高精度静压导轨技术应用分析

杜智强

(中国机床工具工业协会行业发展部，北京 100055)

随着机床定位精度、进给速度和运动载荷的不断提高，静压导轨的应用越来越广泛。静压导轨是目前高精度机床直线进给中的重要运动部件，静压导轨的运动部分由油腔中的高压油膜层支撑，在运动过程中与高精度的导轨表面不接触，理论上可以实现永无磨损的平稳、快速运动。同时，静压油膜在运动部件间起到减振、均化误差和负载自到调节的作用，与传统的滑动导轨、直线滚动导轨相比，具有抗振性高、动态响应性好、摩擦系数小、定位精度高和基本处于无磨损运行的特点，目前开始在高精度、大负载和多轴复合加工机床应用。

1 静压导轨结构与工作原理

静压导轨在国外机床产品上应用得比较早，技术也比较成熟。静压导轨工作的原理主要是将符合工作压力和粘度要求的液压油经过节流器注入导轨移动部分的油腔中，并通过油腔封边泄漏到回收油路中，油腔封边内即可形成承载油膜，使动静导轨面之间处于纯液体摩擦状态。静压导轨的这种特点决定其摩檫系数极小，不同介质下的摩擦系数在0.003～0.006之间。同时，油膜厚度与油腔结构和液压参数有关，受运动速度和载荷的变化影响较小，导轨的精度很高，并具有抗振和均化导轨几何误差的特点。

静压导轨的结构比较复杂，零件的加工精度和对使用环境的要求比较高，需要独立的液压系统。液压油的清洁程度直接影响节流器的使用性能和寿命;由于液压油的粘度系数受温度影响，所以供油系统需要稳定的温度控制。随着液压技术的发展和相关配套产业的形成，零部件的可靠性和通用性得到很大提高，静压导轨的应用越来越广泛。

目前，国内外静压导轨可分成以下几个种类。

1.1 按结构形式

(1)开式静压导轨

原理见图1，各静压油腔只支撑负载，不构成闭式反馈回路。整个系统结构简单，但精度不高，主要用于大负载的情况下。为弥补精度不足，较高精度的场合一般采用定量式液压系统对每个油腔独立供油。

(2)闭式静压导轨

原理见图2，各静压油腔不仅支撑负载，而且一般两两相对互为反馈，构成闭式反馈回路。整个系统具有自动调节能力，运行精度高，对负载和运动速度变化具有自动调节功能。由于具有闭式反馈回路，可以采用定压式液压供油系统，成本低、精度高。

1.2 按供油形式

(1)定压式静压导轨

是指节流器进口处的油压是恒定的，根据负载的变化，流量会有所变化，由于对液压原件的要求不特殊，比较好采购，采用一个油泵给各油腔供油，成本较低，所以这是目前应用较多的静压导轨。

(2)定量式静压导轨

指流经油腔的润滑油流量是一个定值，这种静压导轨不用节流器，而是对每个油腔均有一个定量油泵供油。油膜刚度较高，但结构复杂、成本很高。

另外，国际上在静压导轨的反馈形式上可以分为正压反馈和负压反馈两种。从导轨结构上看，负压反馈的结构比较简单，但液压系统需要增加负压发生器;正压反馈液压系统没有特殊要求，但导轨的结构和油路比较复杂。

2 国外典型静压导轨介绍

下面选取几个典型产品分别介绍一下。

2.1 圆柱形静压导轨

德国勇克(JUNKER)公司的圆柱形静压导轨(见图3)在其高性能磨床上应用得较早，技术也较成熟。圆柱形静压导轨就是以高精度圆柱形导轨为基准，滑动导轨块中有2组两两相对布置正压油腔实现闭式反馈的静压导轨。

圆柱形静压导轨的主要优点是:

(1)圆柱形导轨的加工精度要高于平面型导轨;

(2)闭式静压结构设计和制造比较容易;

(3)使用防护和日常维护比较容易。

圆柱形静压导轨的主要劣势是:

(1)承载能力受圆柱形导轨的尺寸限制较大;(2)圆柱形静压导轨设计和安装需要考虑结构刚性的影响。

总得来说，圆柱形静压导轨在中小规格的高精度应用场合还是比较有优势的，也比较容易实现模块化和功能化设计和制造。

2.2 开式静压导轨

开式静压导轨在重型机床上的应用较为广泛，主要特点是承载能力强。由于此类型的导轨大多采用一个定量泵给一个油腔供油的方式，所以对负载变化的适应性较强。德国的瓦德里希·济根(waldrich·siegan)公司的静压导轨和静压蜗母副驱动结构是比较典型的代表。

瓦德里希·济根(waldrich·siegan)公司开发的静压导轨和静压蜗母副驱动主要应用于重载切削应用方面。工作台由4条独立的静压导轨支撑(见图4)，其中2条平导轨用于承载，2条预载荷的侧导轨用于导向，每条导轨的静压油腔采用单独的定量泵供油。由于采用这种专有技术的静压导轨和静压蜗母副驱动结构使得其主要产品工作台的承载能力可达到每米长度承载40 t和工件总重最大500 t，承载的刚性和稳定性都比较突出。

