一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸
技术领域
本发明涉及一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸，属于气缸设备技术领域。
背景技术
气缸是指引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件，其主要用以印刷（张力控制）、半导体加工（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人驱动等技术领域，随着超精密加工制造与测量等高尖端技术的快速发展，气缸的定位精度也越来越受到关注。
现有直线气缸多数不具备定位功能，个别具有简单定位功能的直线气缸，在其活塞杆运动时，由于活塞杆的底部连接在气缸内，活塞杆的其他部分都位于气缸外以定位，其定位功能的实现全依靠活塞杆底部提供的力，其以定位活塞杆顶部时容易发生偏移、摇晃，使得气缸定位精度低且密封性差，无法满足现有精密加工技术需求。
针对上述问题，创设一种定位精度高、密封性好的直线气缸很有必要。
发明内容
为解决当前直线气缸定位精度低、密封性差的技术问题，本发明公开了一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸。
本发明所采用的技术方案：
一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸，该环形磁耦式直线锁紧气缸由端盖组件Ⅰ、超声减摩螺母组件、缸筒、内支撑柱筒、磁环解耦活塞组件和端盖组件Ⅱ组成，所述超声减摩螺母组件分别与端盖组件Ⅰ和磁环解耦活塞组件螺纹连接，所述端盖组件Ⅰ与缸筒一端过渡配合，所述端盖组件Ⅱ与缸筒另一端过渡配合，所述内支撑柱筒两端也分别与端盖组件Ⅰ和端盖组件Ⅱ过渡配合，所述磁环解耦活塞组件置于缸筒内，并穿过内支撑柱筒与超声减摩螺母组件螺纹连接。
所述端盖组件Ⅰ包括端盖Ⅰ、内密封圈Ⅰ和外密封圈Ⅰ，所述端盖Ⅰ设有导气通道Ⅰ、外密封圈槽Ⅰ、缓冲槽Ⅰ、内支撑柱筒安装孔Ⅰ、内密封圈槽Ⅰ、缸筒安装轴Ⅰ、超声减摩螺母组件安装面和超声减摩螺母组件安装螺纹孔，所述内密封圈Ⅰ安装于内密封圈槽Ⅰ内，并与内支撑柱筒过渡配合，所述外密封圈Ⅰ安装于外密封圈槽Ⅰ内，并与缸筒过渡配合，所述缓冲槽Ⅰ与磁环解耦活塞组件配合，所述内支撑柱筒安装孔Ⅰ与内支撑柱筒贴合，所述缸筒安装轴Ⅰ与缸筒贴合，所述超声减摩螺母组件安装面和超声减摩螺母组件安装螺纹孔与超声减摩螺母组件安装连接。
所述超声减摩螺母组件包括超声减摩螺母、螺母安装螺栓、减摩压电片和活塞杆，所述超声减摩螺母设有螺母内螺纹孔、螺母安装孔、螺母安装面和螺母外棱面，所述活塞杆设有活塞杆螺纹轴和活塞杆安装螺纹孔，所述螺母安装螺栓穿过螺母安装孔与超声减摩螺母组件安装螺纹孔螺纹连接，所述减摩压电片粘贴于螺母外棱面上，所述活塞杆螺纹轴与螺母内螺纹孔螺纹连接，所述螺母安装面与超声减摩螺母组件安装面贴合，所述活塞杆安装螺纹孔与磁环解耦活塞组件螺纹连接。
所述缸筒设有缸筒内孔，所述缸筒内孔两端分别与缸筒安装轴Ⅰ和端盖组件Ⅱ的缸筒安装轴Ⅱ贴合，并分别与外密封圈Ⅰ和端盖组件Ⅱ的外密封圈Ⅱ过渡配合。
所述内支撑柱筒设有柱筒外表面和柱筒内孔，所述柱筒外表面两端分别与内支撑柱筒安装孔Ⅰ和端盖组件Ⅱ的内支撑柱筒安装孔Ⅱ贴合，并分别与内密封圈Ⅰ和端盖组件Ⅱ的内密封圈Ⅱ过渡配合，所述柱筒内孔内安装活塞杆和磁环解耦活塞组件。
