摘 要 : 本文在对液压缸、气缸和电动缸的发展、应用及现状进行简介基础上，分述了这三种直线往复执行器的结构原 理、性能特点、主要类型和适用场合；对它们进行了应用行业分析比较，并从负载能力、运动速度及控制精度、 工作环境、成本因素、维修保养等主要方面给出其选型要点，可供自动化装备研发设计及管理人员参考。

文/河北科技大学 张利平

1 液压缸、气缸和电动缸的发展应用及现状

液压缸、气缸和伺服电动缸（以下简称电动缸）分别是 以液体压力能、气体压力能和电能为动力源的直线运动执行 器，是当代自动化装备中除了机械、磁力和热力以外应用最 为普遍的三种执行元件。液压缸原理源于法国物理学家布莱 士·帕斯卡于1653年提出的液体静压力传递原理（帕斯卡原 理），而正式进入工程应用领域是 1795 年英国制造出世界 上第一台水压机，液压缸已成为当今诸多机械装备尤其是重 型装备首选的直线执行器。气缸的原理源于1680年荷兰科学 家霍因斯受到大炮原理的启发进行的相关探索，汽车领域在 早期也使用过单缸发动机，自1970年代以来气缸驱动系统在 工业领域得到了迅速普及，气缸已成为当今制造业甚至使用 自动化解决方案的机械装备最常用的直线执行器。但液压缸 和气缸的发展及应用面临着复杂性、高能耗、强噪音、安全 性及对环境的影响等一系列挑战。
电动缸大约在1970年代起源于日本，最初应用于自动 化设备和机器人中，以替代传统液压缸和气缸。在2000年 前后中国首次引入电动缸概念，并主要用于军事和高端工业 领域，2021年作为国内核心标准的JB/T 13811-2020《电动 缸》开始实施。近年来，电动缸的关注度、应用和市场一直 在增长并取得了诸多技术进步，功能和用例随之增强，例如 在重型移动装备行业已开始少量采用电动缸，而在建筑设备 和其它移动机械中，电动缸业也逐渐成为可行的替代品。究 其原因主要还是由于受到了制造业自动化实施的增加、机器 人技术、移动机械的进步与设备小型化的推动。最新研究报 告预计，电动缸市场将在未来几年出现显著增长，到2032 年，其市场的复合年增长率 （CAGR）将达到6%以上，建筑可能是电动缸下一个增长机会最高行业。

作为自动化装备研发设计和管理人员，了解和掌握上述 三种在执行器的结构原理、性能特点、主要类型、适用场合 及选型要点等，在执行器类型论证及选择中做到有的放矢， 物尽其用，更好为先进高效、绿色环保及安全可靠的主机装 备而赋能无疑甚为重要。

2 液压缸

2.1结构原理
液压缸主要由缸筒、活塞、活塞杆、缸盖、密封等部分 组成，其典型结构的标准图形符号如图1所示。根据帕斯卡 原理，当通过油口A或B向液压缸的无杆腔或有杆腔输入一定 压力和流量的液压油时，在活塞上产生运动的推力，使活塞 杆伸出或缩回，实现直线往复运动。通过液压阀调控液压油 的流向、流量和压力，可以精确控制液压缸的运动方向、速 度和输出力。例如，在双作用缸中，可通过A和B两油口交替 进回油，实现活塞杆的双向往复运动；而在单作用缸中，液 压油仅从一端进入而推动活塞杆运动，活塞杆的回程则依靠 如弹簧力或重力等外力实现。

