氣浮導軌

超精密工作台常用導軌有滾動導軌、靜壓導軌等，滾動導軌的應用己經有好多年，滾動導軌的運動精度達到微米級，摩擦因數可以降低到0.002至0.003。滾動導軌的優點是滾動摩擦阻力小，沒有滑動導軌的爬行、浮動現象，但滾動導軌的摩擦大、抗震性差、運動不平穩、壽命低，在應用方面有所欠缺。氣浮導軌相對於普通滾動導軌有著如下的優點：

(1)導軌面間是氣體潤滑，其摩擦係數極小(約為0.0005左右)，故驅動功率可大大降低；

(2)因系非接觸性摩擦，故導軌磨損極小，壽命長，能長期保持製造精度，減少了維修工作量；

(3)氣膜具有誤差均化作用，可提高導軌運動精度；

(4)氣膜厚度幾乎不受速度的影響，即使在極低速時也不會產生爬行，運動平穩；

(5)幾乎不產生熱量，不會發生粘度變化，無需添加冷卻措施。

19世紀中期，法國學者提出了用氣體作為潤滑劑的可能性。1828年，R R Wil-lis發表了關於小孔節流平板中氣體壓力的文章，他提出的研究模型被認為是氣體潤滑導軌的雛形。1886年，O Reynolds推導出潤滑膜內壓力分佈所應服從的雷諾方程，使人們對流體潤滑原理的認識上升到了理論高度。1913年，W J Harrison在保留連續性方程中的密度項、引用等溫假設的條件下導出了可壓縮Reynold方程，給出了無限長氣體潤滑塊和軸頸導軌的解，為氣體潤滑技術奠定了理論基礎。

目前，國內外學者從空氣導軌誤差分析、結構設計、氣浮導軌設計等多方面入手，開發了多種精密定位實驗工作台，開展了眾多針對靜壓導軌靜動態特性的相關研究，推動了超精密工作台技術的發展和進步。

上海大學的三坐標測量機採用了氣浮導軌直線度達到3um/600mm。北京航空精密機械研究所導軌直線度200mm內可以達到0.1μm，國防科技大學通關補償技術可以補償到300mm內達到0.1μm。哈爾濱工業大學研製的氣浮導軌直線度也做到250mm內達到0.1-0.2μm。

國內外眾多學者對氣浮導軌的特性講行了大量研究。哈爾濱工業大學利用線性源假設，將氣膜中氣體的二維流動化為一維流動，使雷諾方程得到簡單的解析解，推導出氣浮導軌的解析計算公式。昆明理工大學建立環面節流、狹縫節流、小孔節流3種節流方式的氣膜模型；應用FLUENT軟體對氣浮導軌靜態特性參數進行迭代求解，得出這3種典型節流形式對氣浮導軌氣膜壓力分佈靜承載能力和耗氣量的影響規律。

(1)導軌座和溜板；

(2)節流器，如小孔節流器、毛細管節流器、、薄膜反饋節流器等；

(3)供氣系統及調節裝置。

氣浮導軌按工作原理分為兩種基本類型：空氣動壓導軌和空氣靜壓導軌。動壓型如左下圖所示，兩個面相對移動且間隙呈楔形，沿移動方向間隙逐漸變小。由於相對移動，氣體因其黏性作用，被拖帶壓入楔形間隙中，從而產生壓力，構成動壓懸浮。靜壓型如右下圖所示，是將外部的壓縮氣體，通過節流孔導入間隙中，藉助其靜壓使之懸浮起來，節流孔的作用是當間隙變化時，調整間隙內的壓力，從而使導軌具有剛度。氣浮導軌是由導軌和溜板組成的滑動副，導軌和溜板之間為氣膜潤滑。

開式靜壓導軌如左圖所示，左上角為平面型，右上角為平-V型，左下角為雙三角型，右下角為平面迴轉型，它們具有如下特點：

(1)承受正向載荷的能力很大，承受偏載以及顛覆力矩的能力差，不能夠承受反向載荷；(2)導軌結構簡單，製造以及調整方便； (3)在當導軌尺寸確定以後，氣腔壓力就只由載荷決定，所以小載荷時氣膜剛度低。

