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NORGREN諾冠氣缸的各項(xiàng)功能優(yōu)點(diǎn)

從傳統(tǒng)觀念來(lái)看,，英國(guó)諾冠NORGREN氣缸與電動(dòng)執(zhí)行器一直被認(rèn)為是屬于兩個(gè)*不同領(lǐng)域的自動(dòng)化產(chǎn)品,，但是近年來(lái)，隨著電氣化程度的不斷提高,，電動(dòng)執(zhí)行器卻慢慢浸入氣動(dòng)領(lǐng)域,，二者在應(yīng)用中既有競(jìng)爭(zhēng)又相互補(bǔ)充。在本期欄目中,，我們將從技術(shù)性能,、購(gòu)買和應(yīng)用成本,、能源效率、應(yīng)用場(chǎng)合及市場(chǎng)形勢(shì)等幾個(gè)方面來(lái)對(duì)比氣缸與電動(dòng)執(zhí)行器各自的優(yōu)勢(shì)
英國(guó)諾冠NORGREN氣缸的技術(shù)性能：
*,，相比電動(dòng)執(zhí)行器,，氣缸可在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡(jiǎn)單,，基本可實(shí)現(xiàn)免維護(hù),。氣缸擅長(zhǎng)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，尤其適于工業(yè)自動(dòng)化中zui多的傳送要求——工件的直線搬運(yùn),。而且,，僅僅調(diào)節(jié)安裝在氣缸兩側(cè)的單向節(jié)流閥就可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制，也成為氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)zui大的特征和優(yōu)勢(shì),。所以對(duì)于沒(méi)有多點(diǎn)定位要求的用戶,，絕大多數(shù)從使用便利性角度更傾向于使用氣缸。目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用電動(dòng)執(zhí)行器的應(yīng)用大部分都是要求高精度多點(diǎn)定位,，這是由于用氣缸難以實(shí)現(xiàn),，退而求其次的結(jié)果。
而電動(dòng)執(zhí)行器主要用于旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)工況,。其優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)時(shí)間快,，通過(guò)反饋系統(tǒng)對(duì)速度、位置及力矩進(jìn)行控制,。但當(dāng)需要完成直線運(yùn)動(dòng)時(shí),，需要通過(guò)齒形帶或絲桿等機(jī)械裝置進(jìn)行傳動(dòng)轉(zhuǎn)化，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜,，而且對(duì)工作環(huán)境及操作維護(hù)人員的專業(yè)知識(shí)都有較高要求,。
英國(guó)諾冠NORGREN氣缸的優(yōu)勢(shì)：
（1）對(duì)使用者的要求較低。氣缸的原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，易于安裝維護(hù),，對(duì)于使用者的要求不高。電缸則不同,，工程人員必需具備一定的電氣知識(shí),，否則極有可能因?yàn)檎`操作而使之損壞。
（2）輸出力大,。氣缸的輸出力與缸徑的平方成正比,；而電缸的輸出力與三個(gè)因素有關(guān)，缸徑,、電機(jī)的功率和絲桿的螺距,，缸徑及功率越大、螺距越小則輸出力越大。一個(gè)缸徑為50mm的氣缸,，理論上的輸出力可達(dá)2000N,，對(duì)于同樣缸徑的電缸，雖然不同公司的產(chǎn)品各有差異,，但是基本上都不超過(guò)1000N,。顯而易見(jiàn)，在輸出力方面氣缸更具優(yōu)勢(shì),。
（3）適應(yīng)性強(qiáng),。氣缸能夠在高溫和低溫環(huán)境中正常工作且具有防塵、防水能力,，可適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境,。而電缸由于具有大量電氣部件的緣故，對(duì)環(huán)境的要求較高,，適應(yīng)性較差,。
英國(guó)諾冠NORGREN氣缸的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：
（1）系統(tǒng)構(gòu)成非常簡(jiǎn)單。由于電機(jī)通常與缸體集成在一起,，再加上控制器與電纜,，電缸的整個(gè)系統(tǒng)就是由這三部分組成的,，簡(jiǎn)單而緊湊,。
（2）停止的位置數(shù)多且控制精度高。一般電缸有低端與之分,，低端產(chǎn)品的停止位置有3,、5、16,、64個(gè)等,，根據(jù)公司不同而有所變化；產(chǎn)品則更是可以達(dá)到幾百甚至上千個(gè)位置,。在精度方面,，電缸也具有的優(yōu)勢(shì)，定位精度可達(dá)?0.05mm,，所以常常應(yīng)用于電子,、半導(dǎo)體等精密的行業(yè)。
