CN116972044A - 一种表面节流型无摩擦平衡气缸及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种表面节流型无摩擦平衡气缸及工作方法，它包含前端盖、缸体、活塞杆、活塞和后端盖；所述活塞的外表面上开有两个圆周凹槽，与前端盖相邻的圆周凹槽为供气槽，与后端盖相邻的圆周凹槽为卸气槽，卸气槽内开有与缸体内腔相通的卸气孔，活塞的与后端盖相邻的端面上沿轴向布置有供气通道，卸气孔与供气通道不相通，供气槽上开有与供气通道相通的供气孔，所述活塞的外表面设置有三段圆周凸台，以使气体进入到活塞与缸体之间的间隙中进行表面节流形成压力气膜。本发明占用空间小、加工装配简单、精度高、不易坏，能可靠的适用于超精密机床垂直轴平稳的垂直运动。
Description
技术领域
本发明属于气缸技术领域，尤其涉及一种表面节流型无摩擦平衡气缸及工作方法。
背景技术
超精密机床在超精密加工、测量等领域发挥着巨大的作用。近年来，许多学者展开了针对超精密机床垂直轴的相关研究，为了保证超精密机床垂直轴高精度、平稳的垂直运动，必须设计适当的平衡系统以抵消垂直轴移动部件的重力，并且要求平衡系统必须最大限度的消除摩擦力以避免影响加工或测量精度，因此，平衡系统对保证超精密垂直轴伺服控制精度和加工稳定性具有重要作用。目前较为常见的垂直轴平衡系统主要有机械平衡和气缸平衡两种形式。
传统的气缸结构为实现降低摩擦的目的，通常采用提高零部件的加工和装配精度、改用特质的低摩擦材料、涂抹润滑脂、使用隔膜囊等手段来降低摩擦力。这些方法均只是通过各种途径降低了摩擦力，但并未真正意义上实现无摩擦。目前，针对无摩擦气缸的研究往往是通过气浮轴承来实现气缸的无摩擦性能，如CN116044859A涉及表面节流型无摩擦气缸，采用了气体静压轴承和若干个小孔节流器，达到节流和实现无摩擦接触的目的，但此种方式加大了装配难度，并影响运行精度。国内外学者在气浮轴承的动态特性和运行稳定性方面做了大量研究并取得了很多成果，也对无摩擦平衡气缸做了很多研究，但面向超精密机床垂直轴重力平衡系统的专用气缸研究还较少。因此，研究一种适用于超精密机床垂直轴的气浮无摩擦平衡气缸势在必行。
发明内容
本发明为克服现有技术，提供一种表面节流型无摩擦平衡气缸及工作方法。该节流型平衡气缸用于超精密机床垂直轴的重力平衡，可满足超精密机床垂直轴高精度、平稳运动的需求。
一种表面节流型无摩擦平衡气缸包含前端盖、缸体、活塞杆、活塞和后端盖，前端盖和后端盖之间布置有与二者密封连接的缸体，活塞杆和活塞布置在缸体内，活塞杆的一端可滑动地设置在前端盖上，活塞杆的另一端固定在活塞上，活塞与缸体的内表面滑动接触；
所述活塞的外表面上开有两个圆周凹槽，与前端盖相邻的圆周凹槽为供气槽，与后端盖相邻的圆周凹槽为卸气槽，卸气槽内开有与缸体内腔相通的卸气孔，活塞的与后端盖相邻的端面上沿轴向布置有供气通道，卸气孔与供气通道不相通，供气槽上开有与供气通道相通的供气孔，所述活塞的外表面设置有三段圆周凸台，以使气体进入到活塞与缸体之间的间隙中进行表面节流形成压力气膜。
进一步地，活塞杆的两端分别连接有球型接头，所述活塞杆后端的球型接头通过固定球头螺母与连接活塞螺栓相连，连接活塞螺栓与活塞相连，所述连接活塞螺栓位于活塞中心，所述活塞杆前端的球型接头通过固定球头螺母与固定球头螺栓相连。
进一步地，所述前端盖内和后端盖内分别固定有防止活塞冲击的缓冲凸台。
进一步地，所述三段圆周凸台分别为与前端盖相邻的第一段圆周凸台，位于卸气槽两侧的第二段圆周凸台和第三段圆周凸台，第三段圆周凸台与后端盖相邻设置。
一种表面节流型无摩擦平衡气缸的工作方法，高压气体首先经后端盖侧面进气口和缓冲凸台的内孔进入缸体内部，进入缸体内部的高压气体的一部分经由活塞内部的供气通道再由供气孔及供气槽流入活塞与缸体之间的间隙中，由供气槽流入间隙的高压气体一部分往上遇到第一段圆周凸台进行表面节流形成压力气膜，再继续往上运动直接排出缸体，由供气槽流入间隙的高压气体的另一部分往下遇到第二段圆周凸台进行表面节流形成压力气膜，再经卸气槽及卸气孔进入活塞和缸体内并排出；进入缸体内部的高压气体的另一部分则直接从活塞的邻近后端盖的外侧面底部进入到活塞与缸体之间的间隙中，高压气体向上运动遇到第三段圆周凸台进行表面节流形成压力气膜，再经由卸气槽及卸气孔进入活塞和缸体内并排出。