所述磁环解耦活塞组件包括内磁环活塞组件和外磁环活塞组件，所述内磁环活塞组件和外磁环活塞组件通过异极相吸磁力连接，所述内磁环活塞组件为对称结构组件，所述内磁环活塞组件包括轴承限位板、内磁环、轴承限位板安装螺栓、连接轴、轴承、内活塞和连接轴螺母，所述连接轴设有连接螺纹轴和连接轴限位面，所述内活塞设有内活塞端面、内磁环安装槽、内活塞外轴、限位板安装螺纹孔和轴承安装槽，所述轴承限位板分别与两侧的内活塞端面和轴承贴合，所述内磁环与内磁环安装槽过渡配合，所述轴承限位板安装螺栓穿过轴承限位板与限位板安装螺纹孔螺纹连接，所述连接轴穿过两侧的轴承，所述连接轴限位面与轴承贴合，所述连接螺纹轴依次与连接轴螺母和活塞杆安装螺纹孔螺纹连接，所述轴承与轴承安装槽过渡配合，所述内活塞外轴与柱筒内孔配合安装。
所述外磁环活塞组件为对称结构组件，所述外磁环活塞组件包括缓冲轴环、活塞外密封圈、活塞内密封圈、外磁环、外活塞和缓冲轴环安装螺栓，所述缓冲轴环设有缓冲轴、缓冲轴环安装孔和缓冲轴环安装面，所述外活塞设有外活塞端面、缓冲轴环安装螺纹孔、活塞外密封圈槽、外磁环槽、活塞内密封圈槽，所述缓冲轴环安装螺栓穿过缓冲轴环安装孔，并与缓冲轴环安装螺纹孔螺纹连接，所述活塞外密封圈安装于活塞外密封圈槽内，所述活塞内密封圈安装于活塞内密封圈槽内，所述外磁环与外磁环槽过渡配合，用于实现内磁环活塞组件和外磁环活塞组件的磁力连接，所述缓冲轴分别与缓冲槽Ⅰ和端盖组件Ⅱ的缓冲槽Ⅱ配合，所述缓冲轴环安装面分别与外活塞端面和外磁环贴合。
所述端盖组件Ⅱ包括端盖Ⅱ、内密封圈Ⅱ和外密封圈Ⅱ，所述端盖Ⅱ设有导气通道Ⅱ、外密封圈槽Ⅱ、缓冲槽Ⅱ、内支撑柱筒安装孔Ⅱ、内密封圈槽Ⅱ和缸筒安装轴Ⅱ，所述内密封圈Ⅱ安装于内密封圈槽Ⅱ内，并与内支撑柱筒过渡配合，所述外密封圈Ⅱ安装于外密封圈槽Ⅱ内，并与缸筒过渡配合，所述缓冲槽Ⅱ与缓冲轴配合，所述内支撑柱筒安装孔Ⅱ与柱筒外表面贴合，所述缸筒安装轴Ⅱ与缸筒内孔贴合。
本发明的有益效果：
本发明利用超声减摩螺母组件中的减摩压电片产生的超声减摩效应及螺纹自锁连接，实现对活塞杆双向运动的精确控制，同时，利用内支撑柱筒与磁环解耦活塞组件的磁力连接相结合，在实现螺纹连接所造成的旋转运动解耦的同时，可将运动腔和气容腔相分离，以实现更好的密封性能，结构简单，运行稳定，可有效的提升直线定位气缸的定位精度；并利用活塞杆与超声减摩螺母的螺纹连接，以减小活塞杆在运动过程中的偏转、摇晃，本发明不仅解决了传统直线气缸无法定位或定位精度低的技术问题，而且可有效提升气缸的密封性能以及活塞杆在运动过程中的轴向精确度，大幅度提高直线气缸运行的稳定性，可进一步提升直线气缸的定位精度。在半导体加工、自动化控制、机器人驱动等技术领域中具有突出的推广价值和广阔的市场前景。
附图说明
图1是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的整体结构剖视图；
图2是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的端盖组件Ⅰ剖视图；
图3是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的端盖Ⅰ结构剖视图；
图4是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的超声减摩螺母组件剖视图；
图5是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的超声减摩螺母结构剖视图；
图6是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的活塞杆结构局部剖视图；
