CN108302085B - 一种缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，主要由活塞、活塞杆、缸筒组成，气缸外部设有位移传感器、控制器和放大器，在缸筒的周向、轴向上均匀分布着一定数量的节流孔，活塞杆前端通过空气轴承支撑在气缸前端盖，活塞与缸筒之间有一定间隙，通过控制对缸筒上活塞区域的节流孔供气使活塞圆周面上产生承载气膜，气膜流经活塞泄压孔后再由中空的活塞杆排至大气，这样，活塞组件依据气浮原理实现了无摩擦运动；另外，空气轴承两端设有向心关节轴承和密封圈，减小了因活塞与活塞杆偏心而导致运动组件卡死的可能。本发明通过缸筒的独立供气和活塞杆的自排气，保证承载气膜不受两腔气压影响，扩大了无摩擦气缸的应用范围。

Description

一种缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸

技术领域

本发明涉及一种气缸，尤其涉及一种缸筒独立供气的双作用气浮式无摩擦气缸。

背景技术

气缸作为一种常见的气动执行元件在装配过程中通常采用机械密封，这样在活塞密封圈和缸筒内壁之间，以及活塞杆和端盖的防尘密封圈及导向套之间不可避免地会产生滑动摩擦。

事实上，为了有效降低气缸内部摩擦力，提高气缸工作效率，人们在这一方面做了诸多尝试。一般来说，减小气缸摩擦力的方法有提高缸筒内壁加工精度、选用摩擦系数低的密封圈、采用新型润滑脂以及改善密封形式。虽然这些传统方法在一定程度上降低了气缸的摩擦力，但是这些方法的缺点显而易见：加工制造成本高、维护困难以及零件寿命短。

随着相关技术的不断发展，业内在降低气缸内部摩擦力这一方面取得了很大的突破。一种是日本SMC公司的低摩擦气缸MQQL系列，该系列气缸在活塞杆与导向套之间、活塞与导筒之间采用间隙密封，有杆侧前端采用滚珠导向套，这确实有效降低了气缸的摩擦力，不过它对径向负载敏感、结构复杂、价格很高；另一种是膜片式气缸，该气缸密封性好，无摩擦阻力，无需润滑，但气缸行程短，大多用于生产过程控制中的夹紧和阀门开闭等工作，其应用范围十分有限。

为使气缸实现高精度的输出力控制，基于气体润滑技术的无摩擦气缸被提出。

中国发明专利申请公布号为CN103047221A的“一种双作用气悬浮无摩擦气缸”公布了一种利用气浮原理设计的一种无摩擦气缸，它是利用高压腔的压缩空气通过活塞内部节流孔为活塞供气以形成气膜来承载活塞，之后活塞与缸筒间隙中的气体通过活塞中间的泄压槽和中空活塞杆排向大气，从而实现活塞组件的无摩擦运动。但是，这种设计存在这样的缺陷：当活塞杆负载力为零或者负载力较小时，来不及产生足以承载活塞使活塞和缸筒内壁不接触的气膜，这样无摩擦气缸失去了原先的效果。

中国发明专利申请号CN103016444A公布了“一种缸筒供气的气悬浮无摩擦气缸”，它的内缸筒上均匀分布着一定数量的节流孔，内缸筒与外缸筒存在一定的间隙，高压气体进入间隙内通过内缸筒上的节流孔在活塞与缸筒间形成承载气膜，与此同时，活塞周围的气体通过泄压孔流入低压腔，实现气缸的无摩擦运动。但该设计有以下缺点：该气缸驱动方式为单作用，必须通过外力作用才能使活塞杆复位，可以看出该气缸的应用范围十分有限。

因此，有必要设计一种不受负载力影响、适用范围广的气浮无摩擦气缸。

发明内容

为了能够产生稳定的气膜来支撑活塞实现无摩擦运动，扩大无摩擦气缸的应用范围，本发明提供了一种缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，包括活塞、活塞杆和缸筒，所述缸筒两端设有气缸前端盖和气缸后端盖，所述气缸前端盖内设有空气轴承，所述气缸前端盖上有前端盖进气口和空气轴承进气口，

所述气缸后端盖上有后端盖进气口，在活塞杆内部设有排气通道，所述活塞杆穿过气缸前端盖内的空气轴承延伸至缸筒内与活塞通过螺纹固定连接，所述活塞与缸筒内壁之间留有第一间隙，其特征在于，

