屈重年 伍良生 肖毅川 張仕海

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供技術(shù)裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，素有“工作母機(jī)”之稱的機(jī)床更是具有舉足輕重的作用，從“十一五”開(kāi)始，我國(guó)為加快重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和重大創(chuàng)新產(chǎn)品集成創(chuàng)新，開(kāi)始實(shí)施“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”等重大專項(xiàng)。在“十二五”規(guī)劃中，更是提出了以高檔數(shù)控機(jī)床等基礎(chǔ)裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)行業(yè)所需的重大專用裝備為重點(diǎn)的發(fā)展思路。

機(jī)床從發(fā)明之日起，導(dǎo)軌技術(shù)就是其核心技術(shù)之一。從導(dǎo)軌技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，經(jīng)歷了滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體/氣體靜壓導(dǎo)軌、復(fù)合導(dǎo)軌和磁浮導(dǎo)軌等階段。這些導(dǎo)軌技術(shù)的發(fā)展并不是簡(jiǎn)單的一種技術(shù)取代另一種技術(shù)的發(fā)展，而是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)并存并相互推動(dòng)。例如，雖然直線滾動(dòng)導(dǎo)軌經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但從優(yōu)良的剛性和阻尼特性以及經(jīng)濟(jì)性能來(lái)看，仍然不能完全取代傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌;其發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)是與滑動(dòng)導(dǎo)軌技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的復(fù)合導(dǎo)軌，以解決其剛度、阻尼等方面的劣勢(shì)。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)高速、高精密數(shù)控機(jī)床的需求日益增加。同時(shí)隨著新材料科學(xué)以及電子與控制技術(shù)科學(xué)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌技術(shù)的研究集中在兩個(gè)大的方向:一是針對(duì)新型功能性材料滑動(dòng)導(dǎo)軌的基礎(chǔ)性研究，主要集中在剛度、阻尼、定位精度、動(dòng)態(tài)性能以及結(jié)合部參數(shù)識(shí)別等方面;另一個(gè)是新型的導(dǎo)軌形式及控制的研究，例如靜壓導(dǎo)軌和磁浮導(dǎo)軌技術(shù)等。

1 機(jī)床導(dǎo)軌類型

導(dǎo)軌又稱滑軌，其應(yīng)用非常廣泛，比如機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、電梯滑動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、光刻機(jī)的快速步進(jìn)精密定位機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)臺(tái)等。本文僅以機(jī)床用導(dǎo)軌進(jìn)行論述。

綜合當(dāng)前導(dǎo)軌相關(guān)技術(shù)的研究，將機(jī)床導(dǎo)軌類型進(jìn)行分類，如圖1所示。

2 滑動(dòng)導(dǎo)軌

滑動(dòng)導(dǎo)軌在各類機(jī)床產(chǎn)品上廣為采用，在其他設(shè)備中也有廣泛應(yīng)用，比如電梯滑動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)。而針對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌性能的研究隨著國(guó)家的重視和產(chǎn)業(yè)的需求也引起了專家學(xué)者的重視，涌現(xiàn)了大量的研究成果。

一般說(shuō)來(lái)，滑動(dòng)導(dǎo)軌最顯著的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的剛性、吸振性（抑制刀具切削時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)）和阻尼性（防止導(dǎo)軌系統(tǒng)啟動(dòng)或停止時(shí)的振蕩），適宜切削負(fù)載大的機(jī)床采用。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2．1 常見(jiàn)滑動(dòng)導(dǎo)軌形式

目前最常用的滑動(dòng)導(dǎo)軌有兩類，一類是金屬對(duì)金屬滑動(dòng)導(dǎo)軌，通常采用鑄鐵件或鋼件（鑲鋼導(dǎo)軌）制成，為了提高導(dǎo)軌的耐磨壽命和精度，又往往要進(jìn)行表面淬硬處理和表面磨削處理。這種導(dǎo)軌在目前仍有大量的應(yīng)用，例如一些大型回轉(zhuǎn)臺(tái)等。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2a所示。另一類是金屬對(duì)塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌，目前多采用在移動(dòng)構(gòu)件導(dǎo)軌面上粘貼非金屬涂層（如聚四氟乙烯塑料軟帶），或采用注塑導(dǎo)軌面兩種方式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2b所示。這種方式可以滿足加工復(fù)雜形面的工件，提高工件加工的尺寸精度，同時(shí)又有效地減少導(dǎo)軌副的磨損，有利于機(jī)床長(zhǎng)期地保持精度。貼塑導(dǎo)軌和注塑導(dǎo)軌的不同點(diǎn)在于前者的表面接觸剛性不及后者好［1］。

