楊 輝,張玉華

(1.周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院,河南 周口 466000;2.鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 450064)

0 引 言

在當(dāng)前的精密機(jī)床中,空氣靜壓導(dǎo)軌平臺(tái)是不可缺少的部件。然而,導(dǎo)軌平臺(tái)需要用到壓縮空氣,而壓縮空氣的使用有其弊端,如氣壓停止時(shí)的導(dǎo)軌卡頓和阻尼突變不利于運(yùn)動(dòng)控制[1-2]。

由于滾珠導(dǎo)軌存在黏滑問題[3],而撓性軸承存在運(yùn)動(dòng)范圍有限的問題[4],這就使得應(yīng)用了上述零部件的磁流體導(dǎo)軌平臺(tái)成為了新的研究熱點(diǎn)。

磁流體導(dǎo)軌平臺(tái)的關(guān)鍵是磁流體軸承[5]。該軸承依賴于磁液在磁場吸引下產(chǎn)生的壓力。這種壓力積聚是由磁液從高磁場位置向低磁場位置位移造成的,從而在軸承表面產(chǎn)生了法向力[6]。

由于表面之間的距離較大(0.5 mm),與類似的高精度軸承相比,磁流體軸承對(duì)表面波紋和光滑度的要求較低,還可以根據(jù)不同的環(huán)境調(diào)整磁液,例如在快速運(yùn)動(dòng)中使用低黏度的磁液[7]。

此外,磁流體軸承對(duì)高頻干擾的敏感度較低,從而減少了對(duì)復(fù)雜濾波或外部阻尼的需求[8]。

在過去10年中,磁流體軸承已被應(yīng)用于各種平面定位系統(tǒng)或者導(dǎo)軌平臺(tái)。同時(shí),學(xué)者們對(duì)其承載能力和阻尼性能進(jìn)行了深入研究。

趙建華等人[9]提出了一種雙懸浮的磁流體軸承,并將其應(yīng)用于具有高穩(wěn)定性的單自由度直線定位系統(tǒng)中。劉旭輝等人[10]設(shè)計(jì)了一種可控阻尼磁流體軸承,利用ANSYS軟件對(duì)其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了測試,結(jié)果顯示該軸承表現(xiàn)出較高的減振效果。MIZUTANI Y等人[11]研究了超精密機(jī)床導(dǎo)軌平臺(tái)中的磁流體密封特性,并提出了一種重力補(bǔ)償器,對(duì)該導(dǎo)軌平臺(tái)的定位精度進(jìn)行了補(bǔ)償。ZHAO J等人[12]提出了一種基于磁流體軸承的精密機(jī)床導(dǎo)軌平臺(tái),分析了密封腔厚度對(duì)導(dǎo)軌承載力、剛度等特性的影響。

然而,這種磁流體導(dǎo)軌平臺(tái)在受限的方向上存在平面度較低的問題,導(dǎo)致可重復(fù)性較差。這是因?yàn)闆]有解決磁流體尾跡問題,并且工作行程僅為幾厘米,明顯小于空氣靜壓導(dǎo)軌平臺(tái)。

因此,為了解決空氣靜壓導(dǎo)軌平臺(tái)存在阻尼突變、載荷不高的問題,筆者提出一種基于磁流體軸承的可重復(fù)性、大載荷導(dǎo)軌平臺(tái),并制備一臺(tái)樣機(jī),對(duì)該導(dǎo)軌平臺(tái)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

首先,筆者采用磁流體壓力軸承來設(shè)計(jì)機(jī)床用導(dǎo)軌平臺(tái),并將頂部、底部和側(cè)部軸承墊緊密地放置在一起,在動(dòng)子上形成一個(gè)儲(chǔ)液層;然后,選用高飽和磁化強(qiáng)度、低黏度的煤油基磁液[13]來制備雙U形的上下磁化配置平臺(tái)。

1 導(dǎo)軌平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了在相同行程和尺寸條件下進(jìn)行有效對(duì)比分,筆者設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌平臺(tái)基于Physical公司A-110空氣靜壓導(dǎo)軌定位平臺(tái)。

