液體靜壓導(dǎo)軌技術(shù)分析

肖道林 張超 房博文 薛松海 劉文志

摘要：液體靜壓導(dǎo)軌技術(shù)主要用于精密與超精密機床，現(xiàn)介紹靜壓導(dǎo)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(fā)，對液體靜壓導(dǎo)軌的性能進行闡述，總結(jié)眾多學(xué)者對這三方面影響因素的研究成果。

關(guān)鍵詞：液體靜壓導(dǎo)軌;油膜厚度;流量控制器;熱變形

0 ? ?引言

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

德國海浮樂公司在液體靜壓導(dǎo)軌項目上的研究處于世界領(lǐng)先水平，該公司提出了將液體靜壓導(dǎo)軌模塊化的概念，所謂“模塊化”是指液體靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌技術(shù)方面相對來說較落后，無法對靜壓導(dǎo)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(yù)壓調(diào)型單面薄膜反饋節(jié)流器，液壓油進入PM流量控制器后分為兩部分，一部分調(diào)節(jié)腔室油壓以達到預(yù)緊的目的，另一部分則沿本體底部進入矩形的節(jié)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(diào)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(xiàn)對液體靜壓導(dǎo)軌流量控制器的自主研發(fā)是液體靜壓導(dǎo)軌研究中的重要任務(wù);若研發(fā)成功，我國超精密機床進給機構(gòu)的發(fā)展將向前邁進一大步，我國的超精密機床技術(shù)也會有所進步。

1 ? ?液體靜壓導(dǎo)軌工作原理

液體靜壓導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)可分為開式靜壓導(dǎo)軌與閉式靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌為例，闡述液體靜壓導(dǎo)軌的工作原理。

閉式定壓液體靜壓導(dǎo)軌是在上下兩個相對運動的導(dǎo)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(dǎo)軌面分開，浮于油膜之上，如圖2所示。通過流量控制器調(diào)節(jié)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(dǎo)軌與滑塊之間的摩擦力，保證導(dǎo)軌運行時的精度。

與傳統(tǒng)導(dǎo)軌相比，液體靜壓導(dǎo)軌具有明顯的優(yōu)勢：由于導(dǎo)軌之間的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w摩擦，長時間使用磨損極小;如果導(dǎo)軌的運動速度發(fā)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(dǎo)軌性能影響因素分析

2.1 ? ?油膜厚度影響

液體靜壓導(dǎo)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(guān)。由于上下導(dǎo)軌是通過油膜連接，油膜起到了支承進給系統(tǒng)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(dǎo)軌會發(fā)生“漂移”現(xiàn)象，而油膜過薄又會導(dǎo)致油膜的剛度和承載能力不夠，上下導(dǎo)軌的摩擦又變成固體摩擦。因此，油膜厚度對液體靜壓導(dǎo)軌的性能有著很大的影響。國內(nèi)外很多學(xué)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(xué)平衡方程與流量方程，以閉式液體靜壓導(dǎo)軌為研究對象，建立靜動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，剖析了油膜厚度對導(dǎo)軌性能的影響，得出油膜厚度越小，其動靜態(tài)特性越好，總功率損失越小的結(jié)論。

在油膜厚度的相關(guān)研究中，眾多學(xué)者也將如何控制油膜厚度作為研究課題。有國內(nèi)學(xué)者提出了基于矢量變頻調(diào)速技術(shù)的液體靜壓導(dǎo)軌油膜厚度開環(huán)控制系統(tǒng)[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(dǎo)軌系統(tǒng)中主要控制油膜壓力與厚度，這是決定靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。目前，國外主要應(yīng)用海浮樂公司研發(fā)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(nèi)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(tài)。

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(shù)對靜壓導(dǎo)軌油膜承載能力及動靜態(tài)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(jié)論。

在施晨淳等人[8]的研究中，以四油墊閉式液體靜壓導(dǎo)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(shù)中，初始流量對運動精度的影響較為顯著的結(jié)論。

國內(nèi)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(dǎo)軌，研究的資料較少，但所比對的參數(shù)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(dǎo)軌系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌、流量控制器以及油泵組成。在工作過程中，導(dǎo)軌之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)軌產(chǎn)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(gòu)對靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌的熱特性有限元模型，并經(jīng)過多次模擬仿真，得出電機勻速運行時，發(fā)熱來源主要為油膜，其發(fā)熱量不大，影響較小;電機變速運行時，發(fā)熱來源主要為電機，發(fā)熱影響較大;同時也給出了強制對流冷卻、采用熱膨脹系數(shù)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。