在所述缸筒上方沿径向打通孔形成节流孔，所述节流孔沿周向和径向均匀分布；所述节流孔与气管相连，所述气缸外部设有位移传感器、控制器和放大器，所述位移传感器与控制器的AD/DA接口相连，所述控制器的DO接口与放大器的输入接口相连，所述放大器的输出接口与电磁开关阀相连；所述电磁开关阀设置在与节流孔相连的气管上；

在所述活塞任意一侧端面上设置轴向延伸的盲孔作为第三泄压孔，所述活塞两端圆周面上分别设有第一环形泄压凹槽和第二环形泄压凹槽，活塞有杆端的中心设有盲孔作为第四泄压孔，在第二环形泄压凹槽的底部设置沿径向延伸的、连通第四泄压孔、第三泄压孔与第二环形泄压凹槽的第二泄压孔，在所述第一环形泄压凹槽的底部设置沿径向延伸的、连通第三泄压孔与第一环形泄压凹槽的第一泄压孔。

进一步的，所述第一泄压孔、第二泄压孔及第三泄压孔的数量均为多个，均在活塞周向上均匀分布。

进一步的，所述空气轴承前后端分别通过向心关节轴承和密封圈套装在气缸前端盖内，所述空气轴承后端与气缸前端盖内壁之间留有第二间隙。

进一步的，所述空气轴承与向心关节轴承之间采用过盈配合。

进一步的，所述向心关节轴承前端设有第一孔用弹性挡圈，密封圈前端设有第二孔用弹性挡圈。

进一步的，所述活塞内部第二泄压孔的数量为X个，第一泄压孔和第三泄压孔的数量为 2X个，其中X≥2。

进一步的，所述缸筒在同一圆周面上至少有三个分布均匀的节流孔。

进一步的，所述活塞处于任意位置时，在活塞两条环形泄压凹槽之间的轴向上至少有三排节流孔。

进一步的，所述缸筒上位于同一排上的节流孔均接在同一根气管上。

进一步的，所述活塞杆的端面设有与排气通道相通的调节螺钉，所述调节螺钉的前端为锥形，且锥形上端有与大气相通的内部通道。

采用上述方案后，本发明的有益效果为：即使气缸的负载力很小，通过控制对缸筒上活塞区域的节流孔供气使活塞圆周面上产生稳定的承载气膜，不受两腔气压影响，从而实现气缸的无摩擦运动；而且，该气缸通过缸筒独立供气，气缸可通过进气口和出气口的交替供气完成往复运动，扩大了该无摩擦气缸的应用范围；另外，由于向心关节轴承的作用，在一定程度上解决了无摩擦气缸径向负载敏感的问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明活塞的三维结构图；

图3是本发明活塞结构图；

图4是图3的A-A截面图；

图5是本发明前端盖截面结构示意图。

附图标记：1-位移传感器，2-第一孔用弹性挡圈，3-空气轴承进气口，4-密封圈，5-前端盖进气口，6-控制器，7-放大器，8-电磁开关阀，9-后端盖进气口，10-气缸后端盖，11-第一O型密封圈，12-节流孔，13-第一间隙，14-第四泄压孔，15-活塞，16-活塞杆，17-排气通道，18-缸筒，19-气缸前端盖，20-第二孔用弹性挡圈，21-空气轴承，22-向心关节轴承， 23-固定螺母，24-第一泄压孔，25-第一环形泄压凹槽，26-第二环形泄压凹槽，27-第二泄压孔，28-第三泄压孔，29-堵头，30-第二间隙，31-第二O型密封圈，32-可调螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1至图5所示，本发明所述的一种缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，它由活塞15、活塞杆16、缸筒18组成，在气缸外部设有位移传感器1、控制器6和放大器7，所述缸筒18的两端分别设有气缸前端盖19和气缸后端盖10，所述气缸前端盖19内部设有空气轴承21。

所述气缸前端盖19上有前端盖进气口5和空气轴承进气口3，所述气缸后端盖10上有后端盖进气口9，前后端盖的进气口用来对气缸进行供气、排气，以完成活塞杆16的前后运动；空气轴承进气口5用于对空气轴承21供气，使活塞杆16前端达到气浮效果。