進(jìn)給導(dǎo)軌一般進(jìn)給速度不高，金屬對(duì)金屬導(dǎo)軌則工作在混合摩擦區(qū)，非液體全接觸，潤(rùn)滑條件差，如圖3a中Ⅰ區(qū)所示;主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌工作在臨界速度以上，潤(rùn)滑充足，在導(dǎo)軌面間形成一定厚度的油膜，為液體接觸，如圖3a中Ⅱ區(qū)所示。為了形成動(dòng)壓潤(rùn)滑，常常在一個(gè)導(dǎo)軌面上開(kāi)有楔形油槽。

金屬對(duì)塑料導(dǎo)軌具有良好的摩擦特性和耐磨性，其摩擦特性如圖3b所示。由圖中可以看出，金屬對(duì)塑料導(dǎo)軌易形成動(dòng)壓油膜，無(wú)混合摩擦階段，可保證較高的重復(fù)定位精度和滿足微量進(jìn)給時(shí)無(wú)爬行的要求。與滾動(dòng)導(dǎo)軌相比，它還具有壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便、吸振性好、剛性好等優(yōu)點(diǎn)。因此貼塑或注塑導(dǎo)軌在現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用廣泛。與金屬對(duì)金屬滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，貼塑導(dǎo)軌有剛度小的劣勢(shì)，在大型重載機(jī)床的應(yīng)用中受到限制。

2．2 滑動(dòng)導(dǎo)軌的研究現(xiàn)狀

目前滑動(dòng)導(dǎo)軌的研究集中在導(dǎo)軌結(jié)合面摩擦潤(rùn)滑和結(jié)合面動(dòng)靜態(tài)特性兩大方面。20世紀(jì)中期到本世紀(jì)初，滑動(dòng)導(dǎo)軌和其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件的微動(dòng)態(tài)特性，即摩擦學(xué)特性，由于其強(qiáng)非線性特性，已成為精密機(jī)械工程研究的首要問(wèn)題。機(jī)床對(duì)機(jī)械部件的控制精度也提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌更深一步的摩擦學(xué)研究，如何得到機(jī)構(gòu)的特性，也就是說(shuō)，如何建立滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合部非線性特性模型，成為日益重要的問(wèn)題。由于滑動(dòng)導(dǎo)軌所具有的高剛度和高精度，這種導(dǎo)軌在精密機(jī)械中也有悠久的使用歷史。但由于其嚴(yán)重的非線性摩擦特性，在超精密機(jī)械的設(shè)計(jì)中，滑動(dòng)導(dǎo)軌使用較少，而廣泛地采用氣體/液體靜壓導(dǎo)軌。如果能用先進(jìn)的控制方案來(lái)彌補(bǔ)滑動(dòng)導(dǎo)軌非線性摩擦的缺點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)一定會(huì)被人們重新認(rèn)識(shí)。因此，滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦特性以及基于滑動(dòng)導(dǎo)軌的非線性摩擦模型而產(chǎn)生的先進(jìn)控制器成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的研究重點(diǎn)。

滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)靜態(tài)特性的研究也非常重要。目前各種結(jié)合面靜態(tài)特性研究可以認(rèn)為基本成熟;同滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合面靜態(tài)特性相比，結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性的研究要困難得多，因此其動(dòng)態(tài)特性的研究則滯后很多。其原因有二，一是結(jié)合面本身并非是一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)單元，它只能存在于機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中;二是結(jié)合面本身的阻尼與它所處的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的其他結(jié)構(gòu)阻尼往往處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。正是由于此，給結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試技術(shù)提出了更高的要求。因此，盡管結(jié)合面動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)特性研究這方面的研究論文也很多，但真正給出結(jié)合面動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)特性參數(shù)數(shù)據(jù)的卻很少。黃玉美等［2－6］對(duì)結(jié)合面動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)特性參數(shù)的理論及其獲取方法的研究進(jìn)行了具有一定特色的、較為深入的研究，提出了用于獲取具有通用性的結(jié)合面動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原則和結(jié)合面動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)特性參數(shù)的影響因素的處理方法，對(duì)結(jié)合面的阻尼機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的深入研究，提出了固定結(jié)合面遲滯變形阻尼機(jī)理的本質(zhì)是結(jié)合面間的微觀（局部）滑移阻尼耗能以及以微觀（局部）滑移阻尼耗能為主、微觀局部撞擊阻尼耗能為輔的固定結(jié)合面阻尼耗能機(jī)理。

