缸正使 其成為一種可行的替代品，因為它比流體動力的執(zhí)行器具有 許多優(yōu)勢，能夠更好地滿足某些應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， 且具有結構緊湊、布線簡單、無流體泄漏及污染環(huán)境問題的 優(yōu)勢。
此外，電動缸在技術上已經(jīng)達到了能夠提供與液壓缸相 當?shù)呢撦d能力的程度，故使其能夠在更多場合獲得應用；先 進的控制和診斷功能也可以集成到電動缸中，能夠更好地實 現(xiàn)與其他機器和系統(tǒng)的通信，并監(jiān)控性能以減少計劃外停機 時間等。
5.2 液壓缸、氣缸和電動缸的選型要點如表1所示。