2.3 负压反馈式静压导轨

一般的闭式静压导轨都采用正反馈形式，即在一个支撑方向上布置一组或几组相对的正压油腔实现静压反馈调节。这种方式的导轨对于各个油腔的液压要求基本一致，液压系统可以统一考虑，也没什么特殊的结构。但对于导轨结构上就比较复杂了，为了布置反馈油腔，需要在每个支撑方向的结构上都增加一条导轨面，并且要保证各条导轨间的位置和尺寸精度，无形中增加了制造的难度。正是基于解决这种应用难题，开发出可在一条导轨面上实现负压反馈的静压导轨，降低了导轨结构的制造难度。此类静压导轨中比较有代表性的产品是克林贝格公司的负压反馈式静压导轨，基本原理见图5。通过简化结构减少存在精度相互影响和制约的导轨面，无形中也提高了导轨的运行精度和刚性，提高了性能。

2.4 静压导轨功能部件

随着静压导轨的应用面越来越广，静压导轨设计和制造技术日趋成熟，功能部件化也越来越明显，涌现出许多专业生产厂和相关产品。在这些静压导轨功能部件中比较有代表性的是两类产品，一是以直线导轨技术为基础，结合静压技术发展而成的静压直线导轨功能部件，主要代表有INA公司的HLE45;另外一种是提供静压节流器和导轨块等关键组件为主。这些产品的出现，极大方便了机床主机生产厂商的产品开发和制造，推动了静压技术的推广，促进了机床产品技术和性能水平的提高。虽然目前该类产品还处于应用的起步阶段，但未来的前景还是十分广阔的。由于后一种的应用还是通过设计静压参数选购组件，大体与普通的静压导轨设计相同，就不详述了。下面主要介绍一下静压直线导轨功能部件。

现在用量极大且标准化、模块化较好的直线导轨由于结构的限制，接触刚性和抗振性不是很高，一般采取在承载滑块中间布置阻尼滑块的方式增加导轨阻尼，提高动态刚度和承载能力。但安装要求较高，也增加了成本。针对这种情况，INA公司开发了带有预载的静压导轨系统HLE45(见图6)。由于采取了直线导轨的设计理念，该导轨系统本身和普通直线导轨一样是一个完整的单元。由于内部是静压支撑结构具有很好的阻尼特性，所以该系统不需要额外的阻尼部件即可得到优于同规格直线导轨的动态刚度和承载能力。

HLE45基本工作原理是压力油从进油口通过集成在滑块内的且已经在工厂设定好的节流器进入滑块中的承载油腔内，保证滑块在导轨上最优的浮起间隙(浮起间隙在额定压力下为0.025 mm)，液压油从出油口抽回液压回路。

通过以上设计，HLE45静压直线导轨具有以下显著特点:

①由于滑块内集成了节流器，该导轨具有即装即用的特点。

②和传统的直线导轨系统具有相同的安装尺寸，具有一定的互换性，可实现一种机床整体设计思路和结构方案下，通过更换不同导轨部件得到不同精度和性能等级的机床以满足不同的加工要求。

③导轨和滑块之间几乎没有摩擦，摩擦力和载荷大小无关。由于滑块是封闭式密封，摩擦阻力主要来源于密封件，且是一个恒定值，每个滑块大约为20 N。

④承载能力和标准直线导轨系统相当，在特定条件下，刚度为压力方向=1 200 N/μm;拉力方向=900 N/μm;侧方向 =500 N/μm。加速度可达到100 m/s2，速度可以达到120 m/min。

⑤密封滑块两端的弹性密封和下部的密封条保护系统免受污染，防止滑块内液压油的泄露。

由于静压导轨不能拼接，单根最大长度5 900 mm。

3 静压导轨的设计流程

国内静压导轨的应用越来越广泛，相关的设计方法也越来越成为工程技术人员关注的重点。下面根据实际产品开发经验，总结、归纳出静压导轨的设计流程见图7。

(1)设计输入

主要包括静压导轨所承载运动部件的质量(考虑质心位置)、运动要求的精度、运动的速度、加速度等。还应基本确定导轨可容纳的空间尺寸和相应防护形式，以便在结构设计时考虑。

(2)导轨形式选择

根据设计输入和运动要求，分别列出不同导轨形式的对比表，初确定导轨的结构形式(如:开式、闭式、定压、定量、矩形、圆柱等)。

(3)受力分析及工艺措施

根据所选的导轨形势和受力参数，进行受力分析，计算结构的理论变形，并根据计算数据确定相关工艺保证措施和数据。如果工艺措施无法保证，则返回导轨形式选择，重新确定导轨形式，再进行受力分析。

(4)静压结构参数设计

根据受力分析得到的计算数据，进行静压结构的设计，并计算相关参数。得到的相关数据在回到受力分析中进行精确计算，以得到准确的数据。

(5)形成设计文件

最后编制设计书，并根据设计书进行图纸设计和工艺文件编制。

4 结语

通过对高精度静压导轨技术和应用情况的分析可以看出，随着机床性能的提高和相关技术的不断成熟，特别是静压导轨模块化、功能化和产业化的形成，高精度静压导轨在中高档机床产品上的应用将越来越广泛，该功能部件将成为未来机床产品的重要组成部分。

［1］现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］INA公司静压导轨系统产品手册［Z］.