图 2 全球出力最大的液压油缸

2.2性能特点
(1)易于实现直线运动。只要给液压缸输入一定压力的 液压油即可驱动负载实现直线运动而无需其他转换机构。还可 与杠杆、齿轮齿条、四连杆等机构配合，实现多种运动。
(2)功率密度高。液压缸能够以较小体积和自重产 生较大的输出力，适应不同的工作环境和负载要求。（图2 所示为目前全球出力最大的液压缸：国产150m桩架打桩船 主油缸，其直径1.6m，行程21m，重达385t，额定推力达 5000t）。
(3)调节控制方便。通过液压阀易于实现液压缸运动方 向、速度和输出力的控制调节，满足不同主机及其工况需求。
(4)运动平稳、工作可靠。利用液压油的粘性阻尼及不 可压缩作用，液压缸可平稳拖动负载运动，并实现精确停位。 通过合理选取密封材料和结构，保证系统稳定性和可靠性。
(5)结构简单，安装维护简便。
(6)制造精度及成本相对较高（尤其是伺服控制的高 精度缸）；在高速运动和换向过程中可能会产生一定冲击和振 动；对液压油污染较为敏感，系统需配备良好的过滤装置。
2.3主要类型
(1)按作用方式分类：①双作用缸，其双向运动通 过缸两腔交替进、回油，靠液压力的作用来完成。②单作用 缸，其压力油只供缸的一腔，靠液压力使缸单向运动，反向运动则靠弹簧力、自重或外部载荷等来实现。
(2)按结构特征分类：①活塞式缸，它可分为单杆式 和双杆式两种：前者仅一端有活塞杆，两腔有效面积不同， 故双向运动速度和输出力也不同；后者的两端都有活塞杆， 两腔有效面积一般相等，当输入相同流量和压力时，往返运 动速度和输出力相同。活塞式缸还可分为缸筒固定式和杆固 定式两种，前者是将缸筒固定在主机上，由活塞杆拖动负载 运动；后者则是将活塞杆固定在主机上，由缸筒拖动负载运 动。活塞式缸是应用最为量大面广的液压缸，但当缸的行程 较长时，加工难度大、成本较高。② 柱塞式缸，它属单作用 缸，柱塞回程需靠外力。柱塞与缸筒内壁不接触，依靠缸筒 端部的导向套对柱塞进行导向。故柱塞缸缸筒内表面无需精 加工，结构简单、制造方便，适用于行程较长的场合，且同 结构柱塞缸若成对反向使用，二缸推挽运动可实现工作机构 （如大型平面磨床的工作台）的进退作业。③伸缩式缸，它 有二级或多级活塞（杆），活塞（杆）从大到小伸出，空载 缩回从小到大，可实现较长行程，缩回时长度较短，结构紧 凑，常用于车辆和工程机械（如自卸汽车等）。
(3)按功能分类：①普通缸，它以动力传递为主，其 主要要求是力、位移和速度的输出，用于一般的直线往复运 动场合，在各类机械设备中得到广泛应用。②伺服缸，它是 一种将伺服控制与液压结合的执行器，用于位置、速度和力 的精确控制。其组成除了缸外、尚包括伺服阀及控制器、反 馈传感器等。在工业自动化、航空航天、轧钢机、注塑机以 及风电设备等高速高精度要求的领域中都有应用。③磁感应 缸，它是一种通过磁电转换实现位置检测的液压缸。其核心 原理是在缸的活塞（杆）上安装永磁体（磁环），并在缸筒 外部（或内部）设置磁性传感器（如磁性开关），通过磁场 变化感知活塞位置，从而实现行程监测、定位控制或状态反 馈，具有低成本、易安装、可靠性高的优势。其核心价值在 于将传统液压缸升级为“可感知”执行器，为设备数智化提 供基础数据支持。此外尚有数字液压缸、增压缸等。
(4)按安装方式分类：液压缸有法兰式、底座式、销轴 式、耳环式、球头式等多种安装连接型式，用于不同的场景。
2.4适用领域
液压缸的主要适用领域有先进制造（如数控机床及加 工心等）、橡胶塑料机械（如硫化机、注塑机等）、汽车工 业（零部件的加工及整车的装配、焊接等）、矿山冶金（如采掘机、连铸机、高炉等）、工程机械（如挖掘机、装载机 等）、航空航天航海（飞机起落架、舰船舵机等）、检测与 测试（如拉力压力试验机等）、能源领域（如海上钻井平 台、LNG码头卸载臂等）、娱乐游艺机（如海盗船、旋转塔 和高空飞翔等设备等）等等。

