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摘 要 : 本文在對液壓缸、氣缸和電動缸的發展、應用及現狀進行簡介基礎上，分述了這三種直線往復執行器的結構原 理、性能特點、主要類型和適用場合；對它們進行了應用行業分析比較，并從負載能力、運動速度及控制精度、 工作環境、成本因素、維修保養等主要方面給出其選型要點，可供自動化裝備研發設計及管理人員參考。

文/河北科技大學 張利平

1 液壓缸、氣缸和電動缸的發展應用及現狀

液壓缸、氣缸和伺服電動缸（以下簡稱電動缸）分別是 以液體壓力能、氣體壓力能和電能為動力源的直線運動執行 器，是當代自動化裝備中除了機械、磁力和熱力以外應用最 為普遍的三種執行元件。液壓缸原理源于法國物理學家布萊 士·帕斯卡于1653年提出的液體靜壓力傳遞原理（帕斯卡原 理），而正式進入工程應用領域是 1795 年英國制造出世界 上第一臺水壓機，液壓缸已成為當今諸多機械裝備尤其是重 型裝備首選的直線執行器。氣缸的原理源于1680年荷蘭科學 家霍因斯受到大炮原理的啟發進行的相關探索，汽車領域在 早期也使用過單缸發動機，自1970年代以來氣缸驅動系統在 工業領域得到了迅速普及，氣缸已成為當今制造業甚至使用 自動化解決方案的機械裝備最常用的直線執行器。但液壓缸 和氣缸的發展及應用面臨著復雜性、高能耗、強噪音、安全 性及對環境的影響等一系列挑戰。
電動缸大約在1970年代起源于日本，最初應用于自動 化設備和機器人中，以替代傳統液壓缸和氣缸。在2000年 前后中國首次引入電動缸概念，并主要用于軍事和高端工業 領域，2021年作為國內核心標準的JB/T 13811-2020《電動 缸》開始實施。近年來，電動缸的關注度、應用和市場一直 在增長并取得了諸多技術進步，功能和用例隨之增強，例如 在重型移動裝備行業已開始少量采用電動缸，而在建筑設備 和其它移動機械中，電動缸業也逐漸成為可行的替代品。究 其原因主要還是由于受到了制造業自動化實施的增加、機器 人技術、移動機械的進步與設備小型化的推動。最新研究報 告預計，電動缸市場將在未來幾年出現顯著增長，到2032 年，其市場的復合年增長率 （CAGR）將達到6%以上，建筑可能是電動缸下一個增長機會最高行業。

作為自動化裝備研發設計和管理人員，了解和掌握上述 三種在執行器的結構原理、性能特點、主要類型、適用場合 及選型要點等，在執行器類型論證及選擇中做到有的放矢， 物盡其用，更好為先進高效、綠色環保及安全可靠的主機裝 備而賦能無疑甚為重要。

2 液壓缸

2.1結構原理
液壓缸主要由缸筒、活塞、活塞桿、缸蓋、密封等部分 組成，其典型結構的標準圖形符號如圖1所示。根據帕斯卡 原理，當通過油口A或B向液壓缸的無桿腔或有桿腔輸入一定 壓力和流量的液壓油時，在活塞上產生運動的推力，使活塞 桿伸出或縮回，實現直線往復運動。通過液壓閥調控液壓油 的流向、流量和壓力，可以精確控制液壓缸的運動方向、速 度和輸出力。例如，在雙作用缸中，可通過A和B兩油口交替 進回油，實現活塞桿的雙向往復運動；而在單作用缸中，液 壓油僅從一端進入而推動活塞桿運動，活塞桿的回程則依靠 如彈簧力或重力等外力實現。

