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气浮导轨

气浮导轨基于气体动静压效应,实现无摩擦和无振动的平滑移动。它具有运动精度高、清洁无污染等特点。因其误差均化作用,可用比较低的制造精度来获得较高的导向精度。通常与伺服驱动,传感器组成闭环系统,实现高精度位移定位。气浮导轨在测量仪器、精密机械中得到了广泛的应用 [1]

超精密工作台常用导轨有滚动导轨、静压导轨等,滚动导轨的应用己经有好多年,滚动导轨的运动精度达到微米级,摩擦因数可以降低到0.002至0.003。滚动导轨的优点是滚动摩擦阻力小,没有滑动导轨的爬行、浮动现象,但滚动导轨的摩擦大、抗震性差、运动不平稳、寿命低,在应用方面有所欠缺。气浮导轨相对于普通滚动导轨有着如下的优点 [2]

(1)导轨面间是气体润滑,其摩擦系数极小(约为0.0005左右),故驱动功率可大大降低;

(2)因系非接触性摩擦,故导轨磨损极小,寿命长,能长期保持制造精度,减少了维修工作量;

(3)气膜具有误差均化作用,可提高导轨运动精度;

(4)气膜厚度几乎不受速度的影响,即使在极低速时也不会产生爬行,运动平稳;

(5)几乎不产生热量,不会发生粘度变化,无需添加冷却措施。

19世纪中期,法国学者提出了用气体作为润滑剂的可能性。1828年,R R Wil-lis发表了关于小孔节流平板中气体压力的文章,他提出的研究模型被认为是气体润滑导轨的雏形。1886年,O Reynolds推导出润滑膜内压力分布所应服从的雷诺方程,使人们对流体润滑原理的认识上升到了理论高度。1913年,W J Harrison在保留连续性方程中的密度项、引用等温假设的条件下导出了可压缩Reynold方程,给出了无限长气体润滑块和轴颈导轨的解,为气体润滑技术奠定了理论基础。

目前,国内外学者从空气导轨误差分析、结构设计、气浮导轨设计等多方面入手,开发了多种精密定位实验工作台,开展了众多针对静压导轨静动态特性的相关研究,推动了超精密工作台技术的发展和进步。

上海大学的三坐标测量机采用了气浮导轨直线度达到3um/600mm。北京航空精密机械研究所导轨直线度200mm内可以达到0.1μm,国防科技大学通关补偿技术可以补偿到300mm内达到0.1μm。哈尔滨工业大学研制的气浮导轨直线度也做到250mm内达到0.1-0.2μm。

国内外众多学者对气浮导轨的特性讲行了大量研究。哈尔滨工业大学利用线性源假设,将气膜中气体的二维流动化为一维流动,使雷诺方程得到简单的解析解,推导出气浮导轨的解析计算公式。昆明理工大学建立环面节流、狭缝节流、小孔节流3种节流方式的气膜模型;应用FLUENT软件对气浮导轨静态特性参数进行迭代求解,得出这3种典型节流形式对气浮导轨气膜压力分布静承载能力和耗气量的影响规律。

(1)导轨座和溜板;

(2)节流器,如小孔节流器、毛细管节流器、、薄膜反馈节流器等;

(3)供气系统及调节装置。

气浮导轨按工作原理分为两种基本类型:空气动压导轨和空气静压导轨。动压型如左下图所示,两个面相对移动且间隙呈楔形,沿移动方向间隙逐渐变小。由于相对移动,气体因其黏性作用,被拖带压入楔形间隙中,从而产生压力,构成动压悬浮。静压型如右下图所示,是将外部的压缩气体,通过节流孔导入间隙中,借助其静压使之悬浮起来,节流孔的作用是当间隙变化时,调整间隙内的压力,从而使导轨具有刚度。气浮导轨是由导轨和溜板组成的滑动副,导轨和溜板之间为气膜润滑。

开式静压导轨如左图所示,左上角为平面型,右上角为平-V型,左下角为双三角型,右下角为平面回转型,它们具有如下特点:

(1)承受正向载荷的能力很大,承受偏载以及颠覆力矩的能力差,不能够承受反向载荷;(2)导轨结构简单,制造以及调整方便;(3)在当导轨尺寸确定以后,气腔压力就只由载荷决定,所以小载荷时气膜刚度低。

