智能制造装备闭式静压导轨的设计和试验

门 静, 尚雪梅, 刘 希,曹 阳, 王国平, 贾 谦

(1.西安交通大学城市学院 机械工程系,西安 710018,E-mail:316614760@qq.com;2.西安交通大学城市学院 机器人与智能制造陕西省高校工程研究中心,西安 710018;3. 广州海关技术中心,广州 510623;4. 西安理工大学 机械与精密仪器学院,西安 710048)

先进制造技术的要求使得数控加工技术得到了快速的发展,特别是智能制造装备高速高效制造对机床中的导轨、主轴等核心部件正朝着高参数化发展[1]。对于智能制造装备,如果能够提高加工的效率并提高制造的精度,那无疑可以缩短制造的周期。导轨是智能制造装备不可或缺的基础零部件,其中的静压导轨具有良好的减振能力,可大大提高智能制造装备的加工的精度[2]。油静压导轨是在两相对轨道和滑块之间通入压力油,使滑块相对于轨道浮起,具有纯液体润滑、摩擦系数小、工作寿命长、运动平稳、刚度大等特点,广泛应用于超精密与精密机床[3]。

对于静压导轨的应用,国内外都做了大量的研究工作。美国国家实验室研发的超精密静压导轨,直线度误差小于0.025 μm/1 000 mm[4]。EijiShamoto提出了新的模型分析运动精度,同时提出一种提高其精度的算法[6]。Shamoto引入矫正加工算法以提高直线运动承载台的运动精度[6]。Park设计了一种主动控制的毛细管装置,使静压导轨的直线运动误差和角度运动误差分别减小到原数值的1/15和 1/6[7]。Dzodzo 使用N-S 公式建立了润滑流体模型,采用有限体积法分析了油腔结构对油膜压力分布和油液流量的影响[8]。薛飞提出了一种新的方法来定量分析具有四油腔的典型闭式静压导轨的运动误差,提高了运动精度[9]。刘震用UMAC对静压导轨定位精度进行实时软件补偿,提高了静压导轨的定位精度[10],Jun Zha基于误差均化效应,提出一种计算评估导轨的运动精度的方法[11]。张伟详细计算不同工作载荷下的液体静压导轨的承载能力、油膜厚度、刚度[12]。仝志伟利用MATLAB曲线拟合工具研究转台底部支承布局对静压导轨平面度误差影响规律,在此基础上对转台底部支承布局进行重构[13]。杜凯旋设计了可更换节流器类型的液体静压导轨实验台,采用有限元仿真与实验结合的方法,探究了小孔、毛细管、环形缝隙这3种节流方式对液体静压导轨刚度的影响规律[14]。王东峰研究证明静压导轨间隙的微量变化可使油腔压力增量,当采用可变节流器时能获得近似于无穷大的油膜刚度[15]。金淼研究了静压导轨几何误差对运动直线度的影响,通过试验验证了模型的正确性[16]。

由以上分析可以看出目前国内外研究热点主要集中在静压导轨的静动态性能的理论分析及试验测试方法等方面,且大多数研究机床多轴联动加工关键组成部件均围绕垂直轴展开,而对Y轴导轨研究较少,而Y轴导轨承受载荷较大且运行较频繁,对加工指标影响较大。本文针对精密数控铣磨床旋转工作台,采用静闭式压导轨作为支撑,对Y导轨关键性能参数进行了计算仿真和试验研究。

1 闭式静压导轨的设计需求分析

1.1 闭式静压导轨的使用背景

▲图1 精密铣磨床结构示意图

本文研究的背景是针对航空航天所需零件薄壁件及精密光学元件的智能制造装备,比较典型的就是可以进行非球面加工的精密磨床。精密铣磨床的结构示意图如图1所示,该类铣磨床有望在加工中起到以铣代磨和以磨代抛的作用。从图1中可以看出该铣磨床为典型的五轴联动机床,含三个导轨,分别为X导轨、Y导轨和Z导轨,本文进行设计研究的是对加工影响最大的位于旋转工作台下方的Y导轨,该导轨承受载荷较大大且运行较为频繁。在加工中,工件被装夹在转台上并由转台带动旋转,采用静压导轨可以提高转台的承载能力和运行精度,且由于静压油膜的误差均化效应,可以使得滑块运行地更加平稳。

1.2 闭式静压导轨的设计需求

根据智能制造装备对于数控加工的需要,本文所研究的静压导轨主要承受的载荷是工件的重量,导轨的最大承载能力为2 kN,根据加工尺寸的需要滑块的最大工作行程为300 mm,其它设计需求参数还包括供油压力为2 MPa、水平方向和垂直方向的跳动值的测量平均值不大于5 μm,闭式静压导轨的主要设计指标如表1所示。

