高精度靜壓導(dǎo)軌技術(shù)應(yīng)用分析

杜智強

(中國機床工具工業(yè)協(xié)會行業(yè)發(fā)展部，北京 100055)

隨著機床定位精度、進給速度和運動載荷的不斷提高，靜壓導(dǎo)軌的應(yīng)用越來越廣泛。靜壓導(dǎo)軌是目前高精度機床直線進給中的重要運動部件，靜壓導(dǎo)軌的運動部分由油腔中的高壓油膜層支撐，在運動過程中與高精度的導(dǎo)軌表面不接觸，理論上可以實現(xiàn)永無磨損的平穩(wěn)、快速運動。同時，靜壓油膜在運動部件間起到減振、均化誤差和負載自到調(diào)節(jié)的作用，與傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌、直線滾動導(dǎo)軌相比，具有抗振性高、動態(tài)響應(yīng)性好、摩擦系數(shù)小、定位精度高和基本處于無磨損運行的特點，目前開始在高精度、大負載和多軸復(fù)合加工機床應(yīng)用。

1 靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)與工作原理

靜壓導(dǎo)軌在國外機床產(chǎn)品上應(yīng)用得比較早，技術(shù)也比較成熟。靜壓導(dǎo)軌工作的原理主要是將符合工作壓力和粘度要求的液壓油經(jīng)過節(jié)流器注入導(dǎo)軌移動部分的油腔中，并通過油腔封邊泄漏到回收油路中，油腔封邊內(nèi)即可形成承載油膜，使動靜導(dǎo)軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài)。靜壓導(dǎo)軌的這種特點決定其摩檫系數(shù)極小，不同介質(zhì)下的摩擦系數(shù)在0.003～0.006之間。同時，油膜厚度與油腔結(jié)構(gòu)和液壓參數(shù)有關(guān)，受運動速度和載荷的變化影響較小，導(dǎo)軌的精度很高，并具有抗振和均化導(dǎo)軌幾何誤差的特點。

靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件的加工精度和對使用環(huán)境的要求比較高，需要獨立的液壓系統(tǒng)。液壓油的清潔程度直接影響節(jié)流器的使用性能和壽命;由于液壓油的粘度系數(shù)受溫度影響，所以供油系統(tǒng)需要穩(wěn)定的溫度控制。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的形成，零部件的可靠性和通用性得到很大提高，靜壓導(dǎo)軌的應(yīng)用越來越廣泛。

目前，國內(nèi)外靜壓導(dǎo)軌可分成以下幾個種類。

1.1 按結(jié)構(gòu)形式

(1)開式靜壓導(dǎo)軌

原理見圖1，各靜壓油腔只支撐負載，不構(gòu)成閉式反饋回路。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但精度不高，主要用于大負載的情況下。為彌補精度不足，較高精度的場合一般采用定量式液壓系統(tǒng)對每個油腔獨立供油。

(2)閉式靜壓導(dǎo)軌

原理見圖2，各靜壓油腔不僅支撐負載，而且一般兩兩相對互為反饋，構(gòu)成閉式反饋回路。整個系統(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)能力，運行精度高，對負載和運動速度變化具有自動調(diào)節(jié)功能。由于具有閉式反饋回路，可以采用定壓式液壓供油系統(tǒng)，成本低、精度高。

1.2 按供油形式

(1)定壓式靜壓導(dǎo)軌

是指節(jié)流器進口處的油壓是恒定的，根據(jù)負載的變化，流量會有所變化，由于對液壓原件的要求不特殊，比較好采購，采用一個油泵給各油腔供油，成本較低，所以這是目前應(yīng)用較多的靜壓導(dǎo)軌。

(2)定量式靜壓導(dǎo)軌

指流經(jīng)油腔的潤滑油流量是一個定值，這種靜壓導(dǎo)軌不用節(jié)流器，而是對每個油腔均有一個定量油泵供油。油膜剛度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本很高。

另外，國際上在靜壓導(dǎo)軌的反饋形式上可以分為正壓反饋和負壓反饋兩種。從導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)上看，負壓反饋的結(jié)構(gòu)比較簡單，但液壓系統(tǒng)需要增加負壓發(fā)生器;正壓反饋液壓系統(tǒng)沒有特殊要求，但導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和油路比較復(fù)雜。

2 國外典型靜壓導(dǎo)軌介紹

下面選取幾個典型產(chǎn)品分別介紹一下。

2.1 圓柱形靜壓導(dǎo)軌

德國勇克(JUNKER)公司的圓柱形靜壓導(dǎo)軌(見圖3)在其高性能磨床上應(yīng)用得較早，技術(shù)也較成熟。圓柱形靜壓導(dǎo)軌就是以高精度圓柱形導(dǎo)軌為基準，滑動導(dǎo)軌塊中有2組兩兩相對布置正壓油腔實現(xiàn)閉式反饋的靜壓導(dǎo)軌。