2.2性能特點
(1)易于實現直線運動。只要給液壓缸輸入一定壓力的 液壓油即可驅動負載實現直線運動而無需其他轉換機構。還可 與杠桿、齒輪齒條、四連桿等機構配合，實現多種運動。
(2)功率密度高。液壓缸能夠以較小體積和自重產 生較大的輸出力，適應不同的工作環境和負載要求。（圖2 所示為目前全球出力最大的液壓缸：國產150m樁架打樁船 主油缸，其直徑1.6m，行程21m，重達385t，額定推力達 5000t）。
(3)調節控制方便。通過液壓閥易于實現液壓缸運動方 向、速度和輸出力的控制調節，滿足不同主機及其工況需求。
(4)運動平穩、工作可靠。利用液壓油的粘性阻尼及不 可壓縮作用，液壓缸可平穩拖動負載運動，并實現精確停位。 通過合理選取密封材料和結構，保證系統穩定性和可靠性。
(5)結構簡單，安裝維護簡便。
(6)制造精度及成本相對較高（尤其是伺服控制的高 精度缸）；在高速運動和換向過程中可能會產生一定沖擊和振 動；對液壓油污染較為敏感，系統需配備良好的過濾裝置。
2.3主要類型
(1)按作用方式分類：①雙作用缸，其雙向運動通 過缸兩腔交替進、回油，靠液壓力的作用來完成。②單作用 缸，其壓力油只供缸的一腔，靠液壓力使缸單向運動，反向運動則靠彈簧力、自重或外部載荷等來實現。
(2)按結構特征分類：①活塞式缸，它可分為單桿式 和雙桿式兩種：前者僅一端有活塞桿，兩腔有效面積不同， 故雙向運動速度和輸出力也不同；后者的兩端都有活塞桿， 兩腔有效面積一般相等，當輸入相同流量和壓力時，往返運 動速度和輸出力相同。活塞式缸還可分為缸筒固定式和桿固 定式兩種，前者是將缸筒固定在主機上，由活塞桿拖動負載 運動；后者則是將活塞桿固定在主機上，由缸筒拖動負載運 動。活塞式缸是應用最為量大面廣的液壓缸，但當缸的行程 較長時，加工難度大、成本較高。② 柱塞式缸，它屬單作用 缸，柱塞回程需靠外力。柱塞與缸筒內壁不接觸，依靠缸筒 端部的導向套對柱塞進行導向。故柱塞缸缸筒內表面無需精 加工，結構簡單、制造方便，適用于行程較長的場合，且同 結構柱塞缸若成對反向使用，二缸推挽運動可實現工作機構 （如大型平面磨床的工作臺）的進退作業。③伸縮式缸，它 有二級或多級活塞（桿），活塞（桿）從大到小伸出，空載 縮回從小到大，可實現較長行程，縮回時長度較短，結構緊 湊，常用于車輛和工程機械（如自卸汽車等）。
(3)按功能分類：①普通缸，它以動力傳遞為主，其 主要要求是力、位移和速度的輸出，用于一般的直線往復運 動場合，在各類機械設備中得到廣泛應用。②伺服缸，它是 一種將伺服控制與液壓結合的執行器，用于位置、速度和力 的精確控制。其組成除了缸外、尚包括伺服閥及控制器、反 饋傳感器等。在工業自動化、航空航天、軋鋼機、注塑機以 及風電設備等高速高精度要求的領域中都有應用。③磁感應 缸，它是一種通過磁電轉換實現位置檢測的液壓缸。其核心 原理是在缸的活塞（桿）上安裝永磁體（磁環），并在缸筒 外部（或內部）設置磁性傳感器（如磁性開關），通過磁場 變化感知活塞位置，從而實現行程監測、定位控制或狀態反 饋，具有低成本、易安裝、可靠性高的優勢。其核心價值在 于將傳統液壓缸升級為“可感知”執行器，為設備數智化提 供基礎數據支持。此外尚有數字液壓缸、增壓缸等。
(4)按安裝方式分類：液壓缸有法蘭式、底座式、銷軸 式、耳環式、球頭式等多種安裝連接型式，用于不同的場景。
2.4適用領域
液壓缸的主要適用領域有先進制造（如數控機床及加 工心等）、橡膠塑料機械（如硫化機、注塑機等）、汽車工 業（零部件的加工及整車的裝配、焊接等）、礦山冶金（如采掘機、連鑄機、高爐等）、工程機械（如挖掘機、裝載機 等）、航空航天航海（飛機起落架、艦船舵機等）、檢測與 測試（如拉力壓力試驗機等）、能源領域（如海上鉆井平 臺、LNG碼頭卸載臂等）、娛樂游藝機（如海盜船、旋轉塔 和高空飛翔等設備等）等等。