表1 闭式静压导轨的主要设计指标

2 闭式静压导轨的设计与性能仿真

2.1 闭式静压导轨的设计模型

▲图2 闭式静压导轨的结构模型图

静压导轨的结构一般主要由滑块、油腔、导轨等组成,油膜刚度和承载能力是关键设计参数,本文对闭式静压导轨采用内包式设计,如图2所示为的内包式闭式静压导轨的结构模型图。设计时需要通过计算确定静压导轨的一些对性能影响较大的结构参数,例如半径间隙h0、位移率ε和主辅油垫的有效承载面积之比KA。静压导轨的性能要求主要包括承载能力和油膜刚度两方面指标。本文对承载能力与油膜刚度采取的是理论计算的方法获得。

▲图3 单个对置油垫工作原理图

闭式静压导轨的滑块由四个不等油腔的对置油垫支承,故可分析单个对置油垫的承载能力。图3为单个对置油垫工作原理图。T1和T2表示主辅油垫对滑块的作用力。h1和h2分别表示主辅油垫的油膜间隙。通常导轨上的载荷具有一定的变动范围,即ΔW=Wmax-Wmin,载荷变动大小用Cp表示,Cp=Wmax/Wmin。当被支承件在载荷W作用下处于某一位置,W由上下油垫的支承平衡。

对置油垫承载能力的计算可采用式(1)来实现。式中:p1、p2为油垫的油腔压力,Ae1、Ae2为主辅油垫的有效承载面积。

W=T1-T2=p1Ae1-p2Ae2

(1)

对于本文研究的静压导轨,采用的是矩形油垫的结构,如图4所示。Ae1和Ae2可由式(2)和式(3)计算获得。式中的l1、l2为主、辅油垫沿L方向封油边长度,b1、b2为主、辅油垫沿B方向封油边长度。

▲图4 矩形油垫的结构模型图Ae1=1/4(L1 +l1)(B1 +b1)

(2)

Ae2=1/4(L2+l2)(B2+b2)

(3)

在一定进油压力Ps下

(4)

(5)

(6)

式(6)中:lc1、lc2为主、辅油垫的毛细管长度;dc1、dc2为主、辅油垫的直径。在使用毛细管节流方式是的不等面积对置油垫的承载能力可由式(7)获得。

W=p1Ae1-p2Ae2

(7)

式(7)中:KA为主辅油垫的有效承载面积之比可由式(8)获得;ε为相对位移可由式(9)获得,Kλ为主辅油垫结构参数之比,可由式(10)获得。

(8)

(9)

(10)

式(10)中:的λ01、λ02表示主、辅油垫设计中的液阻比,可由式(11)获得。式(11)中的lc1、lc2为主、辅油垫的毛细管长度,dc1、dc2为主、辅油垫的毛细管直径。

(11)

理论上,静压导轨的最大承载能力取决于油垫最小油膜厚度的大小,所以当h1→0、ε→0时,承载能力最大,所以静压导轨的最大承载力为

(12)

油膜刚度是指油膜抗载荷变动的能力,即产生单位油膜厚度变化所需的载荷变动量。平均油膜刚度K’可由式(13)获得,式中ΔW表示载荷增量,Δe为位移增量即油膜减少量-Δh表示油膜变化量。

K’ =-ΔW/Δh=ΔW/e

(13)

当Δe趋近于0时,得到某点刚度K,由式(14)可以求出对置油垫在主油垫间隙为h1时的油膜刚度。

(14)

本文研究的静压导轨,取Kλ=1,则式(14)可以写为

(15)

2.2 设计参数的确定与性能仿真分析

根据表1中所列的闭式静压导轨的主要设计指标,在本文对闭式静压导轨的设计中,承载力W、油膜的刚度K和运行精度都是重要的设计指标,由于本文设计的是Y导轨,所以可以采用端面的跳动Δy来表示。本文计算考虑的主要因素是导轨面积比KA与相对位移ε。本文在设计时根据设计经验给定了静压导轨的基本设计参数,如表2所示。

