机械加工设备分为哪三大类(工业机械为什么用气动而不是电动)

Posted 2023-05-29

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机械加工设备分为哪三大类(工业机械为什么用气动而不是电动)

作者：吴大壮
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来源：知乎
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就我接触过的工业项目，电动干不过气动的原因，或者说气动的比较优势，我理解到的有以下几个：

1，功率密度高，轻便紧凑

气动、液压系统在同样的系统重量尺寸下，能传递的功率一般是要大于电动的。这主要是因为气缸液压缸等流体作动器结构简单且大多直驱负载，而同等功率的电机一有大坨磁钢、铜线，还得考虑散热，电机和负载之间一般还得加一个减速器，体积重量一般都要大于同功率气液作动器。

举个例子：修卡车拧螺丝用的风炮。同样扭矩做成电动的话就要比气动重很多。这玩意儿都靠人力搬动，太重了使用会非常不便，弄不好得上天车，小修车铺子哪有这玩意儿？

2，简单可靠，皮实耐操

主要原因如1所述，一般气动系统的传动机构是要比电动系统简单的，除了1所述的紧凑轻便之外，带来的另一个好处潜在故障点少、系统可靠性更高。

此外流体传动还自带一个天赋技能：过载保护。风炮这类气动工具蹩死一般是不会把工具搞坏的，而电起子、电钻如果长时间堵转是会把电机烧坏的；气动液压作动设备的抗机械冲击能力也很强，比如突然来个急刹车或者撞到东西了，作动系统也很少冲坏，而通过电机带动减速机驱动的电驱系统就很有可能打坏齿轮。

流体传动系统自带的过载保护功能来源自两个方面：1，流体天然具备柔性和弹性，系统天然具备缓冲能力；2，流体回路一般设计有泄压阀等流体保护元件，过载条件下会自动采取保护动作，自动钳制住系统最大输出。

过载保护这个天赋技能进一步提高了系统的可靠性，这是气动液压的设备普遍要比电动设备结实耐操的主要原因。

3，卫生

主要是食品和医药领域。

电机烧了的味儿你闻过吗？刻在DNA里的本能就会告诉你那玩意儿有毒。不信你找找制造电机的物料清单，看看有几个能达到食药级的卫生安全要求：各种绝缘漆、胶粘剂、稀土合金。

还有配套的各种电气设备，导线、电控、接插件；配套的机械传动设备，减速器、传动部件。除了电气涉及到的各种闻起来就知道有毒的材料，机械涉及到的各种润滑油脂、密封件、胶粘剂，你看看多少能达到食药级安全标准。

因为材料科学的限制，如果要满足性能要求，现有的机电系统从本质上很难做到食品甚至药品级安全：有毒材料很难绕过。

那非要做就只能靠密封：把所有无法做到材料安全的设备都密封起来，暴露出来的部分都用食药级材料。但这类生产线都是连续运行的，很多生产线甚至是24小时连续运行，你的这些密封件在满足食药级安全的前提下能扛得住这么高强度的使用吗？

比如一个几万转的电机的轴密封，这个密封不但要性能好、高度可靠，扛得住24x7连续运转，整个密封系统使用的材料还得是食药级别的。

我相信这么牛逼的密封件肯定是有的，但肯定不便宜。比如我就见过食品机械上用的食品级电机，很贵，瑞士产的。

而且万一出点事，轻则吃官司、砸牌子，重则出人命，企业愿不愿意冒这个险？

而气动作动器就一坨不锈钢或者铝合金、几个密封圈、几条塑料管子，需要用到的材料种类不多，而且不考虑绝缘、磁性等电气要求，间歇动作对密封件的机械要求也没那么苛刻，材料上更容易全系统做到食药级卫生安全要求，所以目前都有成熟的解决方案。

还有就是它不会过载烧掉啊，这也少了很大一个卫生安全隐患。

材料本身就是满足卫生安全标准的，哪怕是出点故障破了，渣子掉产品里了、气体泄露了，极大概率也不会因为污染造成质量安全事故，这就叫本质安全。

所以气动做到食品、药品级安全要比电动系统更容易，进而成本更低，所以这两个行业生产线上气动部件用得很多。

4，防爆

很多电气设备在使用中理论上都存在呲火花的可能，比如接插件的插拔和松动，比如各种线圈会产生反击电动势，比如电路板上的电容可能会突然爆掉。

这如果是在易燃易爆环境下呲火，那就很危险了，比如炼油厂、煤矿。所以这类场合使用的电器设备都有一个技术等级，叫“防爆等级”，满足这个等级要求的电气设备，需要采取专门的设计来保证各个电气环节不会打火，或者做好密封隔离保证即便打火也被隔离在易爆环境之外。