圓柱形靜壓導(dǎo)軌的主要優(yōu)點是:

(1)圓柱形導(dǎo)軌的加工精度要高于平面型導(dǎo)軌;

(2)閉式靜壓結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造比較容易;

(3)使用防護和日常維護比較容易。

圓柱形靜壓導(dǎo)軌的主要劣勢是:

(1)承載能力受圓柱形導(dǎo)軌的尺寸限制較大;(2)圓柱形靜壓導(dǎo)軌設(shè)計和安裝需要考慮結(jié)構(gòu)剛性的影響。

總得來說，圓柱形靜壓導(dǎo)軌在中小規(guī)格的高精度應(yīng)用場合還是比較有優(yōu)勢的，也比較容易實現(xiàn)模塊化和功能化設(shè)計和制造。

2.2 開式靜壓導(dǎo)軌

開式靜壓導(dǎo)軌在重型機床上的應(yīng)用較為廣泛，主要特點是承載能力強。由于此類型的導(dǎo)軌大多采用一個定量泵給一個油腔供油的方式，所以對負載變化的適應(yīng)性較強。德國的瓦德里希·濟根(waldrich·siegan)公司的靜壓導(dǎo)軌和靜壓蝸母副驅(qū)動結(jié)構(gòu)是比較典型的代表。

瓦德里希·濟根(waldrich·siegan)公司開發(fā)的靜壓導(dǎo)軌和靜壓蝸母副驅(qū)動主要應(yīng)用于重載切削應(yīng)用方面。工作臺由4條獨立的靜壓導(dǎo)軌支撐(見圖4)，其中2條平導(dǎo)軌用于承載，2條預(yù)載荷的側(cè)導(dǎo)軌用于導(dǎo)向，每條導(dǎo)軌的靜壓油腔采用單獨的定量泵供油。由于采用這種專有技術(shù)的靜壓導(dǎo)軌和靜壓蝸母副驅(qū)動結(jié)構(gòu)使得其主要產(chǎn)品工作臺的承載能力可達到每米長度承載40 t和工件總重最大500 t，承載的剛性和穩(wěn)定性都比較突出。

2.3 負壓反饋式靜壓導(dǎo)軌

一般的閉式靜壓導(dǎo)軌都采用正反饋形式，即在一個支撐方向上布置一組或幾組相對的正壓油腔實現(xiàn)靜壓反饋調(diào)節(jié)。這種方式的導(dǎo)軌對于各個油腔的液壓要求基本一致，液壓系統(tǒng)可以統(tǒng)一考慮，也沒什么特殊的結(jié)構(gòu)。但對于導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)上就比較復(fù)雜了，為了布置反饋油腔，需要在每個支撐方向的結(jié)構(gòu)上都增加一條導(dǎo)軌面，并且要保證各條導(dǎo)軌間的位置和尺寸精度，無形中增加了制造的難度。正是基于解決這種應(yīng)用難題，開發(fā)出可在一條導(dǎo)軌面上實現(xiàn)負壓反饋的靜壓導(dǎo)軌，降低了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的制造難度。此類靜壓導(dǎo)軌中比較有代表性的產(chǎn)品是克林貝格公司的負壓反饋式靜壓導(dǎo)軌，基本原理見圖5。通過簡化結(jié)構(gòu)減少存在精度相互影響和制約的導(dǎo)軌面，無形中也提高了導(dǎo)軌的運行精度和剛性，提高了性能。

2.4 靜壓導(dǎo)軌功能部件

隨著靜壓導(dǎo)軌的應(yīng)用面越來越廣，靜壓導(dǎo)軌設(shè)計和制造技術(shù)日趨成熟，功能部件化也越來越明顯，涌現(xiàn)出許多專業(yè)生產(chǎn)廠和相關(guān)產(chǎn)品。在這些靜壓導(dǎo)軌功能部件中比較有代表性的是兩類產(chǎn)品，一是以直線導(dǎo)軌技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合靜壓技術(shù)發(fā)展而成的靜壓直線導(dǎo)軌功能部件，主要代表有INA公司的HLE45;另外一種是提供靜壓節(jié)流器和導(dǎo)軌塊等關(guān)鍵組件為主。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)，極大方便了機床主機生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品開發(fā)和制造，推動了靜壓技術(shù)的推廣，促進了機床產(chǎn)品技術(shù)和性能水平的提高。雖然目前該類產(chǎn)品還處于應(yīng)用的起步階段，但未來的前景還是十分廣闊的。由于后一種的應(yīng)用還是通過設(shè)計靜壓參數(shù)選購組件，大體與普通的靜壓導(dǎo)軌設(shè)計相同，就不詳述了。下面主要介紹一下靜壓直線導(dǎo)軌功能部件。