本发明相比现有技术的有益效果是：
一、现有的无摩擦气缸的气浮轴承节流方式通常采用小孔节流式，小孔节流需要额外安装节流器，且节流器数量较多会加大装配难度影响运行精度。而表面节流是在轴承气膜表面设置凸台进行节流，由于没有节流孔无需考虑减小气膜厚度的限制，可以一定程度提高刚度，同时减小气体流量，在精密轴系中使用较为广泛。因此本发明采用表面节流型。
二、现有的无摩擦气缸为了避免由于单向供气导致的气缸内部的压差从而造成气体回流的现象，通常采用双路供气，这对加工装配要求较高且耗气量大。本发明在活塞上设置有两个凹槽，位于活塞下部的凹槽为卸气槽，位于活塞上部的凹槽为供气槽，卸气槽的设置保障了从底部向上的高压气体和从上方供气凹槽往下的高压气体的卸压，从而避免了气体回流的现象。
三、在活塞杆两端采用球型接头结构，方便活塞杆与垂直轴系连接件的装调，降低了传统无摩擦气缸活塞杆与垂直轴系连接件的装调同轴度要求，双球型接头的设计还可以避免活塞杆对活塞与缸体之间形成的表面节流气浮轴承的附加弯矩，使其仅受径向载荷。同时采用固定球头处螺栓、固定球头处螺母两个简单结构保证了活塞与活塞杆的稳定性连接。
四、在缸体内部前端盖下方及后端盖上方设置有聚氨酯材料的缓冲凸台，避免了活塞运动过程中产生较大的冲击从而损坏活塞。
五、后端盖和缸体之间采用O型圈密封，保证了通入高压气体不会从缸体底部泄露。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的表面节流型无摩擦平衡气缸的立体图；
图2为本发明的表面节流型无摩擦平衡气缸的分解图；
图3为本发明的剖面结构示意图；
图4为本发明的活塞的立体图；
图5为本发明的活塞上设置有圆周凸台的示意图；
图6为活塞的断面图；
图7为图6中A-A处的剖面图；
图8为图6中B-B处的剖面图；
图9为本发明气体流向示意图；
附图标号说明：
1、固定球头螺栓；2、固定球头螺母；3、球型接头；4、固定螺母；5、前端盖；6、缓冲凸台；7、缸体；8、活塞杆；9、连接活塞螺栓；10、活塞；10-1、供气槽；10-3、供气通道；10-2、卸气槽；10-4、第一段圆周凸台；10-5、第二段圆周凸台；10-6、第三段圆周凸台；10-10、供气孔；10-20、卸气孔；11、O型圈；12、通用接头；13、后端盖。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
结合图1-图8说明，本实施方式的一种表面节流型无摩擦平衡气缸包含前端盖5、缸体7、活塞杆8、活塞10和后端盖13，前端盖5和后端盖13之间布置有与二者密封连接的缸体7，活塞杆8和活塞10布置在缸体7内，活塞杆8的一端可滑动地设置在前端盖5上，活塞杆8的另一端固定在活塞10上，活塞10与缸体7的内表面滑动接触；
所述活塞10的外表面上开有两个圆周凹槽，与前端盖5相邻的圆周凹槽为供气槽10-1，与后端盖13相邻的圆周凹槽为卸气槽10-2，卸气槽10-2内开有与缸体7内腔相通的卸气孔10-20，活塞10的与后端盖13相邻的端面上沿轴向布置有供气通道10-3，卸气孔10-20与供气通道10-3不相通，供气槽10-1上开有与供气通道10-3相通的供气孔10-10，所述活塞10的外表面设置有三段圆周凸台，以使气体进入到活塞10与缸体7之间的间隙中进行表面节流形成压力气膜。
本实施方式在活塞上设置有两个圆周凹槽，位于活塞后部的凹槽为卸气槽，位于活塞前部的凹槽为供气槽，卸气槽的设置保障了从底部向上的高压气体和从上方供气凹槽往下的高压气体的卸压，从而避免了气体回流的现象。
