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        新型低摩擦氣缸的特性及其應(yīng)用

        2012-02-20 03:32:24賈瑞斌
        裝備制造技術(shù) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:密封圈氣缸實(shí)例

        賈瑞斌

        (SMC(中國)有限公司,北京 100176)

        氣動系統(tǒng)具有無污染、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)展的推動下,氣動技術(shù)得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用。目前,隨著氣動技術(shù)的深入發(fā)展,要求氣缸應(yīng)在“無泄漏”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)動平穩(wěn),并在低速運(yùn)動中應(yīng)無爬行現(xiàn)象,這是目前世界各國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)動中或啟動時(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)動元件與測試元件,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)對精密元件的操作、恒張/推力工作、勻速運(yùn)動的精密控制,可作為精密測量與控制中的新型感受器或測量元件[2]。

        需要說明的是,低摩擦氣缸與低速氣缸是兩個不同的概念,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,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,活塞能被推動并繼而完整運(yùn)動的整個行程,但并不意味著其在運(yùn)動中能恒速運(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非常小的恒速運(yùn)行,只須氣缸具有所需的足夠的行程長度,其壓力、溫度條件都能保持相對穩(wěn)定。在一些情況下,低速氣缸的啟動壓力,比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)氣缸的啟動壓力還要高。

        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個部分組成。

        圖1 低摩擦氣缸的結(jié)構(gòu)簡圖

        除提高氣缸的加工精度、采用特殊潤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)壓力高于無桿側(cè),為B型。

        從無桿側(cè)通口加壓(桿側(cè)通口排大氣)或雖兩側(cè)加壓,如無桿側(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個反向的單向密封圈或裝1個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,滑動阻力會增大。

        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)動輪表面的接觸壓力也維持不變。右圖中,移動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)壓縮量來決定的。過盈量大,其摩擦力較大,第一次運(yùn)動時(shí)的始動壓力很大,運(yùn)動中爬行現(xiàn)象明顯,反應(yīng)遲滯;過盈量小,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)動時(shí)的始動壓力要低。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,否則會增大滑動阻力。缸筒加工精度高,不得發(fā)生變形,否則會造成動作不良,進(jìn)而不能供油潤滑。

        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),浮動機(jī)構(gòu)4,滾珠導(dǎo)向套5。

        其中,浮動機(jī)構(gòu)可以允許軸發(fā)生錯動,從而不會咬住,使滑動阻力穩(wěn)定。

        圖3 MQQ/MQM系列低摩擦氣缸結(jié)構(gòu)簡圖

        本系列低摩擦氣缸的主要特點(diǎn)有:

        (1)滑動阻力小,在0.005 MPa的低壓力下也可驅(qū)動,且滑動阻力穩(wěn)定,長時(shí)間放置,滑動阻力無變化;

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

        (3)驅(qū)動速度在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;

        (4)因使用滾珠導(dǎo)向套,耐橫向負(fù)載性能提高;

        (5)對于無固定節(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,在短行程的場合,可以實(shí)現(xiàn)40次/s的連續(xù)往復(fù)驅(qū)動;

        (6)應(yīng)用滑動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(減小了可動部的凈質(zhì)量),無活塞結(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)簡圖

        本系列低摩擦氣缸的主要特點(diǎn)有:

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

        (2)無活塞,活塞和活塞桿為同一軸徑,可大大降低滑動阻力;

        (3)推力的變動小,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,即便一個回路上使用多個氣缸,也不會出現(xiàn)推力的變化;

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

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

        (6)可用于雙作用,使用2個MQP系列氣缸,與使用一個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,要求對微壓動作、微壓變動的響應(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)動精密元件等的搬運(yùn)的場合;

        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)動時(shí);

        如圖5(f)所示,用作沖孔,要求需高頻驅(qū)動時(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)動場合,第一種為等速、低速驅(qū)動,如圖8所示。

        圖8 MQQ/MQM系列等速、低速驅(qū)動推薦回路

        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??蓪?shí)現(xiàn)等速、低速的驅(qū)動,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部分的壓力,就得到了第二種經(jīng)典驅(qū)動形式——高速、高頻率驅(qū)動,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,如要進(jìn)行此類驅(qū)動,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)動推薦回路

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

        另外,在使用外力驅(qū)動作為推壓、張力控制時(shí),要將氣缸內(nèi)的空氣通過減壓閥溢流孔排除;因變位、驅(qū)動速度等因素,會使氣缸內(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,摩擦阻力會變化,所以要保證氣缸和負(fù)載移動時(shí)的同軸度。確實(shí)難以保證同軸度時(shí),需要使用諸如浮動接頭等合適的浮動裝置。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(過濾精度在0.3 μm以下)或AM+AMD系列(過濾精度在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)動動作。

        圖10 MQP系列一般驅(qū)動推薦回路

        5 結(jié)束語

        針對傳統(tǒng)低摩擦氣缸的密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的性能限制問題,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)動需求,對推進(jìn)超精密運(yùn)動控制技術(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)用氣動技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        [2]范 萌,彭光正,薛 陽,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)有限公司.樣本目錄CAT.CS20-156[K].北京:SMC(中國)有限公司,2006.

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