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    缸驱动系统自20世纪70年代以来就在工业化领域得到了迅速普及。气缸适用于作往复直线运动，尤其适用于工件直线搬运的场合。现在，气缸已成为工业生产领域中PTP（Point to Point）搬运的主流执行器。20世纪90年代开始，电机和微电子控制技术迅速发展，使电动执行器的应用迅速扩大。然而，到现在来看，电动执行器在工业现场并未得到普及，而近几年，在中国气缸销量的年增长速度一直维持20%以上。
    电动执行器主要用于旋转和摆动工况，用于直线工况的电动执行器逐渐增多。电动执行器可实现高精度多点定位，气动执行器很难做到。
    在气动执行器和电动执行器的选择上，特别是在工业自动化需求zui多的PTP输送场合，一直没有充足的数据来论述两者选择标准。本文从运行能耗的角度探讨两种执行器的能量消耗问题。
    1 两种执行器能量消耗
    1.1 气动执行器的能量消耗
    气动执行器的能量转换和空气状态变化如图1。气动执行器运行消耗的是压缩空气。压缩空气输送过程中，经过节流阀、管道弯头等阻性元件后，会有一定的压力损失。另外由于工厂普遍存在接头、气缸或电磁阀处的空气泄露。尽管安装时的泄漏量标准低于5%，但很多工厂的泄漏量高达10%~40%。泄露也将导致一定的压力损失。

A 能量转换          b 空气状态变化
图1 气动执行器能量转换及空气状态变化

    1.2 电动执行器的能量消耗
    电动执行器运行消耗的是电力。它通过电动机（伺服电动机、步进电动机等）驱动滑动丝杠或滚珠丝杠旋转，带动丝杠上的螺母转化为直线运动，并推动滑台沿导轨做旋转或直线运动。
    电动执行器的系统结构如图2所示。由控制器发出运动指令给电动执行器，实现既定运动。

图2 电动执行器的系统构成

    2 运行能耗评价标准
    气动执行器消耗的是压缩空气，需要将消耗压缩空气转化为压缩机的耗电。而电动执行器可采用直接测量得到耗电量，因此可将两种执行器在相同工况下的耗电量作为能耗评价依据。
    2.1 气动执行器空气消耗量的测量
    在气动实验系统中，采用先储气后供气的方式：先启动压缩机向储气罐中充气，待压缩空气达到一定压力后停止压缩机，由储气罐对外供气。
    气动执行器的空气消耗量测量流程：打开截止阀，向储气罐中充满0.75MPa的压缩空气；关闭截止阀，读取储气罐的压力，检查是否压力下降，以防空气泄露；设定减压阀的压力为0.5MPa，气动执行器往复动作20次；读取储气罐的zui终压力，结束测量。
    系统中压缩空气消耗是一个固定容腔充放气的过程，可利用差压法来计算压缩空气的消耗量。
    将理想气体状态方程两边取微分得

    式中
    p为压力（Pa）；
    V为气罐和管路的所有容积（m3）；
    m为压缩空气的质量（kg）；
    T为室温（K）；
    R为气体常数，对空气R=287N.m/（kg.K）。

    式中
    Qm为质量流量（kg/s）；
    Q为体积流量（m3/s）；
    Q0为标准状况下空气的密度。
    联立式（1）～式（3）得流量计算公式：

    对式（4）积分得式中
    V'为气动执行器的空气消耗量（m3）；
    p1为气罐的初始压力（Pa）；
    p2为气罐的zui终压力（Pa）。
    气动执行器单次往复的空气消耗量平均值可通过V'除以作动次数n计算出来。
    2.2 气动执行器的运行能耗计算模型
    设空压机组（含冷干机）的实际运行功率为Pc（W），空压机组的输出流量为Qc（m3/s），则空压机组的比能量为

    则气动执行器每次往复作动耗气折算成压缩机的能耗W和平均消耗功率P为

    式中
    B为空气泄漏率；
    f为执行器往复作动频率。
    2.3 运行能耗评价标准
    1）以两种执行器在相同工况下工作时的耗电量作为评价基准；
    2）承载能力要求相同或相近；
    3）水平方向搬运工件时，在相同频率下测量搬运相同的工件移动相同位移、末端位置保持相同时间往复一次的能耗；
    4）垂直方向搬运工件时，由于工件借助自身重力的影响会向下运动，在相同频率下测量向上提升相同工件、移动相同位移、末端位置保持一定时间、向下放回工件的能耗。
    3 运行能耗实验
    3.1 气动执行器
    气动执行器运行能耗的实验系统如图3。

    图3 气动执行器运行能耗实验系统