本实施方式通过设计供气槽、供气孔及卸气槽、卸气孔和供气通道及相互关系，并配合设置圆周凸台，使的气体进入到活塞10与缸体7之间的间隙中进行表面节流形成压力气膜，使活塞与缸体之间非接触，实现了往复运动过程中活塞和缸体之间的无摩擦，克服了通常采用提高零部件的加工和装配精度、改用特质的低摩擦材料、涂抹润滑脂、使用隔膜囊等手段只能降低摩擦力的弱点。本方案节流型平衡气缸整体占用空间小、加工装配简单、精度高且能可靠的适用于超精密机床垂直轴高精度、平稳的垂直运动。
具体地，如图4和图5所示，所述三段圆周凸台分别为与前端盖5相邻的第一段圆周凸台10-4，位于卸气槽10-2两侧的第二段圆周凸台10-5和第三段圆周凸台10-6，第三段圆周凸台10-6与后端盖13相邻设置。
第一段圆周凸台10-4和第二段圆周凸台10-5分别保证了由供气槽10-1流入间隙的高压气体一部分往上遇到圆周凸台进行表面节流形成压力气膜和由供气槽10-1流入间隙的高压气体的另一部分往下遇到圆周凸台进行表面节流形成压力气膜，第三段圆周凸台10-6保证了进入缸体7内部的高压气体的另一部分向上运动遇到圆周凸台进行表面节流形成压力气膜。
具体地，如图3所示，所述前端盖5内和后端盖13内分别固定有防止活塞10冲击的缓冲凸台6。进一步地，所述缓冲凸台6的材质为聚氨酯。如此设置，避免了活塞运动过程中产生较大的冲击从而损坏活塞。
所述供气孔10-10与卸气孔10-20均垂直缸体7的轴向设置，确保气体稳定流动。
具体地，如图3所示，活塞杆8的两端分别连接有球型接头3，所述活塞杆8后端的球型接头3通过固定球头螺母2与连接活塞螺栓9相连，连接活塞螺栓9与活塞10相连，所述连接活塞螺栓9位于活塞10中心，所述活塞杆8前端的球型接头3通过固定球头螺母2与固定球头螺栓1相连。此种设置的目的在于：在活塞杆两端采用球型接头结构，方便活塞杆与垂直轴系连接件的装调，降低了传统无摩擦气缸活塞杆与垂直轴系连接件的装调同轴度要求，双球型接头的设计还可以避免活塞杆对活塞与缸体之间形成的表面节流气浮轴承的附加弯矩，使其仅受径向载荷。同时采用固定球头处螺栓、固定球头处螺母两个简单结构保证了活塞与活塞杆的稳定性连接，实现与外部执行元件的连接固定。所述固定球头螺栓1设置有螺纹凸台，方便与垂直轴系连接件的安装。
具体地，所述缸体7与后端盖13之间通过O型圈11密封。如此设置，保证了通入高压气体不会从缸体底部泄露。
进一步地，所述后端盖13的侧面开设进气口，进气口分别与供气通道10-3和通用接头12相连通。此种设置的目的在于：气体经由进气口进入气缸内部，并最终由前端盖5内孔流出气缸。
基于前述任何一个实施例或其组合的表面节流型无摩擦平衡气缸，还提供一种表面节流型无摩擦平衡气缸的工作方法，结合图6-图9说明(图9中箭头所示方向为气体流动方向，图7-图9中的C、D、E、F、H、G处表示相应的圆周凸台和活塞其余表面过渡区域，及图9中该区域放大后气流走向及表面节流形成压力气膜的示意，其中C和F处代表第一段圆周凸台10-4，D和G处代表第二段圆周凸台10-5，E和H处代表第三段圆周凸台10-6，，J表示供气槽处活塞10与缸体7之间的缝隙处放大图，I表示卸气槽处活塞10与缸体7之间的缝隙处放大图以便于理解本实施例。
高压气体首先经后端盖13侧面进气口和缓冲凸台6的内孔进入气缸7内部，进入气缸7内部的高压气体的一部分经由活塞10内部的供气通道10-3再由供气孔10-10及供气槽10-1流入活塞10与缸体7之间的间隙中，由供气槽10-1流入间隙的高压气体一部分往上遇到第一段圆周凸台10-4(C和F处凸台)进行表面节流形成压力气膜，再继续往上运动直接排出缸体7；由供气槽10-1流入间隙的高压气体的另一部分往下遇到第二段圆周凸台10-5(D和G处凸台)进行表面节流形成压力气膜，再经卸气槽10-2及卸气孔10-20进入活塞10和缸体7内并排出；进入缸体7内部的高压气体的另一部分则直接从活塞10的邻近后端盖13的外侧面底部进入到活塞10与缸体7之间的间隙中，高压气体向上运动遇到第三段圆周凸台10-6(E和H处凸台)进行表面节流形成压力气膜，再经由卸气槽10-2及卸气孔10-20进入活塞10和缸体7内并排出。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (9)
