直线导轨的原理及其应用

直线导轨的原理及其应用

张沈生

"洪都航空工业集团机动设备公司#

摘要在传动领域中，直线导轨一直是关键性产品。随着精密及高速加工技术发展的需要，直线导轨应用范围日益扩大，其可靠的原理、灵活的运用已成为替代传统导轨形式的必然趋

势。

关键词直线导轨刚性精度

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直线导轨的工作原理

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自T U V W年直线导轨开始商品化以来，已被广泛应用在精密机械、自动化、各种动力传输、半导体、医疗和航空航天等产业上。直线导轨以滚珠作为导轨与滑块之间的动力传输界面，可进行无限滚动循环的运动，并将滑块限制在导轨上，使得负载工作台能沿导轨以高速度、高精度作直线运动。组成零件主要包括导轨、滑块、端盖、滚珠及保持器等"见图T#。其特性如下："T#滚动代替滑动；"2#适用高速运动且大幅度降低机器所需驱动力；"W#定位精度高；"!#可同时承受上下左右方向的负荷；"X#组装容易且互换性好，润滑构造简单；"Y#使用寿命长。

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第# 期张沈生：直线导轨的原理及其应用

图(直线导轨结构

图#直线导轨传动机构

$%&直线导轨传动机构$’&传统滑动导轨传动机构

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洪 都 科 技 #$$!

由于滚珠在导轨与滑块之间的相对运动为滚动，可减少摩擦损失，通常滚动摩擦为滑动摩 擦系数的 #% 左右。因此采用直线导轨的传动机构远较传统滑动导轨优越 & 图 #’、( ) 。表 * 为不 同直线导引系统优缺点比较。

表 *

不同直线导引系统优缺点比较

滚珠在导轨与滑块之间的接触牙型，以哥德式 & 56789: ;<=> ) 牙型为主，或以圆弧形式牙型 为主 & 图 / ) 。由于圆弧式牙型的接触角 & 垂直于回转轴线的直线与滚珠中心和沟槽接触点连线的 夹角 ) 会因转动而改变，造成间隙与侧向施力变动，从而影响直线导轨性能。而哥德式牙型其接 触角可保持不变，刚性亦较稳定。由于滚珠与沟槽为弹性接触，在接触椭圆区内，会因为应力分 布和回转半径差引起差动摩擦和差动滑动而影响直线导轨的使用寿命。一般认为哥德式接触牙 型具有较大的差动摩擦量，实际上需要全面考虑差动摩擦对直线导轨使用性能的影响，并根据 直线导轨沟槽组合状况来分析差动摩擦量，不宜单纯地将差动摩擦量与哥德式牙型关联在一 起。哥德型接触与圆弧型接触比较如图 ! 所示。

直线导轨的刚性

因为直线导轨的刚性大都由滚珠的刚性决定，其刚性与滚动轴承一样，用接触理论来计

算。设 ! 为滚珠的变形量、? 为负何量，则 # !"

项 次

直线导引

要求性能

种

类

滑动导引

平面滚动导引 直线导引

*

低摩擦系数

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& 0 ) , $- $$/ . $- $$1

#

寿命长 & + ) 摩损大 & + ) 额定负荷小

/

组装简单 & + ) 要滑配

)

!

精度易达到 & + ) 要铲花

1

保养容易 & + ) 润滑困难

"

无间隙 & + ) 要有间隙

2

耐冲击性

& + ) 额定负荷小

3

高力距负荷能力 & + ) 一端接触弱

& + ) 额定负荷小

4

设计、取得容易 +

*$ 价格便宜

& + ) 组装工程多

)

第# 期张沈生：直线导轨的原理及其应用

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式中：) ———滚珠的半径；

%———常数。提高直线导轨的刚性方式为施加适当的预压。预压为一种消除背隙与减少滚珠与接触面弹

性变形的方式。直线导轨的预压则以滚珠大小作调整，以较大滚珠施加预压类似弹簧效应，敲击时不会有振动产生。一般而言，有预压比无预压的刚性增加十倍以上，然而施加过大的预压，会导致摩擦力与发热量上升，增加滚珠摩擦而使预压消失，这对定位精度与使用寿命有不良的影响。表# 为不同预压力比较与适用范围。

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洪 都 科 技

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表 #

不同预压力比较与适用范围

注：& 为基本动态额定负荷。

直线导轨的精度

由于在机械加工方面的精度要求愈来愈高，使得对加工机械上的各种零组件特性的了解也 . 愈加迫切。直线导轨是加工机械来回运动所不可缺少的关键零组件，对其特性的了解有助于加

工机械精度的提高。一般直线导轨的精度分为普通级、高级、精密级、超精密级与超高精密级五 种。其滑块 & 面对导轨 / 面的行走平行度与滑块 0 面对导轨 1 面的行走平行度如图 ) 所示。

所谓行走平行度是指将直线导轨固定在基准座平面上，使滑块沿行程行走时，导轨与滑块 基准面之间的平行度误差。

图 ) 直线导轨的行走平行度

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预压等级 预压力 适 用 范 围

无预压

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搬送装置、自动包装机、自动化产业机械 轻预压

$% $#&

一般机床的 ’( 轴、焊机、切割机

中预压

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一般机床的 * 轴、电火花加工机床、+& 车床、精密 ’( 平台、测定器 重预压

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加工中心、磨床、+& 车床、立式或卧式铣床、机床的 * 轴 超重预压

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重型切削加工机