新型低摩擦氣缸的特性及其應(yīng)用

賈瑞斌

（SMC（中國(guó)）有限公司，北京 100176）

氣動(dòng)系統(tǒng)具有無(wú)污染、成本低、系統(tǒng)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，氣動(dòng)技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。目前，隨著氣動(dòng)技術(shù)的深入發(fā)展，要求氣缸應(yīng)在“無(wú)泄漏”或“少泄漏”的前提下，盡量減少摩擦力，使氣缸能在任何狀態(tài)下反映靈敏，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，并在低速運(yùn)動(dòng)中應(yīng)無(wú)爬行現(xiàn)象，這是目前世界各國(guó)研究人員努力探索的課題之一[1]。

低摩擦氣缸，是指氣缸在活塞運(yùn)動(dòng)中或啟動(dòng)時(shí)，活塞和缸筒間摩擦極小的一種氣缸。這種氣缸作為一種精密的驅(qū)動(dòng)元件與測(cè)試元件，有其廣泛的用途，如用在航天航空、精密機(jī)械、電子、醫(yī)療、印刷等領(lǐng)域。其主要實(shí)現(xiàn)對(duì)精密元件的操作、恒張/推力工作、勻速運(yùn)動(dòng)的精密控制，可作為精密測(cè)量與控制中的新型感受器或測(cè)量元件[2]。

需要說(shuō)明的是，低摩擦氣缸與低速氣缸是兩個(gè)不同的概念，不應(yīng)混淆。低摩擦氣缸是氣缸活塞兩側(cè)的壓力相差并不大的情況下，活塞能被推動(dòng)，其密封件、軸承襯套等，都具有低摩擦的特性。即氣缸能在很低的壓力條件下，活塞能被推動(dòng)并繼而完整運(yùn)動(dòng)的整個(gè)行程，但并不意味著其在運(yùn)動(dòng)中能恒速運(yùn)行，或不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

而低速氣缸則主要表現(xiàn)在氣缸活塞能以一個(gè)非常小的恒速運(yùn)行，只須氣缸具有所需的足夠的行程長(zhǎng)度，其壓力、溫度條件都能保持相對(duì)穩(wěn)定。在一些情況下，低速氣缸的啟動(dòng)壓力，比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)氣缸的啟動(dòng)壓力還要高。

因此，低速氣缸與低摩擦氣缸從本質(zhì)上而言，完全是兩種不同的氣缸[3]。

1 傳統(tǒng)的低摩擦氣缸

如圖1所示，為傳統(tǒng)低摩擦氣缸的結(jié)構(gòu)，其密封部分由活塞密封圈1，支撐“O”型圈2，活塞3，活塞靜密封圈4和耐磨環(huán)5，這5個(gè)部分組成。

圖1 低摩擦氣缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

除提高氣缸的加工精度、采用特殊潤(rùn)滑脂和使用摩擦系數(shù)很小的材質(zhì)外，活塞上只裝單向密封圈，其滑動(dòng)阻力特別小，只隨氣壓的增大略有增加。低摩擦氣缸的最低工作壓力很低，可至0.01 MPa。

活塞上只裝一個(gè)單向密封圈的低摩擦氣缸，在使用時(shí)是有方向性的。從桿側(cè)通口加壓（另一側(cè)排放大氣）或雖兩側(cè)加壓，如桿側(cè)壓力高于無(wú)桿側(cè)，為B型。

從無(wú)桿側(cè)通口加壓（桿側(cè)通口排大氣）或雖兩側(cè)加壓，如無(wú)桿側(cè)壓力高于桿側(cè)，稱F型。在選用時(shí)要注意。若在活塞上裝有2個(gè)反向的單向密封圈或裝1個(gè)壓縮量很小的組合型密封，則低摩擦方向變成雙向型。

低摩擦氣缸，在低摩擦方向的速度控制應(yīng)使用進(jìn)氣節(jié)流式（如圖2所示），若使用排氣節(jié)流，由于存在背壓，滑動(dòng)阻力會(huì)增大。