綜上所述，開式靜壓導軌適用於偏載荷及顛覆力矩小，載荷均勻，水平放置或者僅有小角度傾角的場合。

閉式靜壓導軌的運動件，除在其運動方向具有一個自由度外，其餘運動自由度都由導軌的結構所約束，故屬於幾何封閉。下圖所示為閉式靜壓導軌常用的幾何形式，圖1為側導軌在外側的平導軌，圖2為側導軌在同一導軌兩側的平導軌，圖3為平面迴轉導軌，圖4為菱形導軌。

圖1和圖2的平導軌雖有相同的氣腔數，但對於側面間隙受熱變形的影響，後者比前者小，且克服了採用可變節流器時側面氣腔過長的缺點。圖3的菱形導軌特點是加工面少，適用於載荷不太大，運動件不太長或迴轉工作台場合。

閉式靜壓導軌具有如下特點：

(1)能夠承受正反向的載荷，能夠承受偏載荷以及顛覆力矩的能力比較強；

(2)氣膜剛度較高，所以對導軌本身的結構的剛度要求比較高；

(3)導軌製造及調整比較複雜；

(4)為了減少功率的損耗，閉式靜壓導軌一般是採用不等面積氣腔的結構。

同時氣浮導軌按安裝特徵可以分為平面封閉型、圓筒封閉型、重力平衡型和真空預載荷型。

平面封閉型 重力平衡型 真空預載荷型 圓筒封閉型

(1) 平面封閉型：在氣浮方向上設計一對方向相對的兩個氣膜，形成氣膜預載入。適用於高精度、高剛度、大負載的導軌。

(2) 重力平衡型：結構簡單，加工方便，但剛度低，用於負載變動較小的場合；

(3) 真空預載荷型：用壓力氣體產生浮力，形成懸浮狀態，用真空發生裝置產生真空以提高剛度，由於真空的吸附作用，使得這種止推導軌具有雙向的剛度，配上x、y兩向驅動，可用單層結構，實現二維運動，即開始結構具有閉式特點，提高了工作台的工藝性能；

（4) 圓筒封閉型：該導軌結構簡單，但加工複雜，圓柱形導軌得圓柱度和溜板的間隙由機械加工決定，對加工工藝要求較高。而承載能力較小，剛度差，常用於輕載。

在氣浮導軌設計中，節流器的選用和設計是關鍵。節流器類型對空氣靜壓導軌承載性能的影響程度決定著整個工作台的精密程度及承載性能。節流器類型如表所示，小孔節流、環面節流和狹縫節流形式應用最多；多孔質和環面淺腔節流是兩種較新的節流形式，具有承載高、穩定性好的優點，但是對於多孔質節流器而言，其節流特性主要受到滲透係數的影響，而滲透係數主要是由多孔質材料本身的性質決定的，所以具體數值很難確定。而環面淺腔節流設計時淺腔結構的深度通常在十幾微米至幾十微米，這增加了製造過程中的工藝難度，因而也限制了此種類型節流器的使用。其餘幾種節流形式，在實踐中很少應用。

小孔節流又稱簡單孔節流，或帶氣腔的噴嘴節流，如左圖所示。它由直徑 為的供氣小孔和小孔下端直徑為、深度為的凹穴氣腔組成。氣流通過的最小流道面積在供氣孔與氣腔交界處，即小孔喉部截面起節流作用，其大小和氣膜厚度的變化無關。小孔節流的特點是阻力近似與經過節流器的流量成正比，而此時流量決定於氣膜厚度的大小。因為小孔節流器的小孔直徑很小，氣流經過時流速很高，來不及換熱，根據氣體力學理論，此時壓力氣體通過節流小孔的過程可視為等嫡絕熱過程。廣泛的理論研究成果表明，小孔節流方式具有承載能力大、剛度高和質量流量最小的優點。

左圖為矩形空氣靜壓導軌採用小孔節流器時的俯視圖和剖面圖。導軌工作時，壓力為的氣源氣體流經供氣孔時受到節流作用，氣體流出供氣孔后壓力降低，繼而進入承載氣膜，並向四周擴散流動，流出承載板外邊界后氣體壓力降為環境壓力，在承載板和工作檯面間形成平均厚度為h的氣膜。氣體的流動形成了一定的壓力場，將承載板下表面的氣膜支承力與上表面的環境大氣作用力求差，可以得到導軌的承載力。載荷一定時，空氣靜壓導軌與軌道之間會自動保持相應的氣膜厚度，使承載力與載荷平衡，最終實現重量平衡型的空氣導軌。