A-110的規(guī)格如表1所示。

表1 A-110的規(guī)格

1.1 問題表述

在基于磁流體軸承的導(dǎo)軌平臺(tái)設(shè)計(jì)中,最緊迫的問題是密封腔的空氣損耗和磁流體的尾跡。對(duì)于磁流體腔式軸承而言,空氣損耗是十分嚴(yán)重的,一旦軸承的載荷超過磁流體密封的載荷能力,懸浮量就會(huì)永久降低。

磁流體軸承的原理如圖1所示。

圖1 磁流體軸承的原理

圖1中,懸浮量定義為軸承表面之間的距離。磁流體尾跡是指軸承在平移過程中留下的磁液現(xiàn)象[14]。磁流體尾跡的磁場可能會(huì)對(duì)磁流體軸承中的磁場產(chǎn)生干擾,影響平臺(tái)的平面度,進(jìn)而降低平臺(tái)的可重復(fù)性。

1.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

雙U形導(dǎo)軌平臺(tái)的設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)軌平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖

首先,空氣損耗問題僅在磁流體腔式軸承中存在,而磁流體壓力軸承則不存在這一問題。就承載能力和剛度而言,腔式軸承優(yōu)于壓力軸承。然而,對(duì)于選定的高精密機(jī)床應(yīng)用,軸承運(yùn)動(dòng)的可重復(fù)性比承載能力或剛度更重要。因此,筆者選擇了磁流體壓力軸承來設(shè)計(jì)機(jī)床用導(dǎo)軌平臺(tái)。

其次,為了解決磁流體尾跡問題,筆者在動(dòng)子上創(chuàng)建一個(gè)儲(chǔ)液層。假設(shè)軸承和底座之間存在庫艾特流動(dòng)[15],則300 mm沖程的磁液損耗總量估計(jì)為20 mL。在隨后的沖程中,同樣的20 mL磁液再次損失,然而,磁體也會(huì)在先前流失的磁液上移動(dòng)并將其回收。因此,這20 mL就是運(yùn)行期間尾跡中的磁流體總量。與動(dòng)子的體積相比,所需的磁液體積較小,因此筆者在動(dòng)子上放置額外的磁流體是可行的。

筆者將頂部、底部和側(cè)部軸承墊緊密地放置在一起,形成該儲(chǔ)液層。拐角處的高磁場確保了在動(dòng)子上有充足的磁流體供應(yīng),還能確保鐵流體在各個(gè)壓力軸承之間自由移動(dòng),從而確保了可重復(fù)性和尾跡回收的重新分布。

導(dǎo)軌平臺(tái)的設(shè)計(jì)為雙U形。頂部軸承墊產(chǎn)生預(yù)載荷,增加了剛度,對(duì)稱設(shè)計(jì)減少了加減速時(shí)的傾斜。動(dòng)子的平面內(nèi)長度為100 mm,以減輕重量和減少阻尼。導(dǎo)軌平臺(tái)具有6個(gè)軸承墊,2個(gè)50 mm×100 mm×4 mm(寬×長×高)的軸承墊用于底部軸承,4個(gè)40 mm×100 mm×4 mm的軸承墊用于側(cè)面和頂部軸承。每個(gè)軸承墊由許多小型50 mm×2 mm×2 mm的海斯迪克HKCL-626磁體組成。

筆者使用許多小型磁體會(huì)導(dǎo)致磁體附近磁場集中,并在懸浮量方向產(chǎn)生較大梯度,同時(shí)也會(huì)使磁流體壓力軸承具有較高的承載能力和剛度。上下磁化配置在實(shí)現(xiàn)高剛度和高載荷能力的同時(shí),還能減少移動(dòng)質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是雜散磁場低,因?yàn)閱蝹€(gè)磁體的磁場在較大距離上會(huì)被抵消。

