第12章 直線運動導軌

1、1.作用：按給定的方向和要求作往復直線運動作用：按給定的方向和要求作往復直線運動 。 2.組成：導軌是由運動件和承導件這兩部分組成。組成：導軌是由運動件和承導件這兩部分組成。 3.原理：由承導件限制運動件（剛體）的五個自由度，僅原理：由承導件限制運動件（剛體）的五個自由度，僅 保留一個方向移動自由度形成如圖保留一個方向移動自由度形成如圖12-1b、c、d所示。所示。 12.112.1直線運動導軌的作用、原理、分類與基本要求直線運動導軌的作用、原理、分類與基本要求 第十二章第十二章 直線運動導軌直線運動導軌 1 導軌的導向原理（導軌的導向原理（保留一個移動自由度） 導軌的導向面 棱柱面棱柱面 圓

2、柱面圓柱面 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 x y z 12.1.1 直線運動導軌的分類直線運動導軌的分類 1. 按摩擦性質(zhì)分按摩擦性質(zhì)分 滑動摩擦導軌滑動摩擦導軌 滾動摩擦導軌滾動摩擦導軌 彈性摩擦導軌彈性摩擦導軌 流體摩擦導軌流體摩擦導軌 2. 按結(jié)構(gòu)特點分按結(jié)構(gòu)特點分 力封式導軌力封式導軌 借助外力保證運動件和承導件導軌面間的接觸。借助外力保證運動件和承導件導軌面間的接觸。 自封式導軌自封式導軌 依靠導軌本身的幾何形狀保證運動件和承導件依靠導軌本身的幾何形狀保證運動件和承導件 導軌面間的接觸?？梢猿惺軆A覆力矩。導軌面間的接觸?？梢猿惺軆A覆力矩。 3 1.導向精度導向精度 導軌面幾何精度導軌面幾何

3、精度：直線度、平行度、接觸精度：直線度、平行度、接觸精度 導向精度：運動件按規(guī)定的運動方向作直線運動導向精度：運動件按規(guī)定的運動方向作直線運動 ，其軌，其軌 跡與理想軌跡的相似程度跡與理想軌跡的相似程度 。 2.基本要求基本要求 運動輕便、平穩(wěn)、低速時無爬行現(xiàn)象運動輕便、平穩(wěn)、低速時無爬行現(xiàn)象 耐磨性好耐磨性好 、 精度保持性精度保持性 對溫度變化的不敏感性對溫度變化的不敏感性 足夠的剛度足夠的剛度 結(jié)構(gòu)工藝好結(jié)構(gòu)工藝好 12.1.2 直線運動導軌的基本要求和精度直線運動導軌的基本要求和精度 4 特點：運動件與承導件直接接觸。特點：運動件與承導件直接接觸。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、接觸剛度大。優(yōu)點：結(jié)

4、構(gòu)簡單、接觸剛度大。 缺點：摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。缺點：摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。 12.2 12.2 滑動摩擦導軌滑動摩擦導軌 12.2.1 圓柱面導軌圓柱面導軌 優(yōu)點：加工和檢驗比較簡單，易于達到較高精度。優(yōu)點：加工和檢驗比較簡單，易于達到較高精度。 缺點：對溫度變化比較敏感，間隙不能調(diào)整。缺點：對溫度變化比較敏感，間隙不能調(diào)整。 防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（單根導軌有倆自由度，需防止轉(zhuǎn)動）。防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（單根導軌有倆自由度，需防止轉(zhuǎn)動）。 導軌的配合（導向精度要求不高，可選用導軌的配合（導向精度要求不高，可選用H8/f7H8/f7或或H8/g7 H8/g7 ）。）。

5、 導軌的表面粗糙度（通常導軌的精度等級決定表面粗糙度導軌的表面粗糙度（通常導軌的精度等級決定表面粗糙度 ）。）。 5 6 有防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的圓柱面導軌有防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的圓柱面導軌 7 棱柱面導軌其承導面為幾個平面組成的棱柱面，主要棱柱面導軌其承導面為幾個平面組成的棱柱面，主要 的基本形式有三角形導軌、矩形導軌、燕尾形導軌。的基本形式有三角形導軌、矩形導軌、燕尾形導軌。 12.2.2 棱柱面導軌棱柱面導軌 8 12.2.3 滑動導軌間隙調(diào)整滑動導軌間隙調(diào)整 9 1導軌的幾何參數(shù)導軌的幾何參數(shù) 導軌的長寬比導軌的長寬比L/bL/b愈大，導軌的導向精度愈高。三角形愈大，導軌的導向精度愈高。三角形 導軌的頂角導軌

