压电堆致活塞杆密封圈径向振动的低摩擦特性气缸

摘要

压电堆致活塞杆密封圈径向振动的低摩擦特性气缸，本发明涉及的是气动控制的技术领域。本发明是为了克服现有减摩结构存在噪音大、寿命短、制造难度大、体积大、油液污染、出力小、可靠性低的问题。它的缸筒的左侧中部为薄壁管径，薄壁管径的左端为法兰盘状圆环圆环内圆面处密封镶嵌有O型密封圈；高刚性套筒的左侧内圆面上圆周均匀设置有n个平面，n为偶数；活塞杆总成的右端活塞滑动密封设置在缸筒内部空腔中，活塞杆总成左侧的活塞杆滑动穿过O型密封圈后伸到缸筒左侧外端，高刚性套筒间隙套在缸筒左侧的薄壁管径和法兰盘状圆环外部。本发明在超声振动谐振状态下能降低活塞杆与缸体之间摩擦力的百分之七十以上，减摩效果良好。

说明书

技术领域

本发明涉及的是气动控制的技术领域。

背景技术

气缸的活塞在低速工作时，常发生时走时停的不连续运动现象，即气缸爬行。气缸爬行现象严重影响气压传动的精度。为消除此现象，常用方法为在控制信号上叠加颤振（Dither）信号以补偿气缸的摩擦力。但颤振信号的引入大大降低了控制阀的寿命，并带来不必要的噪声与抖动，因此应用受限。

另一种方法是利用气浮原理在气缸摩擦副之间引入一层气膜，从而明显减少气缸的动、静摩擦力，使气缸爬行现象得到很大改善。如专利CN102155465A。然而这种气浮低摩擦气缸在制造过程中，对各部件的加工精度提出了很高要求，且在大尺寸的气浮气缸加工制造中存在很大难度。

还有一种方法是在对低速性能要求较高的场合，气液联控伺服系统时常被使用。通过增加系统的阻尼，气缸低速的爬行有了很大的改善。但这一系统往往体积较大，且易引入油液污染。

还有一种方法是利用超声振动减小摩擦的原理在气缸上贴压电片，利用其输出的超声振动减小摩擦力。如专利CN103195770A、CN103195772A。但这种贴片式气缸存在压电片出力较小，与缸筒连接方式可靠性不够理想的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电堆致活塞杆密封圈径向振动的低摩擦特性气缸，本发明是为了克服现有减摩结构存在噪音大、寿命短、制造难度大、体积大、油液污染、出力小、可靠性低的问题。本发明的一种压电堆致活塞杆密封圈径向振动的低摩擦特性气缸，它由缸筒、高刚性套筒、活塞杆总成、多个压电堆、O型密封圈组成。

缸筒右端密封镶嵌有堵头，缸筒右端开有与缸筒内部空腔连通的通气端口，缸筒左侧中部开有与缸筒内部空腔连通的通气端口；缸筒的左侧中部为薄壁管径，薄壁管径的左端为法兰盘状圆环，圆环的外圆面上圆周均匀设置有n个平面，圆环内圆面处密封镶嵌有O型密封圈；高刚性套筒的左侧内圆面上圆周均匀设置有n个平面，n为偶数；活塞杆总成的右端活塞滑动密封设置在缸筒内部空腔中，活塞杆总成左侧的活塞杆滑动穿过O型密封圈后伸到缸筒左侧外端，高刚性套筒间隙套在缸筒左侧的薄壁管径和法兰盘状圆环外部，并使高刚性套筒的右端面与缸筒左侧台阶端面连接，圆环外圆面上的n个平面与高刚性套筒左侧内圆面上的n个平面分别平行相对，并且之间顶接有一个压电堆；多个压电堆的驱动规则为关于气缸轴线对称的每对压电堆同相输出，使圆环及薄壁管径产生圆筒径向弯曲振动。

本发明在超声振动谐振状态下能降低活塞杆与缸体之间摩擦力的百分之七十以上，减摩效果良好。本发明是通过对作用于活塞杆密封圈径向振动的控制，使气缸活塞杆密封处产生圆筒径向弯曲振动模态的基于超声减摩原理而设计的低摩擦气缸。其结构紧凑，可实现高频圆筒径向弯曲振动，具有出力较大、效率高、适用性强等特点，在低速气缸领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，

图2是图1中缸筒1和O型密封圈5的结构示意图，

图3是图1中高刚性套筒2的左视结构示意图，

图4是图2中缸筒1的左视放大结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式由缸筒1、高刚性套筒2、活塞杆总成3、多个压电堆4、O型密封圈5组成；

缸筒1右端密封镶嵌有堵头1-5，缸筒1右端开有与缸筒1内部空腔1-8连通的通气端口1-7，缸筒1左侧中部开有与缸筒1内部空腔1-8连通的通气端口1-6；缸筒1的左侧中部为薄壁管径1-1，薄壁管径1-1的左端为法兰盘状圆环1-2，圆环1-2的外圆面上圆周均匀设置有n个平面1-3，圆环1-2内圆面处密封镶嵌有O型密封圈5；高刚性套筒2的左侧内圆面上圆周均匀设置有n个平面2-1，n为偶数；活塞杆总成3的右端活塞滑动密封设置在缸筒1内部空腔1-8中，活塞杆总成3左侧的活塞杆滑动穿过O型密封圈5后伸到缸筒1左侧外端，高刚性套筒2间隙套在缸筒1左侧的薄壁管径1-1和法兰盘状圆环1-2外部，并使高刚性套筒2的右端面与缸筒1左侧台阶端面1-4连接，圆环1-2外圆面上的n个平面1-3与高刚性套筒2左侧内圆面上的n个平面2-1分别平行相对，并且之间顶接有一个压电堆4；多个压电堆4的驱动规则为关于气缸轴线对称的每对压电堆4同相输出，使圆环1-2及薄壁管径1-1产生圆筒径向弯曲振动。

所述每个压电堆4为THORLABS公司产品（PA3BCW 1.5×1.5×1 mm）。

所述每个压电堆4的驱动波形为正弦或三角波。

所述每个压电堆4的驱动频率为超声波频段，具体是整个装置的谐振频率，为150 kHz~170 kHz。

工作原理：所有压电堆4在工作时，通过圆环1-2推动O型密封圈5径向高频振动，使O型密封圈5与对应摩擦副处于高频振动状态，利用高频振动的减摩效应，减少摩擦副间的动、静摩擦系数的差值，进而削弱其低速运行时的动、静摩擦力的切换，以达到改善气缸低速运行时摩擦力等特性的目的，从而减少气缸的爬行现象。

具体实施方式二：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于缸筒1的左侧中部的薄壁管径1-1的壁厚为小于等于0.5 mm。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于圆环1-2的外圆面上的平面1-3的数量为四个，高刚性套筒2的左侧内圆面上的平面2-1的数量为四个。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式在具体实施方式一的基础上在圆环1-2的外圆面上的每两个平面1-3之间开有槽1-9，槽1-9的开口方向为圆环1-2的径向，并向内开口；槽1-9的宽度小于200微米。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式在于减小振动时的刚度，增大振动幅度，从而进一步减小气缸摩擦力，增大气缸有效输出力。