5.2 Аэростатические направляющие КИМ

Название аэростатические направляющие (АН) более точно определяет характер работы подшипника на газовой смазке, потому что кроме аэростатических подшипников существуют аэродинамические подшипники, которые применяют, например, в турбинах небольшого размера.

Интенсивные исследовательские работы и многочисленные эксперименты показали, что  аэростатические подшипники, несмотря на небольшую подъемную силу, создаваемую сжатым воздухом при малой площади подшипника наилучшим образом подходят для направляющих узлов и компонентов КИМ, а также шпинделя точных приборов для измерения круглости и поворотных столов.  Это основная область применения АН – на металлорежущих станках АН применяют редко из-за их малой грузоподъемности и  и необходимости в хорошо очищенном сжатом воздухе. На КИМ аэростатические направляющие пока не имеют альтернативы.

Когда началась разработка КИМ, то в качестве направляющих использовали проверенные и отработанные шариковые и роликовые направляющие.  Их применяют и в настоящее время на КИМ, предназначенных для контроля  крупногабаритных деталей. Но на первых КИМ скорости и ускорения перемещений подвижных узлов были небольшими и точность измерения была не слишком высокой, поэтому   шариковые направляющие были вполне пригодны.

Однако точность машин и производительность измерений быстро повышалась и стало ясно, что  АН могут обеспечить высокую точность измерения  на КИМ при больших скоростях и ускорениях подвижных узлов машины.    В  большинстве современных КИМ используют АН.

АН при отсутствии в них трения, позволяют существенно снизить мощность приводных электродвигателей, исключить прерывистое движение  элементов КИМ и  нагрев направляющих. Это позволяет избежать температурных деформаций и, следовательно, тепловых  погрешностей.  Важно, что воздух вытекает в атмосферу, и не требуется установка защитных уплотнений направляющих. Следует также отметить чрезвычайную простоту конструкции АН. Расчет и конструкция современных АН хорошо отработана и проверена при многолетнем применении.

В плоских АН  используют несколько конструктивных разновидностей подшипников:

– подшипники, поддув воздуха в рабочий зазор  которых осуществляется с помощью мелких канавок, глубиной 0,2–0,4 мм, выполненных в форме единичных канавок,  прямоугольников из канавок  или в форме прямоугольников, выгнутых по радиусу или из одной канавки, расположенной по радиусу  в круглых пластинах  (рис. 5.2.1);

– подшипники, поддув воздуха в рабочий зазор  которых осуществляется

через отверстия малого диаметра   (0,2-0,8 мм);

– подшипники, поддув воздуха в рабочий зазор  которых осуществляется через большое число капиллярных отверстий, так называемые пористые подшипники (рис. 5.2.2 ). a-1

Рис.  5.2.1  Канавки на поверхности  плоских опор АН

     В АН иногда возникают автоколебания, обу­словленные сжимаемостью воздуха, Появлению  колебаний способствуют разного рода углубления, карманы и т.п., выполняемые вокруг отверстий под­дува с целью повышения несущей способности опоры. Воздух, заключенный в образовавшихся  объемах, играет роль пружин, на которых колеблется взвешенное звено.

Иногда применяют  систему поддува воздуха через  отверстия малого диаметра (0,2-0,8) мм, несмотря на их меньшую несущую способ­ность по сравнению с другими системами поддува. Это объясняется тем, что опоры    с  поддувом через отверстия менее склонны к потере устойчивости.

Система поддува воздуха через отверстия малого диа­метра с карманами  встречается реже  потому, что она более трудоемка и при неправильном выборе карманов склон­на к потере устойчивости.

На современных КИМ наибольшее распространение имеют пористые подшипник (рис. 5.2.3), так как обладают высокой несущей способностью и технология их изготовления отработана. a-2Рис.  5.2.2  Пористый подшипник

Применение АН в КИМ приводит к упрощению конструкции направляющих и к улучшению характеристик машин.

Важно учесть, что даже  в тихоходных направляющих  КИМ (а в КИМ высокие скорости используют только при холостых перемещениях, но при измерении скорость перемещений небольшая) при применении АН возникают определенные трудности из-за возможности возникновения автоколебаний. Поэтому необходимо рассчитывать не только несущую способность и жесткость подшипника, но и устойчивость узла к возникновению автоколебаний.

В настоящее время хорошо освоена технология изготовления пористых подшипников из керамики,  графита и углеграфита, например, марки АГ-1500.

При случайном уменьшении зазора в подшипнике происходит задевание трущихся поверхностей и возникает прерывистое движение. Поэтому очень важно подобрать для подшипника такие материалы, чтобы при случайном касании их поверхностей не происходил износ и не была нарушена  плоскостность и прямолинейность направляющих.