3 气缸

3.1功能原理
除了工作介质不同外，气缸在结构组成、工作原理、图 形符号等方面，基本与液压缸类同，此处从略。
3.2性能特点
(1)工作介质是经济清洁的空气，不需回收处理，绿 色环保；空气的粘性小，在管路中流动时压力损失小，便于 集中供气和远距离输送。
(2)气缸的动作速度快，响应灵敏，能实现快速的启 停和换向。
(3)结构简单，制造容易，成本低廉，维护方便，使 用寿命长。
(4)可根据不同工作要求，方便进行组合集成，实现 复杂的运动控制（如半导体设备）。
(5)安全性高，在危险环境中使用时，不会燃爆。
(6)因压缩空气的工作压力较低（一般MPa）,故气缸 的输出力相对较小，一般用于轻载场合；另因空气的可压缩 性，不仅缸的定位精度不高，而且速度刚性较差，难以实现 精准的速度控制。
3.3主要类型
(1)按作用方式分类：有双作用缸和单作用缸两类， 其结构、原理及图形符号与同名液压缸类同。
(2)按结构特征分类：①活塞式缸，这是使用最为量 大面广的气缸。其组成与液压缸类同。活塞在缸筒内做往复 运动，通过活塞杆输出力和位移，可实现直线往复运动，常 用于各种机械的驱动、推压、拉伸等动作。②柱塞式缸，其 柱塞与缸筒内壁不接触，依靠缸筒端部的导向套对柱塞进行 导向。因缸筒内表面不需要精加工，结构简单，成本低，但 它只能单作用，回程需要借助外力（如弹簧力或其他机械装 置）。③膜片式缸（见图3），它利用膜片在气压作用下的 变形来推动活塞杆运动，靠弹簧力复位。具有结构紧凑、重 量轻、动作灵敏的优点，但输出力较小，行程较短，常用于一些要求响应速度快、安装空间受限的场合，如气动夹具、 小型控制阀等。

(3)按功能分类：①普通缸，它用于一般的直线往复 运动场合，对缸的性能和功能要求不高，主要满足基本的力 和位移输出要求。②气-液阻尼缸，它将气缸和液压缸组合 在一起，利用气体的可压缩性和液体的不可压缩性及粘性阻 尼，实现平稳的运动，兼具气缸动作快速和液压缸速度稳定 的特性，可用于要求运动速度稳定、定位精度高的场合。此 外还有冲击气缸、数字气缸、回转气缸和钢索气缸等类型。
(4)按安装方式分类：气缸有法兰式、底座式、摆动 式、嵌入式等安装方式，可用于多种场景。
3.4适用领域
气缸的主要适用领域有自动化生产线（如物料的输送、 定位、夹紧、装配等工序等）、人形机器人（如机器人手臂 的伸缩、旋转和关节的弯曲等动作等）、汽车工业（零部件 的加工、装配和检测、汽车的喷涂等）、电子设备制造（如 电子产品组装测试和包装等）、包装印刷行业（如包装袋 （盒）的封口、物料的填充、贴标、印刷等）等等。

4电动缸

4.1结构原理
如图4所示，电动缸是将伺服电机1、减速器2、联轴器 3、丝杠螺母7、缸筒8及活塞杆（亦称推杆）9等机械零部件 集成为一体，再配置所需的传感器、驱动器及控制器等检测控制元件，即可按图5所示的原理流程图进行工作：当控制 器发出动作指令时，伺服电机接受驱动器给定驱动电流而旋 转，经减速器降低转速并增加扭矩，带动丝杠转动，丝杠上 的螺母因受活塞杆的限制，不能随丝杠一起转动，只能沿丝 杠的轴向做直线运动，从而驱动与之相连的活塞杆及负载进 行直线往复运动。缸的位置、速度和力传感器由传感器进行 检测并反馈给控制器实施闭环控制，确保精确的位置和运动 控制。在JB/T 13811-2020行业标准中对电动缸图形符号进行了规定，其示例如图7所示。