3 氣缸

3.1功能原理
除了工作介質不同外，氣缸在結構組成、工作原理、圖 形符號等方面，基本與液壓缸類同，此處從略。
3.2性能特點
(1)工作介質是經濟清潔的空氣，不需回收處理，綠 色環保；空氣的粘性小，在管路中流動時壓力損失小，便于 集中供氣和遠距離輸送。
(2)氣缸的動作速度快，響應靈敏，能實現快速的啟 停和換向。
(3)結構簡單，制造容易，成本低廉，維護方便，使 用壽命長。
(4)可根據不同工作要求，方便進行組合集成，實現 復雜的運動控制（如半導體設備）。
(5)安全性高，在危險環境中使用時，不會燃爆。
(6)因壓縮空氣的工作壓力較低（一般MPa）,故氣缸 的輸出力相對較小，一般用于輕載場合；另因空氣的可壓縮 性，不僅缸的定位精度不高，而且速度剛性較差，難以實現 精準的速度控制。
3.3主要類型
(1)按作用方式分類：有雙作用缸和單作用缸兩類， 其結構、原理及圖形符號與同名液壓缸類同。
(2)按結構特征分類：①活塞式缸，這是使用最為量 大面廣的氣缸。其組成與液壓缸類同。活塞在缸筒內做往復 運動，通過活塞桿輸出力和位移，可實現直線往復運動，常 用于各種機械的驅動、推壓、拉伸等動作。②柱塞式缸，其 柱塞與缸筒內壁不接觸，依靠缸筒端部的導向套對柱塞進行 導向。因缸筒內表面不需要精加工，結構簡單，成本低，但 它只能單作用，回程需要借助外力（如彈簧力或其他機械裝 置）。③膜片式缸（見圖3），它利用膜片在氣壓作用下的 變形來推動活塞桿運動，靠彈簧力復位。具有結構緊湊、重 量輕、動作靈敏的優點，但輸出力較小，行程較短，常用于一些要求響應速度快、安裝空間受限的場合，如氣動夾具、 小型控制閥等。

(3)按功能分類：①普通缸，它用于一般的直線往復 運動場合，對缸的性能和功能要求不高，主要滿足基本的力 和位移輸出要求。②氣-液阻尼缸，它將氣缸和液壓缸組合 在一起，利用氣體的可壓縮性和液體的不可壓縮性及粘性阻 尼，實現平穩的運動，兼具氣缸動作快速和液壓缸速度穩定 的特性，可用于要求運動速度穩定、定位精度高的場合。此 外還有沖擊氣缸、數字氣缸、回轉氣缸和鋼索氣缸等類型。
(4)按安裝方式分類：氣缸有法蘭式、底座式、擺動 式、嵌入式等安裝方式，可用于多種場景。
3.4適用領域
氣缸的主要適用領域有自動化生產線（如物料的輸送、 定位、夾緊、裝配等工序等）、人形機器人（如機器人手臂 的伸縮、旋轉和關節的彎曲等動作等）、汽車工業（零部件 的加工、裝配和檢測、汽車的噴涂等）、電子設備制造（如 電子產品組裝測試和包裝等）、包裝印刷行業（如包裝袋 （盒）的封口、物料的填充、貼標、印刷等）等等。

4電動缸

4.1結構原理
如圖4所示，電動缸是將伺服電機1、減速器2、聯軸器 3、絲杠螺母7、缸筒8及活塞桿（亦稱推桿）9等機械零部件 集成為一體，再配置所需的傳感器、驅動器及控制器等檢測控制元件，即可按圖5所示的原理流程圖進行工作：當控制 器發出動作指令時，伺服電機接受驅動器給定驅動電流而旋 轉，經減速器降低轉速并增加扭矩，帶動絲杠轉動，絲杠上 的螺母因受活塞桿的限制，不能隨絲杠一起轉動，只能沿絲 杠的軸向做直線運動，從而驅動與之相連的活塞桿及負載進 行直線往復運動。缸的位置、速度和力傳感器由傳感器進行 檢測并反饋給控制器實施閉環控制，確保精確的位置和運動 控制。在JB/T 13811-2020行業標準中對電動缸圖形符號進行了規定，其示例如圖7所示。