Типовая конструкция плоских  пористых подшипников   состоит из нескольких отдельных пластин или вставок. Общее число пластин или вставок  должно быть не менее трех, а предпочтительно четыре, обеспечивающих наибольшую угловую устойчивость подвижного узла.          Каждая пластина или вставка имеет отверстие для подачи воздуха   под высоким давлением 5,0 МПа (кгс/см2) в камеру над пористой пластиной.   Воздух под высоким давлением вытекает из  капилляров в пористой пластине  в рабочий зазор направляющей и выходит в  атмосферу (рис. 5.2.2 и 5.23).

При этом  создается давление между подвижной кареткой и неподвижной направляющей.  Между ними образуется  зазор 3-7 мкм. Повышенное давление образуется только в зоне, ограниченной площадью пластины. За  этой зоной давление плавно снижается до давления окружающей среды.

Если подвижная часть подшипника состоит из одной общей пластины со вставками, то  расстояние от вставки до края общей пластины  должно быть не менее 15 мм. При меньшем расстоянии сильно увеличивается расход воздуха.    Ширина направляющей должна быть не менее 40 мм.  Рабочая поверхность подвижных шайб и неподвижной направляющей тщательно доводится.

Главными  параметрами аэростатических подшипников являются грузоподъемность в кГ и жесткость в кГ/мкм слоя воздуха  в рабочем зазоре. Чем больше жесткость, тем меньше изменения зазора при колебаниях нагрузки, возникающих при движениях кареток КИМ, при трогании с места и торможении.

При заданном давлении питания Ро, определенной площади  опоры и рабочем зазоре грузоподъемность пропорциональна величине давления Рd после капилляров. При увеличении давления Рd после капилляров  грузоподъемность и жесткость  растут, но при дальнейшем увеличении давления  снижаются.  Оптимальным является соотношение Рdо = 2/3, которое достигается подбором величины рабочего зазора.

Существует несколько способов борьбы с колебаниями АН. Наиболее эффективным оказалось  применение пористых материалов.  Этот способ известен  достаточно давно  и нашел применение в современных АН, благодаря   использованию новых материалов – пористой керамики, углеграфита, графита.

      В  плоских направляющих КИМ применяют также подшипники из пористого графита. Конструкция подшипника из графита представляет собой стальную планку (плиту), в которую заподлицо вставлены шайбы из графита. Число и диаметр шайб подбирается расчетом в зависимости от требуемой жесткости и грузоподъемности подшипника. Через отверстие в стальной планке к верхней части графитовой шайбы подается воздух под высоким давлением. Через капиллярные поры графита воздух вытекает в зазор между планкой и направляющей.  Как видно из рис. 5.2.3,  эпюра давления в рабочем зазоре подшипника равномерна и давление Р2 плавно уменьшается к краям. a-4Рис. 5.2.3  Эпюра давления в зазоре пористого подшипника

Виброустойчивость пористого подшипника определяется  его устройством. Подшипник состоит из большого количества  мельчайших капилляров, через которые сжатый воздух подается на всю рабочую поверхность. Отсутствие карманов исключает  появление вибраций, так как с уменьшением рабочего зазора давление во всех его точках плавно повышается  и «прилипание» опоры полностью исключается. Пористая поверхность подшипника полностью поглощает энергию вынужденных колебаний в случае их возникновения.

Предельная величина грузоподъемности пористого подшипника  также выше, так как давление в зазоре меняется от середины к периферии практически линейно.

Аэростатические  направляющие  КИМ выполняют также  в виде прямоугольных или круглых пластин из пористой керамики.    Причем пластины из керамики в виду ее прочности не требуют никакой облицовки.

Керамический подшипник состоит из двух склеенных между собой частей. Несущая часть из непористой керамики и пористая часть (мембрана). В несущей части располагается штуцер для подвода воздуха,  а между пористой и непористой частями имеется небольшое пространство, в которое подается воздух  под высоким давлением.

Графитовый подшипник из-за  непрочности  графита вставляется в стальную облицовку. Подшипник также состоит из двух частей В стальной части выполняется круглое углубление, в которое вставляется пористая  графитовая пластина. Над пластиной имеется пространство, к которому подводится воздух под высоким давлением.

