基于磁流體軸承的大載荷磁流體二維導軌平臺研究*

楊 輝,張玉華

(1.周口職業技術學院 汽車與機電工程學院,河南 周口 466000;2.鄭州科技學院 機械工程學院,河南 鄭州 450064)

0 引 言

在當前的精密機床中,空氣靜壓導軌平臺是不可缺少的部件。然而,導軌平臺需要用到壓縮空氣,而壓縮空氣的使用有其弊端,如氣壓停止時的導軌卡頓和阻尼突變不利于運動控制[1-2]。

由于滾珠導軌存在黏滑問題[3],而撓性軸承存在運動范圍有限的問題[4],這就使得應用了上述零部件的磁流體導軌平臺成為了新的研究熱點。

磁流體導軌平臺的關鍵是磁流體軸承[5]。該軸承依賴于磁液在磁場吸引下產生的壓力。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,磁流體軸承對表面波紋和光滑度的要求較低,還可以根據不同的環境調整磁液,例如在快速運動中使用低黏度的磁液[7]。

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

在過去10年中,磁流體軸承已被應用于各種平面定位系統或者導軌平臺。同時,學者們對其承載能力和阻尼性能進行了深入研究。

趙建華等人[9]提出了一種雙懸浮的磁流體軸承,并將其應用于具有高穩定性的單自由度直線定位系統中。劉旭輝等人[10]設計了一種可控阻尼磁流體軸承,利用ANSYS軟件對其動態穩定性進行了測試,結果顯示該軸承表現出較高的減振效果。MIZUTANI Y等人[11]研究了超精密機床導軌平臺中的磁流體密封特性,并提出了一種重力補償器,對該導軌平臺的定位精度進行了補償。ZHAO J等人[12]提出了一種基于磁流體軸承的精密機床導軌平臺,分析了密封腔厚度對導軌承載力、剛度等特性的影響。

然而,這種磁流體導軌平臺在受限的方向上存在平面度較低的問題,導致可重復性較差。這是因為沒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軌平臺。

因此,為了解決空氣靜壓導軌平臺存在阻尼突變、載荷不高的問題,筆者提出一種基于磁流體軸承的可重復性、大載荷導軌平臺,并制備一臺樣機,對該導軌平臺的有效性進行驗證。

首先,筆者采用磁流體壓力軸承來設計機床用導軌平臺,并將頂部、底部和側部軸承墊緊密地放置在一起,在動子上形成一個儲液層;然后,選用高飽和磁化強度、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。

1 導軌平臺設計

為了在相同行程和尺寸條件下進行有效對比分,筆者設計的導軌平臺基于Physical公司A-110空氣靜壓導軌定位平臺。

A-110的規格如表1所示。

表1 A-110的規格

1.1 問題表述

在基于磁流體軸承的導軌平臺設計中,最緊迫的問題是密封腔的空氣損耗和磁流體的尾跡。對于磁流體腔式軸承而言,空氣損耗是十分嚴重的,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象[14]。磁流體尾跡的磁場可能會對磁流體軸承中的磁場產生干擾,影響平臺的平面度,進而降低平臺的可重復性。

1.2 平臺設計

雙U形導軌平臺的設計示意圖如圖2所示。

圖2 導軌平臺設計示意圖

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,腔式軸承優于壓力軸承。然而,對于選定的高精密機床應用,軸承運動的可重復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計機床用導軌平臺。

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

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

導軌平臺的設計為雙U形。頂部軸承墊產生預載荷,增加了剛度,對稱設計減少了加減速時的傾斜。動子的平面內長度為100 mm,以減輕重量和減少阻尼。導軌平臺具有6個軸承墊,2個50 mm×100 mm×4 mm(寬×長×高)的軸承墊用于底部軸承,4個40 mm×100 mm×4 mm的軸承墊用于側面和頂部軸承。每個軸承墊由許多小型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導致磁體附近磁場集中,并在懸浮量方向產生較大梯度,同時也會使磁流體壓力軸承具有較高的承載能力和剛度。上下磁化配置在實現高剛度和高載荷能力的同時,還能減少移動質量。這種結構的第二個優點是雜散磁場低,因為單個磁體的磁場在較大距離上會被抵消。

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

高飽和磁化強度提高了平臺的載荷能力和剛度,而低黏度則降低了平臺的整體阻尼。

2 精密運動相關性能的數值模擬

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為真空中的磁導率;Ms為磁流體的飽和磁化強度;H為磁場強度;k為剛度。

磁流體本身的相對磁導率為1。對于鐵素體不銹鋼,相對磁導率為4 000,飽和磁化強度為1.4 T。頂部軸承墊產生的預載荷可以通過改變動子的高度和底座的內部高度差來改變。減小高度差會降低上下軸承墊的懸浮量,從而增加所施加的預載荷。

磁流體軸承可以看作是一個機械彈簧,其增加了軸承的剛度。然而,剛度增加的代價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,筆者對承載能力進行評估。