（3）柔韌性強(qiáng),。毫無(wú)疑問(wèn),，電缸的柔韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于氣缸。由于控制器可以與PLC直接進(jìn)行連接,，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,、定位和正反轉(zhuǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)控制，在一定程度上，電缸可以根據(jù)需要隨意進(jìn)行運(yùn)動(dòng),；由于氣體的可壓縮性和運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性,，即使換向閥與磁性開(kāi)關(guān)之間配合地再好也不能做到氣缸的準(zhǔn)確定位，柔韌性也就無(wú)從談起了,。
在技術(shù)性能方面,，英國(guó)諾冠NORGREN氣缸電動(dòng)和氣動(dòng)各有所長(zhǎng)，首先電動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)勢(shì)主要包括：
（1）結(jié)構(gòu)緊湊,，體積小巧,。比起氣動(dòng)執(zhí)行器，電動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,，一個(gè)基本的電子系統(tǒng)包括執(zhí)行器,，三位置DPDT開(kāi)關(guān)、熔斷器和一些電線,，易于裝配,。
（2）電動(dòng)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)源很靈活，一般車載電源即可滿足需要,，而氣動(dòng)執(zhí)行器需要?dú)庠春蛪嚎s驅(qū)動(dòng)裝置,。
（3）電動(dòng)執(zhí)行器沒(méi)有“漏氣"的危險(xiǎn)，可靠性高,，而空氣的可壓縮性使得氣動(dòng)執(zhí)行器的穩(wěn)定性稍差,。
（4）不需要對(duì)各種氣動(dòng)管線進(jìn)行安裝和維護(hù)。
（5）可以無(wú)需動(dòng)力即保持負(fù)載,，而氣動(dòng)執(zhí)行器需要持續(xù)不斷的壓力供給,。
（6）由于不需要額外的壓力裝置，電動(dòng)執(zhí)行器更加安靜,。通常,，如果氣動(dòng)執(zhí)行器在大負(fù)載的情況下，要加裝消音器,。
（7）電動(dòng)執(zhí)行器在控制的精度方面更勝*,。
（8）氣動(dòng)裝置中的通常需要把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為氣信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)化為電信號(hào),，傳遞速度較慢,，不宜用于元件級(jí)數(shù)過(guò)多的復(fù)雜回路。
而氣缸的優(yōu)勢(shì)則在于以下4個(gè)方面：
（1）負(fù)載大,，可以適應(yīng)高力矩輸出的應(yīng)用（不過(guò),，現(xiàn)在的電動(dòng)執(zhí)行器已經(jīng)逐漸達(dá)到目前的氣動(dòng)負(fù)載水平了）。
（2）動(dòng)作迅速,、反應(yīng)快,。
（3）工作環(huán)境適應(yīng)性好,，特別在易燃、易爆,、多塵埃,、強(qiáng)磁、輻射和振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境中,，比液壓,、電子、電氣控制更*,。
（4）行程受阻或閥桿被扎住時(shí)電機(jī)容易受損,。
購(gòu)買和應(yīng)用成本比較從總體上來(lái)講，電伺服驅(qū)動(dòng)比氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)要貴,，但也要因具體要求及場(chǎng)合而定,。有些小功率的直流電機(jī)構(gòu)成電動(dòng)滑臺(tái)(電伺服系統(tǒng))實(shí)際上比氣動(dòng)伺服系統(tǒng)要便宜。
NORGREN諾冠氣缸的各項(xiàng)功能優(yōu)點(diǎn)

英國(guó)諾冠NORGREN氣缸如：當(dāng)負(fù)載為1.5kg,、工作行程為80mm,、速度在2~170mm/s之間、精度為?0.1mm,、加速度2.5m/s2等工況條件時(shí),，F(xiàn)ESTO公司采用小型電動(dòng)滑臺(tái)、控制器,、馬達(dá)電纜,、控制電纜、編程電纜以及電源電纜等組成的電伺服系統(tǒng),，其價(jià)格就比氣動(dòng)伺服系統(tǒng)便宜25%,。同樣,，對(duì)于帶活塞桿電缸也是如此,。需要說(shuō)明的是如果采用交流電機(jī)的話，所組成的電伺服系統(tǒng)的價(jià)格要比氣動(dòng)伺服系統(tǒng)高出40%左右,。
從購(gòu)買和應(yīng)用成本來(lái)看,，目前氣缸還是具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)的。對(duì)于氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單,，每個(gè)英國(guó)諾冠NORGREN氣缸只需配置一個(gè)電磁閥就可完成氣路的切換，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,，氣缸發(fā)生故障的概率也比較小,，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，成本也低,。