图7是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的缸筒结构剖视图；
图8是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的内支撑柱筒结构剖视图；
图9是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的磁环解耦活塞组件剖视图；
图10是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的内磁环活塞组件剖视图；
图11是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的连接轴结构示意图；
图12是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的内活塞结构剖视图；
图13是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的外磁环活塞组件剖视图；
图14是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的缓冲轴环结构剖视图；
图15是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的外活塞结构剖视图；
图16是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的端盖组件Ⅱ剖视图；
图17是一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的端盖Ⅱ结构剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图17说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸的具体实施方式，其具体实施方式表述如下：
所述一种基于超声减摩效应的环形磁耦式直线锁紧气缸由端盖组件Ⅰ1、超声减摩螺母组件2、缸筒3、内支撑柱筒4、磁环解耦活塞组件5和端盖组件Ⅱ6组成，所述超声减摩螺母组件2分别与端盖组件Ⅰ1和磁环解耦活塞组件5螺纹连接，所述端盖组件Ⅰ1与缸筒3一端过渡配合，所述端盖组件Ⅱ6与缸筒3另一端过渡配合，所述内支撑柱筒4两端也分别与端盖组件Ⅰ1和端盖组件Ⅱ6过渡配合，所述磁环解耦活塞组件5置于缸筒3内，并穿过内支撑柱筒4与超声减摩螺母组件2螺纹连接。
所述端盖组件Ⅰ1包括端盖Ⅰ1-1、内密封圈Ⅰ1-2和外密封圈Ⅰ1-3，所述端盖Ⅰ1-1设有导气通道Ⅰ1-1-1、外密封圈槽Ⅰ1-1-2、缓冲槽Ⅰ1-1-3、内支撑柱筒安装孔Ⅰ1-1-4、内密封圈槽Ⅰ1-1-5、缸筒安装轴Ⅰ1-1-6、超声减摩螺母组件安装面1-1-7和超声减摩螺母组件安装螺纹孔1-1-8，所述导气通道Ⅰ1-1-1用于高压气体进出，所述内密封圈Ⅰ1-2安装于内密封圈槽Ⅰ1-1-5内，并与内支撑柱筒4过渡配合，用于安装固定内支撑柱筒4并保证内支撑柱筒4内的密封性，所述外密封圈Ⅰ1-3安装于外密封圈槽Ⅰ1-1-2内，并与缸筒3过渡配合，用于安装固定缸筒3并保证缸筒3内的密封性，所述缓冲槽Ⅰ1-1-3与磁环解耦活塞组件5配合，具有缓冲作用，所述内支撑柱筒安装孔Ⅰ1-1-4与内支撑柱筒4贴合，所述缸筒安装轴Ⅰ1-1-6与缸筒3贴合，所述超声减摩螺母组件安装面1-1-7和超声减摩螺母组件安装螺纹孔1-1-8与超声减摩螺母组件2安装连接。
