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精密运动系统的非接触特种轴承
smartmotion 发表于 2007/12/10 18:56:44 1075 查看 3 回复 [上一主题] [下一主题]
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当今精密运动系统在精度、速度等方面的要求越来越高，静态指标的要求已经不再是考核运动系统的唯一标准，频率特性、振动误差、高加速度等指标成为考核一个精密运动系统的关键因素。
设计和制造一个动态特性和静态特性同样出色的精密运动系统，受到各方面因素的影响，而设计者面临的第一个问题就是轴承的选择和使用。
传统的滑动和滚动轴承不可避免的在运动部件和静止部件之间产生摩擦，因此轴承系统的尺寸误差、表面粗糙度等对传动误差的影响很大，这些影响随着频率的提高而更加显著。
技术发展和客户需求促进了非接触式特种轴承的发展，这些特种轴承最大的特点就是运动部件和静止部件之间没有直接的机械接触，还可以从动态设计的角度对误差频谱进行优化，使运动误差周期性的出现在不影响系统工作性能的频率区间，或者控制系统采用专用滤波技术对系统特性进行优化。
另外一个使得这些特种轴承得到关注和应用的决定因素是运动误差会随着工作频率的提高而快速减少，系统有更好的高频特性。可以通过附图一个典型的空气轴承主轴的误差变化说明这一特性。
由图可以看出，该空气轴承主轴的固有频率在13Hz，因此当主轴转速在13、26、39赫兹时径向误差比较大，随着转速的提高，固有频率对误差的影响越来越小。由于有规律可循，在设计控制器时可以通过在13、26、39Hz处增加滤波器来减少振动对系统的影响。
因此，当对运动系统的精度和运动平稳性有很高的要求时，采用无接触式的特种轴承是更加明智的。常用的非接触式轴承有弹性支撑、液压轴承、空气轴承和磁悬浮轴承等。今后将逐渐介绍各种非接触轴承的性能和应用。
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smartmotion 发表于 2007/12/5 10:15:09
2楼 回复本楼
引用 smartmotion 2007/12/5 10:15:09 发表于2楼的内容
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smartmotion 发表于 2007/12/5 16:42:59
3楼 回复本楼液压轴承有静压和动压之分，实际应用的主要是液体静压轴承（Hydrostatic Dearing）。
液压轴承的工作原理是利用液压油在相对运动部件之间形成的油膜来支撑负载，油膜的厚度在1到100微米之间。结构形式大致分为五种：单面液压垫（Single Pad）、对称式液压垫（Opposed Pad）、轴套式（Journal）、旋转轴肩式（Rotary Thrust）以及圆锥型轴套或轴肩式（Conical Journal/thrust bearings）。形成高压油膜的液压油的注入和回收（循环）是液压轴承设计中要注意解决的问题。
液压轴承的主要性能：
1、 速度和加速度的限制。由于液压油本身的黏性，液压轴承存在黏性阻尼，尤其当运行在高速状态时，会产生大量的热能而使液压油和运动部件温度迅速上升。因此高速运行的液压轴承在设计时要考虑增加闭环的温度控制机制，同时要考虑油压能够克服黏性力而避免油膜缺油造成轴承刚度的下降。高速运行的液压轴承还有另外一个问题，就是动压状态下的涡流失稳。对旋转的液压轴承来说，会产生一个相当于转速半频率的振动，影响精度并破坏轴承。因此液压轴承对运行速度是有限制的。加速度则不同，不受限制，液压轴承可以工作在高加速度的状态下。
2、 工作范围。直线运动的液压轴承可以工作在任何长度行程，只要相对应的导轨面积够长。实际应用中有几十米行程的液压轴承。旋转运动的液压轴承不受工作角度的限制。
