空气半悬浮导轨在数控机床上的应用.pdf

i-!j 。jj -l ：i 设 计 与 研 究 j“冉A A 空气半悬浮导轨在数控 机床上的应 用 上海第四机床厂 吴忠飞 徐铨 主题词半气浮 导轨设 计原理 内容提要 奎 气半 悬浮导轨 用机械 式 负载补 偿机构，可使 导轨 面的接 触 摩擦 力保持 不变，从 而提 高了机床 定位 精度和 运 动精度，并使秽动 硌的驱 动电流 变化率减 小 到无 气 浮时的1 3 由 业 增 加 7机 床 的 承 能 力 一般机 床都是采 用制造简 单、价格低 廉的 滑 功导轨。这 种 导轨面 之 间 的接触 摩 擦力 是随 负载及切 削力 的垂 直分力成 正 比关 系 变化 而 过 大 的摩 撼力会产生 移动体 的 失 动、牯滞 等现 象 执而 降低 了机床的定 位精度，也 破坏 了机 床性 能的稳 定性。具 有 负载 自动 补偿 机构的空 气 悬浮 导轨，克服 了一般 滑 动导轨 的这些缺 点。负载 自动补偿 机构 的原理 为 了使导 轨面问 的摩擦 力与 负载无 关，在 负 载的反方 向上 加上 一 个力，这个 反作 用力是 出外 部压力源提 供自 静 压力。在 洪 气压 力一 定 的半悬 浮状态 下，负载变 化，摩 攘力也随之 变 化 要像持恒 定的摩 擦力，对 应于 负载的增减，应 携相 应地增减 供气压 力。为 了 实现 自动捡 测(b 圈 l负载 补偿 机构原 理 圈 1 9 f；9 卑菲 3斯 负载和调整 供气疆 力，我们采 用 了图 1机械式 负投补偿 机构。由图 1 a可 知，当移 动 上 负载增加 时，导执面接触 的凸起 部 分 被 压 缩 变 形，间隙减 小 这时，通 过 泣移传感器，把压 力信 号反 馈 给 瞄压 伺服 阀，使 右腔 压 力增 加，薄片 向左 变 形，带 动阀芯 左移，阀 口A开 口增大，使 得工 作鹾 力增 大，增 加 的压 力用以 抵 消所增加 的 负 载，造 就保持 了导轨面 的摩擦 力不变；同理，当移 动体上 的负载 减小时，导 轨 面 接 触 力减 小，间隙增大，使右腔压 力减小，薄片 向右变 形，带 动阀芯右移，阀 口 A开 口藏小，使气 糟 压 力减小，从而 使得导轨 面 的 接 触 摩擦 力 变。对 于负载增加 AW，固体摩 撩力的增值 可 由 F 求 得“j =(武 中 导轨面 的摩擦 系数 位移传 感器增 益 0 压 力 增 压 阀 增 益 4 气 槽有效面 积 一一导 轨面的接 触刚 度 同洋地，导 轨面 问平 均 间裱 的变化量 0 是 ：H=W 口十 G e (2 J 对于负载 增加 ，而 固 体摩 擦 力 应 增加 很小，由(1)式可知，0 。肛 1作为 设计 结构要素是很 明确 的。-9 维普资讯 =结 构要素 的特 征，导 轨 面的平 均 间隙 与接 触剐 度 半悬 7-状态 的导轨面是 直 接接触 的。这样 一 有一定粗糙度 的接 触表面，对 位 移传感器及 嚆压 阀的设 计是 相 当重要 的 在不 计移 动体 自 重的初期平 均 间隙 为：L 二 一(3)Z 以(3)式算 出的值 作 为设计基准，那幺加 上移 动傩 自重 时，导轨 面的突起部 分变形，均 间隙 由 日 变至。，减 小 了 h。(见 图 2)图?籍 触 力 增 加-半 均 问 帕 型：E 对应 于接触 力 F 间隙减小 量 h o 为”：hll：(F 0 d)(4)武中 一 表观 接触 衙积、m 是 根据导轨 面 的 材 质 与加工 状 惠 坏而定 的 系数 内图 2可 知；H0=H 一 h。：t tC(n)(5)在任 意接 触力 F，：一F 0 一A F 时 的 平均-疆隙 H为：H=H 一 H =H-()f 6)以上实 际 已定义 了接触 刚度 k ，即，对应-J 法触 力增加 ，间隙 变化 AH，则 k =，F 一()一 ()2 位 移传感 器的 结构及其 增 益 如 闰 3所示，传感器 的增益 0 依赖 于初 期平均 间隙 日o、传感器 背压 P 及 供 气 压 力 P 作为 设计要素，应使 传 感器 的增 益尽可 能：当初期平均 间隙一定，传 感器 设定背压 P 0 6 P时，G 最 大。0 围3位 移 侍 感 器 攥 式 图 三用于 XK 7 1 5 F机床上的半气浮 导轨 的计算与实 验结果 1 设 计规格 参数(1)实 验 所 用 机 床 工 作 台 自重 W 0=9 7 0 k g f。机床 最大负载 增量 l =1 2 0 0 k g f。(2)导轨 面 的接 触 面 积 1 4 0 0 x 8 2+I 40 0 77=2 22 6 l O 0 m m 0：22 26c m(3)导轨 面摩擦 系数(贴 得而赛“B 斯来 盛 导 轨 软 带)=0 0 5 。