現(xiàn)在用量極大且標(biāo)準化、模塊化較好的直線導(dǎo)軌由于結(jié)構(gòu)的限制，接觸剛性和抗振性不是很高，一般采取在承載滑塊中間布置阻尼滑塊的方式增加導(dǎo)軌阻尼，提高動態(tài)剛度和承載能力。但安裝要求較高，也增加了成本。針對這種情況，INA公司開發(fā)了帶有預(yù)載的靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)HLE45(見圖6)。由于采取了直線導(dǎo)軌的設(shè)計理念，該導(dǎo)軌系統(tǒng)本身和普通直線導(dǎo)軌一樣是一個完整的單元。由于內(nèi)部是靜壓支撐結(jié)構(gòu)具有很好的阻尼特性，所以該系統(tǒng)不需要額外的阻尼部件即可得到優(yōu)于同規(guī)格直線導(dǎo)軌的動態(tài)剛度和承載能力。

HLE45基本工作原理是壓力油從進油口通過集成在滑塊內(nèi)的且已經(jīng)在工廠設(shè)定好的節(jié)流器進入滑塊中的承載油腔內(nèi)，保證滑塊在導(dǎo)軌上最優(yōu)的浮起間隙(浮起間隙在額定壓力下為0.025 mm)，液壓油從出油口抽回液壓回路。

通過以上設(shè)計，HLE45靜壓直線導(dǎo)軌具有以下顯著特點:

①由于滑塊內(nèi)集成了節(jié)流器，該導(dǎo)軌具有即裝即用的特點。

②和傳統(tǒng)的直線導(dǎo)軌系統(tǒng)具有相同的安裝尺寸，具有一定的互換性，可實現(xiàn)一種機床整體設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)方案下，通過更換不同導(dǎo)軌部件得到不同精度和性能等級的機床以滿足不同的加工要求。

③導(dǎo)軌和滑塊之間幾乎沒有摩擦，摩擦力和載荷大小無關(guān)。由于滑塊是封閉式密封，摩擦阻力主要來源于密封件，且是一個恒定值，每個滑塊大約為20 N。

④承載能力和標(biāo)準直線導(dǎo)軌系統(tǒng)相當(dāng)，在特定條件下，剛度為壓力方向=1 200 N/μm;拉力方向=900 N/μm;側(cè)方向 =500 N/μm。加速度可達到100 m/s2，速度可以達到120 m/min。

⑤密封滑塊兩端的彈性密封和下部的密封條保護系統(tǒng)免受污染，防止滑塊內(nèi)液壓油的泄露。

由于靜壓導(dǎo)軌不能拼接，單根最大長度5 900 mm。

3 靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計流程

國內(nèi)靜壓導(dǎo)軌的應(yīng)用越來越廣泛，相關(guān)的設(shè)計方法也越來越成為工程技術(shù)人員關(guān)注的重點。下面根據(jù)實際產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，總結(jié)、歸納出靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計流程見圖7。

(1)設(shè)計輸入

主要包括靜壓導(dǎo)軌所承載運動部件的質(zhì)量(考慮質(zhì)心位置)、運動要求的精度、運動的速度、加速度等。還應(yīng)基本確定導(dǎo)軌可容納的空間尺寸和相應(yīng)防護形式，以便在結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮。

(2)導(dǎo)軌形式選擇

根據(jù)設(shè)計輸入和運動要求，分別列出不同導(dǎo)軌形式的對比表，初確定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式(如:開式、閉式、定壓、定量、矩形、圓柱等)。

(3)受力分析及工藝措施

根據(jù)所選的導(dǎo)軌形勢和受力參數(shù)，進行受力分析，計算結(jié)構(gòu)的理論變形，并根據(jù)計算數(shù)據(jù)確定相關(guān)工藝保證措施和數(shù)據(jù)。如果工藝措施無法保證，則返回導(dǎo)軌形式選擇，重新確定導(dǎo)軌形式，再進行受力分析。

(4)靜壓結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)受力分析得到的計算數(shù)據(jù)，進行靜壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并計算相關(guān)參數(shù)。得到的相關(guān)數(shù)據(jù)在回到受力分析中進行精確計算，以得到準確的數(shù)據(jù)。

(5)形成設(shè)計文件

最后編制設(shè)計書，并根據(jù)設(shè)計書進行圖紙設(shè)計和工藝文件編制。

4 結(jié)語

通過對高精度靜壓導(dǎo)軌技術(shù)和應(yīng)用情況的分析可以看出，隨著機床性能的提高和相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，特別是靜壓導(dǎo)軌模塊化、功能化和產(chǎn)業(yè)化的形成，高精度靜壓導(dǎo)軌在中高檔機床產(chǎn)品上的應(yīng)用將越來越廣泛，該功能部件將成為未來機床產(chǎn)品的重要組成部分。

［1］現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊編委會.現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］INA公司靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)產(chǎn)品手冊［Z］.