再談氣動(dòng)行業(yè)內(nèi)電缸的發(fā)展

作者：費(fèi)斯托（中國）有限公司總經(jīng)理

                                      -------王雄耀先生

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

氣驅(qū)動(dòng)與電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)

電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)早在1860年開始使用，而100年后氣驅(qū)動(dòng)才開始其應(yīng)用。有趣的是，直至今天，我們?nèi)栽趯?duì)這兩種驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行比較。顯然，它們確實(shí)各有優(yōu)劣勢(shì)。

比較這兩種技術(shù)，主要是比較其技術(shù)特性與成本因素。在驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)中，有開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩種型式。常見的純粹氣驅(qū)動(dòng)主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，且多數(shù)都設(shè)終點(diǎn)為控制點(diǎn)位置。用于閉環(huán)控制的氣動(dòng)控制稱為氣動(dòng)伺服控制，其控制精度不高（最高精度為0.2mm）。而電驅(qū)動(dòng)同樣可分有開環(huán)控制與閉環(huán)控制，電驅(qū)動(dòng)中的開環(huán)控制可設(shè)多個(gè)位置的控制點(diǎn)，顯然比氣動(dòng)開環(huán)控制性能優(yōu)越得多；而用于閉環(huán)控制的電驅(qū)動(dòng)，其最高精度為0.02mm，在自動(dòng)化閉環(huán)控制技術(shù)中，應(yīng)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(qū)動(dòng)的力過載并不損壞驅(qū)動(dòng)器，而電驅(qū)動(dòng)軸受額定力限制，過載時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱能，燒毀電機(jī)，為了防止過熱，需增加散熱裝置（如水冷、風(fēng)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(qū)動(dòng)與電驅(qū)動(dòng)的成本分析（驅(qū)動(dòng)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(dòng)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中成本最低，但伺服氣動(dòng)應(yīng)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(dòng)，但在大多數(shù)有精度要求的控制中，還是采用電驅(qū)動(dòng)的居多。需要說明的是，直至今天，開環(huán)控制的氣驅(qū)動(dòng)憑借價(jià)格優(yōu)勢(shì)，仍是應(yīng)用范圍最廣的控制方式。事實(shí)上，每種控制方式都有其合適的應(yīng)用領(lǐng)城，只是氣動(dòng)廠商為了提供全新的自動(dòng)化解決方案，將兩種技術(shù)結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，使兩種控制技術(shù)相得益彰。

氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)還是成本與創(chuàng)新

眾周所知，氣驅(qū)動(dòng)操作方便、成本低廉，而且氣驅(qū)動(dòng)器非常堅(jiān)固耐用。盡管壓縮空氣成本不菲，但比起電驅(qū)動(dòng)的成本還是低了許多。未來氣驅(qū)動(dòng)的發(fā)展仍要保持這方面的優(yōu)勢(shì)，在保證性能的基礎(chǔ)上降低成本。例如，德國FESTO公司在相當(dāng)成熟的ISO 15552氣缸標(biāo)準(zhǔn)上，通過優(yōu)化缸筒外形、減少型材的壁厚材料、改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)和選用新材料的導(dǎo)向襯套等一系列措施，使氣缸成本再降20%，表明氣驅(qū)動(dòng)正朝著更低的成本方向發(fā)展。與此同時(shí)，還要細(xì)分市場(chǎng)，根據(jù)不同應(yīng)用需求，采取量身定做的方式，使氣缸成本處于最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。氣驅(qū)動(dòng)的另一方向是開發(fā)模塊化的帶導(dǎo)向裝置的產(chǎn)品，繼續(xù)完善抓取和放置的模塊化系統(tǒng)。

圖1 驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)

電驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是精確和靈活。在作用力快速增大且需要精確定位的應(yīng)用中，電驅(qū)動(dòng)器是理想解決方案。不僅如此，在某些場(chǎng)合，如車間內(nèi)沒有氣源、僅需少數(shù)幾根軸的運(yùn)動(dòng)且運(yùn)行頻率又低的狀況下，采用電驅(qū)動(dòng)既方便又節(jié)能。同時(shí)，電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)器的價(jià)格不斷下降，這些無疑都證明了電驅(qū)動(dòng)在自動(dòng)化領(lǐng)域中有著極強(qiáng)的生命力。誠然，電驅(qū)動(dòng)需滿足自動(dòng)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(dòng)化基本需求方面，其力求簡單、緊湊和輕便的設(shè)計(jì)，快速安裝，運(yùn)行精確，較低的維護(hù)費(fèi)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(dòng)化用戶的一致要求。電驅(qū)動(dòng)需要滿足很多特殊要求。首先是采用模塊化的電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，用戶在流水線上添置或改變某些功能驅(qū)動(dòng)模塊單元，便可達(dá)到不同產(chǎn)品或尺寸上的需求，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，快速響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)小批量產(chǎn)品的需求。