而做这些设计、通过这些等级的试验认证，都是需要花费大量人力物力的，所以一般具有防爆等级的电气设备要比同样指标的普通电气设备贵得多，甚至能差好几倍。

而气动设备只要做好气体的净化不混入可燃气体、不要出现金属的直接碰撞，本质上就不存在打火花的可能。液压设备同理。所以在有防爆要求的场合，使用气体或液压作动器，同时把驱动作动器的泵、电磁阀等电气设备放在远处、与易爆环境隔离的泵房，就可以避免使用昂贵的防爆电气设备，从而达到降低系统成本的目的。

更何况一些定制化特殊应用场合，可能都买不到现成防爆的电气设备，这时候气液驱动可能就是唯一的选择了。

4，防水耐潮湿

工业自动化环境使用的电气设备，一般都离不开低压直流电。比如驱动电磁阀、驱动继电器、驱动小型伺服电机，更别说微控制器本身。

但直流电在使用中有个很大的毛病：容易出现电化学腐蚀。

高中化学学过：给浸泡在导电溶液中的一对金属电极上加上直流电源，阳极上的金属会被电源剥夺电子变成金属阳离子溶解到溶液里，这就是一种电化学腐蚀。

暴露在潮湿环境中的直流电路就很容易出现这个情况：湿气凝结在导体上形成局部的溶液池，导体在直流电压的驱动下形成电化学腐蚀。

PS：说个题外话，直流电的这个缺点在各电学类教科书上我都没看到过，我是在学计算机网络的时候在数字信号编码那块看到的：供有线传输使用的编码协议一般会遵循一个设计原则：0和1出现的概率要相同，这样是为了避免电线上出现直流分量，造成电气连接中的金属部件出现电化学腐蚀。

你如果维修过低压直流设备就会很容易观察到这个现象。比如电瓶车接电瓶那个正极线就很容易锈蚀断；比如工作在潮湿环境下的电路板上的铜线，正极也会锈蚀得很厉害；比如以前那种红外感应的小便池冲水阀，就经常坏，现在都改成自发电不接电线了可靠性就大幅提升。

此外如PS所属，这种电化学腐蚀并不需要严格的直流电，只需要有足够的直流分量就行。比如电磁阀上的驱动电流，虽然是PWM波，但你把它低通滤波处理一下就会发现它带有很大的直流分量。工控领域除了电源回路，其它回路上严格的直流电其实并不多，大部分都是PWM之类的波形信号，但这些波形，特别是功率回路的波形是包含很大直流分量的，所以会在潮湿环境下出现电化学腐蚀。

这类电化学腐蚀最容易出现的地方就是电线的各类接头处。所以直流电路接线都要尽量使用焊接，像市电那样直接金属丝缠在一起非常不可靠，要么过几天就锈断，要么过一段时间就接触不良。

反之就是纯交流回路强大的抗腐蚀性能。最典型如市电，除了卫生间那种极度潮湿的地方，现在很少会出现因为单纯的锈蚀而造成连接故障（以前经济条件不行，很多时候铜线铝线混用，铝铜搭接的地方很容易因为两种金属的金属活动性不同造成电化学腐蚀，这和直流电的“电驱”电化学腐蚀机理不一样）。

而气动液压设备天然就没这个烦恼，人家原理上就天然防潮：

1，不带电，不存在电驱的电化学腐蚀问题，也不需要考虑导电性，金属材料可以全部使用抗锈蚀的不锈钢或者铝合金；

2，内部环境是被工作介质（压缩空气、液压油）充满且正压的，而工作流体回路上又接有干燥除湿设备（比如冷干机），所以人家内部是不会被外部环境的湿气影响的。

所以自动洗车房的作动机构很多都是用液压的，因为到处都是水。食品行业也是类似，不过为了干净避免液压介质造成污染，会选用气动。

电动不是不能做成防潮设备，但要付出密封的代价：水密设备比非水密设备肯定是要贵不少的。再加上前面列的几个优点（比如卫生），在特定的应用场景（比如在一些高湿度的食品加工车间）下综合下来气动就具备成本优势了。

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综合，气动相比电动在功率密度、可靠性、卫生、防爆、耐潮湿方面具有特殊优势，在一些特定的工业场合选用气动方案会比电动方案成本更低、性能更可靠或者更安全。这就是我理解的，为什么在很多工业应用场景下会使用气动而不是电动。

但如果去掉以上这些在尺寸重量、耐粗暴使用、防爆、耐潮湿之类的特殊要求，一般的工业场景下还是电驱动会更方便：

1，伺服控制很方便（气体可压缩，气动伺服太软很难控；液压还行）；

2，电线布起来比管子更方便更节省空间，也不用考虑密封性；

3，控制系统一般更简洁，具备成本优势。比如多路电驱的开关类作动器用PLC可以直接控制，而气动作动器先要用PLC控制多路电磁阀（也就是阀岛），再由电磁阀控制作动器，多一个控制层级，系统复杂成本高。

总之，电控是大趋势，市面上的解决方案很丰富很成熟，以后会更加成熟和低成本。而气动系统只在一些有特殊要求的场合存在比较优势。所以只要是没有食品卫生、抗冲击、防爆、耐潮湿之类的特殊要求，在系统设计的时候还是应该优先选择电动系统。