氣浮導(dǎo)軌-----

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氣浮導(dǎo)軌基于氣體動靜壓效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)無摩擦和無振動的平滑移動。它具有運(yùn)動精度高、清潔無污染等特點(diǎn)。因其誤差均化作用，可用比較低的制造精度來獲得較高的導(dǎo)向精度。通常與伺服驅(qū)動，傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度位移定位。氣浮導(dǎo)軌在測量儀器、精密機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用

超精密工作臺常用導(dǎo)軌有滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等，滾動導(dǎo)軌的應(yīng)用己經(jīng)有好多年，滾動導(dǎo)軌的運(yùn)動精度達(dá)到微米級，摩擦因數(shù)可以降低到0.002至0.003。滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是滾動摩擦阻力小，沒有滑動導(dǎo)軌的爬行、浮動現(xiàn)象，但滾動導(dǎo)軌的摩擦大、抗震性差、運(yùn)動不平穩(wěn)、壽命低，在應(yīng)用方面有所欠缺。氣浮導(dǎo)軌相對于普通滾動導(dǎo)軌有著如下的優(yōu)點(diǎn)^[2] ：

(1)導(dǎo)軌面間是氣體潤滑，其摩擦系數(shù)極小(約為0.0005左右)，故驅(qū)動功率可大大降低；

(2)因系非接觸性摩擦，故導(dǎo)軌磨損極小，壽命長，能長期保持制造精度，減少了維修工作量；

(3)氣膜具有誤差均化作用，可提高導(dǎo)軌運(yùn)動精度；

(4)氣膜厚度幾乎不受速度的影響，即使在極低速時(shí)也不會產(chǎn)生爬行，運(yùn)動平穩(wěn)；

(5)幾乎不產(chǎn)生熱量，不會發(fā)生粘度變化，無需添加冷卻措施。

19世紀(jì)中期，法國學(xué)者提出了用氣體作為潤滑劑的可能性。1828年，R R Wil-lis發(fā)表了關(guān)于小孔節(jié)流平板中氣體壓力的文章，他提出的研究模型被認(rèn)為是氣體潤滑導(dǎo)軌的雛形。1886年，O Reynolds推導(dǎo)出潤滑膜內(nèi)壓力分布所應(yīng)服從的雷諾方程，使人們對流體潤滑原理的認(rèn)識上升到了理論高度。1913年，W J Harrison在保留連續(xù)性方程中的密度項(xiàng)、引用等溫假設(shè)的條件下導(dǎo)出了可壓縮Reynold方程，給出了無限長氣體潤滑塊和軸頸導(dǎo)軌的解，為氣體潤滑技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者從空氣導(dǎo)軌誤差分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣浮導(dǎo)軌設(shè)計(jì)等多方面入手，開發(fā)了多種精密定位實(shí)驗(yàn)工作臺，開展了眾多針對靜壓導(dǎo)軌靜動態(tài)特性的相關(guān)研究，推動了超精密工作臺技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對氣浮導(dǎo)軌的特性講行了大量研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用線性源假設(shè)，將氣膜中氣體的二維流動化為一維流動，使雷諾方程得到簡單的解析解，推導(dǎo)出氣浮導(dǎo)軌的解析計(jì)算公式。昆明理工大學(xué)建立環(huán)面節(jié)流、狹縫節(jié)流、小孔節(jié)流3種節(jié)流方式的氣膜模型；應(yīng)用FLUENT軟件對氣浮導(dǎo)軌靜態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行迭代求解，得出這3種典型節(jié)流形式對氣浮導(dǎo)軌氣膜壓力分布靜承載能力和耗氣量的影響規(guī)律。

組成部分

(1)導(dǎo)軌座和溜板；

(2)節(jié)流器，如小孔節(jié)流器、毛細(xì)管節(jié)流器、、薄膜反饋節(jié)流器等；

(3)供氣系統(tǒng)及調(diào)節(jié)裝置。

分類編輯

氣浮導(dǎo)軌按工作原理分為兩種基本類型：空氣動壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌。動壓型如左下圖所示，兩個(gè)面相對移動且間隙呈楔形，沿移動方向間隙逐漸變小。由于相對移動，氣體因其黏性作用，被拖帶壓入楔形間隙中，從而產(chǎn)生壓力，構(gòu)成動壓懸浮。靜壓型如右下圖所示，是將外部的壓縮氣體，通過節(jié)流孔導(dǎo)入間隙中，借助其靜壓使之懸浮起來，節(jié)流孔的作用是當(dāng)間隙變化時(shí)，調(diào)整間隙內(nèi)的壓力，從而使導(dǎo)軌具有剛度。氣浮導(dǎo)軌是由導(dǎo)軌和溜板組成的滑動副，導(dǎo)軌和溜板之間為氣膜潤滑。

開式靜壓導(dǎo)軌如左圖所示，左上角為平面型，右上角為平-V型，左下角為雙三角型，右下角為平面回轉(zhuǎn)型，它們具有如下特點(diǎn)：

(1)承受正向載荷的能力很大，承受偏載以及顛覆力矩的能力差，不能夠承受反向載荷；(2)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，制造以及調(diào)整方便；

(3)在當(dāng)導(dǎo)軌尺寸確定以后，氣腔壓力就只由載荷決定，所以小載荷時(shí)氣膜剛度低。

綜上所述，開式靜壓導(dǎo)軌適用于偏載荷及顛覆力矩小，載荷均勻，水平放置或者僅有小角度傾角的場合。

閉式靜壓導(dǎo)軌的運(yùn)動件，除在其運(yùn)動方向具有一個(gè)自由度外，其余運(yùn)動自由度都由導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)所約束，故屬于幾何封閉。下圖所示為閉式靜壓導(dǎo)軌常用的幾何形式，圖1為側(cè)導(dǎo)軌在外側(cè)的平導(dǎo)軌，圖2為側(cè)導(dǎo)軌在同一導(dǎo)軌兩側(cè)的平導(dǎo)軌，圖3為平面回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌，圖4為菱形導(dǎo)軌。