目前電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用非常廣泛，ABS氣囊的生產(chǎn)、電子元件和精密機(jī)械的裝配、手機(jī)的液晶顯示裝配線（連接、擠壓、傳送、定位）、IC領(lǐng)域的測(cè)試設(shè)備（HP 8300芯片測(cè)試設(shè)備）、高科技電子元件的自動(dòng)存儲(chǔ)送料（如電腦硬盤的儲(chǔ)存及運(yùn)送）、轎車燈座的生產(chǎn)（送料、裝配、最后檢驗(yàn)）、有精度要求的抓取與裝配（定位、電子元件裝配、輕型裝配、測(cè)試和質(zhì)量控制、裝入貨盤）、包裝領(lǐng)域（藥片的氣泡膜包裝）及材料抓取和存儲(chǔ)（板材的運(yùn)送、自動(dòng)堆疊設(shè)備）中均有電驅(qū)動(dòng)的身影。

氣缸與電缸的模塊化

根據(jù)對(duì)德國FESTO公司氣缸與電缸模塊化產(chǎn)品的研究，它們的產(chǎn)品己經(jīng)走在行業(yè)前面。這里所指的是氣驅(qū)動(dòng)與電驅(qū)動(dòng)己形成模塊化框架結(jié)構(gòu)（FESTO稱模塊化機(jī)械手系統(tǒng)）。模塊化產(chǎn)品的前提就是聯(lián)接界面標(biāo)準(zhǔn)化。FESTO公司的氣缸與電缸模塊化，從設(shè)計(jì)、制造、包括選用缸筒型材和轉(zhuǎn)接板等，一應(yīng)都作了全方位考慮。例如，在標(biāo)準(zhǔn)化的采納上，有桿氣缸己有ISO15552國際標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)，與公司原產(chǎn)有桿氣缸保持一致。對(duì)于無桿氣缸，由于還未形成ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計(jì)生產(chǎn)。

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(zhuǎn)接板，不僅堅(jiān)持了原氣驅(qū)動(dòng)的模塊化搭建系統(tǒng)，還擴(kuò)展了氣驅(qū)動(dòng)或電驅(qū)動(dòng)之間的互換、增添或搭建，率先奠定了氣驅(qū)動(dòng)與電驅(qū)動(dòng)模塊化的框架結(jié)構(gòu)。顯而易見，選擇氣驅(qū)動(dòng)或電驅(qū)動(dòng)的依據(jù)是：負(fù)載、加速度、定位的位置數(shù)和精度等應(yīng)用需求，選擇哪一類系統(tǒng)，將根據(jù)行程、空間位置和負(fù)載等因素來決定。另外，還要強(qiáng)調(diào)的是，如今氣動(dòng)廠商提供純電動(dòng)產(chǎn)品及系統(tǒng)已不足為奇。

氣驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)混搭往往是最佳方案

由氣動(dòng)行業(yè)的廠商開發(fā)電驅(qū)動(dòng)對(duì)現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)意義非凡。我們知道，多數(shù)第一步的自動(dòng)化設(shè)計(jì)是搭建驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，搭建什么樣的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，是氣缸？油缸？還是電缸？是齒形帶式電缸（帶導(dǎo)軌或不帶導(dǎo)軌）？還是絲桿形電缸（帶導(dǎo)軌或不帶導(dǎo)軌）？用步進(jìn)電機(jī)控制？還是用伺服電機(jī)控制？這將根據(jù)工況條件和需要, 如溫度、環(huán)境狀況、負(fù)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(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，氣動(dòng)技術(shù)并不是總能符合各類驅(qū)動(dòng)要求。而氣動(dòng)廠商提供氣驅(qū)動(dòng)或電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，表明這兩種驅(qū)動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中不僅不存在推斥，而且已經(jīng)形成非常有效的互補(bǔ)。有利于自動(dòng)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(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)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(dòng)廠商要開發(fā)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，應(yīng)使電驅(qū)動(dòng)有一個(gè)與氣驅(qū)動(dòng)互換聯(lián)接界面的模塊化框架結(jié)構(gòu)，為機(jī)電一體化開創(chuàng)一個(gè)全新時(shí)代。