圖2左圖中，雖然卷筒外徑發(fā)生變化，但氣缸內(nèi)壓力能保持一定，故驅(qū)動(dòng)輪表面的接觸壓力也維持不變。右圖中，移動(dòng)物體的形狀和外徑尺寸雖發(fā)生變化，但氣缸作用在物體上的力f可維持不變。

圖2 低摩擦氣缸的速度控制方式（進(jìn)氣節(jié)流式）

需要指出的是，“O”型密封圈的摩擦力大小，是隨預(yù)壓縮量來(lái)決定的。過(guò)盈量大，其摩擦力較大，第一次運(yùn)動(dòng)時(shí)的始動(dòng)壓力很大，運(yùn)動(dòng)中爬行現(xiàn)象明顯，反應(yīng)遲滯；過(guò)盈量小，其密封性能較差。在此情況下，企圖降低摩擦力是較困難的?，F(xiàn)在多用彈性材料的碗形密封圈，用聚酯材料，其有著堅(jiān)固而鋒利的唇邊，唇邊受壓后張開，起到密封作用，這些碗形比起“O”型密封圈第一次運(yùn)動(dòng)時(shí)的始動(dòng)壓力要低。但碗形密封圈也有其不足之處，即在高壓下，其摩擦力也相當(dāng)大。

低摩擦氣缸有微漏，泄漏量小于0.5 L/min（ANR）?；钊麠U不得有橫向載荷，否則會(huì)增大滑動(dòng)阻力。缸筒加工精度高，不得發(fā)生變形，否則會(huì)造成動(dòng)作不良，進(jìn)而不能供油潤(rùn)滑。

2 新型低摩擦氣缸

上面介紹的低摩擦氣缸，由于其密封結(jié)構(gòu)為彈性密封，在勻速、高低壓摩擦、高速、高頻動(dòng)作方面有所限制。新型低摩擦氣缸采用間隙密封結(jié)構(gòu)、滾珠導(dǎo)向套等新技術(shù)，克服了傳統(tǒng)低摩擦氣缸的弱點(diǎn)[4]。

2.1 薄型低摩擦氣缸MQQ和耐橫向負(fù)載型低摩擦氣缸MQM系列

圖3所示為新型低摩擦氣缸中薄型低摩擦氣缸MQQ和耐橫向負(fù)載型低摩擦氣缸MQM系列的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其核心組件有：活塞桿1（材料為碳鋼，通常經(jīng)鉻酸鹽處理），襯套2（材料為特殊不銹鋼），活塞3（材料為特殊不銹鋼），浮動(dòng)機(jī)構(gòu)4，滾珠導(dǎo)向套5。

其中，浮動(dòng)機(jī)構(gòu)可以允許軸發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，從而不會(huì)咬住，使滑動(dòng)阻力穩(wěn)定。

圖3 MQQ/MQM系列低摩擦氣缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本系列低摩擦氣缸的主要特點(diǎn)有：

（1）滑動(dòng)阻力小，在0.005 MPa的低壓力下也可驅(qū)動(dòng)，且滑動(dòng)阻力穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間放置，滑動(dòng)阻力無(wú)變化；

（2）使用壽命長(zhǎng)，可運(yùn)行10 000 km或往返1億次；

（3）驅(qū)動(dòng)速度在0.3 mm/s以上的速度范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)及等速運(yùn)動(dòng)；

（4）因使用滾珠導(dǎo)向套，耐橫向負(fù)載性能提高；

（5）對(duì)于無(wú)固定節(jié)流的高速高頻H型氣缸，能夠?qū)崿F(xiàn)3 000 mm/s的高速驅(qū)動(dòng)，在短行程的場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)40次/s的連續(xù)往復(fù)驅(qū)動(dòng)；

（6）應(yīng)用滑動(dòng)阻力小的間隙密封結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了普通低摩擦氣缸中不能使用的驅(qū)動(dòng)速度范圍及輸出力控制的能力。

MQQ系列氣缸的缸徑10～40 mm，行程范圍10～100 mm，使用壓力范圍0.005～0.7 MPa，運(yùn)動(dòng)速度范圍0.3～500 mm/s。

