精密机械设计 第14章 导轨和基座

在将导轨的形体用符号来表示：球—S、平面—P、圆柱—C、 V形—VG、山形—VM的情况下，导轨副的基本单元可组合成 如下六种实用类型如下。

（1）球与平面 （2）圆柱与平面 （3）平面与平面 （4）球与V形 （5）山形与V形 （6）圆柱与V形 二 按误差平均原理计算
§
滑动摩擦导轨
2）棱柱面导轨
圆
3、磨损较小，寿命长，润滑简单；
4、结构较为复杂，加工比较困难，成本较高； 5、对脏物及导轨面的误差比较敏感；
1、滚珠导轨
2、滚柱导轨与滚动轴承导轨
交叉滚柱V－平导轨
滚 动 轴 承 导 轨
V－平滚柱导轨
d d1 cos

2
2．滚柱（针）导轨
滚柱（针）导轨副结构形式
3．滚动轴承导轨 4．组合导轨
V形导轨角度θ θ =90º 制造方便
§4
滚动摩擦导轨
在动、静两导轨面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体， 导轨运动处于滚动摩擦状态，这种导轨称为滚动导轨。
与滑动摩擦导轨比较，滚动导轨的特点：
1、摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便， 不易出现爬行现象; 2、定位精度高，滚动导轨的重复定位误差约为0.1－0.2 μ m ， 而滑动导轨的定位误差一般为10－20 μ m 。因此，当要求运动 件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；
滚珠与滚柱组合的导轨
滚柱与长圆柱轴组合的导轨副
材料
滚动体： 导轨材料：
滚动轴承钢 （GCr15） 低碳合金钢 合金结构钢 合金工具钢
氮化钢
铸铁
§ 5 基座 一 基座的结构特点及主要技术要求 基座与支承件的特点 ①尺寸较大 ②结构比较复杂 基座设计时应注意的问题 ①刚性 ②热变形 ③抗振性 ④稳定性
燕尾形
滑动摩擦导轨的类型及结构特点
滑动导轨的截面形状：1）圆柱面导轨
棱 柱 形
形
对称三角形 不对称三角形 矩 凸 形
形
凹 形
1、圆柱面导轨
特点：防转机构
2、棱柱面导轨
A、双三角形导轨
B、三角形－平面导轨
C、矩形导轨
D、燕尾导轨
提高导轨耐磨性的措施 1、合理选择导轨的材料及热处理
导轨材料的要求： 耐磨性好， 摩擦系数小 良好的加工和热处理性质
导向精度高 运动轻便、平稳、低速时无爬行现象 耐磨性好 对温度变化不敏感 足够的刚度 结构工艺性好
1、 导向精度 导向精度是运动副的主要技术指标，它是指导轨副 中运动件沿给定方向做直线或旋转运动的精确程度 直线运动导轨几何精度的几项指标 ① 导轨在水平平面和垂直平面的直线度
图（a) 图（b）为V型导轨在水平平面和垂直平面 的直线度，其误差为△。
(d)、(e)是三角形和菱形筋，，不仅刚度较 好，工艺也较简单。 (f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度 较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断 裂，但其铸造泥芯很多。 (f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度 较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断 裂，但其铸造泥芯很多。 (g)、(h)形筋铸造工艺也较复杂，但刚度很
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弹性导轨的主要缺点：
运动件只能作很小的移动， 大大限制了其使用范围。
静压导轨
1、液体静压导轨
开式静压导轨
液体静压导轨的优点：
①摩擦系数很小（起动摩擦系数可 小至0.0005），可使驱动功率大大 降低，运动轻便灵活，低速时无爬 行现象； ②导轨工作表面不直接接触，基本 没有磨损，能长期保持原始精度， 寿命长；③承载能力大，刚度好； ④摩擦发热小，导轨温升小； ⑤油液具有吸振作用，抗振性好；
