新型低摩擦气缸的特性及其应用

贾瑞斌

（SMC（中国）有限公司，北京 100176）

气动系统具有无污染、成本低、系统安全可靠等优点，在电子技术和计算机技术迅猛发展的推动下，气动技术得到越来越广泛的研究和应用。目前，随着气动技术的深入发展，要求气缸应在“无泄漏”或“少泄漏”的前提下，尽量减少摩擦力，使气缸能在任何状态下反映灵敏，运动平稳，并在低速运动中应无爬行现象，这是目前世界各国研究人员努力探索的课题之一[1]。

低摩擦气缸，是指气缸在活塞运动中或启动时，活塞和缸筒间摩擦极小的一种气缸。这种气缸作为一种精密的驱动元件与测试元件，有其广泛的用途，如用在航天航空、精密机械、电子、医疗、印刷等领域。其主要实现对精密元件的操作、恒张/推力工作、匀速运动的精密控制，可作为精密测量与控制中的新型感受器或测量元件[2]。

需要说明的是，低摩擦气缸与低速气缸是两个不同的概念，不应混淆。低摩擦气缸是气缸活塞两侧的压力相差并不大的情况下，活塞能被推动，其密封件、轴承衬套等，都具有低摩擦的特性。即气缸能在很低的压力条件下，活塞能被推动并继而完整运动的整个行程，但并不意味着其在运动中能恒速运行，或不产生爬行现象。

而低速气缸则主要表现在气缸活塞能以一个非常小的恒速运行，只须气缸具有所需的足够的行程长度，其压力、温度条件都能保持相对稳定。在一些情况下，低速气缸的启动压力，比常规标准气缸的启动压力还要高。

因此，低速气缸与低摩擦气缸从本质上而言，完全是两种不同的气缸[3]。

1 传统的低摩擦气缸

如图1所示，为传统低摩擦气缸的结构，其密封部分由活塞密封圈1，支撑“O”型圈2，活塞3，活塞静密封圈4和耐磨环5，这5个部分组成。

图1 低摩擦气缸的结构简图

除提高气缸的加工精度、采用特殊润滑脂和使用摩擦系数很小的材质外，活塞上只装单向密封圈，其滑动阻力特别小，只随气压的增大略有增加。低摩擦气缸的最低工作压力很低，可至0.01 MPa。

活塞上只装一个单向密封圈的低摩擦气缸，在使用时是有方向性的。从杆侧通口加压（另一侧排放大气）或虽两侧加压，如杆侧压力高于无杆侧，为B型。

从无杆侧通口加压（杆侧通口排大气）或虽两侧加压，如无杆侧压力高于杆侧，称F型。在选用时要注意。若在活塞上装有2个反向的单向密封圈或装1个压缩量很小的组合型密封，则低摩擦方向变成双向型。

低摩擦气缸，在低摩擦方向的速度控制应使用进气节流式（如图2所示），若使用排气节流，由于存在背压，滑动阻力会增大。

图2左图中，虽然卷筒外径发生变化，但气缸内压力能保持一定，故驱动轮表面的接触压力也维持不变。右图中，移动物体的形状和外径尺寸虽发生变化，但气缸作用在物体上的力f可维持不变。

图2 低摩擦气缸的速度控制方式（进气节流式）

需要指出的是，“O”型密封圈的摩擦力大小，是随预压缩量来决定的。过盈量大，其摩擦力较大，第一次运动时的始动压力很大，运动中爬行现象明显，反应迟滞；过盈量小，其密封性能较差。在此情况下，企图降低摩擦力是较困难的。现在多用弹性材料的碗形密封圈，用聚酯材料，其有着坚固而锋利的唇边，唇边受压后张开，起到密封作用，这些碗形比起“O”型密封圈第一次运动时的始动压力要低。但碗形密封圈也有其不足之处，即在高压下，其摩擦力也相当大。

低摩擦气缸有微漏，泄漏量小于0.5 L/min（ANR）。活塞杆不得有横向载荷，否则会增大滑动阻力。缸筒加工精度高，不得发生变形，否则会造成动作不良，进而不能供油润滑。