伍良生等［7－10］提出了一種識(shí)別模型結(jié)合面特性參數(shù)的方法，該方法基于分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振的機(jī)床模態(tài)參數(shù)試驗(yàn)技術(shù)，由低頻到高頻逐級(jí)單一掃頻激振，實(shí)現(xiàn)全周期采樣，獲取高精度的頻響函數(shù)、各階固有頻率、振型、阻尼比等信息;同時(shí)建立了一種基于單位面積參數(shù)的結(jié)合面動(dòng)力學(xué)模型，該模型采用一組在結(jié)合面上分布的彈簧與阻尼器來(lái)代替結(jié)合面的剛度與阻尼，識(shí)別的結(jié)合面特征參數(shù)更精確、通用性更強(qiáng)。并且在研究中發(fā)現(xiàn)，在結(jié)合面間加潤(rùn)滑油脂類介質(zhì)可很好地改善結(jié)合面的接觸狀態(tài)，提高結(jié)合面的靜態(tài)性能。這種方法引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的注意，并據(jù)此提出了在結(jié)合面的微小接觸間隙中填充低剛度中間介質(zhì)的思路，該方法依靠中間介質(zhì)在結(jié)合面間傳遞載荷。通過(guò)中間彈性層的塑性變形，在不提高結(jié)合面表面加工精度的條件下，實(shí)現(xiàn)更大的真實(shí)接觸面積，從而在盡可能不影響結(jié)合面剛度的前提下，提高結(jié)合面的阻尼系數(shù)［11］。

對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合面的研究還處于剛起步階段，雖然結(jié)合面動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)特性研究這方面的研究論文也很多，但真正給出結(jié)合面動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)特性參數(shù)數(shù)據(jù)的卻很少，有些結(jié)果或結(jié)論還存在著相互矛盾或不一致的情況，所以有待做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)家重大專項(xiàng)課題之一“機(jī)床結(jié)合面特性數(shù)據(jù)庫(kù)及整機(jī)靜、動(dòng)態(tài)精度數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)”正是體現(xiàn)了對(duì)這一問(wèn)題的重視，以期通過(guò)機(jī)床結(jié)合面特性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，對(duì)高精度數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

3 滾動(dòng)導(dǎo)軌

滾動(dòng)導(dǎo)軌出現(xiàn)的歷史也較長(zhǎng)，但大量采用是近20年來(lái)的事，它是隨著數(shù)控機(jī)床高速化趨勢(shì)的出現(xiàn)而被應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。與滑動(dòng)導(dǎo)軌不同的是，由于滾動(dòng)導(dǎo)軌采用了鋼球或滾柱做為滾動(dòng)體，其與導(dǎo)軌的接觸特點(diǎn)為點(diǎn)接觸或線接觸，具有較小的摩擦系數(shù)。又由于滾動(dòng)導(dǎo)軌在組裝過(guò)程中施加了一定的預(yù)加負(fù)荷，有較好的阻尼特性，但這種阻尼特性較之傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌的阻尼特性有一定差距。滾動(dòng)導(dǎo)軌與傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌的較大的滑動(dòng)接觸面積比較，其優(yōu)點(diǎn)是具有“最小的接觸面積”，能極大地減小摩擦，從而使機(jī)床的響應(yīng)更迅速，快移速度更高，對(duì)復(fù)雜曲面工件的高速加工更有利。但是這種“最小的接觸面積”反而降低了導(dǎo)軌的剛性，因此滾動(dòng)導(dǎo)軌在中輕載機(jī)床中應(yīng)用廣泛，而在重載機(jī)床的應(yīng)用中面臨著考驗(yàn)。

