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                                      精密运动系统的中空气轴承的特点与主要性能2011-07-20

                                      空气轴承的工作原理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非常,因此其润滑膜的厚度可以非常小。

                                      结构形式大致分为五种:单面气压垫(SinglePad)、对称式气压垫(OpposedPad)、轴套式(Journal)、旋转轴肩式(RotaryThrust)以及圆锥型轴套或轴肩式(ConicalJournal/thrustbearings),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。10米/秒的线速度对空气轴承来说是一道坎,速度太快时克服黏性摩擦力成为问题,因此对于速度很快的空气轴承要求气膜厚度要足够大并稳定。

                                      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2米/秒的应用,摩擦力可以忽略不计。

                                      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。



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