(4)导轨 面 的粗 糙 度工 作 台导轨 面 粗 糙 度 =4 8 m，中拖 板导轨 面 租 糙 度=8 2 m。(5)气源提供 最大供 气 压 力 为 =5 0 kg f c m。一 r 圜 储 三 布固(6)气 槽有效 面积 图中数值是 试制 气 槽的尺 寸。在半 悬浮状态 下，铡 得压 力分布 规 律如 图 4所示 根据压 力分布 规律，圆形气 f 机床 维普资讯 槽 的有 效 积 A -连似用下 式来 计算；A =(d 口)(8)式中d 气 槽 中心圆 直径，这 里 取 d一5 0 mm 0 根 据 压 力 分 布 幽 定 的 系 数，这 里 d 5 m I T I 由(8，式 要 求得单 lA气槽 的有 效面积，4 I 手(d+d)一 手(硼一 5)2 3 7 5 m m。=2 3 7 5 gr J 1 导轨 面上共开 了 2 8个 这样 的 气槽，所以 总 的 有 效 两 积 J 为：一28 A 一 28 23 75=66 4 9 c m(7)：作 台 自重 时，导轨 面的接触 力 F 0 的 计算如下 ：W 一(P 0 一 P)(9)式中P。初期 没定 气槽 压力，这里 P 0 定 为 2 k g f c m：，J 大 气压力 F c 一 9 7 0 6 6 4 9(2 4 1 0 3 3)一 _61 1 kg f (8)I i：初期平均 问隙 的计算 堡!一4 2 6 5 m(9)平 均 间隙 日。的 计算 c 一 2 3 6，m 一 0 39 】所 以 I=l】3 6()。0 5 m，故平 均闻 隙 日0 为：H 0 一”一 h 0 =6 5 0 6=5 9 m(1 0)接触划度 的计算。F=AW A(尸 0 一，)=1 2 0 0 6 6 4 9(2 4 1 0 3 3)=29 1 1 kgf 。291 1 6 1,1 [phone] 年 第 3期=5 2 9 k g f p m 2实验 结果 与分析(1)位 置 精 度 的 测 试 XK7 1 5 F机 床导轨 在加 气浮补 偿后，用HP 5 5 2 8测 试 仪 器 测 得 充 气 与 不 充 气 时 机 床 抽 向的位置 不 可靠性、最大位置 分 散度、位 偏 差、最大反 向间隙见表 1。表 中 数据 可知，采 用气浮 后，机床 的位 置精度 比 无 气浮 时有 较大提 高。表 1 气浮导 轨对 机床位 置精 度 的影响 单 位：l l i m 精 度 项 门 导 轨 孝 无 气 浮 时 冉 气 浮 叶 不 可靠性 D 0 3 4 D 3 4 D 0 2 7 2 8 7 最大 位 置分散座 0 0 O 驰3 4 位置 偏 差 a 0 1 4 9 0 0 0 0 C 9 0 1 7 培大 瞳向 旧隙 0 0 2 4 7 0 0 O 0 1 6 5 3 3 (2)直 线 运 动 不 均 匀 性 用 GP 一3 S C 1 6 B型 光线 示波 仪实铡 轴 向中间位置 波形表 明，导轨面 充气 与否，对 机 床 的 直 线 均 匀 性 几 乎 没 有 什 幺 影 响。这 是 由 于导 轨面采用 了贴 塑的结 果，而 贴 塑导轨的 动 静摩 擦系数相 差很小，因此，可 以防止爬 行。(3)工作 台移 动时的 驱动 电流 实验 结果 见表 2。由表 中 数 据 可算 出加 载前后 的电流 变化 率。表 2气浮对 驱动 电流的影 响 单 位：A 轴 向 l，移 动速 度：2 0 mm mi n 导 轨面状 态 未竞 充 气 置 譬 无 载 】0 0 0 k g f 无 载 1 0 0 0 k g f 左 5 8 5 D 5 0 由 3 8 5 3 2 6 2 B 右 3 8 d 3 2 B 3 1 未 充气时 的电流 变化 率 左 =等 x 1 o o =5 中；t2=A l =等 圳0 =39 5 1 l 维普资讯 右；吼 一 F 1 0 0 一1 3 2 i 均 l乜 流 变 化 率 为；=孚(5 5 3 9 5+1 8 4)气 浮 时 的 电漉 变 化 率 左：=Af 【，0 中；，At !f。2 =1 9 4 5 0 5 0 5 0 2 8 2 6 2 6 x 1 00 =0 1 0 0。右：，。，。=1 o o?g =10 7 平 均 电 流 变 化 牢：叼 一 一 0 3 从上述 数据可知，无 气浮 时 的 电流平均变 化率 约为有 气浮时的 3 2倍。(4)导轨 面间的接 触刚度 导轨 采 用 气 浮 时，工 作 台上 加 藏 1 0 0 0 k g f，千 分丧读 数比加 载前减小 了 2 a n l，故其 接触 剐 度：二-：1 o o o z：5 0 0 k n 1。