3、 承载能力。由于液压轴承油膜有比较大的支撑面积，因此可以承载重达数吨的大负荷。例如重型机床的大拖板，以及深海采油设备重达20000吨，通常由其驳船上的水压轴承来支撑。
4、 精度指标。液压轴承的精度通常和机械零部件相关。液压轴承本身对表面粗糙度和液压垫上的微小变化不敏感，可以说是各类轴承中运行最平稳的。导轨的不直度可以对运行精度造成影响，但不会影响液压轴承的重复精度。由于没有磨损，直线液压轴承通常可以作到亚微米/米的精度范围。因此，液压轴承主要应用于高精度拖板和旋转主轴。
5、 重复定位精度。上面已经提到，液压轴承的重复精度很高，影响其精度的主要因素是液压系统，包括液压泵、阀和管路。通常液压轴承系统可以作到亚微米的重复精度，如果液压系统的温度控制做得好，重复精度还会更高。不过由于液体的黏性比较大，高速运动的液压轴承油膜厚度可能会变化，这将影响液压轴承的精度，解决办法就是采用低黏性的液体作为油膜介质。
6、 分辨率。液压轴承没有静态摩擦力，而且阻尼特性（damping）很好，理论上讲分辨率可以做到无限高，并且有很好的闭环控制性能和稳定性。最典型的例子就是天文望远镜，可以实现极高分辨率的平稳运动。
7、 预载荷。对单面液压垫来说，载荷的变化会影响油膜的厚度和刚度，因此实际应用中需要加预载。对机床应用来说，对称式液压垫是唯一的选择。
8、 刚度系数。液压轴承一般可以作到nN/nm的刚度，并且很容易通过计算的方式确定。由于没有机械磨损，又不会产生常时间使用造成的刚度变化问题。
9、 对振动和冲击的吸收。液压轴承的油膜是很好的能量储存器，相比其它类型的轴承，液压轴承可以更好地吸收外部振动和冲击。
10、 阻尼特性。液压轴承无论在正交方向还是切线方向都有很好的阻尼特性。当然，好的液压轴承设计应该吸收整个机床系统的共振能量，如果固有频率离系统共振点比较远，就起不到好的阻尼性能。
11、 摩擦力。液压轴承没有静摩擦，但是有动摩擦力。动摩擦的幅度和速度、轴承结构以及液压油的黏性相关。
12、 温度特性。液压轴承使用中有温升，应采用有效的冷却方法，保持液压油温度的稳定。热量产生的源头主要是液压泵、高压油膜的挤出以及黏性液体在高速运动时的热量产出。
13、 环境敏感性。由于液压油需要回收再利用，因此保持油品的洁净是很重要的。液压回路要和冷却液、切屑等完全隔离。
14、 尺寸和重量。不考虑油路的布置和附件，液压轴承的结构简单，尺寸和重量都很小。
15、 附件。液压轴承最大的缺点是需要很多的附件产品，包括液压泵、油路、过滤系统，以及温度控制系统等，是一套很庞大的设备和系统。
16、 维护。液压轴承的主要维护工作是周期性的检查液压油的纯净度和油量，补充损耗的液压油并定期更换过滤器。
17、 材料。液压轴承对材料没有特殊要求，但为了保证油膜厚度的稳定性，最好采用温度特性接近的材料来制造导轨和液压垫。因为采用不同的材料其温度膨胀系数不一样，温差会影响油膜间隙及轴承刚度。
18、 使用寿命。如果使用合理且油品有保证，液压轴承的理论使用寿命是无限长的。一般情况下设备的更新或报废都是设备上其它部件的损坏造成的。
19、 费用。液压轴承主要的费用是液压回路的构建、长导轨的加工，液压垫本身的加工费用并不高。
总之，除了在一些特殊情况下，空气轴承比液压轴承更有优越性，对于线速度小于
引用 smartmotion 2007/12/5 16:42:59 发表于3楼的内容
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smartmotion 发表于 2007/12/10 18:56:44
4楼 回复本楼空气轴承的工作原理与液压轴承基本相同，是利用压缩气体在相对运动部件之间形成的气膜来支撑负载，气膜的厚度在1到10微米之间。由于气体的黏性系数比油膜低很多，因此其润滑膜的厚度可以很小。
结构形式大致分为五种：单面气压垫（Single Pad）、对称式气压垫（Opposed Pad）、轴套式（Journal）、旋转轴肩式（Rotary Thrust）以及圆锥型轴套或轴肩式（Conical Journal/thrust bearings），与液压轴承非常接近。