综上所述,开式静压导轨适用于偏载荷及颠覆力矩小,载荷均匀,水平放置或者仅有小角度倾角的场合。

闭式静压导轨的运动件,除在其运动方向具有一个自由度外,其余运动自由度都由导轨的结构所约束,故属于几何封闭。下图所示为闭式静压导轨常用的几何形式,图1为侧导轨在外侧的平导轨,图2为侧导轨在同一导轨两侧的平导轨,图3为平面回转导轨,图4为菱形导轨。

图1和图2的平导轨虽有相同的气腔数,但对于侧面间隙受热变形的影响,后者比前者小,且克服了采用可变节流器时侧面气腔过长的缺点。图3的菱形导轨特点是加工面少,适用于载荷不太大,运动件不太长或回转工作台场合。

闭式静压导轨具有如下特点:

(1)能够承受正反向的载荷,能够承受偏载荷以及颠覆力矩的能力比较强;

(2)气膜刚度较高,所以对导轨本身的结构的刚度要求比较高;

(3)导轨制造及调整比较复杂;

(4)为了减少功率的损耗,闭式静压导轨一般是采用不等面积气腔的结构。

同时气浮导轨按安装特征可以分为平面封闭型、圆筒封闭型、重力平衡型和真空预载荷型。

平面封闭型 重力平衡型 真空预载荷型 圆筒封闭型

(1)平面封闭型:在气浮方向上设计一对方向相对的两个气膜,形成气膜预加载。适用于高精度、高刚度、大负载的导轨。

(2)重力平衡型:结构简单,加工方便,但刚度低,用于负载变动较小的场合;

(3)真空预载荷型:用压力气体产生浮力,形成悬浮状态,用真空发生装置产生真空以提高刚度,由于真空的吸附作用,使得这种止推导轨具有双向的刚度,配上x、y两向驱动,可用单层结构,实现二维运动,即开始结构具有闭式特点,提高了工作台的工艺性能;

(4)圆筒封闭型:该导轨结构简单,但加工复杂,圆柱形导轨得圆柱度和溜板的间隙由机械加工决定,对加工工艺要求较高。而承载能力较小,刚度差,常用于轻载。

在气浮导轨设计中,节流器的选用和设计是关键。节流器类型对空气静压导轨承载性能的影响程度决定着整个工作台的精密程度及承载性能。节流器类型如表所示,小孔节流、环面节流和狭缝节流形式应用最多;多孔质和环面浅腔节流是两种较新的节流形式,具有承载高、稳定性好的优点,但是对于多孔质节流器而言,其节流特性主要受到渗透系数的影响,而渗透系数主要是由多孔质材料本身的性质决定的,所以具体数值很难确定。而环面浅腔节流设计时浅腔结构的深度通常在十几微米至几十微米,这增加了制造过程中的工艺难度,因而也限制了此种类型节流器的使用。其余几种节流形式,在实践中很少应用。

小孔节流又称简单孔节流,或带气腔的喷嘴节流,如左图所示。它由直径为的供气小孔和小孔下端直径为、深度为的凹穴气腔组成。气流通过的最小流道面积在供气孔与气腔交界处,即小孔喉部截面起节流作用,其大小和气膜厚度的变化无关。小孔节流的特点是阻力近似与经过节流器的流量成正比,而此时流量决定于气膜厚度的大小。因为小孔节流器的小孔直径很小,气流经过时流速很高,来不及换热,根据气体力学理论,此时压力气体通过节流小孔的过程可视为等嫡绝热过程。广泛的理论研究成果表明,小孔节流方式具有承载能力大、刚度高和质量流量最小的优点。

左图为矩形空气静压导轨采用小孔节流器时的俯视图和剖面图。导轨工作时,压力为的气源气体流经供气孔时受到节流作用,气体流出供气孔后压力降低,继而进入承载气膜,并向四周扩散流动,流出承载板外边界后气体压力降为环境压力,在承载板和工作台面间形成平均厚度为h的气膜。气体的流动形成了一定的压力场,将承载板下表面的气膜支承力与上表面的环境大气作用力求差,可以得到导轨的承载力。载荷一定时,空气静压导轨与轨道之间会自动保持相应的气膜厚度,使承载力与载荷平衡,最终实现重量平衡型的空气导轨。

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