而對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)說(shuō),，雖然電能的獲得比較簡(jiǎn)單,，能量成本較低，但購(gòu)買及應(yīng)用成本較高,，不僅需要配置電機(jī),，還需要一套機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)元件。同時(shí)使用電動(dòng)執(zhí)行器需要很多保護(hù)措施,，錯(cuò)誤的電路連接,、電壓的波動(dòng)及負(fù)載的超載都會(huì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)器造成損壞，因此需要在電路及機(jī)械上加裝保護(hù)系統(tǒng),，增加了很多額外的費(fèi)用支出,。另外，由于電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)單元的參數(shù)化設(shè)置較多,，且集成度高,，所以其一旦發(fā)生故障，就要更換整個(gè)元件,。而且當(dāng)系統(tǒng)需要的驅(qū)動(dòng)力增加時(shí),，也要成套更換元件才能實(shí)現(xiàn)。因此綜合比較可以看出氣缸在購(gòu)買及維護(hù)成本上有較大優(yōu)勢(shì),。
能源效率比較
我們研究的結(jié)果表明,，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期較短（小于1min）的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行能耗通常低于氣缸的運(yùn)行能耗,，即更節(jié)能,。而在往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期較長(zhǎng)（大于1min）時(shí)，氣缸竟然變得更節(jié)能,。這首先是由于終端停止時(shí)電動(dòng)執(zhí)行器的控制器通常需要消耗約10W的電力,，而氣缸僅有電磁閥耗電和氣體泄露，一般低于1W,，即終端停止時(shí)間越長(zhǎng),，對(duì)氣缸越有利；其次電機(jī)在連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下的額定效率可達(dá)90%以上,，但在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（絲杠轉(zhuǎn)換）中的臺(tái)形加減速旋轉(zhuǎn)條件下的平均效率卻不到50%,。在豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，夾持工件的保持動(dòng)作要求不斷供給電流給電動(dòng)執(zhí)行器以克服重力,，而氣缸只需關(guān)閉電磁閥即可,，耗電極少。因此在豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)執(zhí)行器相比氣缸的能耗優(yōu)勢(shì)不是很大,。
由上可見(jiàn),，電機(jī)本身效率很高，但在往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)中考慮其效率下降及控制器的電力消耗,，電動(dòng)執(zhí)行器未必一定比氣缸節(jié)能,，具體比較取決于實(shí)際的工作條件,，即安裝方向、往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期和負(fù)載率等,。
應(yīng)用場(chǎng)合比較
氣動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)系統(tǒng)并不互相排斥,。相反，這只是一個(gè)要求不同的問(wèn)題,。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn),，當(dāng)面臨諸如灰塵、油脂,、水或清潔劑等惡劣的環(huán)境條件時(shí),，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器就顯得較適應(yīng)惡劣環(huán)境，而且非常堅(jiān)固耐用,。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器容易安裝,，能提供典型的抓取功能，價(jià)格便宜且操作方便,。
在作用力快速增大且需要定位的情況下,，帶伺服馬達(dá)的電驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于要求,、同步運(yùn)轉(zhuǎn),、可調(diào)節(jié)和規(guī)定的定位編程的應(yīng)用場(chǎng)合，電驅(qū)動(dòng)器是的選擇,，帶閉環(huán)定位控制器的伺服或步進(jìn)馬達(dá)所組成的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠補(bǔ)充氣動(dòng)系統(tǒng)的不足之處,。
