液體靜壓導軌技術分析

肖道林 張超 房博文 薛松海 劉文志

摘要：液體靜壓導軌技術主要用于精密與超精密機床，現介紹靜壓導軌滑塊的工作原理，并分別從油膜厚度、流量控制器、熱變形這三個影響因素出發，對液體靜壓導軌的性能進行闡述，總結眾多學者對這三方面影響因素的研究成果。

關鍵詞：液體靜壓導軌;油膜厚度;流量控制器;熱變形

0 ? ?引言

液體靜壓技術于1983年被應用到天文望遠鏡上，隨后逐漸應用于超精密機床的進給系統。國內開始研究液體靜壓技術的時間相對國外較晚，我國液體靜壓技術的發展經歷了原理驗證、生產性試驗、理論研究、技術應用這4個階段。經過摸索與探討，我國靜壓導軌技術的研究已初具規模。液體靜壓導軌技術具有高精度、高剛度、抗震性好、工作壽命長、工況穩定且摩擦力小等特點[1-2]，因此目前廣泛應用于超精密機床的進給系統，以提高工件的加工精度。

德國海浮樂公司在液體靜壓導軌項目上的研究處于世界領先水平，該公司提出了將液體靜壓導軌模塊化的概念，所謂“模塊化”是指液體靜壓導軌滑塊集流量控制器、靜壓油腔、油腔壓力傳感器于一體，且集成化的靜壓滑塊具有較高的互換性。我國在液體靜壓導軌技術方面相對來說較落后，無法對靜壓導軌滑塊進行模塊化處理。

流量控制器的原理方法也不盡相同，德國海浮樂公司采用PM（Progressive Mengen）流量控制器進行液壓油流量、油壓的控制，如圖1所示。PM流量控制器是一種預壓調型單面薄膜反饋節流器，液壓油進入PM流量控制器后分為兩部分，一部分調節腔室油壓以達到預緊的目的，另一部分則沿本體底部進入矩形的節流槽，其對油膜厚度的控制已達到世界頂尖水平。而我國普遍采用雙薄膜反饋式流量控制器，主要利用兩個薄膜的反饋對油膜厚度進行調控，其控制精度不如德國海浮樂公司的PM流量控制器。

目前，實現對液體靜壓導軌流量控制器的自主研發是液體靜壓導軌研究中的重要任務;若研發成功，我國超精密機床進給機構的發展將向前邁進一大步，我國的超精密機床技術也會有所進步。

1 ? ?液體靜壓導軌工作原理

液體靜壓導軌按結構可分為開式靜壓導軌與閉式靜壓導軌，從供油方式又可分為定量式與定壓式[4]。本文以閉式定壓液體靜壓導軌為例，闡述液體靜壓導軌的工作原理。

閉式定壓液體靜壓導軌是在上下兩個相對運動的導軌面通入一定壓力且保持不變的壓力油，形成一層具有一定承載能力與剛度的油膜，使上下兩個導軌面分開，浮于油膜之上，如圖2所示。通過流量控制器調節油膜，使油膜具有一定的承載能力和剛度，保證運動件之間為純液體摩擦，從而降低導軌與滑塊之間的摩擦力，保證導軌運行時的精度。

與傳統導軌相比，液體靜壓導軌具有明顯的優勢：由于導軌之間的摩擦轉變為液體摩擦，長時間使用磨損極小;如果導軌的運動速度發生變化，對油膜的剛度以及厚度的影響都極小。

2 ? ?液體靜壓導軌性能影響因素分析

2.1 ? ?油膜厚度影響

液體靜壓導軌的主要性能指標為承載能力和剛度，這兩個指標均與油膜相關。由于上下導軌是通過油膜連接，油膜起到了支承進給系統裝置及工件的作用，所以需要油膜具有一定的承載能力和剛度。如果油膜過厚，導軌會發生“漂移”現象，而油膜過薄又會導致油膜的剛度和承載能力不夠，上下導軌的摩擦又變成固體摩擦。因此，油膜厚度對液體靜壓導軌的性能有著很大的影響。國內外很多學者對油膜厚度進行了深度研究。在趙建華等人[5]的研究中，基于力學平衡方程與流量方程，以閉式液體靜壓導軌為研究對象，建立靜動態特性數學模型，剖析了油膜厚度對導軌性能的影響，得出油膜厚度越小，其動靜態特性越好，總功率損失越小的結論。

在油膜厚度的相關研究中，眾多學者也將如何控制油膜厚度作為研究課題。有國內學者提出了基于矢量變頻調速技術的液體靜壓導軌油膜厚度開環控制系統[6]，此方法既保證了控制精度，又減少了能源的損耗。

2.2 ? ?流量控制器影響

流量控制器在液體靜壓導軌系統中主要控制油膜壓力與厚度，這是決定靜壓導軌的承載能力與剛度的重要指標，因此流量控制器在整個液體靜壓導軌系統中起著至關重要的作用。目前，國外主要應用海浮樂公司研發的單薄膜片反饋PM流量控制器，其精度可以達到控制油膜厚度的變化不超過2.5 μm，而國內研制的雙薄膜反饋式流量控制器則不能達到PM流量控制器的精度，在流量控制器方面我國仍處于追趕狀態。

在高殿榮等人[7]的研究中，以基于PM流量控制器的矩形對置油墊為研究對象，著重剖析了比流量、初始流量以及泵壓等參數對靜壓導軌油膜承載能力及動靜態特性的影響，并得出了比流量、初始流量越大，泵壓越小，其剛度越大的結論。

在施晨淳等人[8]的研究中，以四油墊閉式液體靜壓導軌為研究對象，同樣使用的是PM流量控制器，得出了在初始流量、比流量以及供油壓力3個參數中，初始流量對運動精度的影響較為顯著的結論。

國內的眾多研究大都是以PM流量控制器作為主要的油膜控制裝置來研究其對油膜承載能力和剛度的影響。對于雙薄膜反饋式流量控制器作為液壓油控制單元的液壓導軌，研究的資料較少，但所比對的參數相同，研究方法也大致相同。

2.3 ? ?熱變形影響

通常情況下，液體靜壓導軌系統主要由導軌、流量控制器以及油泵組成。在工作過程中，導軌之間的摩擦會產生大量的熱，從而導軌產生熱變形，影響工件的加工精度。目前，已有許多高校和科研機構對靜壓導軌的熱變形問題進行了深入研究。

在江云等人[9]的研究中，通過ANSYS建立了靜壓導軌的熱特性有限元模型，并經過多次模擬仿真，得出電機勻速運行時，發熱來源主要為油膜，其發熱量不大，影響較小;電機變速運行時，發熱來源主要為電機，發熱影響較大;同時也給出了強制對流冷卻、采用熱膨脹系數小的材料、控制液壓油溫度以及避免電機做高速和變加速運動等改善措施。