3．1 滾動(dòng)導(dǎo)軌的類型

滾動(dòng)導(dǎo)軌按照有無(wú)返回軌道分，可以分為循環(huán)式和非循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌。如圖4所示，非循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌由于滾子無(wú)返回軌道，故導(dǎo)軌行程不宜太長(zhǎng)，應(yīng)用受到局限。而循環(huán)式滾動(dòng)導(dǎo)軌行程可以任意長(zhǎng)，應(yīng)用廣泛。

按照滾子在導(dǎo)軌和滑塊之間的接觸形式，滾動(dòng)導(dǎo)軌可以分為歌德式牙型滾動(dòng)導(dǎo)軌和圓弧式牙型滾動(dòng)導(dǎo)軌。如圖5所示，兩種類型的滾動(dòng)導(dǎo)軌相比，當(dāng)承受切向力時(shí)，歌德式滾動(dòng)導(dǎo)軌由于滾珠完全被約束住，故無(wú)側(cè)向偏移，切向剛性比較穩(wěn)定;而圓弧式滾動(dòng)導(dǎo)軌在切向力的垂直方向沒(méi)有完全約束，且接觸形式為圓弧型，會(huì)產(chǎn)生一定的偏移，從而導(dǎo)致接觸角發(fā)生改變而影響導(dǎo)軌的性能。而歌德式牙型其接觸角能保持不變，剛性亦較穩(wěn)定。

按照滾子的形狀分，滾動(dòng)導(dǎo)軌又可以分為滾珠型、滾柱型和滾針型等，在此不再贅述。

3．2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的發(fā)展現(xiàn)狀

同滑動(dòng)導(dǎo)軌一樣，滾動(dòng)導(dǎo)軌在機(jī)床上的應(yīng)用依然取決于其動(dòng)態(tài)特性，因此滾動(dòng)結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性研究也是該領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)，即如何提高其剛度和阻尼特性。因?yàn)闈L動(dòng)導(dǎo)軌的剛度大都由滾珠和軌道的接觸剛度決定，其剛度與滾動(dòng)軸承一樣，可用赫茲接觸理論來(lái)計(jì)算。因此提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度方式為施加適當(dāng)?shù)念A(yù)壓。預(yù)壓為一種消除背隙與減小滾珠與接觸面彈性變形的方式。一般而言，有預(yù)壓比無(wú)預(yù)壓的剛性增加10倍以上，然而施加過(guò)大的預(yù)壓，會(huì)導(dǎo)致摩擦力與發(fā)熱量上升，增加滾珠磨損而使預(yù)壓消失，對(duì)于定位精度與使用壽命有不良的影響。然而即使增加了預(yù)壓的滾動(dòng)導(dǎo)軌，其剛度和阻尼特性與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比仍有較大的差距，因此滾動(dòng)導(dǎo)軌的應(yīng)用局限于高速、輕載、定位精度高的機(jī)床以及機(jī)電一體化產(chǎn)品和工業(yè)機(jī)器人等方面。同時(shí)，滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合面參數(shù)的識(shí)別也是研究重點(diǎn)，只有準(zhǔn)確識(shí)別出滾動(dòng)結(jié)合面的剛度、阻尼等參數(shù)，才能正確評(píng)估滾動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)性能，在導(dǎo)軌設(shè)計(jì)及使用中具有指導(dǎo)意義［12］。

隨著滾動(dòng)導(dǎo)軌開(kāi)發(fā)研究的進(jìn)展，滾動(dòng)導(dǎo)軌正在向組合化、集成化、高速、低噪聲、智能化方向發(fā)展。綜合起來(lái)有以下幾個(gè)發(fā)展方向:

（1）采用滾子保持形式的滾動(dòng)導(dǎo)軌。為了保證滾動(dòng)導(dǎo)軌中滾子平穩(wěn)地運(yùn)行，消除滾子間摩擦，滾動(dòng)導(dǎo)軌間的滾子組將可以通過(guò)保持架形式看成一個(gè)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的整體，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）與滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合，形成高剛度的復(fù)合導(dǎo)軌。例如臺(tái)灣上銀公司的U型模塊組合化滾動(dòng)導(dǎo)軌。不僅可以提供高剛性與高精度的特性，也可節(jié)省安裝使用空間，如圖6所示。

