氣動執行器與電動執行器的運行能耗分析

    缸驅動系統自20世紀70年代以來就在工業化領域得到了迅速普及。氣缸適用于作往復直線運動，尤其適用于工件直線搬運的場合。現在，氣缸已成為工業生產領域中PTP（Point to Point）搬運的主流執行器。20世紀90年代開始，電機和微電子控制技術迅速發展，使電動執行器的應用迅速擴大。然而，到現在來看，電動執行器在工業現場并未得到普及，而近幾年，在中國氣缸銷量的年增長速度一直維持20%以上。
    電動執行器主要用于旋轉和擺動工況，用于直線工況的電動執行器逐漸增多。電動執行器可實現高精度多點定位，氣動執行器很難做到。
    在氣動執行器和電動執行器的選擇上，特別是在工業自動化需求zui多的PTP輸送場合，一直沒有充足的數據來論述兩者選擇標準。本文從運行能耗的角度探討兩種執行器的能量消耗問題。
    1 兩種執行器能量消耗
    1.1 氣動執行器的能量消耗
    氣動執行器的能量轉換和空氣狀態變化如圖1。氣動執行器運行消耗的是壓縮空氣。壓縮空氣輸送過程中，經過節流閥、管道彎頭等阻性元件后，會有一定的壓力損失。另外由于工廠普遍存在接頭、氣缸或電磁閥處的空氣泄露。盡管安裝時的泄漏量標準低于5%，但很多工廠的泄漏量高達10%~40%。泄露也將導致一定的壓力損失。

A 能量轉換          b 空氣狀態變化
圖1 氣動執行器能量轉換及空氣狀態變化

    1.2 電動執行器的能量消耗
    電動執行器運行消耗的是電力。它通過電動機（伺服電動機、步進電動機等）驅動滑動絲杠或滾珠絲杠旋轉，帶動絲杠上的螺母轉化為直線運動，并推動滑臺沿導軌做旋轉或直線運動。
    電動執行器的系統結構如圖2所示。由控制器發出運動指令給電動執行器，實現既定運動。

圖2 電動執行器的系統構成

    2 運行能耗評價標準
    氣動執行器消耗的是壓縮空氣，需要將消耗壓縮空氣轉化為壓縮機的耗電。而電動執行器可采用直接測量得到耗電量，因此可將兩種執行器在相同工況下的耗電量作為能耗評價依據。
    2.1 氣動執行器空氣消耗量的測量
    在氣動實驗系統中，采用先儲氣后供氣的方式：先啟動壓縮機向儲氣罐中充氣，待壓縮空氣達到一定壓力后停止壓縮機，由儲氣罐對外供氣。
    氣動執行器的空氣消耗量測量流程：打開截止閥，向儲氣罐中充滿0.75MPa的壓縮空氣；關閉截止閥，讀取儲氣罐的壓力，檢查是否壓力下降，以防空氣泄露；設定減壓閥的壓力為0.5MPa，氣動執行器往復動作20次；讀取儲氣罐的zui終壓力，結束測量。
    系統中壓縮空氣消耗是一個固定容腔充放氣的過程，可利用差壓法來計算壓縮空氣的消耗量。
    將理想氣體狀態方程兩邊取微分得

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

    式中
    Qm為質量流量（kg/s）；
    Q為體積流量（m3/s）；
    Q0為標準狀況下空氣的密度。
    聯立式（1）～式（3）得流量計算公式：

    對式（4）積分得式中
    V'為氣動執行器的空氣消耗量（m3）；
    p1為氣罐的初始壓力（Pa）；
    p2為氣罐的zui終壓力（Pa）。
    氣動執行器單次往復的空氣消耗量平均值可通過V'除以作動次數n計算出來。
    2.2 氣動執行器的運行能耗計算模型
    設空壓機組（含冷干機）的實際運行功率為Pc（W），空壓機組的輸出流量為Qc（m3/s），則空壓機組的比能量為

    則氣動執行器每次往復作動耗氣折算成壓縮機的能耗W和平均消耗功率P為

    式中
    B為空氣泄漏率；
    f為執行器往復作動頻率。
    2.3 運行能耗評價標準
    1）以兩種執行器在相同工況下工作時的耗電量作為評價基準；
    2）承載能力要求相同或相近；
    3）水平方向搬運工件時，在相同頻率下測量搬運相同的工件移動相同位移、末端位置保持相同時間往復一次的能耗；
    4）垂直方向搬運工件時，由于工件借助自身重力的影響會向下運動，在相同頻率下測量向上提升相同工件、移動相同位移、末端位置保持一定時間、向下放回工件的能耗。
    3 運行能耗實驗
    3.1 氣動執行器
    氣動執行器運行能耗的實驗系統如圖3。

    圖3 氣動執行器運行能耗實驗系統