從技術(shù)和使用成本的角度來(lái)說(shuō)，氣缸占有較明顯的優(yōu)勢(shì),，但在實(shí)際使用中究竟應(yīng)該選用哪種技術(shù)做驅(qū)動(dòng)控制,，還是應(yīng)從多方因素進(jìn)行綜合考量。現(xiàn)代控制中各種系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,、越來(lái)越精細(xì),，并不是某種驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)就可滿足系統(tǒng)的多種控制功能。氣缸可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)快速直線循環(huán)運(yùn)動(dòng),，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，維護(hù)便捷,，同時(shí)可以在各種惡劣工作環(huán)境中使用,，如有防爆要求、多粉塵或潮濕的工況,。
電動(dòng)執(zhí)行器主要用于需要精密控制的應(yīng)用場(chǎng)合,，現(xiàn)在自動(dòng)化設(shè)備中柔性化要求在不斷提升，同一設(shè)備往往要求適應(yīng)不同尺寸工件的加工需要,，執(zhí)行器需要進(jìn)行多點(diǎn)定位控制,，而且要對(duì)執(zhí)行器的運(yùn)行速度及力矩進(jìn)行控制或同步跟蹤,，這些利用傳統(tǒng)氣動(dòng)控制是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而電動(dòng)執(zhí)行器就能非常輕松的實(shí)現(xiàn)此類控制,。由此可見(jiàn)氣缸比較適用于簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制,，而電執(zhí)行器則多用于精密運(yùn)動(dòng)控制的場(chǎng)合。
市場(chǎng)形勢(shì)比較
氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自70年代以來(lái)就在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了迅速普及,。今天,，氣缸已成為國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP（PointToPoint）搬運(yùn)的主流執(zhí)行器，以氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為核心的氣動(dòng)元器件市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到110億美元的規(guī)模,。
九十年代開(kāi)始,，電機(jī)及其微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，使電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用成為可能,。而且,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起也直接促進(jìn)了能實(shí)現(xiàn)高精度多點(diǎn)定位的電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)大。
九十年代末期,，日本等主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,，甚至一度出現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行器即將取代氣缸，氣缸將退出歷史舞臺(tái)的論調(diào),。因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為電動(dòng)執(zhí)行器中電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率高,，而氣缸能量轉(zhuǎn)換效率較低，低效的產(chǎn)品必將被淘汰出局,。然而,，十年過(guò)去了，電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)并未得到普及,，其市場(chǎng)規(guī)模與氣動(dòng)相比還有很大差距,。而且，無(wú)論是在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,，還是在中國(guó)等新興工業(yè)國(guó)家,，氣缸的銷量不僅沒(méi)有減少，而且還在穩(wěn)步地增長(zhǎng),。在中國(guó),，近幾年氣缸銷量的年增長(zhǎng)速度一直維持在20%以上。
如需要科學(xué),、客觀地評(píng)價(jià)兩者,，必須采用全生命周期評(píng)價(jià)（LifeCycleAssessment）手法，考慮比較制造階段,、使用階段,、廢棄階段三個(gè)階段的綜合指標(biāo)。具體指標(biāo)有成本,、能耗,、對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)（主要是排放物等）,。譬如成本，電動(dòng)執(zhí)行器在運(yùn)行能耗（使用階段）成本上有優(yōu)勢(shì),，但維護(hù)成本（使用階段）和購(gòu)置成本（制造階段）都比氣缸要高得多,，在該指標(biāo)上的比較應(yīng)建立在所有成本的總和上。