MQM系列氣缸的缸徑10～25 mm，行程范圍15～100 mm，使用壓力范圍 0.01～0.7 MPa，運(yùn)動(dòng)速度范圍0.5～3 000 mm/s。

2.2 單作用型低摩擦氣缸MQP系列

如圖3所示為新型低摩擦氣缸中薄型低摩擦氣缸MQQ和耐橫向負(fù)載型低摩擦氣缸MQM系列的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其核心組件有：活塞桿1（材料為特殊不銹鋼），活塞桿內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)2（減小了可動(dòng)部的凈質(zhì)量），無(wú)活塞結(jié)構(gòu)3，護(hù)套4（材料為不銹鋼），球面形狀5，不易受偏負(fù)載的影響。

圖4 MQP型低摩擦氣缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本系列低摩擦氣缸的主要特點(diǎn)有：

（1）無(wú)爬行，在0.01 mm左右的微小行程中，也不會(huì)出現(xiàn)爬行；

（2）無(wú)活塞，活塞和活塞桿為同一軸徑，可大大降低滑動(dòng)阻力；

（3）推力的變動(dòng)小，受壓徑的偏差在3 μm以下時(shí)，即使更換氣缸，也不需要再次調(diào)整推力。另外，即便一個(gè)回路上使用多個(gè)氣缸，也不會(huì)出現(xiàn)推力的變化；

（4）低摩擦，軟接觸，滑動(dòng)阻力低且穩(wěn)定，可精確控制0.01 N左右的輸出力，長(zhǎng)期放置后，滑動(dòng)阻力無(wú)變化；

（5）高精度直線控制，因滑動(dòng)阻力小，可實(shí)現(xiàn)精密的直線控制；

（6）可用于雙作用，使用2個(gè)MQP系列氣缸，與使用一個(gè)MQQ、MQM雙作用間隙密封氣缸相比，其推力精度可提高，同時(shí)可得到推出、縮回方向同樣的推力。

MQP系列氣缸的等效缸徑 4～20 mm，行程10 mm，使用壓力范圍0.001～0.7 MPa，可動(dòng)部件質(zhì)量4～103 g，推力控制范圍0.01～200 N。

3 新型低摩擦氣缸應(yīng)用實(shí)例

3.1 MQQ/MQM系列應(yīng)用實(shí)例

如圖5（a）所示，MQQ/MQM系列低摩擦氣缸用于晶片的研磨，用作氣缸能響應(yīng)微壓變動(dòng)推壓控制；

如圖5（b）所示，氣缸用于彎面的切斷，此條件下，要求經(jīng)常有恒定輸出力，用作如玻璃、透鏡等的切斷、破壞作業(yè)；

如圖5（c）所示，用于線圈的繞線，要求對(duì)微壓動(dòng)作、微壓變動(dòng)的響應(yīng)張量進(jìn)行控制；

如圖5（d）所示，作精密元件搬送，用于低速或等速驅(qū)動(dòng)精密元件等的搬運(yùn)的場(chǎng)合；

如圖5（e）所示，用作不合格產(chǎn)品的排除，要求所需高速驅(qū)動(dòng)時(shí)；

如圖5（f）所示，用作沖孔，要求需高頻驅(qū)動(dòng)時(shí)。

圖5 MQQ/MQM系列低摩擦氣缸應(yīng)用實(shí)例

3.2 MQP系列應(yīng)用實(shí)例

如圖6所示為MQP系列低摩擦氣缸雙作用應(yīng)用實(shí)例，使用2只MQP系列氣缸，可提高M(jìn)QQ、MQM雙作用間隙氣缸的推力精度。同時(shí)可得到推出、縮回方向同樣的推力。

圖6 MQP系列低摩擦氣缸雙作用應(yīng)用實(shí)例

如圖7所示，為MQP系列低摩擦氣缸單作用的應(yīng)用實(shí)例，氣缸分別用于電子元件的檢查、安裝，高精度的直線控制，和線圈的繞線。

圖7 MQP系列低摩擦氣缸單作用應(yīng)用實(shí)例

4 新型低摩擦氣缸推薦回路

4.1 MQQ/MQM系列推薦回路

MQQ/MQM系列低摩擦氣缸一般有3種運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，第一種為等速、低速驅(qū)動(dòng)，如圖8所示。