（3）新的驅(qū)動(dòng)方式。隨著“直接傳動(dòng)”概念的出現(xiàn)，即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。并隨著電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，特別是直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)的日益成熟，直線電動(dòng)機(jī)和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的一體化滑臺(tái)系統(tǒng)將成為發(fā)展重點(diǎn)。SKF直線系統(tǒng)有限公司與Pratec直線電動(dòng)機(jī)制造廠進(jìn)行合作，于1996年已開(kāi)始推廣一體化的直線電動(dòng)機(jī)滑臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)品。

（4）智能型直線導(dǎo)軌。臺(tái)灣上銀公司的IG智能型直線導(dǎo)軌是運(yùn)用復(fù)合化、輕量化與模塊化的技術(shù)，并結(jié)合直線導(dǎo)引及位置回饋的設(shè)計(jì)功能所開(kāi)發(fā)成的，為直線導(dǎo)軌與磁性編碼器于一體的結(jié)構(gòu)，可提供線性導(dǎo)引及位置回饋的功能。它不但將直線導(dǎo)軌及編碼器整合化，節(jié)省了機(jī)構(gòu)使用空間，而且還兼具直線導(dǎo)軌高剛性及磁性編碼器高精度的優(yōu)點(diǎn)。適用于定位精度要求高的場(chǎng)合。這也是輕型滾動(dòng)導(dǎo)軌的一個(gè)發(fā)展方向［13－15］。

4 靜壓導(dǎo)軌

靜壓、動(dòng)壓導(dǎo)軌同靜壓、動(dòng)壓軸承工作原理相同。在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面間形成靜壓或動(dòng)壓油膜，使運(yùn)動(dòng)件浮起。

4．1 動(dòng)壓導(dǎo)軌潤(rùn)滑簡(jiǎn)介

從宏觀上來(lái)看，根據(jù)流體的Reynolds方程，兩個(gè)導(dǎo)軌面能形成動(dòng)壓油膜的必要條件是:

（1）兩摩擦滑動(dòng)面間形成楔形間隙;

（2）兩滑動(dòng)表面之間有相互擠壓運(yùn)動(dòng);

（3）兩滑動(dòng)表面存在一定的相對(duì)速度。

然而普通導(dǎo)軌因?yàn)樵谶M(jìn)給時(shí)速度較低，一般都難以完全滿足以上3個(gè)條件。故難以形成動(dòng)壓油膜。

從微觀上看，由于兩滑動(dòng)表面粗糙度的存在，實(shí)際上存在著許多的微小的楔形間隙，由于這些間隙極小，其間易于充滿潤(rùn)滑油，當(dāng)導(dǎo)軌兩表面相互滑動(dòng)時(shí)，必然產(chǎn)生微觀動(dòng)壓潤(rùn)滑現(xiàn)象，建立動(dòng)壓油膜，給表面以潤(rùn)滑。

動(dòng)壓潤(rùn)滑現(xiàn)象在普通導(dǎo)軌潤(rùn)滑中相當(dāng)普遍，動(dòng)壓理論研究也相對(duì)成熟，在此不再詳述。

4．2 靜壓導(dǎo)軌類型

靜壓導(dǎo)軌分為液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌兩大類，其工作原理基本相同，限于篇幅，僅以液體靜壓導(dǎo)軌為例介紹。

靜壓導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)形式可以分為開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌和閉式靜壓導(dǎo)軌。

開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌:壓力油經(jīng)節(jié)流器進(jìn)入導(dǎo)軌的各個(gè)油腔，使運(yùn)動(dòng)部件浮起，導(dǎo)軌面被油膜隔開(kāi)，油腔中的油不斷地通過(guò)封油邊而流回油箱。當(dāng)動(dòng)導(dǎo)軌受到外載荷作用向下產(chǎn)生一個(gè)位移時(shí)，導(dǎo)軌間隙變小，增加了回油阻力，使油腔中的油壓升高，以平衡外載荷。

閉式靜壓導(dǎo)軌:在上、下導(dǎo)軌面上都開(kāi)有油腔，可以承受雙向外載荷，保證運(yùn)動(dòng)部件工作平穩(wěn)。

按供油情況可分為恒流式靜壓導(dǎo)軌和恒壓式靜壓導(dǎo)軌。

恒壓式靜壓導(dǎo)軌是指節(jié)流器進(jìn)口處的油壓壓強(qiáng)是一定的，這是目前應(yīng)用較多的靜壓導(dǎo)軌。

恒流式靜壓導(dǎo)軌指流經(jīng)油腔的潤(rùn)滑油流量是一個(gè)定值，這種靜壓導(dǎo)軌不用節(jié)流器，而是對(duì)每個(gè)油腔均有一個(gè)定量油泵供油。由于流量不變，當(dāng)導(dǎo)軌間隙隨外載荷的增大而變小時(shí)，則油壓上升，載荷得到平衡。載荷的變化，只會(huì)引起很小的導(dǎo)軌間隙變化，因而油膜剛度較高。