筆者選用了煤油基磁液,與其他磁液相比,其飽和磁化強(qiáng)度高達(dá)66 mT,黏度較低,為12 mPa·s。

高飽和磁化強(qiáng)度提高了平臺(tái)的載荷能力和剛度,而低黏度則降低了平臺(tái)的整體阻尼。

2 精密運(yùn)動(dòng)相關(guān)性能的數(shù)值模擬

2.1 載荷能力和剛度

筆者利用COMSOL和MATLAB中的二維磁場有限元模型,確定了磁體配置的載荷能力和剛度,具體如下所示:

(1)

(2)

式中:FL為載荷能力;μ0為真空中的磁導(dǎo)率;Ms為磁流體的飽和磁化強(qiáng)度;H為磁場強(qiáng)度;k為剛度。

磁流體本身的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。對(duì)于鐵素體不銹鋼,相對(duì)磁導(dǎo)率為4 000,飽和磁化強(qiáng)度為1.4 T。頂部軸承墊產(chǎn)生的預(yù)載荷可以通過改變動(dòng)子的高度和底座的內(nèi)部高度差來改變。減小高度差會(huì)降低上下軸承墊的懸浮量,從而增加所施加的預(yù)載荷。

磁流體軸承可以看作是一個(gè)機(jī)械彈簧,其增加了軸承的剛度。然而,剛度增加的代價(jià)是載荷能力降低和黏性阻尼增加。

在最小懸浮量為0.1 mm時(shí),筆者對(duì)承載能力進(jìn)行評(píng)估。

不同懸浮量的軸承特性如表2所示。

表2 不同懸浮量的軸承特性

2.2 渦流阻尼

鋁具有較高的可加工性,其是上述導(dǎo)軌平臺(tái)的首選制作材料。

磁流體軸承墊周圍磁場的二維模擬如圖3所示。

圖3 磁流體軸承墊周圍磁場的二維模擬

高導(dǎo)電性鋁與軸承墊感應(yīng)磁場之間產(chǎn)生了渦流。筆者使用COMSOL模型對(duì)這些渦流引起的阻尼進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

在該模型中,導(dǎo)體與軸承墊之間的相對(duì)速度為V,且阻尼力為F,則導(dǎo)體表面渦流I示意圖如圖4所示。

圖4 導(dǎo)體表面渦流I示意圖

在該模型中,軸承墊由2×25個(gè)磁體組成,大小為50 mm×2 mm×2 mm,剩余磁通密度為1.17 T。

渦流阻尼模擬如表3所示。

表3 渦流阻尼模擬

從表3中可以看出:渦流阻尼模擬值很低。

低阻尼由兩個(gè)因素造成:(1)由于渦流是由磁場變化引起的,因此電流環(huán)只出現(xiàn)在軸承墊的起點(diǎn)和終點(diǎn);(2)當(dāng)磁體的磁化方向交替時(shí),電流的方向也會(huì)交替,這就防止了大電流回路的形成。

3 磁流體導(dǎo)軌平臺(tái)的樣機(jī)測試

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

筆者制備的平臺(tái)樣機(jī)是由鋁制成,底座為鐵素體不銹鋼。

實(shí)驗(yàn)中,筆者使用了3個(gè)德國米銥optoNCDT 1420激光位移傳感器。2個(gè)量程為10 mm的傳感器安裝在平臺(tái)上方的兩側(cè),用于測量平臺(tái)相對(duì)于固定框架的位移,由此可以計(jì)算出懸浮量。一個(gè)量程為200 mm的傳感器安裝在動(dòng)子前方,用于測量動(dòng)子的位移和速度。將平臺(tái)設(shè)置在一個(gè)稍微傾斜的面上,其可以在無干擾的情況下完成二維驅(qū)動(dòng)任務(wù)。

樣機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖5所示。

圖5 平臺(tái)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)置

3.2 載荷能力和剛度

在沒有有效載荷的情況下,底部軸承墊的初始懸浮量為0.39 mm,頂部軸承墊的初始懸浮量為0.36 mm。

平臺(tái)的載荷-懸浮量曲線如圖6所示。

圖6 平臺(tái)的載荷-懸浮量曲線

由圖6可以看出:在較大的懸浮量下,平臺(tái)的特性與模型相似,而當(dāng)懸浮量接近零時(shí),模型和測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。這種現(xiàn)象可以用擠壓油膜阻尼來解釋。從載荷能力的角度看,該平臺(tái)可以達(dá)到與氣動(dòng)平臺(tái)類似的載荷能力,然而,氣動(dòng)平臺(tái)的剛度要高出數(shù)倍;從控制的角度看,制備平臺(tái)的剛度需要不一定很高。

