氣動(dòng)執(zhí)行器與電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行能耗分析

氣動(dòng)執(zhí)行器與電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行能耗分析分析了氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器能量消耗過(guò)程，建立了氣動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行能耗計(jì)算模型，搭建了氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出兩種執(zhí)行器運(yùn)行能耗的結(jié)論：在長(zhǎng)時(shí)間保持負(fù)載或作動(dòng)不頻繁的工況下，氣動(dòng)執(zhí)行器比電動(dòng)執(zhí)行器更節(jié)能，在頻繁作動(dòng)的工況下，電動(dòng)執(zhí)行器比氣動(dòng)執(zhí)行器更節(jié)能;在各種工況下，氣動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行功率波動(dòng)不大，電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行功率波動(dòng)較大。

氣缸驅(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。現(xiàn)在，氣缸已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP(PointtoPoint)搬運(yùn)的主流執(zhí)行器。20世紀(jì)90年代開始，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)和擺開工況，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)化需求最多的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)構(gòu)造如圖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，待壓縮空氣到達(dá)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)氣罐的最終壓力，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?Pa);p2為氣罐的最終壓力(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)

1)實(shí)驗(yàn)條件。壓縮機(jī)采用型號(hào)為Kobelion-AG370AH的神鋼壓縮機(jī)。軸功率22.5kW，額定排氣量3.2m3/min;儲(chǔ)氣罐為SMC的兩個(gè)10L氣罐;電磁閥選用SMC的SY5120;壓力傳感器采用日本長(zhǎng)野計(jì)器的KH15-824;可編程控制器選用OMRON的CPM2A;室溫為30℃。

2)負(fù)荷以及作動(dòng)條件。氣動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有水平搬運(yùn)和垂直搬運(yùn)。其負(fù)載和作動(dòng)條件如下表1～表3所示。

表1氣動(dòng)執(zhí)行器的試樣與負(fù)荷

注：水平搬運(yùn)負(fù)荷率為100%，垂直搬運(yùn)負(fù)荷率50%(p=0.5MPa)。

表2氣動(dòng)執(zhí)行器水平作動(dòng)條件

表3氣動(dòng)執(zhí)行器垂直作動(dòng)條件

3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。V'-f曲線如圖4。從圖中可以看出，V'幾乎不依賴于f，近似成直線狀。但有時(shí)有大的傾斜，這是因?yàn)閒過(guò)高，未到達(dá)執(zhí)行器末端就返回，造成Vc減少的緣故。

圖4氣動(dòng)執(zhí)行器V'-f曲線

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。以氣動(dòng)執(zhí)行器B為例，在水平方向f為15次/min時(shí)B往復(fù)作動(dòng)一次V'為2.1957dm3。由理性氣體狀態(tài)方程得

通過(guò)計(jì)算，氣動(dòng)執(zhí)行器B在P1=0.6013MPa時(shí)的空氣消耗量為0.3776dm3，其中往復(fù)容積0.2944dm3，管路容積為0.05024dm3，電磁閥容積0.004609dm3，死區(qū)容積為0.02840dm3。

5)氣動(dòng)執(zhí)行器的能量消耗。利用(6)式得

當(dāng)B取5%，f為15次/min，利用式(7)、式(8)得氣動(dòng)執(zhí)行器每一次往復(fù)平均能耗和平均消耗功率為

3.2、電動(dòng)執(zhí)行器

電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1)實(shí)驗(yàn)條件。PC主機(jī)采用IBM的Thinkpad;A/D板卡采用Interface株式會(huì)社GSI-320416;電力測(cè)量采用日置電機(jī)株式會(huì)社的3168型電力計(jì)。

2)測(cè)定方法。利用電力計(jì)測(cè)量電動(dòng)執(zhí)行器和控制器在工作時(shí)每秒鐘的功率。測(cè)量結(jié)果通過(guò)A/D板卡傳送到PC并保存起來(lái)，利用積分的方法，將工作時(shí)間內(nèi)的功率曲線開展積分就得到電動(dòng)執(zhí)行器工作這段時(shí)間所消耗的電量。

3)負(fù)荷與作動(dòng)條件。電動(dòng)執(zhí)行器的負(fù)荷和作動(dòng)條件如下表4～表6。

表4電動(dòng)執(zhí)行器和氣動(dòng)執(zhí)行器對(duì)照表

注：Bh，Bv分別為電動(dòng)執(zhí)行器B的水平、垂直類型。

表5電動(dòng)執(zhí)行器水平方向負(fù)載和作動(dòng)條件

表6電動(dòng)執(zhí)行器垂直方向負(fù)載和作動(dòng)條件

4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。電動(dòng)執(zhí)行器B水平和垂直的功率曲線如圖6。

aBh水平作動(dòng)頻率為5次/min

bBv垂直作動(dòng)頻率為5次/min

圖6電動(dòng)執(zhí)行器Bh和Bv功率曲線

電動(dòng)執(zhí)行器水平或垂直方向作動(dòng)過(guò)程包含作動(dòng)階段和保持階段(或待機(jī)階段)。電動(dòng)執(zhí)行器在作動(dòng)階段，P成尖峰脈沖狀態(tài);在保持階段存在一定的消耗。例如圖6a中，在水平作動(dòng)時(shí)，保持階段消耗的功率為10W左右。

數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)后，通過(guò)數(shù)值積分方法就可以得到電動(dòng)執(zhí)行器每次往復(fù)能耗，如圖7所示。

圖7電動(dòng)執(zhí)行器W-f曲線4、兩種執(zhí)行器的運(yùn)行能耗分析

通過(guò)計(jì)算就可以得出兩種執(zhí)行器每次往復(fù)的能耗比照曲線，如圖8、圖9所示。

圖8氣動(dòng)和電動(dòng)執(zhí)行器水平方向作動(dòng)時(shí)W曲線

圖9氣動(dòng)和電動(dòng)執(zhí)行器垂直方向作動(dòng)時(shí)W曲線從圖8、圖9中可以看出，在水平和垂直方向，氣動(dòng)執(zhí)行器搬運(yùn)工件時(shí)，W幾乎不依賴于f，各測(cè)試點(diǎn)的連線接近水平直線。由于它的能耗只與Vc有關(guān)，它在待機(jī)或保持壓力時(shí)除少許泄露外沒(méi)有消耗，每次消耗量近似相等，因此，氣動(dòng)執(zhí)行器每次往復(fù)能耗在各種頻率下近似相等。

電動(dòng)執(zhí)行器在水平和垂直方向W受f影響很大，各測(cè)試點(diǎn)的連線成傾斜向下曲線。隨著f的增加，W減少。從圖6可知，電動(dòng)執(zhí)行器在待機(jī)狀態(tài)也有消耗，f越高，待機(jī)能耗越少，電