液体静压导轨技术分析

肖道林 张超 房博文 薛松海 刘文志

摘要：液体静压导轨技术主要用于精密与超精密机床，现介绍静压导轨滑块的工作原理，并分别从油膜厚度、流量控制器、热变形这三个影响因素出发，对液体静压导轨的性能进行阐述，总结众多学者对这三方面影响因素的研究成果。

关键词：液体静压导轨;油膜厚度;流量控制器;热变形

0    引言

液体静压技术于1983年被应用到天文望远镜上，随后逐渐应用于超精密机床的进给系统。国内开始研究液体静压技术的时间相对国外较晚，我国液体静压技术的发展经历了原理验证、生产性试验、理论研究、技术应用这4个阶段。经过摸索与探讨，我国静压导轨技术的研究已初具规模。液体静压导轨技术具有高精度、高刚度、抗震性好、工作寿命长、工况稳定且摩擦力小等特点[1-2]，因此目前广泛应用于超精密机床的进给系统，以提高工件的加工精度。

德国海浮乐公司在液体静压导轨项目上的研究处于世界领先水平，该公司提出了将液体静压导轨模块化的概念，所谓“模块化”是指液体静压导轨滑块集流量控制器、静压油腔、油腔压力传感器于一体，且集成化的静压滑块具有较高的互换性。我国在液体静压导轨技术方面相对来说较落后，无法对静压导轨滑块进行模块化处理。

流量控制器的原理方法也不尽相同，德国海浮乐公司采用PM（Progressive Mengen）流量控制器进行液压油流量、油压的控制，如图1所示。PM流量控制器是一种预压调型单面薄膜反馈节流器，液压油进入PM流量控制器后分为两部分，一部分调节腔室油压以达到预紧的目的，另一部分则沿本体底部进入矩形的节流槽，其对油膜厚度的控制已达到世界顶尖水平。而我国普遍采用双薄膜反馈式流量控制器，主要利用两个薄膜的反馈对油膜厚度进行调控，其控制精度不如德国海浮乐公司的PM流量控制器。

目前，实现对液体静压导轨流量控制器的自主研发是液体静压导轨研究中的重要任务;若研发成功，我国超精密机床进给机构的发展将向前迈进一大步，我国的超精密机床技术也会有所进步。

1    液体静压导轨工作原理

液体静压导轨按结构可分为开式静压导轨与闭式静压导轨，从供油方式又可分为定量式与定压式[4]。本文以闭式定压液体静压导轨为例，阐述液体静压导轨的工作原理。

闭式定压液体静压导轨是在上下两个相对运动的导轨面通入一定压力且保持不变的压力油，形成一层具有一定承载能力与刚度的油膜，使上下两个导轨面分开，浮于油膜之上，如图2所示。通过流量控制器调节油膜，使油膜具有一定的承载能力和刚度，保证运动件之间为纯液体摩擦，从而降低导轨与滑块之间的摩擦力，保证导轨运行时的精度。

与传统导轨相比，液体静压导轨具有明显的优势：由于导轨之间的摩擦转变为液体摩擦，长时间使用磨损极小;如果导轨的运动速度发生变化，对油膜的刚度以及厚度的影响都极小。

2    液体静压导轨性能影响因素分析

2.1    油膜厚度影响

液体静压导轨的主要性能指标为承载能力和刚度，这两个指标均与油膜相关。由于上下导轨是通过油膜连接，油膜起到了支承进给系统装置及工件的作用，所以需要油膜具有一定的承载能力和刚度。如果油膜过厚，导轨会发生“漂移”现象，而油膜过薄又会导致油膜的刚度和承载能力不够，上下导轨的摩擦又变成固体摩擦。因此，油膜厚度对液体静压导轨的性能有着很大的影响。国内外很多学者对油膜厚度进行了深度研究。在赵建华等人[5]的研究中，基于力学平衡方程与流量方程，以闭式液体静压导轨为研究对象，建立静动态特性数学模型，剖析了油膜厚度对导轨性能的影响，得出油膜厚度越小，其动静态特性越好，总功率损失越小的结论。

在油膜厚度的相关研究中，众多学者也将如何控制油膜厚度作为研究课题。有国内学者提出了基于矢量变频调速技术的液体静压导轨油膜厚度开环控制系统[6]，此方法既保证了控制精度，又减少了能源的损耗。

2.2    流量控制器影响

流量控制器在液体静压导轨系统中主要控制油膜压力与厚度，这是决定静压导轨的承载能力与刚度的重要指標，因此流量控制器在整个液体静压导轨系统中起着至关重要的作用。目前，国外主要应用海浮乐公司研发的单薄膜片反馈PM流量控制器，其精度可以达到控制油膜厚度的变化不超过2.5 μm，而国内研制的双薄膜反馈式流量控制器则不能达到PM流量控制器的精度，在流量控制器方面我国仍处于追赶状态。

在高殿荣等人[7]的研究中，以基于PM流量控制器的矩形对置油垫为研究对象，着重剖析了比流量、初始流量以及泵压等参数对静压导轨油膜承载能力及动静态特性的影响，并得出了比流量、初始流量越大，泵压越小，其刚度越大的结论。

在施晨淳等人[8]的研究中，以四油垫闭式液体静压导轨为研究对象，同样使用的是PM流量控制器，得出了在初始流量、比流量以及供油压力3个参数中，初始流量对运动精度的影响较为显著的结论。

国内的众多研究大都是以PM流量控制器作为主要的油膜控制装置来研究其对油膜承载能力和刚度的影响。对于双薄膜反馈式流量控制器作为液压油控制单元的液压导轨，研究的资料较少，但所比对的参数相同，研究方法也大致相同。

2.3    热变形影响

通常情况下，液体静压导轨系统主要由导轨、流量控制器以及油泵组成。在工作过程中，导轨之间的摩擦会产生大量的热，从而导轨产生热变形，影响工件的加工精度。目前，已有许多高校和科研机构对静压导轨的热变形问题进行了深入研究。

在江云等人[9]的研究中，通过ANSYS建立了静压导轨的热特性有限元模型，并经过多次模拟仿真，得出电机匀速运行时，发热来源主要为油膜，其发热量不大，影响较小;电机变速运行时，发热来源主要为电机，发热影响较大;同时也给出了强制对流冷却、采用热膨胀系数小的材料、控制液压油温度以及避免电机做高速和变加速运动等改善措施。