6、的頂角愈小，則導向性愈好。愈小，則導向性愈好。 2導軌的剛度導軌的剛度 3耐磨性耐磨性 合理選擇導軌的材料及熱處理提高導軌的耐磨性合理選擇導軌的材料及熱處理提高導軌的耐磨性 減小導軌面壓強提高導軌的耐磨性減小導軌面壓強提高導軌的耐磨性 12.2.4 滑動導軌設計應注意的幾個重要問題滑動導軌設計應注意的幾個重要問題 10 11 保證導軌良好的潤滑提高導軌的耐磨性保證導軌良好的潤滑提高導軌的耐磨性 提高導軌的精度提高導軌的耐磨性提高導軌的精度提高導軌的耐磨性 精密車床的床身導軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差只允許上精密車床的床身導軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差只允許上 凸凸 適當減小導軌工作面的粗糙度，可提高耐

7、磨性適當減小導軌工作面的粗糙度，可提高耐磨性 4運動平穩(wěn)性運動平穩(wěn)性 導軌運動的不平穩(wěn)性主要表現(xiàn)是運動件低速運動時速度導軌運動的不平穩(wěn)性主要表現(xiàn)是運動件低速運動時速度 不均勻，運動不靈活，運動件出現(xiàn)時快時慢、時動時停的不均勻，運動不靈活，運動件出現(xiàn)時快時慢、時動時停的 爬行現(xiàn)象爬行現(xiàn)象。爬行現(xiàn)象不僅影響工作臺穩(wěn)定移動，同時也影。爬行現(xiàn)象不僅影響工作臺穩(wěn)定移動，同時也影 響工作臺的定位精度，最終影響整個儀器的精度?；瑒雍晚懝ぷ髋_的定位精度，最終影響整個儀器的精度?；瑒雍?滾動導軌在低速微位移的條件下，均有爬行現(xiàn)象，滑動導滾動導軌在低速微位移的條件下，均有爬行現(xiàn)象，滑動導 軌更是明顯。軌更是明顯。

8、 12 減小導軌運動件爬行的方法減小導軌運動件爬行的方法： (1)減小動、靜摩擦系數(shù)之差；減小動、靜摩擦系數(shù)之差； (2) 減小運動件的質(zhì)量；減小運動件的質(zhì)量； (3) 提髙傳動系統(tǒng)的剛度。提髙傳動系統(tǒng)的剛度。 5.溫度變化對導軌間隙的影響溫度變化對導軌間隙的影響 承導件和運動件最好用膨脹系數(shù)相同或相近的材料。承導件和運動件最好用膨脹系數(shù)相同或相近的材料。 溫度影響驗算溫度影響驗算 保證導軌在工作時不卡住保證導軌在工作時不卡住 min=0 保證導軌的工作精度保證導軌的工作精度 max= max 13 型式型式 運動件和承導件之間放置滾動體（滾珠、滾柱、滾動軸運動件和承導件之間放置滾動體（滾珠、

9、滾柱、滾動軸 承等）承等） 特點特點 摩擦系數(shù)小、運動靈便，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；摩擦系數(shù)小、運動靈便，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象； 定位精度高；定位精度高； 磨損較小，壽命長，潤滑方便；磨損較小，壽命長，潤滑方便； 結(jié)構(gòu)較為復雜，加工較困難，成本較高；結(jié)構(gòu)較為復雜，加工較困難，成本較高； 對臟物及導軌面的誤差比較敏感。對臟物及導軌面的誤差比較敏感。 常見的類型：滾珠導軌、滾柱導軌、滾動軸承導軌。常見的類型：滾珠導軌、滾柱導軌、滾動軸承導軌。 12.3 12.3 滾動摩擦導軌滾動摩擦導軌 12.3.1 滾動導軌的類型及結(jié)構(gòu)特點滾動導軌的類型及結(jié)構(gòu)特點 14 過盈預緊過盈預緊 12.3.2 滾動導軌的預緊滾動

10、導軌的預緊 15 移動預緊移動預緊 16 12.3.3 導軌主要參數(shù)的確定導軌主要參數(shù)的確定 1.運動件的長在滿足導軌最大位移運動件的長在滿足導軌最大位移Smax的前提下，應盡可能的前提下，應盡可能 減小運動件的長度減小運動件的長度L L。 運動件長度計算簡圖運動件長度計算簡圖 17 隔離架的速度與左邊隔離架的速度與左邊 滾道滾珠中心的移動速度滾道滾珠中心的移動速度 相同，為運動件移動速度相同，為運動件移動速度 之半。當運動件移動之半。當運動件移動Smax 時，隔離架只移動時，隔離架只移動Smax/ 2。 2. 隔離架限動槽長度隔離架限動槽長度b和平橢圓長度和平橢圓長度B 18 承載能力與滾動

