【原】精密机床的基础——带磁流变液阻尼器的液体静压导轨

机械公社 2019-11-18

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简介

现有的液体静压导轨一般由液压供油装置、动力驱动装置、导轨、滑块，静压油腔等组成。当导轨工作时，首先由液压供油装置将压力油输入至静压油腔中，在压力油的作用下将滑块从导轨上浮起，从而在滑块与导轨之间充满一层液体薄膜，使得导轨与滑块间的接触状态由滑动摩擦变为纯液体摩擦，极大的减小了滑块运动时的摩擦阻力。

同时，液体静压导轨还具有承载能力大、吸振性能优异、工作寿命长的优点，在精密数控机床中获得了广泛的应用。但是由于纯液体摩擦时摩擦阻力极小，使得导轨在进给方向的阻尼过小，即在欠阻尼状态下工作，这直接导致液体静压导轨在进给方向极易产生过大的超调量和较长的调整时间，而这对于提高精密数控机床制造精度与加工效率都是非常不利的。

带磁流变液阻尼器的液体静压导轨的结构

包括主体呈“M”字形状的滑块 1 及呈“U”字形状的导轨 2，滑块 1 滑动放置在导轨 2 上，滑块 1 内部设置有磁流变液阻尼器 6，在导轨 2 前后端分别设置有一个支撑块 4，该两个支撑块 4 上的安装孔同轴设置有活塞杆 5，活塞杆 5 穿过磁流变液阻尼器 6，活塞杆 5 外露的两端头分别通过一个端盖 3 与两端的支撑块 4 对应固定连接；滑块 1 横向两侧的下端面通过螺栓固定连接有压板 7，导轨 2 的两个上沿外表面被压板 7 与滑块 1 三面接触，在滑块 1、压板 7 分别与导轨 2 的两个水平外伸横沿的三个接触面上分别设置有一组液压油腔 11，各个液压油腔 11 两端分别通过液压系统接口 8 与液压控制机构连通；

在滑块 1 中部下表面预先加工好的凹槽里放置有直线电机次级 12，在导轨 2 中部上表面预先加工好的凹槽中放置有直线电机初级 14，直线电机次级 12 和直线电机初级 14 面接触，直线电机次级 12 和直线电机初级 14 分别采用短初级长次级结构为液体静压导轨提供进给动力；为了隔离直线电机磁场对磁流变液流体的影响，在滑块 1 与导轨 2 的预制凹槽中分别垫有隔磁材料 13，即在直线电机次级 12 与滑块 1的凹槽接触面垫有一层隔磁材料 13，同时在直线电机初级 14与导轨 2的凹槽接触面也垫有一层隔磁材料 13 ；

在滑块 1 中部沿纵向开有圆形通孔，称为磁流变液阻尼器 6 的缸体内壁21，在缸体内壁 21 内腔中充满有磁流变液流体 20，在缸体内壁 21 内的活塞杆 5 圆周表面套装有活塞 9，活塞 9 与缸体内壁 21 之间留有环形间隙，以方便磁流变液流体 20 通过；在缸体内壁 21 两端口通过螺钉固定安装有缸盖 17，构成完整的磁流变液阻尼器 6 ；活塞杆 5 与端盖 3 通过螺栓 18 连接，端盖 3 通过另外的螺钉与支撑块 4 外侧面固定连接；

活塞 9 表面环绕有电磁线圈 15，电磁线圈 15 通过控制线路 10 沿活塞9 圆孔通道及活塞杆 5 轴心孔外接到控制机构；缸盖 17 的密封结构是，在缸盖 17 与缸体内壁 21 相接触的外圈安装有缸盖静密封 16，缸盖静密封 16 为 O 形圈密封，并在缸盖 17 与滑块 1 接触的的内端面涂抹密封胶，以有效防止磁流变液流体 20 渗漏；