1.一种表面节流型无摩擦平衡气缸，包含前端盖(5)、缸体(7)、活塞杆(8)、活塞(10)和后端盖(13)，前端盖(5)和后端盖(13)之间布置有与二者密封连接的缸体(7)，活塞杆(8)和活塞(10)布置在缸体(7)内，活塞杆(8)的一端可滑动地设置在前端盖(5)上，活塞杆(8)的另一端固定在活塞(10)上，活塞(10)与缸体(7)的内表面滑动接触；
其特征在于：所述活塞(10)的外表面上开有两个圆周凹槽，与前端盖(5)相邻的圆周凹槽为供气槽(10-1)，与后端盖(13)相邻的圆周凹槽为卸气槽(10-2)，卸气槽(10-2)内开有与缸体(7)的内腔相通的卸气孔(10-20)，活塞(10)的与后端盖(13)相邻的端面上沿轴向布置有供气通道(10-3)，卸气孔(10-20)与供气通道(10-3)不相通，供气槽(10-1)上开有与供气通道(10-3)相通的供气孔(10-10)，所述活塞(10)的外表面设置有三段圆周凸台，以使气体进入到活塞(10)与缸体(7)之间的间隙中进行表面节流形成压力气膜。
2.根据权利要求1所述一种表面节流型无摩擦平衡气缸，其特征在于：所述前端盖(5)内和后端盖(13)内分别固定有防止活塞(10)冲击的缓冲凸台(6)。
3.根据权利要求2所述一种表面节流型无摩擦平衡气缸，其特征在于：所述缓冲凸台(6)的材质为聚氨酯。
4.根据权利要求1所述一种表面节流型无摩擦平衡气缸，其特征在于：所述供气孔(10-10)与卸气孔(10-20)均垂直缸体(7)的轴向设置。
5.根据权利要求1所述一种表面节流型无摩擦平衡气缸，其特征在于：所述三段圆周凸台分别为与前端盖(5)相邻的第一段圆周凸台(10-4)，位于卸气槽(10-2)两侧的第二段圆周凸台(10-5)和第三段圆周凸台(10-6)，第三段圆周凸台(10-6)与后端盖(13)相邻设置。
6.根据权利要求1所述一种表面节流型无摩擦平衡气缸，其特征在于：活塞杆(8)的两端分别连接有球型接头(3)，所述活塞杆(8)后端的球型接头(3)通过固定球头螺母(2)与连接活塞螺栓(9)相连，连接活塞螺栓(9)与活塞(10)相连，所述连接活塞螺栓(9)位于活塞(10)中心，所述活塞杆(8)前端的球型接头(3)通过固定球头螺母(2)与固定球头螺栓(1)相连。
7.根据权利要求1所述一种表面节流型无摩擦平衡气缸，其特征在于：所述缸体(7)与后端盖(13)之间通过O型圈(11)密封。
8.根据权利要求1所述一种表面节流型无摩擦平衡气缸，其特征在于：所述后端盖(13)的侧面开设进气口，进气口分别与供气通道(10-3)和通用接头(12)相连通。
9.一种根据权利要求5所述表面节流型无摩擦平衡气缸的工作方法，其特征在于：高压气体首先经后端盖(13)的侧面进气口和缓冲凸台(6)的内孔进入缸体(7)内部，进入缸体(7)内部的高压气体的一部分经由活塞(10)内部的供气通道(10-3)再由供气孔(10-10)及供气槽(10-1)流入活塞(10)与缸体(7)之间的间隙中，由供气槽(10-1)流入间隙的高压气体一部分往上遇到第一段圆周凸台(10-4)进行表面节流形成压力气膜，再继续往上运动直接排出缸体(7)；由供气槽(10-1)流入间隙的高压气体的另一部分往下遇到第二段圆周凸台(10-5)进行表面节流形成压力气膜，再经卸气槽(10-2)及卸气孔(10-20)进入活塞(10)和缸体(7)内并排出；进入缸体(7)内部的高压气体的另一部分则直接从活塞(10)的邻近后端盖(13)的外侧面底部进入到活塞(10)与缸体(7)之间的间隙中，高压气体向上运动遇到第三段圆周凸台(10-6)进行表面节流形成压力气膜，再经由卸气槽(10-2)及卸气孔(10-20)进入活塞(10)和缸体(7)内并排出。
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2023
- 2023-08-29 CN CN202311102087.9A patent/CN116972044A/zh active Pending
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