气动悬浮技术应用实例

图2　珩磨工装示意

图3珩磨加工过程

如图2所示，由于每个工件有多组阀孔需要珩磨，而且一组珩磨孔需多把珩磨刀经粗珩及精珩多次珩磨，因此在加工过程中需要将阀体装夹至各不同工位，待定位元件完成定位，保证待珩磨阀孔与机床主轴对齐后油缸压紧工件，从而进行珩磨加工。由于工作台是固定式工作台，因此只能通过工件的移动来实现不同阀孔的珩磨。受到机床空间限制，操作人员无法使用吊车等搬运设备。因此操作人员只能采用人工推动的形式来完成各工位间的转换（见图4）。

图4更换阀孔

在实际生产中主要产生2个问题点：①单个阀体质量为130～180kg，而加上工装则总质量在190～240kg。金属之间摩擦因数μ取0.15，由公式F＝umg计算可得，在推动的过程中产生280～350N的摩擦力。操作人员很难推动。②这种直接推动的方式使工装底板与工作台之间直接摩擦，产生严重划伤。

为解决上述问题，我们尝试了多种方案，如在工装底板安装万向球、轴承等转动装置，但在珩磨加工过程中易出现底面不平、压不紧等情况。而且一些较重工件在使用转动装置后推动依然较为费力。经多种方案实验后我们设计了一种基于静压气动悬浮式非接触搬运的工装方案。

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静压气动悬浮原理分析

所谓气动悬浮技术是指由于气体的流动性，物体上下表面的空气存在压力差，物体受到的非接触作用力平衡了其自身的重力，实现了物体的悬浮。近年来，气动悬浮式非接触搬运技术被广泛的应用于工厂车间的搬运导轨、特殊表面工件的吸附输送、真空抓取装置和空气轴承等不同领域。

根据气动悬浮实现方式的不同，可以分为正压悬浮和负压吸浮。负压吸浮的工作原理主要有伯努利效应吸浮和旋回流吸浮等不同方式。

在这里我们主要介绍静压气动悬浮原理，静压气动悬浮原理如图5所示。

图5　静压气动悬浮原理

如图5所示，在其中一个工件上开有通气口，高压气体由通气口进入两个接触表面之间，气体由高压区流向低压区，气体流动的过程中在两个接触面之间形成一层具有较高压力的气膜，从而对重物形成非接触支撑力，平衡其自身重力。实现了物体的悬浮。物体在悬浮的状态下，两接触表面之间形成了一定的间隙，间隙内形成了一层具有较高压力的气膜，因此只需要轻轻推动，即可轻松实现物体的移动。

静压气动悬浮在实际应用中，为得到较好的稳定性和较大的承载能力，常常需要选择不同的节流类型，常见的有多孔质节流、环面节流和小口节流等。所谓多孔质是指一种内部由相互贯通或封闭的孔洞而构成网络结构的材料，具有相对密度低、质量轻和渗透性好等优点。使用多孔质材料作为节流元件具有较大承载质量能力，但应用难度较高；环面节流具有结构简单、承载质量大等优点，但为了悬浮系统的稳定性需要保证环面腔的深度，这增加了制造难度；小口节流具有易于制造加工、适用范围广等优点，承载质量能力较大。不同的节流形式具有不同的优缺点，在实际的设计过程中可以灵活选择。

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工装方案设计

基于上述静压气动悬浮原理，我们设计工装如图6所示。

图6　气动悬浮工装

1.珩磨刀具　2.待珩磨阀体　3.底板

4.进气管　5.工作台　6.控制阀

在该套工装中，通过控制阀控制高压气体通、断，在高压气体通的情况下，高压气体由进气管进入工装底板内的气体通道，在气体流动的过程中，工装底板与工作台之间形成高压气膜，从而使底板带动阀体与工装悬浮，此时推动工装使待珩阀孔到达定位元件处，从而保证待珩磨阀孔与主轴对齐。将控制阀关闭，高压气体断开，工装平稳落在工作台上后由专用油缸压紧阀体从而对阀孔进行珩磨加工。待加工完成后，油缸松开，手动打开控制阀，高压气体再次进入工装底板内的气体通道，待阀体与工装悬浮后，推动工装进入下一工位，依次类推完成阀体各组阀孔的珩磨加工。

本套工装设计的关键点在于工装底板的设计，为了提供较大的承载质量能力及可靠的稳定性，防止在悬浮初期的振动。我们在工装底板上设置了节流器。节流器采用小孔节流的形式来实现。在节流器下开有压力腔，来提高整体的承载质量能力。具体结构如图7所示。其中1、2、3、4和6各孔为工艺孔，在工作时用塞堵拧紧。高压气体由5号孔进入，沿两侧气体通道流动的过程中依次经过各节流器，流入外界环境。

图7　工装底板结构

在底板的设计中，我们采用了对称双通道的设计思路，两侧气体通道由同一进气孔提供高压气体，这样在悬浮状态下增加了系统的稳定性，避免了工装整体摆动的问题。小孔节流器的孔径太小易出现堵塞的情况，孔径过大则节流效果不明显，因此我们使用的是直径为3mm的小孔。节流器下的压力腔深度为1mm。系统的供气压力为0.2～0.3MPa。

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工装原理分析

工装工作原理如图8所示，上面为工装底板，下面为工作台。高压气体由工装底板的进气孔流入，经节流器节流后流入压力腔，之后流入两接触面之间，然后沿着两接触面之间的间隙流向外界环境中。假设高压气体进入两接触面之间后压力降为P，两接触面之间间隙为h。间隙h越小，气体向外界流动时两接触面之间的气体阻力越大，则两接触面之间气体压力P越大；此时间隙h变大，两接触面之间的气体阻力变小，然后两接触面之间气体压力P减小，导致间隙h变小；当间隙h减小到一定程度时，两接触面之间气体阻力变大，导致两接触面之间气体压力P再次增大，间隙h随之变大。因此在减速机质量一定的情况下，工装底板在重复几次上述过程后，会稳定的悬浮在某个固定的位置上，在两接触面的间隙内形成一层有较高压力的气膜，间隙内的高压气膜对阀体和工装整体提供了非接触支撑力，平衡了阀体及工装的重力。从而实现了对阀体和工装的轻松推动。由于悬浮初期，间隙内气体压力P及间隙h的这一个调节过程会产生一定的振动。此时节流小口提供了一个更加稳定的气源，压力腔在增加系统承载质量能力的情况下也起到部分缓冲作用，提高了系统平稳性。从而使整个工装系统可以在高压气体通的情况下，实现平稳悬浮。而在高压气体断的情况下，可以缓慢的降落在工作台上。

图8　工装工作原理

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总结

综上所述，我们在对多路阀阀体珩磨工装的设计过程中，应用了一种基于静压气动悬浮式非接触搬运技术，从而解决了重型工件在工位间转换时难以快速搬运、换位过程中接触面磨损严重等难题。这种方案具有承载质量大、阻力小等优良特点。由于其操作便捷、结构简单且容易制作，可大量降低操作人员劳动强度，提高生产效率。使用高压气体作为动力源，使用后直接排入外界中，不会对环境造成污染，因此这种技术可广泛的应用于各种情况下。 返回搜狐，查看更多