圖1和圖2的平導(dǎo)軌雖有相同的氣腔數(shù)，但對于側(cè)面間隙受熱變形的影響，后者比前者小，且克服了采用可變節(jié)流器時(shí)側(cè)面氣腔過長的缺點(diǎn)。圖3的菱形導(dǎo)軌特點(diǎn)是加工面少，適用于載荷不太大，運(yùn)動件不太長或回轉(zhuǎn)工作臺場合。

閉式靜壓導(dǎo)軌具有如下特點(diǎn)：

(1)能夠承受正反向的載荷，能夠承受偏載荷以及顛覆力矩的能力比較強(qiáng)；

(2)氣膜剛度較高，所以對導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)的剛度要求比較高；

(3)導(dǎo)軌制造及調(diào)整比較復(fù)雜；

(4)為了減少功率的損耗，閉式靜壓導(dǎo)軌一般是采用不等面積氣腔的結(jié)構(gòu)。

同時(shí)氣浮導(dǎo)軌按安裝特征可以分為平面封閉型、圓筒封閉型、重力平衡型和真空預(yù)載荷型。

平面封閉型 重力平衡型 真空預(yù)載荷型 圓筒封閉型

(1)平面封閉型：在氣浮方向上設(shè)計(jì)一對方向相對的兩個(gè)氣膜，形成氣膜預(yù)加載。適用于高精度、高剛度、大負(fù)載的導(dǎo)軌。因?yàn)楸卷?xiàng)目需要高剛度、高精度的技術(shù)要求，所以選用平面封閉型。

(2)重力平衡型：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但剛度低，用于負(fù)載變動較小的場合；

(3)真空預(yù)載荷型：用壓力氣體產(chǎn)生浮力，形成懸浮狀態(tài)，用真空發(fā)生裝置產(chǎn)生真空以提高剛度，由于真空的吸附作用，使得這種止推導(dǎo)軌具有雙向的剛度，配上x、y兩向驅(qū)動，可用單層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動，即開始結(jié)構(gòu)具有閉式特點(diǎn)，提高了工作臺的工藝性能；

（4)圓筒封閉型：該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，但加工復(fù)雜，圓柱形導(dǎo)軌得圓柱度和溜板的間隙由機(jī)械加工決定，對加工工藝要求較高。而承載能力較小，剛度差，常用于輕載。

節(jié)流器編輯

在氣浮導(dǎo)軌設(shè)計(jì)中，節(jié)流器的選用和設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。節(jié)流器類型對空氣靜壓導(dǎo)軌承載性能的影響程度決定著整個(gè)工作臺的精密程度及承載性能。節(jié)流器類型如表所示，小孔節(jié)流、環(huán)面節(jié)流和狹縫節(jié)流形式應(yīng)用最多；多孔質(zhì)和環(huán)面淺腔節(jié)流是兩種較新的節(jié)流形式，具有承載高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但是對于多孔質(zhì)節(jié)流器而言，其節(jié)流特性主要受到滲透系數(shù)的影響，而滲透系數(shù)主要是由多孔質(zhì)材料本身的性質(zhì)決定的，所以具體數(shù)值很難確定。而環(huán)面淺腔節(jié)流設(shè)計(jì)時(shí)淺腔結(jié)構(gòu)的深度通常在十幾微米至幾十微米，這增加了制造過程中的工藝難度，因而也限制了此種類型節(jié)流器的使用。其余幾種節(jié)流形式，在實(shí)踐中很少應(yīng)用。

小孔節(jié)流又稱簡單孔節(jié)流，或帶氣腔的噴嘴節(jié)流，如左圖所示。它由直徑

為的供氣小孔和小孔下端直徑為、深度為的凹穴氣腔組成。氣流通過的最小流道面積在供氣孔與氣腔交界處，即小孔喉部截面起節(jié)流作用，其大小和氣膜厚度的變化無關(guān)。小孔節(jié)流的特點(diǎn)是阻力近似與經(jīng)過節(jié)流器的流量成正比，而此時(shí)流量決定于氣膜厚度的大小。因?yàn)樾】坠?jié)流器的小孔直徑很小，氣流經(jīng)過時(shí)流速很高，來不及換熱，根據(jù)氣體力學(xué)理論，此時(shí)壓力氣體通過節(jié)流小孔的過程可視為等嫡絕熱過程。廣泛的理論研究成果表明，小孔節(jié)流方式具有承載能力大、剛度高和質(zhì)量流量最小的優(yōu)點(diǎn)。

左圖為矩形空氣靜壓導(dǎo)軌采用小孔節(jié)流器時(shí)的俯視圖和剖面圖。導(dǎo)軌工作時(shí)，壓力為的氣源氣體流經(jīng)供氣孔時(shí)受到節(jié)流作用，氣體流出供氣孔后壓力降低，繼而進(jìn)入承載氣膜，并向四周擴(kuò)散流動，流出承載板外邊界后氣體壓力降為環(huán)境壓力，在承載板和工作臺面間形成平均厚度為h的氣膜。氣體的流動形成了一定的壓力場，將承載板下表面的氣膜支承力與上表面的環(huán)境大氣作用力求差，可以得到導(dǎo)軌的承載力。載荷一定時(shí),空氣靜壓導(dǎo)軌與軌道之間會自動保持相應(yīng)的氣膜厚度，使承載力與載荷平衡,最終實(shí)現(xiàn)重量平衡型的空氣導(dǎo)軌。