所述空气轴承21前后两端分别通过向心关节轴承22和密封圈4套装在气缸前端盖19内且与气缸前端盖19之间留有一定的第二间隙30，可以保证空气轴承21可以左右摆动，摆动角度可以通过选用不同机械强度的密封圈4进行调整，这样有效地减小了因活塞15与活塞杆 16偏心而导致二者卡死在缸筒18的可能；另外，由于密封圈4的作用，有效地阻止了空气轴承进气口3与前端盖进气口5之间气体的泄漏；所述空气轴承21前后端在气缸前端盖19 处设有第一孔用弹性挡圈2和第二孔用弹性挡圈20，目的是为了防止前端向心关节轴承22 和密封圈4的轴向窜动；空气轴承21与向心关节轴承22之间采用过盈配合，防止空气轴承 21受前端盖进气口5处的气压而发生轴向移动。

在活塞杆16内部设有排气通道17，所述活塞杆16穿过气缸前端盖19内的空气轴承21 延伸至缸筒18内与活塞15通过螺纹固定连接。所述活塞15位于缸筒18内且与缸筒18之间有第一间隙13，以保证活塞15能够实现气浮。所述活塞15内部具有多个泄压孔，对活塞15周围的气体进行泄压，保证活塞15周围始终具有稳定的承载气膜。具体的，在所述活塞15任意一侧端面上设置轴向延伸的盲孔作为第三泄压孔28，所述活塞15两端圆周面上分别设有第一环形泄压凹槽25和第二环形泄压凹槽26，活塞15有杆端的中心设有盲孔作为第四泄压孔14，在第二环形泄压凹槽26的底部设置沿径向延伸的、连通第四泄压孔14、第三泄压孔28与第二环形泄压凹槽26的第二泄压孔27，在所述第一环形泄压凹槽25的底部设置沿径向延伸的、连通第三泄压孔28与第一环形泄压凹槽25的第一泄压孔24。所述活塞15的第三泄压孔28的开口端用堵头29堵住，避免缸筒18被活塞所分成的两个腔室的气压影响活塞15承载气膜的泄压。

所述缸筒18的周向和轴向上均匀分布着多个节流孔12，所述节流孔12与气管连接。外部压缩空气通过节流孔12使高压气体均匀的作用在活塞15周围形成承载气膜。所述节流孔 12与气管相连，所述位移传感器1与控制器6的AD/DO接口相连，所述控制器6的DO接口与电磁开关阀8相连，其中位移传感器1可以是与活塞杆相接触的，例如拉杆式传感器；也可以是非接触式，例如激光传感器，它用来采集活塞15的实时位置信号并将信号传输给控制器6，控制器6通过这些信号根据之前编好的程序精确地控制电磁开关阀8的闭合，其中控制器6的输出信号要经过放大器7的放大后作用于电磁开关阀8，从而完成对节流孔12有规律的供气，例如在活塞15上的一端环形泄压凹槽离开节流孔12时，所述凹槽对应节流孔12的电磁开关阀8应处于关闭状态；活塞15上的另一端形泄压凹槽此时到达节流孔12，所述凹槽对应节流孔12的电磁开关阀8应处于打开状态。

为了使气膜分布均匀以达到更好的气浮效果，所述缸筒18位于同一圆周面上的节流孔12数目不少于三个，且所述活塞15处于任意位置时，在活塞15的两条环形泄压凹槽之间的轴向上至少有三排流孔。考虑到成本因素，一排节流孔12应当接在同一根气管上，n排节流孔由n个电磁开关阀8(图1中以圆点作为省略)控制。

所述活塞15周围的气体经第一环形泄压凹槽25和第二环形泄压凹槽26后通过活塞杆 16内部的排气通道17排向大气，实现泄压。另外，活塞杆16前端面设有与排气通道17相通的调节螺钉32，螺钉前端为锥形且锥形内部有与大气相通的通道，这样可通过调节螺钉32 来调节排气流量，使得承载气膜不至于很快的消失。