表2 静压导轨的基本设计参数

采用导轨面积比KA与相对位移ε可以调整静压导轨的性能参数,通过式(1)-(12)可以获得静压导轨的承载力W,式(13)-(15)可以获得油膜刚度值K。计算静压导轨油膜刚度和承载能力随KA和ε的连续变化,有助于进行规律性的分析及最优结构参数方案的确定。导轨承载力W、刚度K、跳动Δy随面积比KA的变化规律如图5所示。图5(a)为W随KA的变化,图中可以看出W随着KA的增大而减小,KA=1.0时候的W降低为KA= 0.5时候的85%;图5(b)为K随KA的变化,图中可以看出K随着KA的增大而增大,KA=1.0时候的K增大为KA=0.5时候的1.55倍;图5(c)为Δy随KA的变化,图中可以看出Δy随着KA的增大而减小,KA=1.0时候的Δy降低为KA=0.5时候的64%。

导轨承载力W、刚度K、跳动Δy随相对位移ε的变化规律如图6所示。图6(a)为W随KA的变化,图中可以看出W随着ε的增大而增大,ε=1.0时候的W增大为ε=0时候的6.25倍;图6(b)为K随ε的变化,图中可以看出K随着ε的增大而降低,ε=1.0时候的K降为ε=0时候的1/10;图6(c)为Δy随ε的变化,图中可以看出△y随着ε的增大呈非单调性变化,ε=8时Δy最大。

▲图5 导轨性能随面积比KA的变化

▲图6 导轨性能随相对位移ε的变化

3 闭式静压导轨运行精度的试验测试

3.1 运行精度的试验测试方法

本文对闭式静压导轨的试验是在自制的静压导轨试验台上进行的,试验台采用闭式液体静压导轨支承、力矩电机驱动、 高精密滚珠丝杠传动、圆光栅和直线光栅尺进行位置反馈。导轨的结构尺寸参数如表2所示,KA取0.5。试验系统的供油压力为4.0 MPa,传动系统的转速为5.0 r/min。该试验台及其工作原理如图7所示。在试验时数控系统中编写的程序指被运行发送命令至伺服控制器,伺服控制器输出进给脉冲信号和开关信号,驱动力矩电机转子旋转,带动与转子直接连接的静压丝杠旋转,从而带动工作台在静压导轨上进行直线进给运动。控制反馈系统采用速度环和位置环的双闭环控制系统,速度环采用 Renishaw 的 RESM75A 圆光栅,配用 200 倍细分器可实现 0.55 s的分辨率,位置环采用 Heidenhain 开式直线光栅尺。

激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、测量范围大、分辨力高等优点,在试验中采用激光干涉仪对安装好的导轨实验台进行水平直线度和垂直直线度的精度测量。直线度测量时通过检测光路与干涉镜和反射镜之间的相对横向位移的变化,测量在水平面和垂直面上的直线度误差。

▲图7 导轨试验台及其工作原理图

3.2 运行精度试验的测试结果分析

试验测试了静压导轨水平面和垂直面上的跳动Δx和△y。Δx反映了静压导轨水平方向的运行精度,Δy反映了静压导轨垂直方向的运行精度。试验时滑块的工作行程s为180 mm,Δx和Δy反复测量三次,测试结果如图8所示。图8(a)所示为Δx随s的变化,图中可以看出,在180 mm的滑块行程s中测得的Δx值分布在(1～9)μm范围内,测量值集中在4 μm内,Δx平均值为3.5 μm。图8(b)所示为Δy随s的变化,测得的Δy值也分布在了(1～9)μm范围内,测量值集中在3 μm内,Δy平均值为2.9 μm。可见Δy测量值与Δx值测量相比略小,这与导轨在垂直方向承受了滑块的重力载荷等相关。从Δx和Δy的实测结果来看,满足表1中设计中水平方向和垂直方向的跳动值的测量平均值不大于5 μm的设计需求。

▲图8 导轨运行精度的测试结果

4 结论

(1) 从精密数控铣磨床的高效、高精密加工出发,对Y轴导轨进行了设计,设计的导轨为闭式静压结构,建立了静压导轨的润滑性能计算模型,计算了静压导轨承载能力W、油膜刚度K和垂直端面跳动Δy随面积比KA和相对位移ε的变化,并根据计算的结果确定了KA的大小。

(2) 在导轨试验台上对设导轨的运行精度进行了测试,在180 mm的滑块行程s中,Δx值分布在(1～9)μm范围内,大部分测量值集中在4 μm内,测得的Δy值也分布在了(1～9)μm范围内,大部分测量值集中在3 μm内,从试验方面证明了本文方法对精密机床静压导轨的研究具有较好的理论研究和工程实用价值。

(3) 本文研究的特殊之处在于采用理论分析、数值仿真和试验相结合的方法进行静压导轨的设计研究,区别于以单一理论或试验结果为设计准则,本文的研究对静压导轨的性能提升具有较好的参考价值。