2 新型低摩擦气缸

上面介绍的低摩擦气缸，由于其密封结构为弹性密封，在匀速、高低压摩擦、高速、高频动作方面有所限制。新型低摩擦气缸采用间隙密封结构、滚珠导向套等新技术，克服了传统低摩擦气缸的弱点[4]。

2.1 薄型低摩擦气缸MQQ和耐横向负载型低摩擦气缸MQM系列

图3所示为新型低摩擦气缸中薄型低摩擦气缸MQQ和耐横向负载型低摩擦气缸MQM系列的结构简图。其核心组件有：活塞杆1（材料为碳钢，通常经铬酸盐处理），衬套2（材料为特殊不锈钢），活塞3（材料为特殊不锈钢），浮动机构4，滚珠导向套5。

其中，浮动机构可以允许轴发生错动，从而不会咬住，使滑动阻力稳定。

图3 MQQ/MQM系列低摩擦气缸结构简图

本系列低摩擦气缸的主要特点有：

（1）滑动阻力小，在0.005 MPa的低压力下也可驱动，且滑动阻力稳定，长时间放置，滑动阻力无变化；

（2）使用寿命长，可运行10 000 km或往返1亿次；

（3）驱动速度在0.3 mm/s以上的速度范围内，可以实现平稳及等速运动；

（4）因使用滚珠导向套，耐横向负载性能提高；

（5）对于无固定节流的高速高频H型气缸，能够实现3 000 mm/s的高速驱动，在短行程的场合，可以实现40次/s的连续往复驱动；

（6）应用滑动阻力小的间隙密封结构，扩大了普通低摩擦气缸中不能使用的驱动速度范围及输出力控制的能力。

MQQ系列气缸的缸径10～40 mm，行程范围10～100 mm，使用压力范围0.005～0.7 MPa，运动速度范围0.3～500 mm/s。

MQM系列气缸的缸径10～25 mm，行程范围15～100 mm，使用压力范围 0.01～0.7 MPa，运动速度范围0.5～3 000 mm/s。

2.2 单作用型低摩擦气缸MQP系列

如图3所示为新型低摩擦气缸中薄型低摩擦气缸MQQ和耐横向负载型低摩擦气缸MQM系列的结构简图，其核心组件有：活塞杆1（材料为特殊不锈钢），活塞杆内部中空结构2（减小了可动部的净质量），无活塞结构3，护套4（材料为不锈钢），球面形状5，不易受偏负载的影响。