1．降低导轨面比压 导轨面比压是指导轨单位面积上承受载荷的能力，即
W W p A aL
式中 p——导轨面比压； W——作用于导轨面上的集中载荷； A——承载面积；a为导轨宽度； L——为动导轨长度。
2．良好的防护与润滑 3．正确选择导轨副的材料和热处理
§ 3 导轨导向设计 一、 按运动学原理设计 一个刚体在空间中有6个自由度，如图（a）所示 沿x，y，z轴的移动和绕这三个轴的转动 , , 实际中往往受到约束，如图（b）所示。
③ 截面为不封闭形式，抗扭刚度极差。因此，在相同的截面面积 的情况下，支承件的截面最好做成四边封闭的箱形。
2合理布置筋板和加强筋
纵向筋板
按布置形式筋板分 横向筋板 斜置筋板
筋板的布置形式
各种筋板的布置形式如图所示
(a)，(b)和(c)都是方格式纵横筋，其中(c) 比(b)的铸造性能好，因为(c)中筋条受力状 况好，交叉处金属聚集较少，分布均匀， 内应力小 。
好。
一般筋条采用直筋或人字形筋
筋条的形状
三 基座与支承件的材料选择 铸铁 材料 钢板 花岗岩
花岗岩的优点：稳定性好 、加工简便 、保养简便 、温度 稳定性好 、吸振性好 、不导电，抗电磁、价格便宜 。
弹性摩擦导轨
弹性摩擦导轨的优点：
1、摩擦力极小； 2、没有磨损，不需润滑； 3、运动灵便性高； 4、当运动件的位移足够小时，精 度很高，可以达到极高的分辨率。
精密数控铣床的结构图 1—基座；2—工作台；3—传动系统； 4—电机；5—立柱；6—控制系统
提高抗振性的方法
① 提高静刚度 ② 减小内部振源的振动影响。 ③ 减轻重量。 ④ 有时采取隔振措施以减小外界振源对仪器正常工作的 影响。
为提高稳定性对基座和支承件要进行时效处理的方法 ① 自然时效处理。 ② 人工时效处理。
② 导轨间的平行度和垂直度
导轨在垂直平面内的直线度误 差对工作平面加工精度的影响
两导轨面的平行度
二 刚度 导轨的刚度是指外力作用下导轨本身抵抗变形 的能力
1—刀具；2—横梁；3—主轴箱
1—立柱；2—纵梁；3—横梁；4—滚动轴承； 5—小车；6—滚轮；7—校正板；8—螺杆
三 耐磨性 减少磨损的措施
① 铸铁 180～200HBS，采用 表面淬火工艺，表面硬度可达 55HRC，耐磨性可提高1-3倍。 ② 钢 碳素钢和合金钢 ③ 有色金属材料 ④ 塑料
2、减小导轨面压强 3、保证导轨良好的润滑 4、提高导轨的精度
导轨主要尺寸的确定
宽度B
F B pL
F L 【p】 载荷 长度 压强
运动的导轨长度: L=(1.2-1.8)LA 间距LA 两导轨之间的距离
静压导轨的缺点；
结构复杂，需要一套供油设备，油 膜厚度不易掌握，调整较困难。
2、气体静压导轨
气体静压导轨是由外界设备 供给一定压力的气体将运动 件与承导件分开，运动件运 动时只存在很小的气体之间 的摩擦，摩擦系数极小，适 用于精密、轻载、高速场合。
二 、基座与支承件的结构设计 1 、正确的选择截面
当构件承受弯曲载荷，其弯曲变形量为
K1 y Iw
扭曲变形量则为
式中
K2 In
K1，K2——抗弯、抗扭系数，与材料弹性模数和尺寸有关；
I n I w ——截面抗弯、抗扭惯性矩，与构件的截面形状有关。
结论：
① 空心的截面惯性矩比实心的大，即空心截面构件的刚度比实心 的高。因此在相同截面面积的情况下，采用加大横截面轮廓尺寸而 减小壁厚的办法可提高支承件的刚度。 ② 采用圆形空心截面能提高抗弯和抗扭刚度。采用长方开空心截 面对提高长边方向的抗弯刚度效果显著。
§1
导轨的组成
第14章 导轨和基座 导轨的作用、特点和分类
运动件 承导件
直线运动导轨的作用是支承和引导运动部件作直线运动.
直线运动导轨限制了其他五个自由度，只剩下单向的移动. 导轨的导向面 1）棱柱面 2）圆柱面
导轨的分类
滑动摩擦导轨 滚动摩擦导轨 弹性摩擦导轨 流体摩擦导轨
§2
导轨的基本要求
导轨设计的基本要求