由于没有污染问题，压缩空气不需回收，一般直接排放到大气中
相对于液压轴承，空气轴承的历史比较短。空气轴承亦是现代工业发展过程中为适应一些特殊需求而产生和发展起来的。例如高速、高刚度、极高或极低的环境温度等工作条件，促进了空气轴承的发展和应用；计算机计算能力的提高使得空气轴承的设计和分析变得越来越容易。
目前，空气轴承在很多工业领域得到了广泛的应用。比较常见的有CMM三座标测量机、LVDT位移传感器、齿轮检测设备、精密机床等。
与液压轴承相比，空气轴承有以下特点：1、空气轴承适用于中等负载、中等刚度和高速场合，液压轴承适用于大负载、高刚度、中速的场合；2、液压轴承的阻尼特性比空气轴承好的多；3、由于空气轴承的气膜很薄，对零件的加工精度要求高，因此成本也比较高。
空气轴承的主要性能：
1、 速度和加速度的限制。
2、 工作范围。直线运动的空气轴承可以工作在任何长度行程，只要相对应的导轨面足够长。实际应用中有几十米行程的空气轴承。旋转运动的空气轴承不受工作角度的限制。
3、 承载能力。承载能力与气膜面积相关，由于空气轴承的面积比较大，因此可以承受很大负荷。但与液压轴承相比要小很多，大约在液压轴承的1/5左右。
4、 精度指标。空气轴承的精度通常和机械零部件精度相关。对表面粗糙度的要求是要小于气膜厚度的1/4，如10um厚度的空气轴承，其轴承面的表面粗糙度应该小于2.5um。由于没有磨损，空气轴承通常可以作到亚微米/米的精度范围。
5、 重复定位精度。如果压缩气体足够干净，轴承设计合理，在选定的压力范围没有气锤现象，环境温度稳定，空气轴承一般可以达到亚微米甚至纳米的重复精度。
6、 分辨率。如果控制系统性能足够好，理论上讲空气轴承的分辨率可以作到无穷小。
7、 预载荷。为保证轴承刚度，空气轴承需要加预载。加预载的主要方法有对称式安装、真空预载和磁力预载等。
8、 刚度系数。空气轴承一般可以作到100N/um的刚度，现在对空气轴承的性能已经很了解，有很多的经验公式和图表，容易通过计算的方式确定。
9、 对振动和冲击的吸收。空气轴承可以更好地吸收外部振动和冲击。由于气体的可压缩性，设计和使用空气轴承要避免气锤的发生，同时为了避免压力变而失稳，最好在气路中增加储气罐，稳定系统压力。
10、 阻尼特性。空气轴承黏性力很小，阻尼特性一般。
11、 摩擦力。空气轴承没有静摩擦，动摩擦力也极小。对于小于
12、 温度特性。由于没有摩擦力，空气轴承运行中产生热量很小，可以保证系统的精度。但是气体从高压到低压膨胀时有冷却效应，因此对高精度的系统，希望空气轴承的耗气量越小越好。
13、 环境敏感性。压缩空气从气膜中流出，可以吹走导轨表面的污物，空气轴承具备自清洁的能力，且无污染残留。但为了保护轴承，最好有防护罩保护。
14、 尺寸和轴承安装。空气轴承结构简单，尺寸和重量都很小；但由于气膜很薄且刚度较小，对安装位置及相互之间的安装精度要求比较高
15、 重量。空气轴承具备中等到高的性能重量比。
16、 附件。空气轴承最大的缺点是对压缩气体的纯度要求高，一般需要1微米以下的过滤精度。
17、 维护。空气轴承的主要维护工作是周期性的检查气体的纯净度和压力，需要定期更换过滤器。由于正常使用无磨损，空气轴承系统的使用寿命在10年以上。
18、 材料。空气轴承对材料没有特殊要求，但为了保证油膜厚度的稳定性，最好采用温度特性接近的材料来制造导轨和轴承垫。因为采用不同的材料其温度膨胀系数不一样，温差会影响油膜间隙及轴承刚度。
19、 使用寿命。空气轴承的理论使用寿命是无限长的。
20、 设计和制造。空气主轴和气压垫都有成型和系列的产品，对于特殊要求的空气轴承，也很容易定制。空气轴承设计和制造的主要难点在小孔的形状和尺寸，气膜厚度的选择。
21、 费用。空气轴承对加工精度要求较高，另外气源要求严格。因此生产成本较高。
引用 smartmotion 2007/12/10 18:56:44 发表于4楼的内容
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