Возможны разные способы конструирования АН. В одних случаях это  прямоугольная или квадратная направляющая и  расположенные с четырех сторон  пористые пластины (рис. 5.3.4). Это замкнутая направляющая. Так обычно выполняют АН пиноли КИМ, которая перемещается вертикально. В других случаях это могут быть прямоугольные или направляющие «ласточкин хвост» (рис. 5.2.5 и 5.2.6). Иногда  пластины могут быть поджаты  тарельчатыми  пружинами, т.е. установлены с предварительным натягом. Это исключает люфты в направляющих.  Пластины располагают в два ряда на некотором расстоянии. В прямоугольных направляющих пористые пластины располагают на подвижном звене, например, портал КИМ или на неподвижном звене, например, корпус пиноли. В обоих случаях следует предусмотреть, чтобы не было  обнажения пористых пластин и потери несущей способности подшипника при перемещении подвижного узла.

В каждую керамическую или графитовую пластину подается сжатый очищенный от воды, пыли и масла воздух под высоким давлением. Воздух вытекает через капиллярные отверстия (поры) в зазор между пластиной и направляющей. Создается подъемная сила, пластины отходят от направляющей  на 5-7 мкм, образуя зазор, и подвижный элемент может легко перемещаться электроприводом малой мощности или вручную.

a-5  Рис. 5.2.5  Расположение опор прямоугольной горизонтальной замкнутой АН

опора

Рис.  5.2.6  АН типа «ласточкин хвост»a-6Рис. 5.2.7  Схема АН портала

     На некоторых КИМ осуществляют контроль зазора в направляющих с помощью электронных датчиков (например, индуктивных). Перед сборкой АН каждую опору испытывают на стенде и подбирают опоры с одинаковой жесткостью, которые устанавливают в АН. В случаях больших нагрузок,  например, для перемещения портала КИМ, устанавливают опоры с максимальной жесткостью. При работе кареток в вертикальном направлении, например, пиноль КИМ, опоры могут быть подобраны с меньшей жесткостью.

В действи­тельности на жесткость и грузо­подъемность опоры влияет до семи параметров, таких как: зазор между опорой и направляющей, глубина микрока­навки, давление нагнетания, атмосферное давление, диаметр выходного сопла, размеры опоры и количество сопел. Всё это показывает важность выбора и расчёта конструкции аэроста­тических опор. Однако размерные величины грузоподъёмности не полностью – характеризуют качество опоры. Для этого удобнее воспользоваться удельным давлением. Как правило, удельное давление выбирают для характерных точек  зазора между опорами и поверхностью, по которой пере­мещается опора, .равных 3, 5, 7 и 10 мкм.

Обычно при номинальном зазоре Н0 = 5 мкм грузоподъемность опоры составляет 60-70% максимальной грузоподъемности, при Н0 = 10 мкм – 30-40% максимальной. При установлении зазоров в опорах, чтобы опоры не “садились” на поверхность (не «клевали») в большинстве случаев эксплуатационный (рабочий) зазор устанавливают в пределах  3-5 мкм, но не меньше. В итоге, выходным параметром для аэростатической опоры является удельное давление.

Большое значение для работы АН имеет качество сжатого воздуха, подаваемого к подшипникам и величина его давления. Каждая КИМ снабжена автономным компрессором и установкой для подготовки воздуха.

Для очистки воздуха от пыли, влаги и масла подаваемый к подшипникам  воздух  предварительно очищается установкой подготовки воздуха, состоящей из отстойника (ресивера), центробежного масловлаготделителя и  фильтров грубой и тонкой очистки.

Применяют и более сложные способы осушки воздуха. В них воздух охлаждается и при этом из него выделяется конденсат, который отводится специальным устройством. Перед подачей воздуха к КИМ он снова подогревается.

Очень большое значение имеет давление воздуха, подаваемого к подшипникам. Для обеспечения постоянного давления питания устанавливают стабилизатор давления. При падении давления ниже установленного уровня, например, менее 5,0 мПа, направляющие «залипают». Поэтому установка для подготовки воздуха снабжена  реле давления, которое останавливает КИМ при падении давления ниже установленного уровня. Расход воздуха на питание АН машины обычно составляет 200-300 л/мин

Следует отметить один существенный недостаток АН при их применении на КИМ. Из них непрерывно вытекает воздух неизвестной и меняющейся температуры. Этот воздух меняет окружающую температуру и, главное, если он обдувает металлические части машины, это приводит к температурным деформациям и погрешностям. Чтобы избежать температурных погрешностей  детали направляющих часто изготавливают из гранита или керамики, имеющих небольшой коэффициент линейного расширения.

Расчет статических характеристик  АН  подробно изложен  в работе [1].

 

 

1   С.А. Штейнберг,  В.П. Жедь и М.Д. Шишеев.   Опоры скольжения с газовой смазкой. Из-во «Машиностроение», М., 1969

Б.С. Бражкин,  Н.И. Исаев, А.А. Кудинов, В.С. Миротворский. Координатно-измерительные машины для контроля тел вращения, М, 2012, 207 с.

 

&