4．3 靜壓導(dǎo)軌的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

我國(guó)的機(jī)床靜壓支承的現(xiàn)況與世界水平相比較（如從動(dòng)靜壓軸承來(lái)看）應(yīng)屬先進(jìn)水平，這可以從各國(guó)的動(dòng)靜壓軸承發(fā)表的文章及應(yīng)用情況中看出，如對(duì)于外節(jié)流的多油楔動(dòng)靜壓類（HSDB－R）來(lái)說(shuō):無(wú)論從日本的豐田、琦玉大學(xué)的結(jié)構(gòu)及美國(guó)專利，雖然有些類似于HSDB－R類中的有腔內(nèi)回油等某些結(jié)構(gòu)，但其發(fā)表的時(shí)間要比HSDB－R遲得多，結(jié)構(gòu)布局上存在許多不足之處。在應(yīng)用上我國(guó)也比國(guó)外多得多［16］。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，靜壓導(dǎo)軌的研究重點(diǎn)目前集中在導(dǎo)軌及油膜靜態(tài)特性研究和動(dòng)態(tài)特性研究?jī)纱蠓矫妗?/p>

目前國(guó)內(nèi)外許多研究人員采用了有限元方法對(duì)油膜和導(dǎo)軌靜態(tài)性能進(jìn)行分析，并在求解油膜的承載能力和剛度的計(jì)算模型和方法上也做了許多工作，得出很好的效果［17－19］。孟心齋等人指出了液體靜壓支承傳統(tǒng)的靜態(tài)性能表達(dá)式存在的缺陷，提出了新的靜態(tài)性能表達(dá)式。該表達(dá)式更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)了外載荷和支承間隙之間的非線性關(guān)系，真實(shí)地反映了支承的靜態(tài)性能［20］。于曉東等人采用Fluent軟件對(duì)油膜的壓力狀態(tài)、流動(dòng)狀態(tài)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維綜合數(shù)值模擬分析，揭示了恒流、恒轉(zhuǎn)速情況下圓形腔和扇形腔的腔面積、腔深對(duì)摩擦副的力學(xué)性能、油膜的壓力狀態(tài)、流動(dòng)狀態(tài)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律［21］。S Y Jeon和K H Kim對(duì)靜壓導(dǎo)軌油膜進(jìn)行模擬，并進(jìn)行靜態(tài)分析，得到了液靜壓支承的結(jié)構(gòu)變形和油膜性質(zhì)變化［22］。

靜壓導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)特性也是國(guó)內(nèi)外分析的熱點(diǎn)。而導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)分析則主要包括了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析和模態(tài)分析。孫學(xué)赟和羅松保在采用理論方法分析對(duì)置油膜支承時(shí)采用了將油膜簡(jiǎn)化為彈簧與阻尼模型，建立動(dòng)態(tài)微分方程，計(jì)算出在施加一定載荷（階躍載荷，周期載荷）后的響應(yīng)曲線判斷導(dǎo)軌的穩(wěn)定性［23］。陳學(xué)東等人對(duì)其研制的超精密工作臺(tái)進(jìn)行了深入的研究，在動(dòng)態(tài)性能方面，采用了仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，得到了固有頻率，并分析了影響超精密工作臺(tái)定位的因素［24］。

Won－Jae Lee和Seok－ll Kim為更準(zhǔn)確地掌握超精密機(jī)床的性質(zhì)，對(duì)液體靜壓導(dǎo)軌和軸承進(jìn)行了結(jié)合面剛度識(shí)別。該研究以有限元模型和通過(guò)測(cè)量機(jī)床結(jié)構(gòu)位移得到的特性為依據(jù)，采用了建立優(yōu)化模型，使有限元模型的特性與機(jī)床實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差值最小進(jìn)行求解［25］。雖然識(shí)別出的模態(tài)參數(shù)與設(shè)計(jì)值差別較大，但是卻提供了一種新的方法。