所述超声减摩螺母组件2包括超声减摩螺母2-1、螺母安装螺栓2-2、减摩压电片2-3和活塞杆2-4，所述超声减摩螺母2-1设有螺母内螺纹孔2-1-1、螺母安装孔2-1-2、螺母安装面2-1-3和螺母外棱面2-1-4，所述活塞杆2-4设有活塞杆螺纹轴2-4-1和活塞杆安装螺纹孔2-4-2，所述螺母安装螺栓2-2穿过螺母安装孔2-1-2与超声减摩螺母组件安装螺纹孔1-1-8螺纹连接，以将超声减摩螺母2-1与端盖Ⅰ1-1固定连接，所述减摩压电片2-3粘贴于螺母外棱面2-1-4上，其中，超声减摩螺母2-1有m个螺母外棱面2-1-4，超声减摩螺母组件2有n个减摩压电片2-3，且m=n，本具体实施方式中，螺母外棱面2-1-4数m=8，所述活塞杆螺纹轴2-4-1与螺母内螺纹孔2-1-1螺纹连接，所述螺母安装面2-1-3与超声减摩螺母组件安装面1-1-7贴合，用于超声减摩螺母2-1安装限位，所述活塞杆安装螺纹孔2-4-2与磁环解耦活塞组件5螺纹连接。
所述缸筒3设有缸筒内孔3-1，所述缸筒内孔3-1两端分别与缸筒安装轴Ⅰ1-1-6和端盖组件Ⅱ6的缸筒安装轴Ⅱ6-1-6贴合，并分别与外密封圈Ⅰ1-3和端盖组件Ⅱ6的外密封圈Ⅱ6-3过渡配合。
所述内支撑柱筒4设有柱筒外表面4-1和柱筒内孔4-2，所述柱筒外表面4-1两端分别与内支撑柱筒安装孔Ⅰ1-1-4和端盖组件Ⅱ6的内支撑柱筒安装孔Ⅱ6-1-4贴合，并分别与内密封圈Ⅰ1-2和端盖组件Ⅱ6的内密封圈Ⅱ6-2过渡配合，所述柱筒内孔4-2内安装活塞杆2-4和磁环解耦活塞组件5。
所述磁环解耦活塞组件5包括内磁环活塞组件5-1和外磁环活塞组件5-2，所述内磁环活塞组件5-1和外磁环活塞组件5-2通过异极相吸磁力连接，所述内磁环活塞组件5-1为对称结构组件，所述内磁环活塞组件5-1包括轴承限位板5-1-1、内磁环5-1-2、轴承限位板安装螺栓5-1-3、连接轴5-1-4、轴承5-1-5、内活塞5-1-6和连接轴螺母5-1-7，所述连接轴5-1-4设有连接螺纹轴5-1-4-1和连接轴限位面5-1-4-2，所述内活塞5-1-6设有内活塞端面5-1-6-1、内磁环安装槽5-1-6-2、内活塞外轴5-1-6-3、限位板安装螺纹孔5-1-6-4和轴承安装槽5-1-6-5，所述轴承限位板5-1-1分别与两侧的内活塞端面5-1-6-1和轴承5-1-5贴合，用于轴承5-1-5的轴向限位，所述内磁环5-1-2与内磁环安装槽5-1-6-2过渡配合，所述轴承限位板安装螺栓5-1-3穿过轴承限位板5-1-1与限位板安装螺纹孔5-1-6-4螺纹连接，所述连接轴5-1-4穿过两侧的轴承5-1-5，所述连接轴限位面5-1-4-2与轴承5-1-5贴合，用于连接轴5-1-4轴向限位，所述连接螺纹轴5-1-4-1依次与连接轴螺母5-1-7和活塞杆安装螺纹孔2-4-2螺纹连接，所述轴承5-1-5与轴承安装槽5-1-6-5过渡配合，用于气缸运动解耦，所述内活塞外轴5-1-6-3与柱筒内孔4-2配合安装。