圖8 MQQ/MQM系列等速、低速驅(qū)動(dòng)推薦回路

在此應(yīng)用下，在油霧分離之后，經(jīng)由電磁換向閥的控制，使用精密減閥和精密節(jié)流閥調(diào)速。可實(shí)現(xiàn)等速、低速的驅(qū)動(dòng)，但是氣缸輸出力不能進(jìn)行控制，而且要求使用的電磁換向閥為間隙密封型。

如果不使用精密減壓閥，直接使用電磁換向閥控制氣缸兩個(gè)部分的壓力，就得到了第二種經(jīng)典驅(qū)動(dòng)形式——高速、高頻率驅(qū)動(dòng)，電磁閥仍要求使用間隙密封型。

第三種形式為帶輸出力控制的低速驅(qū)動(dòng)，如要進(jìn)行此類驅(qū)動(dòng)，推薦使用電-氣比例閥，如圖9所示。

圖9 MQQ/MQM系列低速及輸出力控制驅(qū)動(dòng)推薦回路

進(jìn)行氣缸的輸出力控制時(shí)，不應(yīng)再通過(guò)速度控制閥等設(shè)計(jì)節(jié)流回路，因?yàn)樵跉飧變?nèi)部壓力降低后，就無(wú)法控制驅(qū)動(dòng)作業(yè)。必須采取壓力控制方式進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)作業(yè)。

另外，在使用外力驅(qū)動(dòng)作為推壓、張力控制時(shí)，要將氣缸內(nèi)的空氣通過(guò)減壓閥溢流孔排除；因變位、驅(qū)動(dòng)速度等因素，會(huì)使氣缸內(nèi)壓力上升，所以要在氣缸間設(shè)置氣罐，其作為低摩擦力使用，若有側(cè)向負(fù)載存在，摩擦阻力會(huì)變化，所以要保證氣缸和負(fù)載移動(dòng)時(shí)的同軸度。確實(shí)難以保證同軸度時(shí)，需要使用諸如浮動(dòng)接頭等合適的浮動(dòng)裝置。使用干凈空氣時(shí)（大氣壓露點(diǎn)為-10℃以下），推薦使用：AM系列油霧分離器（過(guò)濾精度在0.3 μm以下）或AM+AMD系列（過(guò)濾精度在0.01 μm以下）。

4.2 MQP系列推薦回路

圖10為MQP系列低摩擦氣缸作為一般驅(qū)動(dòng)的推薦回路。為避免氣缸內(nèi)部壓力下降及不能進(jìn)行高精度的推力控制，不能使用速度控制閥等節(jié)流回路，務(wù)必采用壓力控制進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。

圖10 MQP系列一般驅(qū)動(dòng)推薦回路

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)低摩擦氣缸的密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的性能限制問(wèn)題，介紹了薄型低摩擦氣缸/耐橫向負(fù)載型低摩擦氣缸、單作用型低摩擦氣缸等新型低摩擦氣缸，結(jié)合新型低摩擦氣缸的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)對(duì)比，給出了兩種低摩擦氣缸的典型應(yīng)用實(shí)例，并設(shè)計(jì)推薦了在典型應(yīng)用中的氣壓控制回路。新型低摩擦氣缸的良好特性，可滿足快速平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)需求，對(duì)推進(jìn)超精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

[1]徐文燦.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]范 萌，彭光正，薛 陽(yáng)，趙 彤.單出桿低摩擦氣缸位置伺服控制系統(tǒng)的分析與研究[J].機(jī)床與液壓，2003，（2）：72-73.

[3]王雄耀.低速氣缸與高速氣缸[J].機(jī)械工程師，2000，（1）：34-35.

[4]SMC(中國(guó))有限公司.樣本目錄CAT.CS20-156[K].北京:SMC(中國(guó))有限公司,2006.