4.2性能特點
(1)精度高。高精度的絲杠螺母及伺服電機的閉環控 制特性并用，再配以光柵尺、壓力傳感器等傳感器進行檢測反饋，可方便地實現位置、速度和推力的精確控制：重復精 度及定位控制精度高達±0.01mm及以上；推力控制精度可 達0.5%FS。
(2)速度高。可以較高的運行速度（可達數米秒甚至 更高）運轉，滿足某些快速運動場景的應用需求。
(3)負載大。能夠承受較大的軸向負載，輸出推力從 幾百N到數十kN不等，可在全行程范圍內任意位置達到額定 推力。
(4)數智化。可根據不同應用需求，利用運動控制、 數控及總線（網絡）等技術，實現位置、速度和推力的數智 化控制。因其控制、使用的方便性，可實現液壓缸和氣缸所 不能企及的精密運動控制。
(5)節能環保。能量轉換效率高，僅在運動時才消耗 能量，具有較好的節能效果。
(6)維護簡便。沒有液壓和氣動系統的油源和氣源裝置 及復雜管路，結構相對簡單，安裝維護簡便，維護成本較低。
4.3主要類型
(1)按驅動電機分類：①直流電動缸，直流伺服電 機與高精度的滾珠絲杠配合，控制精度高；動態性能好，響 應速度快；運行平穩，過載能力強；需要直流電源供電，通 常為 24V、48V 或更高電壓，電源系統相對簡單，但需要配 備相應的直流電源設備，被廣泛應用于自動化生產線、機器 人、醫療器械、航空航天等領域。②交流電動缸，交流伺服 電機功率密度高，故缸的輸出功率大；精度保持性好；交流 伺服電機結構簡單，故缸的可靠性高，使用壽命長，維護成 本低；電源通常為三相或單相交流電，常見電壓有 220V、 380V 等；常用于數控機床、注塑機和電子制造領域等。③ 步進電動缸，步進電機通過接收脈沖信號來控制電機的轉動 角度和步數，缸的額位置和速度控制精確； 一般為開環控 制，但對一些對精度要求較高的場合，則可以使用外部傳感器或編碼器等位置反饋元件（安裝在電機上，輸出軸位置的 旋轉裝置）構成閉環控制系統；低速性能好，在低速運行時 能夠保持穩定的轉速和力矩，不會出現抖動或失步現象；對電 源波動和電磁干擾具有一定的抗干擾能力，能夠在較為惡劣的工 業環境中穩定工作，常用于包裝印刷機械、自動化倉儲設備中。
(2)按驅動方式分類：①直驅式（直連式），其伺服 電機與絲桿直接連接，使伺服電機的編碼器直接反饋電缸移 動活塞的位移量，減少了中間環節的慣量和間隙，提高了響 應速度和控制精度；且因伺服電機與電動缸整體相連，故安 裝容易、設定簡單、使用便捷；但輸出扭矩相對較小。②減 速式，它是在伺服電機和絲桿之間安裝了減速器，可增大輸 出扭矩，滿足大負載的需求，但會增加一定的慣量和傳動間 隙，影響其快速性和控制精度。
為了縮短電動缸的整體長度，以便將其用于安裝空間較 小的場合，還可將減速式電動缸設計成伺服電機1、減速器2 與絲桿螺母9和活塞桿10不同軸的折疊式結構（見圖6），通 過強度高、間隙小、壽命長的同步帶4實現減速器和絲杠之間 的傳動，故整個電動缸具有較高響應速度和控制精度，同時 伺服電機與電動缸配合靈活，易于安裝、設定及使用簡便。
(3)按結構分類：①絲桿式，它結構簡單、成本低， 但精度和負載能力相對較低。②滾珠絲杠式，它具有高精 度、高速度和較高的負載能力，是目前應用最廣泛的類型。
③行星滾柱絲杠式，它具有更高負載能力和剛性，適用于重 載和高精度要求的場合。
4.4適用場合
電動缸主要適用領域有工業自動化及機器人（如精確的 定位、搬運、裝配等操作等）、先進制造（數控機床及加工 中心等）、航空航天航海（飛機襟翼及起落架、六自由度模 擬仿真平臺等）、電子制造（電子元件生產線上芯片搬運、 精密焊接、封裝等）、醫療器械（如醫療床的升降、手術機 器人的操作臂等），檢測與測試（如拉力壓力試驗機、扭力 試驗機等）、物流包裝印刷（如輸送機、堆垛機、封口機、 印刷機等）、娛樂游藝機（如動感座椅、旋轉塔、機械人手 臂及關節等）等等。

5 應用行業綜合分析比較與選型要點

5.1三種執行器的應用行業分析比較
液壓缸和氣缸早已且迄今仍然是眾多重型機械和自動化裝備執行器使用的選項。而在重型移動機械行業首選的執 行器依然是液壓缸，或者使用電動缸尚不可行，例如挖掘機 等。制造和生產機械甚至那些使用自動化解決方案的機械設 備更常用的執行器選項則是氣缸。在重型移動機械行業，正 處于采用電動缸的早期階段，其機器上有一些工作機構正在 使用電動缸。但在建筑裝備和其它移動機械中，電動缸正使 其成為一種可行的替代品，因為它比流體動力的執行器具有 許多優勢，能夠更好地滿足某些應用場合的自動化和效率需 求。而電動缸能夠克服液壓氣動中泄漏、噪聲等許多問題， 且具有結構緊湊、布線簡單、無流體泄漏及污染環境問題的 優勢。
此外，電動缸在技術上已經達到了能夠提供與液壓缸相 當的負載能力的程度，故使其能夠在更多場合獲得應用；先 進的控制和診斷功能也可以集成到電動缸中，能夠更好地實 現與其他機器和系統的通信，并監控性能以減少計劃外停機 時間等。
5.2 液壓缸、氣缸和電動缸的選型要點如表1所示。