由于制備平臺(tái)的剛度是已知的,并且在平移時(shí)是穩(wěn)定的,因此很容易補(bǔ)償,從而有利于實(shí)現(xiàn)高精度的定位目的。

筆者采用在小斜面上移動(dòng)時(shí)向平臺(tái)添加質(zhì)量的方法,確定最大持續(xù)載荷能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)行程小于100 mm時(shí),最大載荷為160 N,全行程時(shí)為140 N;此外,還使用激光位移傳感器和3 kg重物測定了不同初始懸浮量下的剛度。

底部軸承墊/頂部軸承墊在不同懸浮量下的平臺(tái)剛度,如表4所示。

表4 底部軸承墊/頂部軸承墊在不同懸浮量下的平臺(tái)剛度

從表4看出:筆者可以通過降低上下軸承墊的懸浮量來提高平臺(tái)剛度。這樣,當(dāng)?shù)撞亢晚敳枯S承墊的懸浮量分別為0.3 mm和0.25 mm時(shí),剛度可達(dá)0.7 N/μm。

剛度的提高是以載荷能力的降低為代價(jià)的。懸浮量可根據(jù)應(yīng)用來選擇,對(duì)于需要較高載荷能力的應(yīng)用,懸浮量可大一些;而對(duì)于需要較高剛度的應(yīng)用,懸浮量可小一些。

3.3 尾跡測試分析

當(dāng)動(dòng)子從右向左移動(dòng),且速度逐級(jí)增加時(shí),平臺(tái)上形成的尾跡如圖7所示。

圖7 平臺(tái)上形成的尾跡

由圖7可知:從尾跡的顏色可以推斷出尾跡的厚度。右側(cè)為淺色,左側(cè)幾乎為黑色,這表明磁液流失量與運(yùn)動(dòng)速度之間存在相關(guān)性。測量沖程前后的平臺(tái)高度,可以在實(shí)驗(yàn)中確定這種尾跡形成的影響。

筆者將底部軸承墊的初始懸浮量設(shè)定為0.55 mm,頂部軸承墊的初始懸浮量設(shè)定為0.50 mm。

在55 g磁液條件下,不同有效載荷量時(shí)平臺(tái)的高度增量如圖8所示。

圖8 不同有效載荷量時(shí)平臺(tái)的高度增量

從圖8可以看出:有效載荷對(duì)動(dòng)子高度的可重復(fù)性沒有明顯影響。平臺(tái)在速度為0.25 m/s時(shí),有效載荷為1 kg,動(dòng)子高度的最大高度增量為±3 μm;在速度為0.5 m/s時(shí),有效載荷為1.75 kg,動(dòng)子高度的最大高度增量為±7 μm。

由此可見,平臺(tái)樣機(jī)的性能受到尾跡的影響十分有限,平面度小于±7 μm,相比之下,其明顯小于現(xiàn)有基于磁流體軸承的精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[16-17](平面度為±15 μm),從而獲得了較高的可重復(fù)性。

3.4 阻尼測試分析

筆者將平臺(tái)設(shè)置在規(guī)定的斜面上,并對(duì)其阻尼進(jìn)行評(píng)估。筆者在斜坡上牽引動(dòng)子至最高點(diǎn)后釋放,重力將導(dǎo)致平臺(tái)向下加速移動(dòng),直至達(dá)到終端速度;使用量程為200 mm激光位移傳感器測量終端速度。平臺(tái)阻尼主要為黏性阻尼。

對(duì)于3種不同的傾角和3種不同的有效載荷量,筆者進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

黏性阻尼系數(shù)c的計(jì)算方式如下:

(3)