与前面理 论 计舞晌刚 监 k 5 2 9 k g f u m 基 本吻合。【)位 移 传 感 器 增 益 8 的 计 算 位 移传感器 增益 是加 载前后 压 力变化 P 与导轨 面间 的接触 变 形 日 之 比 加载 前后位 移 传感 器 的压力分 别为1 4和 2 2 k g f c m。即 G 一AP AH=(2 2 1 4)2 0 4 (6)压 力增压 阀增益 G 的计算 增压 阀增益 G 是加 载前看工 作压 力的 变 化 P 与 丝移 传感 嚣压 力 变化 AP 之 。加 载 前焉气槽 的工作 压力分 别为1 4和 3 2 k g f,c m，所 以：G -AP P(3 2 1 4)(2 2 1 4)一 2 2 5 四、结束 语 具有 自动负载补 偿机构 的 空 气半悬 浮导 轨 比较适 用于大 型的数 控机床 及 加工 中心。导 轨结 构(压板 塞铁)稍作 改进，效果就 更佳。在 此实 验 中采用 了机械 式位 移 传 感器，其结构 简 单、实用、价 廉。参考文献 1 _ l 耍=等 荷重托土五擘器力一定盘空氲半浮 f 寸 面0彀 披。精 密横 槭。1 9 8 I，4 7(2)：6 4 7 0 2 得而 赛 旧”斯 来戚(TURCI E T B s L YW AY)导 轨馥带 样 本(编 辑徐 鸿 根(上 接 第 6页)理 的研 究 已进 人 到国 际先 进 水平，并 远超 过捌 内 齿 和 齿 宅 加 工 机 廉 虫际 生产 水 平。为此，建 改夸 后：诣合理 论和 切 齿工 艺 的 研究，应 和 机脒 厂 和 锥齿 艳 生产广更紧密地结合，使 理论能指导实际，产生更好 的 经济 垃益。4+在吃透 样 机 曲基 础 上发 展 新 品种 更新 老 产 品 由于锥 齿 轮机 味运动 链 l 乏，结 构 复杂，理 讫 也 较 葆 因此，建 议在 夸后 1 0年 内，以 生 产 e a s o l l 齿衔的 机 廉 为主，但 也 要密 切注 意 Oe r!i k o u 和 Kt i n g e!n b c r g 机床 发展 动 向 i在 分析、消化 国 外先 进 把 品 的 基 衄 上，优 先 研制 能加 工 两种 齿 制的 新 一 代机床。在新 产 笸中 应十 分重 视 计算机 等新 技 术 的应 用 5 对 重点 企业 应采 联按 槽 政 策。竞 实 妊齿 艳机 床 制 造 厂和 研究 所 的 力赫 对 锥齿 轮啮 台厢 理，切 齿工 艺以 驶虮廉 的 主 要 结 连 进 行必 要的 研 究，以 便研 制 一 些具有我囝特 色，适 奇第三 界市场需婴的锥齿轮加 工 规康 新产 品。日前锥 齿 轮加工 扎 睐 在 国际 市场 出现 1 2 滞销 需 求 下降 是 共原 因(如 轿 车采 用 前杯 驱 动靛 需 要 此线 齿 锥齿 轮)，但 更主 要 是价 格 昂 贵。如 果我 们 能提 供 具 有 一定 水平 和 质量 保 证 的产 品，价 廉和 比 质服 务 参加 国际 竞争，是 有 f f 犬 竞争 力的 为咒 建 设有 茭 部 门对 锥 齿 轮机床 制 造 业在 人 力和 经 济政 蒲 上 给 予支 持。参 考文 献 l鬃 往 束 诂 啬 宅降 山I q内 外床 一 筻 盎越 势 i 建 谊 p 瞄 r L 亩 晁程 学 台 3 引 韵 i 年会 绝Z 瓢 1 9 8 6 2 f r e n e r C。put A i c d C0f l i M a v h n S r i al s r H a auf a c u r i n g 8e”eI a nd H yp oi d G e ar s 0MA 齿轮会谊|文巢【8 I PTM4】1 9 a 4 G f Ki c E Cf I N Fi ni s h G H ndi n g l l a t d d p i f a f B e v 目 n d Hy p o t d Ge f s AGMA 齿轮 技 求宝 立浆 8 I F TM4)j 9 9 4 Fl d r!c Rocb a L 0 e c l G a f Cuf i ag M a chi ne s l 9 3 5 5 j 兑_舯弧 由蚀 前齄 岛型 造择 的 离摧 齿轮l札床 消息 1 e6 3 r 2)；牟永 青螺 旋罐 齿轮 加 J：古蛙 的爱展 方 向 车 材 料 1 3 88(1)米 太义 设 臻 内弧 由锥 齿轮 的专 业化 集 中生产 机束 1 9 7 9，(1 采太义空 矧栈台程 电 庄我 回的 置灌及 直 捐 国 自艳 宝“弛文纂 I 9 8 (编 辑陈 迪)t 机康 维普资讯