高精度靜壓導軌技術應用分析

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，靜壓導軌的應用越來越廣泛。靜壓導軌是目前高精度機床直線進給中的重要運動部件，靜壓導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)的滑動導軌、直線滾動導軌相比，具有抗振性高、動態(tài)響應性好、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、大負載和多軸復合加工機床應用。

1 靜壓導軌結構與工作原理

靜壓導軌在國外機床產(chǎn)品上應用得比較早，技術也比較成熟。靜壓導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，使動靜導軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài)。靜壓導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，油膜厚度與油腔結構和液壓參數(shù)有關，受運動速度和載荷的變化影響較小，導軌的精度很高，并具有抗振和均化導軌幾何誤差的特點。

靜壓導軌的結構比較復雜，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。隨著液壓技術的發(fā)展和相關配套產(chǎn)業(yè)的形成，零部件的可靠性和通用性得到很大提高，靜壓導軌的應用越來越廣泛。

目前，國內(nèi)外靜壓導軌可分成以下幾個種類。

1.1 按結構形式

(1)開式靜壓導軌

原理見圖1，各靜壓油腔只支撐負載，不構成閉式反饋回路。整個系統(tǒng)結構簡單，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，所以這是目前應用較多的靜壓導軌。

(2)定量式靜壓導軌

指流經(jīng)油腔的潤滑油流量是一個定值，這種靜壓導軌不用節(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，但結構復雜、成本很高。

另外，國際上在靜壓導軌的反饋形式上可以分為正壓反饋和負壓反饋兩種。從導軌結構上看，負壓反饋的結構比較簡單，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，但導軌的結構和油路比較復雜。

2 國外典型靜壓導軌介紹

下面選取幾個典型產(chǎn)品分別介紹一下。

2.1 圓柱形靜壓導軌

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

圓柱形靜壓導軌的主要優(yōu)點是:

(1)圓柱形導軌的加工精度要高于平面型導軌;

(2)閉式靜壓結構設計和制造比較容易;

(3)使用防護和日常維護比較容易。

圓柱形靜壓導軌的主要劣勢是:

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

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

2.2 開式靜壓導軌

開式靜壓導軌在重型機床上的應用較為廣泛，主要特點是承載能力強。由于此類型的導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性較強。德國的瓦德里希·濟根(waldrich·siegan)公司的靜壓導軌和靜壓蝸母副驅(qū)動結構是比較典型的代表。

瓦德里希·濟根(waldrich·siegan)公司開發(fā)的靜壓導軌和靜壓蝸母副驅(qū)動主要應用于重載切削應用方面。工作臺由4條獨立的靜壓導軌支撐(見圖4)，其中2條平導軌用于承載，2條預載荷的側導軌用于導向，每條導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的靜壓導軌和靜壓蝸母副驅(qū)動結構使得其主要產(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 負壓反饋式靜壓導軌

一般的閉式靜壓導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，也沒什么特殊的結構。但對于導軌結構上就比較復雜了，為了布置反饋油腔，需要在每個支撐方向的結構上都增加一條導軌面，并且要保證各條導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用難題，開發(fā)出可在一條導軌面上實現(xiàn)負壓反饋的靜壓導軌，降低了導軌結構的制造難度。此類靜壓導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軌，基本原理見圖5。通過簡化結構減少存在精度相互影響和制約的導軌面，無形中也提高了導軌的運行精度和剛性，提高了性能。

2.4 靜壓導軌功能部件

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

現(xiàn)在用量極大且標準化、模塊化較好的直線導軌由于結構的限制，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)了帶有預載的靜壓導軌系統(tǒng)HLE45(見圖6)。由于采取了直線導軌的設計理念，該導軌系統(tǒng)本身和普通直線導軌一樣是一個完整的單元。由于內(nèi)部是靜壓支撐結構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。

通過以上設計，HLE45靜壓直線導軌具有以下顯著特點:

①由于滑塊內(nèi)集成了節(jié)流器，該導軌具有即裝即用的特點。

②和傳統(tǒng)的直線導軌系統(tǒng)具有相同的安裝尺寸，具有一定的互換性，可實現(xiàn)一種機床整體設計思路和結構方案下，通過更換不同導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導軌和滑塊之間幾乎沒有摩擦，摩擦力和載荷大小無關。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承載能力和標準直線導軌系統(tǒng)相當，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。

由于靜壓導軌不能拼接，單根最大長度5 900 mm。

3 靜壓導軌的設計流程

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

(1)設計輸入

主要包括靜壓導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。還應基本確定導軌可容納的空間尺寸和相應防護形式，以便在結構設計時考慮。

(2)導軌形式選擇

根據(jù)設計輸入和運動要求，分別列出不同導軌形式的對比表，初確定導軌的結構形式(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)所選的導軌形勢和受力參數(shù)，進行受力分析，計算結構的理論變形，并根據(jù)計算數(shù)據(jù)確定相關工藝保證措施和數(shù)據(jù)。如果工藝措施無法保證，則返回導軌形式選擇，重新確定導軌形式，再進行受力分析。

(4)靜壓結構參數(shù)設計

根據(jù)受力分析得到的計算數(shù)據(jù)，進行靜壓結構的設計，并計算相關參數(shù)。得到的相關數(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)形成設計文件

最后編制設計書，并根據(jù)設計書進行圖紙設計和工藝文件編制。

4 結語

通過對高精度靜壓導軌技術和應用情況的分析可以看出，隨著機床性能的提高和相關技術的不斷成熟，特別是靜壓導軌模塊化、功能化和產(chǎn)業(yè)化的形成，高精度靜壓導軌在中高檔機床產(chǎn)品上的應用將越來越廣泛，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)代實用機床設計手冊編委會.現(xiàn)代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］INA公司靜壓導軌系統(tǒng)產(chǎn)品手冊［Z］.