式中:mm為動(dòng)子質(zhì)量;g0為標(biāo)準(zhǔn)重力參數(shù);θ為平臺(tái)的傾斜角;Vt為平臺(tái)末端速度。

平臺(tái)裝有55 g磁液,底部軸承墊的空載懸浮量為0.55 mm,且頂部軸承墊的空載懸浮量為0.50 mm時(shí),不同載荷下平臺(tái)的阻尼系數(shù)如圖9所示。

圖9 不同載荷下平臺(tái)的阻尼系數(shù)

從式(3)和圖9可以看出:阻尼是運(yùn)動(dòng)速度和有效載荷的函數(shù),在速度為0.2 m/s至0.5 m/s時(shí),阻尼在2 N·s/m至4 N·s/m之間;平臺(tái)的阻尼相對(duì)恒定且可預(yù)測,避免了氣動(dòng)平臺(tái)中氣壓停止時(shí)的阻尼突變問題,有利于使用基本的PID控制來實(shí)現(xiàn)高精度定位目的[18]。

4 磁流體導(dǎo)軌平臺(tái)與氣動(dòng)平臺(tái)的比較

筆者將制備的導(dǎo)軌平臺(tái)樣機(jī)與使用空氣軸承的A-110空氣靜壓導(dǎo)軌定位平臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比,平臺(tái)性能對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 平臺(tái)性能對(duì)比結(jié)果

從表5可以看出:磁流體平臺(tái)樣機(jī)在最大有效載荷方面明顯優(yōu)于氣動(dòng)軸承平臺(tái),有效載荷達(dá)到了140 N,提高了40%,且行程、尺寸、移動(dòng)質(zhì)量等性能相差不大;雖然磁流體樣機(jī)的剛度較低,但是其可以通過調(diào)節(jié)上下軸承墊的懸浮量來控制剛度(0.3 N/μm～0.7 N/μm),從而適用于不同的應(yīng)用場景。

由于制備平臺(tái)樣機(jī)的平面度和剛度低于氣動(dòng)平臺(tái),因此,在亞微米級(jí)超精密機(jī)床中,不推薦使用該平臺(tái)。

與氣動(dòng)平臺(tái)相比,在大載荷和低速度的情況下,磁流體導(dǎo)軌平臺(tái)可以提供相同的無黏滑運(yùn)動(dòng),而無需擔(dān)心持續(xù)供氣問題。

5 結(jié)束語

為解決精密機(jī)床的空氣靜壓導(dǎo)軌平臺(tái)存在的阻尼突變、載荷不高問題,筆者提出了一種基于磁流體壓力軸承的二維導(dǎo)軌平臺(tái),采用煤油基磁液、鋁材和鐵素體不銹鋼材料制備了雙U形平臺(tái)樣機(jī),并對(duì)其多方面的性能進(jìn)行了測試,對(duì)平臺(tái)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究結(jié)論如下:

1)在動(dòng)子上使用儲(chǔ)液層,可在平移時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的懸浮量,同時(shí)適當(dāng)選擇磁體的幾何形狀和方向,不會(huì)產(chǎn)生明顯的渦流阻尼;

2)上述平臺(tái)的平面度為±7 μm,明顯優(yōu)于現(xiàn)有基于磁流體軸承的精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),獲得了較高的可重復(fù)性;

3)上述平臺(tái)的最大有效載荷為140 N,相比氣動(dòng)平臺(tái),提高了40%;平臺(tái)阻尼在2 N·s/m至4 N·s/m之間相對(duì)恒定且可預(yù)測,避免了氣動(dòng)平臺(tái)的阻尼突變問題,有利于實(shí)現(xiàn)高精度定位;

4)相比于氣動(dòng)平臺(tái),上述磁流體平臺(tái)的剛度較低,但是剛度可調(diào)(0.3 N/μm～0.7 N/μm),且無需擔(dān)心持續(xù)供氣問題。

在今后的工作中,筆者將對(duì)磁流體導(dǎo)軌中的磁液蒸發(fā)問題做進(jìn)一步研究,以防導(dǎo)軌中的磁流體性能發(fā)生不可逆降低。