图4 MQP型低摩擦气缸结构简图

本系列低摩擦气缸的主要特点有：

（1）无爬行，在0.01 mm左右的微小行程中，也不会出现爬行；

（2）无活塞，活塞和活塞杆为同一轴径，可大大降低滑动阻力；

（3）推力的变动小，受压径的偏差在3 μm以下时，即使更换气缸，也不需要再次调整推力。另外，即便一个回路上使用多个气缸，也不会出现推力的变化；

（4）低摩擦，软接触，滑动阻力低且稳定，可精确控制0.01 N左右的输出力，长期放置后，滑动阻力无变化；

（5）高精度直线控制，因滑动阻力小，可实现精密的直线控制；

（6）可用于双作用，使用2个MQP系列气缸，与使用一个MQQ、MQM双作用间隙密封气缸相比，其推力精度可提高，同时可得到推出、缩回方向同样的推力。

MQP系列气缸的等效缸径 4～20 mm，行程10 mm，使用压力范围0.001～0.7 MPa，可动部件质量4～103 g，推力控制范围0.01～200 N。

3 新型低摩擦气缸应用实例

3.1 MQQ/MQM系列应用实例

如图5（a）所示，MQQ/MQM系列低摩擦气缸用于晶片的研磨，用作气缸能响应微压变动推压控制；

如图5（b）所示，气缸用于弯面的切断，此条件下，要求经常有恒定输出力，用作如玻璃、透镜等的切断、破坏作业；

如图5（c）所示，用于线圈的绕线，要求对微压动作、微压变动的响应张量进行控制；

如图5（d）所示，作精密元件搬送，用于低速或等速驱动精密元件等的搬运的场合；

如图5（e）所示，用作不合格产品的排除，要求所需高速驱动时；

如图5（f）所示，用作冲孔，要求需高频驱动时。

图5 MQQ/MQM系列低摩擦气缸应用实例

3.2 MQP系列应用实例

如图6所示为MQP系列低摩擦气缸双作用应用实例，使用2只MQP系列气缸，可提高MQQ、MQM双作用间隙气缸的推力精度。同时可得到推出、缩回方向同样的推力。

图6 MQP系列低摩擦气缸双作用应用实例

如图7所示，为MQP系列低摩擦气缸单作用的应用实例，气缸分别用于电子元件的检查、安装，高精度的直线控制，和线圈的绕线。

图7 MQP系列低摩擦气缸单作用应用实例

4 新型低摩擦气缸推荐回路

4.1 MQQ/MQM系列推荐回路

MQQ/MQM系列低摩擦气缸一般有3种运动场合，第一种为等速、低速驱动，如图8所示。

图8 MQQ/MQM系列等速、低速驱动推荐回路

在此应用下，在油雾分离之后，经由电磁换向阀的控制，使用精密减阀和精密节流阀调速。可实现等速、低速的驱动，但是气缸输出力不能进行控制，而且要求使用的电磁换向阀为间隙密封型。

如果不使用精密减压阀，直接使用电磁换向阀控制气缸两个部分的压力，就得到了第二种经典驱动形式——高速、高频率驱动，电磁阀仍要求使用间隙密封型。

第三种形式为带输出力控制的低速驱动，如要进行此类驱动，推荐使用电-气比例阀，如图9所示。

图9 MQQ/MQM系列低速及输出力控制驱动推荐回路

进行气缸的输出力控制时，不应再通过速度控制阀等设计节流回路，因为在气缸内部压力降低后，就无法控制驱动作业。必须采取压力控制方式进行控制驱动作业。

另外，在使用外力驱动作为推压、张力控制时，要将气缸内的空气通过减压阀溢流孔排除；因变位、驱动速度等因素，会使气缸内压力上升，所以要在气缸间设置气罐，其作为低摩擦力使用，若有侧向负载存在，摩擦阻力会变化，所以要保证气缸和负载移动时的同轴度。确实难以保证同轴度时，需要使用诸如浮动接头等合适的浮动装置。使用干净空气时（大气压露点为-10℃以下），推荐使用：AM系列油雾分离器（过滤精度在0.3 μm以下）或AM+AMD系列（过滤精度在0.01 μm以下）。

4.2 MQP系列推荐回路

图10为MQP系列低摩擦气缸作为一般驱动的推荐回路。为避免气缸内部压力下降及不能进行高精度的推力控制，不能使用速度控制阀等节流回路，务必采用压力控制进行控制驱动动作。

图10 MQP系列一般驱动推荐回路

5 结束语

针对传统低摩擦气缸的密封结构导致的性能限制问题，介绍了薄型低摩擦气缸/耐横向负载型低摩擦气缸、单作用型低摩擦气缸等新型低摩擦气缸，结合新型低摩擦气缸的特点和技术参数对比，给出了两种低摩擦气缸的典型应用实例，并设计推荐了在典型应用中的气压控制回路。新型低摩擦气缸的良好特性，可满足快速平稳驱动需求，对推进超精密运动控制技术的研究，具有重要的工程实用价值。

[1]徐文灿.现代实用气动技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]范 萌，彭光正，薛 阳，赵 彤.单出杆低摩擦气缸位置伺服控制系统的分析与研究[J].机床与液压，2003，（2）：72-73.

[3]王雄耀.低速气缸与高速气缸[J].机械工程师，2000，（1）：34-35.

[4]SMC(中国)有限公司.样本目录CAT.CS20-156[K].北京:SMC(中国)有限公司,2006.