靜壓導(dǎo)軌的另一個(gè)重要研究方向是關(guān)于導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)軌特性的影響。主要研究導(dǎo)軌由于制造誤差、受力變形等引起的定位誤差，以提高其導(dǎo)向和支承精度。薛飛、趙萬(wàn)華等針對(duì)某種實(shí)際靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)方案，將導(dǎo)軌輪廓誤差分解成具有不同波長(zhǎng)的輪廓誤差分量，應(yīng)用油膜厚度均化分析方法，計(jì)算了不同輪廓誤差分量對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)誤差及靜態(tài)均化系數(shù)。提出在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化油墊長(zhǎng)度與運(yùn)動(dòng)直線度評(píng)定長(zhǎng)度的比值，使靜壓導(dǎo)軌均化效應(yīng)對(duì)于較寬波長(zhǎng)范圍的輪廓誤差分量得以增強(qiáng)，從而減小運(yùn)動(dòng)誤差與輪廓誤差的比值，在提高導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度的同時(shí)降低其加工難度［26］。劉一磊、孫雅洲根據(jù)某種超精密機(jī)床的總體技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了閉式液體靜壓導(dǎo)軌，從滑塊的偏移和幅板變形兩個(gè)方面出發(fā)，分析了其對(duì)液體靜壓導(dǎo)軌靜態(tài)性能的影響，并通過(guò)模態(tài)的仿真與實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)液體靜壓導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究［27］。

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能機(jī)床的設(shè)計(jì)，有學(xué)者進(jìn)行了水液壓支承技術(shù)的研究。這也是靜壓導(dǎo)軌發(fā)展的一個(gè)重要的值得關(guān)注的方向［28－29］。

5 磁浮導(dǎo)軌

5．1 磁浮導(dǎo)軌發(fā)展概述

磁浮導(dǎo)軌常見(jiàn)的一種實(shí)現(xiàn)形式是通過(guò)磁場(chǎng)力把進(jìn)給平臺(tái)浮起，使用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的機(jī)床導(dǎo)軌相比，磁浮導(dǎo)軌具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)接觸磨損和無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)。由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間沒(méi)有接觸，因而徹底消除了爬行現(xiàn)象，沒(méi)有因磨損和接觸疲勞所產(chǎn)生的精度下降和壽命問(wèn)題;而且省掉了靜壓導(dǎo)軌必需的龐大油路輔助設(shè)備，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染，并且其自身的加工精度要求比氣體靜壓導(dǎo)軌低的多，降低了超潔凈防塵條件;由于磁浮支承采用了主動(dòng)控制，可提高機(jī)床的信息處理能力，如工況檢測(cè)、預(yù)報(bào)和故障診斷。而且磁浮導(dǎo)軌有工作溫度范圍大、維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此磁懸浮支承技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。

隨著磁浮支承技術(shù)的發(fā)展，有望像磁懸浮列車(chē)那樣把磁浮導(dǎo)軌應(yīng)用到機(jī)床進(jìn)給平臺(tái)中去。然而，比磁懸浮列車(chē)中直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)身更難的是，磁浮導(dǎo)軌支承的機(jī)床進(jìn)給平臺(tái)除了要求高速驅(qū)動(dòng)外，還要求高精度支承和定位，因此，目前國(guó)際上還沒(méi)有采用磁浮導(dǎo)軌支承的機(jī)床驅(qū)動(dòng)進(jìn)給平臺(tái)工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。

我國(guó)磁浮支承技術(shù)已有了很大的發(fā)展，國(guó)防科技大學(xué)和西南交通大學(xué)研制了低速磁懸浮列車(chē)樣車(chē)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研制了磁浮軸承支承的電主軸樣機(jī)。但把直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁浮支承技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床導(dǎo)軌上，還有不少基礎(chǔ)問(wèn)題等待研究解決，其中磁浮導(dǎo)軌－直線電動(dòng)機(jī)－機(jī)床進(jìn)給平臺(tái)系統(tǒng)的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)特性是最基礎(chǔ)的問(wèn)題之一，解決這個(gè)問(wèn)題需要綜合用到電磁學(xué)電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)床動(dòng)力學(xué)、控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等知識(shí)，難度比較大，因此，目前世界上還沒(méi)有采用磁浮導(dǎo)軌支承的機(jī)床成功應(yīng)用實(shí)例的報(bào)道，它正處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段。