所述外磁环活塞组件5-2为对称结构组件，所述外磁环活塞组件5-2包括缓冲轴环5-2-1、活塞外密封圈5-2-2、活塞内密封圈5-2-3、外磁环5-2-4、外活塞5-2-5和缓冲轴环安装螺栓5-2-6，所述缓冲轴环5-2-1设有缓冲轴5-2-1-1、缓冲轴环安装孔5-2-1-2和缓冲轴环安装面5-2-1-3，所述外活塞5-2-5设有外活塞端面5-2-5-1、缓冲轴环安装螺纹孔5-2-5-2、活塞外密封圈槽5-2-5-3、外磁环槽5-2-5-4、活塞内密封圈槽5-2-5-5，所述缓冲轴环安装螺栓5-2-6穿过缓冲轴环安装孔5-2-1-2，并与缓冲轴环安装螺纹孔5-2-5-2螺纹连接，所述活塞外密封圈5-2-2安装于活塞外密封圈槽5-2-5-3内，用于保证外活塞5-2-5与缸筒3的密封性，所述活塞内密封圈5-2-3安装于活塞内密封圈槽5-2-5-5内，用于保证外活塞5-2-5与内支撑柱筒4的密封性，所述外磁环5-2-4与外磁环槽5-2-5-4过渡配合，用于实现内磁环活塞组件5-1和外磁环活塞组件5-2的磁力连接，所述缓冲轴5-2-1-1分别与缓冲槽Ⅰ1-1-3和端盖组件Ⅱ6的缓冲槽Ⅱ6-1-3配合，起缓冲作用，所述缓冲轴环安装面5-2-1-3分别与外活塞端面5-2-5-1和外磁环5-2-4贴合。
所述端盖组件Ⅱ6包括端盖Ⅱ6-1、内密封圈Ⅱ6-2和外密封圈Ⅱ6-3，所述端盖Ⅱ6-1设有导气通道Ⅱ6-1-1、外密封圈槽Ⅱ6-1-2、缓冲槽Ⅱ6-1-3、内支撑柱筒安装孔Ⅱ6-1-4、内密封圈槽Ⅱ6-1-5和缸筒安装轴Ⅱ6-1-6，所述导气通道Ⅱ6-1-1用于高压气体进出，所述内密封圈Ⅱ6-2安装于内密封圈槽Ⅱ6-1-5内，并与内支撑柱筒4过渡配合，用于连接端盖Ⅱ6-1和内支撑柱筒4并保证内支撑柱筒4内的密封性，所述外密封圈Ⅱ6-3安装于外密封圈槽Ⅱ6-1-2内，并与缸筒3过渡配合，用于连接端盖Ⅱ6-1和缸筒3并保证缸筒3内的密封性，所述缓冲槽Ⅱ6-1-3与缓冲轴5-2-1-1配合，具有缓冲作用，所述内支撑柱筒安装孔Ⅱ6-1-4与柱筒外表面4-1贴合，所述缸筒安装轴Ⅱ6-1-6与缸筒内孔3-1贴合。
工作原理：
工作时，向超声减摩螺母组件通入高频激励电信号，激励电压的输出频率达到减摩螺母的最佳共振频率后，基于超声振动的减摩效应，减摩螺母的螺母内螺纹孔与活塞杆的活塞杆螺纹轴间的摩擦系数降至临界解锁条件，同时高压气体从端盖Ⅱ的导气通道Ⅱ处通入到后容腔内，此时后容腔气体加压膨胀，前容腔气体从端盖Ⅰ的导气通道Ⅰ处排出，使外活塞两侧产生气压差，外活塞受到轴向输出力，由于内磁环活塞组件和外磁环活塞组件磁力连接同步运动，从而使内活塞带动活塞杆伸出气缸，此时外磁环活塞组件具有轴向直线运动及转动两种运动形式，由于磁力解耦运动，使得内活塞在缸筒内只进行轴向直线运动； 当活塞杆到达指定位置时，外接激励电信号及高压气体均同时暂停输入，减摩螺母的螺母内螺纹孔与活塞杆的活塞杆螺纹轴间的摩擦系数达到自锁条件，气缸实现自锁，使活塞杆实现快速停止运动输出，从而实现气缸正向的精确定位输出。
气缸反向输出与气缸正向输出过程类似，通入外接激励电信号，使超声减摩螺母组件实现减摩效应，同时由端盖Ⅰ的导气通道Ⅰ充入高压气体，从端盖Ⅱ的导气通道Ⅱ排出气体，使外活塞两侧气压出现压差，从而推动活塞杆反向运动，当活塞杆到达指定位置时，外接激励电信号及高压气体均同时暂停输入，减摩螺母的螺母内螺纹孔与活塞杆的活塞杆螺纹轴间的摩擦系数达到自锁条件，气缸实现自锁，使活塞杆实现快速停止运动输出，从而实现气缸反向的精确定位输出，在外活塞两侧交替供气，可实现直线锁紧气缸在两个方向上的精确定位输出。
综上所述，本发明利用超声减摩螺母组件中的减摩压电片产生的超声减摩效应及螺纹自锁连接，实现对活塞杆双向运动的精确控制，同时，利用内支撑柱筒与磁环解耦活塞组件的磁力连接相结合，在实现螺纹连接所造成的旋转运动解耦的同时，可将运动腔和气容腔相分离，以实现更好的密封性能，结构简单，运行稳定，可有效的提升直线定位气缸的定位精度；并利用活塞杆与超声减摩螺母的螺纹连接，以减小活塞杆在运动过程中的偏转、摇晃。
