新型低摩擦氣缸的特性及其應用

賈瑞斌

（SMC（中國）有限公司，北京 100176）

氣動系統具有無污染、成本低、系統安全可靠等優點，在電子技術和計算機技術迅猛發展的推動下，氣動技術得到越來越廣泛的研究和應用。目前，隨著氣動技術的深入發展，要求氣缸應在“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下反映靈敏，運動平穩，并在低速運動中應無爬行現象，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，是指氣缸在活塞運動中或啟動時，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、精密機械、電子、醫療、印刷等領域。其主要實現對精密元件的操作、恒張/推力工作、勻速運動的精密控制，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，不應混淆。低摩擦氣缸是氣缸活塞兩側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動的整個行程，但并不意味著其在運動中能恒速運行，或不產生爬行現象。

而低速氣缸則主要表現在氣缸活塞能以一個非常小的恒速運行，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定。在一些情況下，低速氣缸的啟動壓力，比常規標準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上而言，完全是兩種不同的氣缸[3]。

1 傳統的低摩擦氣缸

如圖1所示，為傳統低摩擦氣缸的結構，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5，這5個部分組成。

圖1 低摩擦氣缸的結構簡圖

除提高氣缸的加工精度、采用特殊潤滑脂和使用摩擦系數很小的材質外，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，在使用時是有方向性的。從桿側通口加壓（另一側排放大氣）或雖兩側加壓，如桿側壓力高于無桿側，為B型。

從無桿側通口加壓（桿側通口排大氣）或雖兩側加壓，如無桿側壓力高于桿側，稱F型。在選用時要注意。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使用進氣節流式（如圖2所示），若使用排氣節流，由于存在背壓，滑動阻力會增大。

圖2左圖中，雖然卷筒外徑發生變化，但氣缸內壓力能保持一定，故驅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（進氣節流式）

需要指出的是，“O”型密封圈的摩擦力大小，是隨預壓縮量來決定的。過盈量大，其摩擦力較大，第一次運動時的始動壓力很大，運動中爬行現象明顯，反應遲滯；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。現在多用彈性材料的碗形密封圈，用聚酯材料，其有著堅固而鋒利的唇邊，唇邊受壓后張開，起到密封作用，這些碗形比起“O”型密封圈第一次運動時的始動壓力要低。但碗形密封圈也有其不足之處，即在高壓下，其摩擦力也相當大。

低摩擦氣缸有微漏，泄漏量小于0.5 L/min（ANR）。活塞桿不得有橫向載荷，否則會增大滑動阻力。缸筒加工精度高，不得發生變形，否則會造成動作不良，進而不能供油潤滑。

2 新型低摩擦氣缸

上面介紹的低摩擦氣缸，由于其密封結構為彈性密封，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構、滾珠導向套等新技術，克服了傳統低摩擦氣缸的弱點[4]。

2.1 薄型低摩擦氣缸MQQ和耐橫向負載型低摩擦氣缸MQM系列

圖3所示為新型低摩擦氣缸中薄型低摩擦氣缸MQQ和耐橫向負載型低摩擦氣缸MQM系列的結構簡圖。其核心組件有：活塞桿1（材料為碳鋼，通常經鉻酸鹽處理），襯套2（材料為特殊不銹鋼），活塞3（材料為特殊不銹鋼），浮動機構4，滾珠導向套5。

其中，浮動機構可以允許軸發生錯動，從而不會咬住，使滑動阻力穩定。

圖3 MQQ/MQM系列低摩擦氣缸結構簡圖

本系列低摩擦氣缸的主要特點有：

（1）滑動阻力小，在0.005 MPa的低壓力下也可驅動，且滑動阻力穩定，長時間放置，滑動阻力無變化；

（2）使用壽命長，可運行10 000 km或往返1億次；

（3）驅動速度在0.3 mm/s以上的速度范圍內，可以實現平穩及等速運動；

（4）因使用滾珠導向套，耐橫向負載性能提高；

（5）對于無固定節流的高速高頻H型氣缸，能夠實現3 000 mm/s的高速驅動，在短行程的場合，可以實現40次/s的連續往復驅動；

（6）應用滑動阻力小的間隙密封結構，擴大了普通低摩擦氣缸中不能使用的驅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和耐橫向負載型低摩擦氣缸MQM系列的結構簡圖，其核心組件有：活塞桿1（材料為特殊不銹鋼），活塞桿內部中空結構2（減小了可動部的凈質量），無活塞結構3，護套4（材料為不銹鋼），球面形狀5，不易受偏負載的影響。