在總成本上,，我們的研究結(jié)果表明,，氣缸在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合具有一定優(yōu)勢(shì)。
綜合以上分析,，我們應(yīng)該看出,，氣缸與電動(dòng)執(zhí)行器各有特點(diǎn)，不可單純地用效率的高低來(lái)評(píng)價(jià)其優(yōu)劣,。隨著電氣技術(shù)的發(fā)展,，電動(dòng)執(zhí)行器的成本還會(huì)進(jìn)一步下降，預(yù)期其應(yīng)用領(lǐng)域還會(huì)進(jìn)一步拓廣,，但要完自吸無(wú)堵塞排污泵全取代氣缸是不現(xiàn)實(shí)的,。
從市場(chǎng)形式來(lái)看，前面己經(jīng)提到若電缸從一開(kāi)始就參照氣缸的外形及安裝連接尺寸生產(chǎn),，是一個(gè)很好的開(kāi)端,。而對(duì)于目前還未有ISO標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)桿氣缸和氣動(dòng)滑臺(tái)，則同樣采用相對(duì)應(yīng)的外形及安裝連接尺寸,，這個(gè)便利的措施能夠杜絕氣驅(qū)動(dòng)與電驅(qū)動(dòng)在安裝,、添置或更換方面無(wú)謂的競(jìng)爭(zhēng)。FESTO公司的電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品包含了300多種可自由組合的抓取模塊和多軸系統(tǒng),。在Festo,，電驅(qū)動(dòng)器不是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，而是對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器性能的補(bǔ)充,。電驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是和靈活,。在作用力快速消失和需要定位的應(yīng)用場(chǎng)合，電驅(qū)動(dòng)器是無(wú)堵塞自吸排污泵理想的決方案,。
因此今后氣缸與電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展應(yīng)該是處于非常良性狀況和互補(bǔ)的,，也一定會(huì)按照這兩門技術(shù)自身的科學(xué)自然發(fā)展規(guī)律發(fā)展。
英國(guó)諾冠NORGREN氣缸是由缸筒,、端蓋,、活塞、活塞桿和密封件等組成,。
1）缸筒
缸筒的內(nèi)徑大小代表了氣缸輸出力的大小,。活塞要在缸筒內(nèi)做平穩(wěn)的往復(fù)滑動(dòng),，缸筒內(nèi)表面的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra0.8μm,。
SMC、 CM2氣缸活塞上采用組合密封圈實(shí)現(xiàn)雙向密封,，活塞與活塞桿用壓鉚鏈接,，不用螺母。
2）端蓋
端蓋上設(shè)有進(jìn)排氣通口,，有的還在端蓋內(nèi)設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu),。桿側(cè)端蓋上設(shè)有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內(nèi),。桿側(cè)端蓋上設(shè)有導(dǎo)向套,，以提高氣缸的導(dǎo)向精度，承受活塞桿上少量的橫向負(fù)載,，減小活塞桿伸出時(shí)的下彎量,，延長(zhǎng)氣缸使用壽命。導(dǎo)向套通常使用燒結(jié)含油合金,、前傾銅鑄件,。端蓋過(guò)去常用可鍛鑄鐵，為減輕重量并防銹,，常使用鋁合金壓鑄,，微型缸有使用黃銅材料的。
3）活塞
活塞是氣缸中的受壓力零件,。為防止活塞左右兩腔相互竄氣,，設(shè)有活塞密封圈?；钊系哪湍キh(huán)可提高氣缸的導(dǎo)向性,，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力,。耐磨環(huán)長(zhǎng)使用聚氨酯,、聚四氟乙烯、夾布合成樹(shù)脂等材料,?；钊膶挾扔擅芊馊Τ叽绾捅匾幕瑒?dòng)部分長(zhǎng)度來(lái)決定?；瑒?dòng)部分太短,，易引起早期磨損和卡死?；钊牟馁|(zhì)常用鋁合金和鑄鐵,，小型缸的活塞有黃銅制成的。
4）活塞桿
活塞桿是氣缸中zui重要的受力零件。通常使用高碳鋼,、表面經(jīng)鍍硬鉻處理,、或使用不銹鋼、以防腐蝕,，并提高密封圈的耐磨性,。
5）密封圈
回轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)處的部件密封稱為動(dòng)密封，靜止件部分的密封稱為靜密封,。
缸筒與端蓋的連接方法主要有以下幾種：
整體型,、鉚接型、螺紋聯(lián)接型,、法蘭型,、拉桿型。
6）氣缸工作時(shí)要靠壓縮空氣中的油霧對(duì)活塞進(jìn)行潤(rùn)滑,。也有小部分免潤(rùn)滑氣缸,。