5．2 磁浮導(dǎo)軌的研究現(xiàn)狀

在磁懸浮導(dǎo)軌方面:早在1922年德國(guó)工程師赫爾曼·肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請(qǐng)了磁懸浮列車(chē)的專利。

國(guó)內(nèi)對(duì)磁浮導(dǎo)軌技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，1996年，我國(guó)第一臺(tái)4 t載人EMS（電磁型）型磁浮列車(chē)研制成功，這標(biāo)志著我國(guó)掌握了磁浮列車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)。

目前磁浮導(dǎo)軌技術(shù)的研究重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面:

（1）磁浮導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)研究;

（2）磁浮導(dǎo)軌數(shù)學(xué)物理模型及控制方法研究;

（3）磁浮導(dǎo)軌動(dòng)靜態(tài)特性研究。

在磁浮導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)研究方面，主要集中在磁材料特性的研究和磁導(dǎo)軌選材及穩(wěn)定懸浮的研究方面，常見(jiàn)的有采用可控電磁鐵磁浮結(jié)構(gòu)和可控電磁鐵與永磁體及高溫超導(dǎo)材料相結(jié)合的磁浮結(jié)構(gòu)［30］。

在磁浮導(dǎo)軌數(shù)學(xué)物理模型及控制方法研究方面，主要是通過(guò)建立磁浮導(dǎo)軌的數(shù)學(xué)模型，采用有限元方法求解磁浮導(dǎo)軌磁力分布，以及多磁體間和磁鐵與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)間的磁場(chǎng)耦合問(wèn)題。并針對(duì)這些問(wèn)題提出有效的電磁鐵控制方案及解耦辦法［31－32］。

磁浮導(dǎo)軌的動(dòng)靜態(tài)特性是它的基礎(chǔ)，尤其是剛度和阻尼的作用極為重要。磁浮導(dǎo)軌與傳統(tǒng)導(dǎo)軌相比有自身獨(dú)特的特性:可調(diào)的剛度、阻尼特性和可控的振動(dòng)特性，通過(guò)調(diào)節(jié)控制參數(shù)可以改善導(dǎo)軌的剛度和阻尼，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，從而改善導(dǎo)軌的動(dòng)力學(xué)特性。陳亞英、朱煜分析了超精密工件臺(tái)系統(tǒng)中電流變液ERF的機(jī)理和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出“基于ERF半主動(dòng)阻尼的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)－磁浮導(dǎo)軌”納米級(jí)超精密工件臺(tái)系統(tǒng)。介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，分析了此工件臺(tái)系統(tǒng)具有的特性及尚待解決的問(wèn)題［33］。

采用磁懸浮支承技術(shù)的機(jī)床電主軸和工作平臺(tái)可以滿足超高速超精密的加工要求，它是未來(lái)加工機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文期望較為全面的論述機(jī)床導(dǎo)軌技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究重點(diǎn)內(nèi)容，由于涉及內(nèi)容較多，論述存在不足之處。總體來(lái)說(shuō)，機(jī)床導(dǎo)軌技術(shù)研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面:

（1）滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)靜態(tài)特性以及結(jié)合面參數(shù)識(shí)別的研究，其仍然適用于中低速、對(duì)剛度要求高的機(jī)床;

（2）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的組合化、集成化、高速、低噪聲、智能化研究;適用于高速輕載機(jī)床，其剛度阻尼等特性也是需要進(jìn)一步的深入研究;

（3）液體靜壓導(dǎo)軌性能良好，但是其復(fù)雜的液壓油系統(tǒng)以及液壓油的使用是其劣勢(shì)，不符合節(jié)能環(huán)保的理念，因此水壓技術(shù)是其一個(gè)重要發(fā)展方向;

（4）磁浮導(dǎo)軌結(jié)合直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是機(jī)床導(dǎo)軌的最新發(fā)展方向。但是磁浮導(dǎo)軌－直線電動(dòng)機(jī)－機(jī)床進(jìn)給平臺(tái)系統(tǒng)的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)特性問(wèn)題需要綜合用到電磁學(xué)電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)床動(dòng)力學(xué)、控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等知識(shí)，難度比較大，目前正處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段。

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