圖4 MQP型低摩擦氣缸結構簡圖

本系列低摩擦氣缸的主要特點有：

（1）無爬行，在0.01 mm左右的微小行程中，也不會出現爬行；

（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，即使更換氣缸，也不需要再次調整推力。另外，即便一個回路上使用多個氣缸，也不會出現推力的變化；

（4）低摩擦，軟接觸，滑動阻力低且穩定，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，可實現精密的直線控制；

（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，可動部件質量4～103 g，推力控制范圍0.01～200 N。

3 新型低摩擦氣缸應用實例

3.1 MQQ/MQM系列應用實例

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，要求經常有恒定輸出力，用作如玻璃、透鏡等的切斷、破壞作業；

如圖5（c）所示，用于線圈的繞線，要求對微壓動作、微壓變動的響應張量進行控制；

如圖5（d）所示，作精密元件搬送，用于低速或等速驅動精密元件等的搬運的場合；

如圖5（e）所示，用作不合格產品的排除，要求所需高速驅動時；

如圖5（f）所示，用作沖孔，要求需高頻驅動時。

圖5 MQQ/MQM系列低摩擦氣缸應用實例

3.2 MQP系列應用實例

如圖6所示為MQP系列低摩擦氣缸雙作用應用實例，使用2只MQP系列氣缸，可提高MQQ、MQM雙作用間隙氣缸的推力精度。同時可得到推出、縮回方向同樣的推力。

圖6 MQP系列低摩擦氣缸雙作用應用實例

如圖7所示，為MQP系列低摩擦氣缸單作用的應用實例，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用實例

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種運動場合，第一種為等速、低速驅動，如圖8所示。

圖8 MQQ/MQM系列等速、低速驅動推薦回路

在此應用下，在油霧分離之后，經由電磁換向閥的控制，使用精密減閥和精密節流閥調速。可實現等速、低速的驅動，但是氣缸輸出力不能進行控制，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，就得到了第二種經典驅動形式——高速、高頻率驅動，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動，如要進行此類驅動，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動推薦回路

進行氣缸的輸出力控制時，不應再通過速度控制閥等設計節流回路，因為在氣缸內部壓力降低后，就無法控制驅動作業。必須采取壓力控制方式進行控制驅動作業。

另外，在使用外力驅動作為推壓、張力控制時，要將氣缸內的空氣通過減壓閥溢流孔排除；因變位、驅動速度等因素，會使氣缸內壓力上升，所以要在氣缸間設置氣罐，其作為低摩擦力使用，若有側向負載存在，摩擦阻力會變化，所以要保證氣缸和負載移動時的同軸度。確實難以保證同軸度時，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（大氣壓露點為-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動的推薦回路。為避免氣缸內部壓力下降及不能進行高精度的推力控制，不能使用速度控制閥等節流回路，務必采用壓力控制進行控制驅動動作。

圖10 MQP系列一般驅動推薦回路

5 結束語

針對傳統低摩擦氣缸的密封結構導致的性能限制問題，介紹了薄型低摩擦氣缸/耐橫向負載型低摩擦氣缸、單作用型低摩擦氣缸等新型低摩擦氣缸，結合新型低摩擦氣缸的特點和技術參數對比，給出了兩種低摩擦氣缸的典型應用實例，并設計推薦了在典型應用中的氣壓控制回路。新型低摩擦氣缸的良好特性，可滿足快速平穩驅動需求，對推進超精密運動控制技術的研究，具有重要的工程實用價值。

[1]徐文燦.現代實用氣動技術[M].北京：機械工業出版社，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的分析與研究[J].機床與液壓，2003，（2）：72-73.

[3]王雄耀.低速氣缸與高速氣缸[J].機械工程師，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.