在缸盖 17 与活塞杆 5 接触的通孔内壁设置有缸盖动密封 19，缸盖动密封 19 从内到外包括四层密封，最内层为阶梯型同轴密封圈一 1901，其次为导向圈 1902，然后是另一道阶梯型同轴密封圈二 1903，最外层为防尘圈 1904。

工作原理是

当滑块 1 沿活塞杆 5 做往复运动时，两道阶梯型同轴密封圈（1901 和 1903）起密封作用，导向圈 1902 使活塞杆 5 沿轴向做平行于缸体内壁 21 运动，最外侧的防尘圈 1904，不仅起到防止灰尘等异物进入缸体内部，还能兼顾密封作用。阶梯型同轴密封圈由截面为阶梯形的塑料环与 O 型密封圈组合而成，自身具有自润滑效应，能够满足活塞杆 5 在运动情况下的密封和润滑要求。活塞杆 5 表面做抛光处理，轴心开有轴心孔通道，用于放置磁流变液阻尼器的控制线路 10。活塞 9 上加工有垂直其轴线的圆孔，并与活塞杆 5 上同轴圆孔相通，活塞 9 表面缠绕有电磁线圈 15，电磁线圈 15 通过圆孔与控制线路 10 相连，同时控制线路 10 与外部计算机相连，由计算机控制输入信号对电磁线圈 15 的磁场强度进行控制，达到控制液体静压导轨进给方向阻尼的最终目的。

工作时，液压油通过液压系统接口 8输入至滑块 1内部的液压油腔 11，分别在导轨2与压板 7、滑块 1之间形成承载油膜，并将滑块 1从导轨 2上浮起，此时，液体静压导轨处于纯液体摩擦，摩擦阻力极小。当镶嵌在导轨 2 内的直线电机初级 14 获得控制电流后，产生行波磁场，进而产生作用在直线电机次级 12 上的电磁力，当电磁力大于摩擦阻力时，滑块 1沿导轨 2 开始滑动。由于磁流变液阻尼器中的活塞杆 5 固定在导轨 2 两侧的支撑块 4 上，同时由于磁流变液阻尼器 6 与滑块 1 为一体化设计，活塞 9 与缸体内壁 21 做相对运动，阻尼器内的磁流变液流体 20 逐渐流过活塞 9 与缸体内壁 21 之间的环形间隙。电磁线圈 15在计算机的控制下产生控制磁场，改变流经环形缝隙的磁流变液流体 20 屈服强度，最终实现对液体静压导轨进给方向阻尼的控制。

液体静压导轨突出优点：

1）液体静压导轨进给方向阻尼可调。将磁流变液阻尼器引入液体静压导轨，当磁流变液流体 20 流经活塞 9 与缸体内壁 21 之间的环形间隙时，磁流变液流体 20 受到安装在活塞 9 上电磁线圈 15 所产生外加磁场的作用，改变了磁流变液流体 20 自身的屈服强度。电磁线圈 15 控制电流由计算机控制，对液体静压导轨进给方向阻尼进行实时补偿，以实现最优控制，从而减少导轨在进给过程中的超调量与稳态时间，实现提高机床制造精度与加工效率的最终目的。

2）液体静压导轨进给方向阻尼调整速度快。采用直动型剪切阀式磁流变液阻尼器，具有磁路设计简单、便于制造的特点。在外加控 -9 制磁场的作用下，磁流变液流体能够在毫秒级时间内实现其状态的转变，且变化过程连续、可逆。

3）液体静压导轨进给方向阻尼控制精度高。磁流变液阻尼器 6 与滑块 1 为一体化机构，有效避免了螺栓连接或焊接连接所带来的安装误差、热误差，有利于提高缸体内壁 21的加工精度；支撑块 4 与导轨 2 连接后，再进行支撑块 4 与活塞杆 5 配合孔的加工，可有效提高导轨 2 两侧支撑块 4 上配合孔的同轴度，进一步提高配合孔与缸体内壁 21 的同轴度，保证了活塞 9 上外加磁场的均匀性，有利于提高阻尼器的控制精度。