缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代以來(lái)就在工業(yè)化領(lǐng)域得到了迅速普及。氣缸適用于作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，尤其適用于工件直線搬運(yùn)的場(chǎng)合?，F(xiàn)在，氣缸已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP（Point to Point）搬運(yùn)的主流執(zhí)行器。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，電機(jī)和微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，使電動(dòng)執(zhí)行器的應(yīng)用迅速擴(kuò)大。然而，到現(xiàn)在來(lái)看，電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)并未得到普及，而近幾年，在中國(guó)氣缸銷量的年增長(zhǎng)速度一直維持20%以上。
    電動(dòng)執(zhí)行器主要用于旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)工況，用于直線工況的電動(dòng)執(zhí)行器逐漸增多。電動(dòng)執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)高精度多點(diǎn)定位，氣動(dòng)執(zhí)行器很難做到。
    在氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器的選擇上，特別是在工業(yè)自動(dòng)化需求zui多的PTP輸送場(chǎng)合，一直沒(méi)有充足的數(shù)據(jù)來(lái)論述兩者選擇標(biāo)準(zhǔn)。本文從運(yùn)行能耗的角度探討兩種執(zhí)行器的能量消耗問(wèn)題。
    1 兩種執(zhí)行器能量消耗
    1.1 氣動(dòng)執(zhí)行器的能量消耗
    氣動(dòng)執(zhí)行器的能量轉(zhuǎn)換和空氣狀態(tài)變化如圖1。氣動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行消耗的是壓縮空氣。壓縮空氣輸送過(guò)程中，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥、管道彎頭等阻性元件后，會(huì)有一定的壓力損失。另外由于工廠普遍存在接頭、氣缸或電磁閥處的空氣泄露。盡管安裝時(shí)的泄漏量標(biāo)準(zhǔn)低于5%，但很多工廠的泄漏量高達(dá)10%~40%。泄露也將導(dǎo)致一定的壓力損失。

A 能量轉(zhuǎn)換          b 空氣狀態(tài)變化
圖1 氣動(dòng)執(zhí)行器能量轉(zhuǎn)換及空氣狀態(tài)變化

    1.2 電動(dòng)執(zhí)行器的能量消耗
    電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行消耗的是電力。它通過(guò)電動(dòng)機(jī)（伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等）驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)絲杠或滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠上的螺母轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)滑臺(tái)沿導(dǎo)軌做旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。
    電動(dòng)執(zhí)行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由控制器發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令給電動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)既定運(yùn)動(dòng)。

圖2 電動(dòng)執(zhí)行器的系統(tǒng)構(gòu)成

    2 運(yùn)行能耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    氣動(dòng)執(zhí)行器消耗的是壓縮空氣，需要將消耗壓縮空氣轉(zhuǎn)化為壓縮機(jī)的耗電。而電動(dòng)執(zhí)行器可采用直接測(cè)量得到耗電量，因此可將兩種執(zhí)行器在相同工況下的耗電量作為能耗評(píng)價(jià)依據(jù)。
    2.1 氣動(dòng)執(zhí)行器空氣消耗量的測(cè)量
    在氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用先儲(chǔ)氣后供氣的方式：先啟動(dòng)壓縮機(jī)向儲(chǔ)氣罐中充氣，待壓縮空氣達(dá)到一定壓力后停止壓縮機(jī)，由儲(chǔ)氣罐對(duì)外供氣。
    氣動(dòng)執(zhí)行器的空氣消耗量測(cè)量流程：打開(kāi)截止閥，向儲(chǔ)氣罐中充滿0.75MPa的壓縮空氣；關(guān)閉截止閥，讀取儲(chǔ)氣罐的壓力，檢查是否壓力下降，以防空氣泄露；設(shè)定減壓閥的壓力為0.5MPa，氣動(dòng)執(zhí)行器往復(fù)動(dòng)作20次；讀取儲(chǔ)氣罐的zui終壓力，結(jié)束測(cè)量。
    系統(tǒng)中壓縮空氣消耗是一個(gè)固定容腔充放氣的過(guò)程，可利用差壓法來(lái)計(jì)算壓縮空氣的消耗量。
    將理想氣體狀態(tài)方程兩邊取微分得

    式中
    p為壓力（Pa）；
    V為氣罐和管路的所有容積（m3）；
    m為壓縮空氣的質(zhì)量（kg）；
    T為室溫（K）；
    R為氣體常數(shù)，對(duì)空氣R=287N.m/（kg.K）。

    式中
    Qm為質(zhì)量流量（kg/s）；
    Q為體積流量（m3/s）；
    Q0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度。
    聯(lián)立式（1）～式（3）得流量計(jì)算公式：

    對(duì)式（4）積分得式中
    V'為氣動(dòng)執(zhí)行器的空氣消耗量（m3）；
    p1為氣罐的初始?jí)毫Γ≒a）；
    p2為氣罐的zui終壓力（Pa）。
    氣動(dòng)執(zhí)行器單次往復(fù)的空氣消耗量平均值可通過(guò)V'除以作動(dòng)次數(shù)n計(jì)算出來(lái)。
    2.2 氣動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行能耗計(jì)算模型
    設(shè)空壓機(jī)組（含冷干機(jī)）的實(shí)際運(yùn)行功率為Pc（W），空壓機(jī)組的輸出流量為Qc（m3/s），則空壓機(jī)組的比能量為

    則氣動(dòng)執(zhí)行器每次往復(fù)作動(dòng)耗氣折算成壓縮機(jī)的能耗W和平均消耗功率P為

    式中
    B為空氣泄漏率；
    f為執(zhí)行器往復(fù)作動(dòng)頻率。
    2.3 運(yùn)行能耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    1）以兩種執(zhí)行器在相同工況下工作時(shí)的耗電量作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)；
    2）承載能力要求相同或相近；
    3）水平方向搬運(yùn)工件時(shí)，在相同頻率下測(cè)量搬運(yùn)相同的工件移動(dòng)相同位移、末端位置保持相同時(shí)間往復(fù)一次的能耗；
    4）垂直方向搬運(yùn)工件時(shí)，由于工件借助自身重力的影響會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，在相同頻率下測(cè)量向上提升相同工件、移動(dòng)相同位移、末端位置保持一定時(shí)間、向下放回工件的能耗。
    3 運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)
    3.1 氣動(dòng)執(zhí)行器
    氣動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行能耗的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3。

    圖3 氣動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)