4.2性能特点
(1)精度高。高精度的丝杠螺母及伺服电机的闭环控 制特性并用，再配以光栅尺、压力传感器等传感器进行检测反馈，可方便地实现位置、速度和推力的精确控制：重复精 度及定位控制精度高达±0.01mm及以上；推力控制精度可 达0.5%FS。
(2)速度高。可以较高的运行速度（可达数米秒甚至 更高）运转，满足某些快速运动场景的应用需求。
(3)负载大。能够承受较大的轴向负载，输出推力从 几百N到数十kN不等，可在全行程范围内任意位置达到额定 推力。
(4)数智化。可根据不同应用需求，利用运动控制、 数控及总线（网络）等技术，实现位置、速度和推力的数智 化控制。因其控制、使用的方便性，可实现液压缸和气缸所 不能企及的精密运动控制。
(5)节能环保。能量转换效率高，仅在运动时才消耗 能量，具有较好的节能效果。
(6)维护简便。没有液压和气动系统的油源和气源装置 及复杂管路，结构相对简单，安装维护简便，维护成本较低。
4.3主要类型
(1)按驱动电机分类：①直流电动缸，直流伺服电 机与高精度的滚珠丝杠配合，控制精度高；动态性能好，响 应速度快；运行平稳，过载能力强；需要直流电源供电，通 常为 24V、48V 或更高电压，电源系统相对简单，但需要配 备相应的直流电源设备，被广泛应用于自动化生产线、机器 人、医疗器械、航空航天等领域。②交流电动缸，交流伺服 电机功率密度高，故缸的输出功率大；精度保持性好；交流 伺服电机结构简单，故缸的可靠性高，使用寿命长，维护成 本低；电源通常为三相或单相交流电，常见电压有 220V、 380V 等；常用于数控机床、注塑机和电子制造领域等。③ 步进电动缸，步进电机通过接收脉冲信号来控制电机的转动 角度和步数，缸的额位置和速度控制精确； 一般为开环控 制，但对一些对精度要求较高的场合，则可以使用外部传感器或编码器等位置反馈元件（安装在电机上，输出轴位置的 旋转装置）构成闭环控制系统；低速性能好，在低速运行时 能够保持稳定的转速和力矩，不会出现抖动或失步现象；对电 源波动和电磁干扰具有一定的抗干扰能力，能够在较为恶劣的工 业环境中稳定工作，常用于包装印刷机械、自动化仓储设备中。
(2)按驱动方式分类：①直驱式（直连式），其伺服 电机与丝杆直接连接，使伺服电机的编码器直接反馈电缸移 动活塞的位移量，减少了中间环节的惯量和间隙，提高了响 应速度和控制精度；且因伺服电机与电动缸整体相连，故安 装容易、设定简单、使用便捷；但输出扭矩相对较小。②减 速式，它是在伺服电机和丝杆之间安装了减速器，可增大输 出扭矩，满足大负载的需求，但会增加一定的惯量和传动间 隙，影响其快速性和控制精度。
为了缩短电动缸的整体长度，以便将其用于安装空间较 小的场合，还可将减速式电动缸设计成伺服电机1、减速器2 与丝杆螺母9和活塞杆10不同轴的折叠式结构（见图6），通 过强度高、间隙小、寿命长的同步带4实现减速器和丝杠之间 的传动，故整个电动缸具有较高响应速度和控制精度，同时 伺服电机与电动缸配合灵活，易于安装、设定及使用简便。
(3)按结构分类：①丝杆式，它结构简单、成本低， 但精度和负载能力相对较低。②滚珠丝杠式，它具有高精 度、高速度和较高的负载能力，是目前应用最广泛的类型。
③行星滚柱丝杠式，它具有更高负载能力和刚性，适用于重 载和高精度要求的场合。
4.4适用场合
电动缸主要适用领域有工业自动化及机器人（如精确的 定位、搬运、装配等操作等）、先进制造（数控机床及加工 中心等）、航空航天航海（飞机襟翼及起落架、六自由度模 拟仿真平台等）、电子制造（电子元件生产线上芯片搬运、 精密焊接、封装等）、医疗器械（如医疗床的升降、手术机 器人的操作臂等），检测与测试（如拉力压力试验机、扭力 试验机等）、物流包装印刷（如输送机、堆垛机、封口机、 印刷机等）、娱乐游艺机（如动感座椅、旋转塔、机械人手 臂及关节等）等等。

5 应用行业综合分析比较与选型要点

5.1三种执行器的应用行业分析比较
液压缸和气缸早已且迄今仍然是众多重型机械和自动化装备执行器使用的选项。而在重型移动机械行业首选的执 行器依然是液压缸，或者使用电动缸尚不可行，例如挖掘机 等。制造和生产机械甚至那些使用自动化解决方案的机械设 备更常用的执行器选项则是气缸。在重型移动机械行业，正 处于采用电动缸的早期阶段，其机器上有一些工作机构正在 使用电动缸。但在建筑装备和其它移动机械中，电动缸正使 其成为一种可行的替代品，因为它比流体动力的执行器具有 许多优势，能够更好地满足某些应用场合的自动化和效率需 求。而电动缸能够克服液压气动中泄漏、噪声等许多问题， 且具有结构紧凑、布线简单、无流体泄漏及污染环境问题的 优势。
此外，电动缸在技术上已经达到了能够提供与液压缸相 当的负载能力的程度，故使其能够在更多场合获得应用；先 进的控制和诊断功能也可以集成到电动缸中，能够更好地实 现与其他机器和系统的通信，并监控性能以减少计划外停机 时间等。
5.2 液压缸、气缸和电动缸的选型要点如表1所示。