本发明的具体工作原理如下：

在气缸工作前，需要根据活塞15两端环形泄压凹槽对应于缸筒18上每一排节流孔12时位移传感器1上的信息编好相关程序内置到控制器6。之后，同时对活塞15周围的节流孔12 和空气轴承进气口3供气，控制器6通过相应程序将信号输入到放大器7中，信号经放大后使位于活塞15两端环形泄压凹槽内的节流孔12处的电磁开关阀8处于开启状态，这时压缩空气经节流孔12在活塞15周围迅速形成分布均匀的承载气膜，当气体流经活塞15两端环形泄压凹槽时，高压气体通过活塞15内部的泄压孔至活塞杆内部的排气通道17后排入大气，这样整个活塞15在承载气膜的作用下始终处于气浮状态；与此同时，活塞杆16前端在于空气轴承21的作用下也处于气浮状态，从而活塞15、活塞杆16同时处于悬浮状态。这时，通过对前端盖进气口5和后端盖进气口9的交替供气，即可实现气缸的往复无摩擦运动；另外，由于空气轴承21两端向心关节轴承22和密封圈4的作用，有效降低了因活塞14与活塞杆 16偏心而导致运动组件卡死在缸筒内的可能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，包括活塞（15）、活塞杆（16）和缸筒（18），所述缸筒（18）两端设有气缸前端盖（19）和气缸后端盖（10），所述气缸前端盖（19）内设有空气轴承（21），所述气缸前端盖（19）上有前端盖进气口（5）和空气轴承进气口（3），

所述气缸后端盖（10）上有后端盖进气口（9），在活塞杆（16）内部设有排气通道（17），所述活塞杆（16）穿过气缸前端盖（19）内的空气轴承（21）延伸至缸筒（18）内与活塞（15）通过螺纹固定连接，所述活塞（15）与缸筒（18）内壁之间留有第一间隙（13），其特征在于，

在所述缸筒（18）上方沿径向打通孔形成节流孔（12），所述节流孔（12）沿周向和径向均匀分布；所述节流孔（12）与气管相连，所述气缸外部设有位移传感器（1）、控制器（6）和放大器（7），所述位移传感器（1）与控制器（6）的AD/DA接口相连，所述控制器（6）的DO接口与放大器（7）的输入接口相连，所述放大器（7）的输出接口与电磁开关阀（8）相连；所述电磁开关阀（8）设置在与节流孔（12）相连的气管上；

在所述活塞（15）任意一侧端面上设置轴向延伸的盲孔作为第三泄压孔（28），所述活塞（15）两端圆周面上分别设有第一环形泄压凹槽（25）和第二环形泄压凹槽（26），活塞（15）有杆端的中心设有盲孔作为第四泄压孔（14），在第二环形泄压凹槽（26）的底部设置沿径向延伸的、连通第四泄压孔（14）、第三泄压孔（28）与第二环形泄压凹槽（26）的第二泄压孔（27），在所述第一环形泄压凹槽（25）的底部设置沿径向延伸的、连通第三泄压孔（28）与第一环形泄压凹槽（25）的第一泄压孔（24）；

所述空气轴承（21）前后端分别通过向心关节轴承（22）和密封圈（4）套装在气缸前端盖（19）内，所述空气轴承（21）后端与气缸前端盖（19）内壁之间留有第二间隙（30）；

所述缸筒（18）上位于同一排上的节流孔（12）均接在同一根气管上。

2.如权利要求1所述的缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，其特征在于，所述第一泄压孔（24）、第二泄压孔（27）及第三泄压孔（28）的数量均为多个，均在活塞（15）周向上均匀分布。

3.如权利要求1所述的缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，其特征在于，所述空气轴承（21）与向心关节轴承（22）之间采用过盈配合。

4.如权利要求1所述的缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，其特征在于，所述向心关节轴承（22）前端设有第一孔用弹性挡圈（2），密封圈（4）前端设有第二孔用弹性挡圈（20）。

5.如权利要求1-4中任一项所述的缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，其特征在于，所述活塞（15）内部第二泄压孔（27）的数量为X个，第一泄压孔（24）和第三泄压孔（28）的数量为2X个，其中X≥2。

6.如权利要求5所述的缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，其特征在于，所述缸筒（18）在同一圆周面上至少有三个分布均匀的节流孔（12）。

7.如权利要求6所述的缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，其特征在于，所述活塞（15）处于任意位置时，在活塞（15）两条环形泄压凹槽之间的轴向上至少有三排节流孔（12）。

8.如权利要求1所述的缸筒独立供气的双作用气浮无摩擦气缸，其特征在于，所述活塞杆（16）的端面设有与排气通道（17）相通的调节螺钉（32），所述调节螺钉（32）的前端为锥形，且锥形上端有与大气相通的内部通道。