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,其是上述導軌平臺的首選制作材料。

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

高導電性鋁與軸承墊感應磁場之間產生了渦流。筆者使用COMSOL模型對這些渦流引起的阻尼進行了數值模擬研究。

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

圖4 導體表面渦流I示意圖

在該模型中,軸承墊由2×25個磁體組成,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。

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

3 磁流體導軌平臺的樣機測試

3.1 實驗設置

筆者制備的平臺樣機是由鋁制成,底座為鐵素體不銹鋼。

實驗中,筆者使用了3個德國米銥optoNCDT 1420激光位移傳感器。2個量程為10 mm的傳感器安裝在平臺上方的兩側,用于測量平臺相對于固定框架的位移,由此可以計算出懸浮量。一個量程為200 mm的傳感器安裝在動子前方,用于測量動子的位移和速度。將平臺設置在一個稍微傾斜的面上,其可以在無干擾的情況下完成二維驅動任務。

樣機實驗設置如圖5所示。

圖5 平臺樣機實驗設置

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。

平臺的載荷-懸浮量曲線如圖6所示。

圖6 平臺的載荷-懸浮量曲線

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

由于制備平臺的剛度是已知的,并且在平移時是穩定的,因此很容易補償,從而有利于實現高精度的定位目的。

筆者采用在小斜面上移動時向平臺添加質量的方法,確定最大持續載荷能力,結果發現行程小于100 mm時,最大載荷為160 N,全行程時為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剛度。這樣,當底部和頂部軸承墊的懸浮量分別為0.3 mm和0.25 mm時,剛度可達0.7 N/μm。

剛度的提高是以載荷能力的降低為代價的。懸浮量可根據應用來選擇,對于需要較高載荷能力的應用,懸浮量可大一些;而對于需要較高剛度的應用,懸浮量可小一些。

3.3 尾跡測試分析

當動子從右向左移動,且速度逐級增加時,平臺上形成的尾跡如圖7所示。

圖7 平臺上形成的尾跡

由圖7可知:從尾跡的顏色可以推斷出尾跡的厚度。右側為淺色,左側幾乎為黑色,這表明磁液流失量與運動速度之間存在相關性。測量沖程前后的平臺高度,可以在實驗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定為0.55 mm,頂部軸承墊的初始懸浮量設定為0.50 mm。

在55 g磁液條件下,不同有效載荷量時平臺的高度增量如圖8所示。

圖8 不同有效載荷量時平臺的高度增量

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

由此可見,平臺樣機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,其明顯小于現有基于磁流體軸承的精密運動系統[16-17](平面度為±15 μm),從而獲得了較高的可重復性。

3.4 阻尼測試分析

筆者將平臺設置在規定的斜面上,并對其阻尼進行評估。筆者在斜坡上牽引動子至最高點后釋放,重力將導致平臺向下加速移動,直至達到終端速度;使用量程為200 mm激光位移傳感器測量終端速度。平臺阻尼主要為黏性阻尼。

對于3種不同的傾角和3種不同的有效載荷量,筆者進行了多次重復實驗。

黏性阻尼系數c的計算方式如下:

(3)

式中:mm為動子質量;g0為標準重力參數;θ為平臺的傾斜角;Vt為平臺末端速度。

平臺裝有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,不同載荷下平臺的阻尼系數如圖9所示。

圖9 不同載荷下平臺的阻尼系數

從式(3)和圖9可以看出:阻尼是運動速度和有效載荷的函數,在速度為0.2 m/s至0.5 m/s時,阻尼在2 N·s/m至4 N·s/m之間;平臺的阻尼相對恒定且可預測,避免了氣動平臺中氣壓停止時的阻尼突變問題,有利于使用基本的PID控制來實現高精度定位目的[18]。

4 磁流體導軌平臺與氣動平臺的比較

筆者將制備的導軌平臺樣機與使用空氣軸承的A-110空氣靜壓導軌定位平臺進行了對比,平臺性能對比結果如表5所示。

表5 平臺性能對比結果

從表5可以看出:磁流體平臺樣機在最大有效載荷方面明顯優于氣動軸承平臺,有效載荷達到了140 N,提高了40%,且行程、尺寸、移動質量等性能相差不大;雖然磁流體樣機的剛度較低,但是其可以通過調節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用場景。

由于制備平臺樣機的平面度和剛度低于氣動平臺,因此,在亞微米級超精密機床中,不推薦使用該平臺。

與氣動平臺相比,在大載荷和低速度的情況下,磁流體導軌平臺可以提供相同的無黏滑運動,而無需擔心持續供氣問題。

5 結束語

為解決精密機床的空氣靜壓導軌平臺存在的阻尼突變、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軌平臺,采用煤油基磁液、鋁材和鐵素體不銹鋼材料制備了雙U形平臺樣機,并對其多方面的性能進行了測試,對平臺的有效性進行了驗證。

研究結論如下:

1)在動子上使用儲液層,可在平移時產生穩定的懸浮量,同時適當選擇磁體的幾何形狀和方向,不會產生明顯的渦流阻尼;

2)上述平臺的平面度為±7 μm,明顯優于現有基于磁流體軸承的精密運動系統,獲得了較高的可重復性;

3)上述平臺的最大有效載荷為140 N,相比氣動平臺,提高了40%;平臺阻尼在2 N·s/m至4 N·s/m之間相對恒定且可預測,避免了氣動平臺的阻尼突變問題,有利于實現高精度定位;

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

在今后的工作中,筆者將對磁流體導軌中的磁液蒸發問題做進一步研究,以防導軌中的磁流體性能發生不可逆降低。