11、體的數(shù)量承載能力與滾動體的數(shù)量z z和滾動體直徑和滾動體直徑d d2 2成正比。成正比。 提髙接觸剛度，增大直徑比增加數(shù)目更為有利。另外，滾提髙接觸剛度，增大直徑比增加數(shù)目更為有利。另外，滾 動體的直徑越大，滾動摩擦系數(shù)越小，滾動導軌的摩擦阻動體的直徑越大，滾動摩擦系數(shù)越小，滾動導軌的摩擦阻 力也越小。力也越小。般規(guī)定最小直徑為般規(guī)定最小直徑為68 mm。 3. .滾動體的大小和數(shù)量滾動體的大小和數(shù)量 19 滾動導軌的強度計算主要是滾動體與導軌面間受力滾動導軌的強度計算主要是滾動體與導軌面間受力 后的后的接觸強度接觸強度，核算每個滾動體所承受的最大壓力，核算每個滾動體所承受的最大壓力Fmax

12、是否超過導軌材料接觸強度所允許的最大壓力是否超過導軌材料接觸強度所允許的最大壓力Fa，即：，即： FmaxFa。 對于滾動導軌的剛度計算，本質(zhì)上是計算對于滾動導軌的剛度計算，本質(zhì)上是計算接觸變形接觸變形。由。由 于導軌運動件一般剛性較大、變形較小，因此在導軌設計于導軌運動件一般剛性較大、變形較小，因此在導軌設計 時應主要考慮滾珠與承導面接觸面積較小所導致的較大的時應主要考慮滾珠與承導面接觸面積較小所導致的較大的 接觸變形，而這種變形嚴重的影響導軌運動的直線性。具接觸變形，而這種變形嚴重的影響導軌運動的直線性。具 體有關(guān)滾動導軌的強度與剛度計算見體有關(guān)滾動導軌的強度與剛度計算見“機床設計手冊機床

13、設計手冊”。 4 4滾動導軌的強度與剛度滾動導軌的強度與剛度 20 對滾動導軌材料的主要要求是對滾動導軌材料的主要要求是硬度高、性能穩(wěn)定以及良好硬度高、性能穩(wěn)定以及良好 的加工性能的加工性能。 滾動體的材料一般采用滾動軸承鋼（滾動體的材料一般采用滾動軸承鋼（GCr15），淬火硬度），淬火硬度60 66HRC。 常用的導軌材料有：常用的導軌材料有： 1. 低碳合金鋼低碳合金鋼 如如20Cr，經(jīng)滲碳（深度，經(jīng)滲碳（深度11.5mm）淬火，滲）淬火，滲 碳層硬度可達碳層硬度可達6063HRC。 2. 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 如如40Cr，淬火后低溫回火，硬度可達，淬火后低溫回火，硬度可達 4550HR

14、C。加工性能良好，但硬度較低。加工性能良好，但硬度較低。 3. 合金工具鋼合金工具鋼 如鉻鎢錳鋼（如鉻鎢錳鋼（CrWMn）、鉻錳鋼）、鉻錳鋼 （CrMn），）， 淬火后低溫回火，硬度可達淬火后低溫回火，硬度可達6064HRC。這種材料的性能穩(wěn)定，。這種材料的性能穩(wěn)定， 可以制造變形小、耐磨性高的導軌?？梢灾圃熳冃涡?、耐磨性高的導軌。 4. 氮化鋼氮化鋼 如鉻鉬鋁鋼（如鉻鉬鋁鋼（38CrMoAlA）或鉻鋁鋼（）或鉻鋁鋼（38CrAl），）， 經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火后，表面氮化，可得很高的表面硬度（經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火后，表面氮化，可得很高的表面硬度（850HV），）， 但硬化層很?。ǖ不瘜雍鼙。?.5mm以下）

15、，加工時應注意。以下），加工時應注意。 5. 鑄鐵鑄鐵 例如某些儀器中采用鉻鉬銅合金鑄鐵，硬度可達例如某些儀器中采用鉻鉬銅合金鑄鐵，硬度可達 230240HBS，加工方便，滾動體用滾柱，一般可滿足使用要，加工方便，滾動體用滾柱，一般可滿足使用要 求。求。 12.3.4 滾動導軌的材料和熱處理滾動導軌的材料和熱處理 21 12.4 12.4 滑動導軌與滾動導軌設計應注意的幾個問題滑動導軌與滾動導軌設計應注意的幾個問題 12.4.1 導軌主要尺寸的確定導軌主要尺寸的確定 1導軌寬度導軌寬度B 導軌寬度與導軌的承載能力有關(guān)導軌寬度與導軌的承載能力有關(guān) w B PL = W已知載荷已知載荷 L 為導軌

16、長度為導軌長度 P 合理的壓強合理的壓強 2. V形導軌角度形導軌角度 V形導軌角度以采用形導軌角度以采用90。 。小于 。小于90 。 。角可以提髙導向性， 角可以提髙導向性， 但磨損會使精度急劇降低。但磨損會使精度急劇降低。 過小還會使工作臺移動時有楔緊作用，增大摩擦阻力。過小還會使工作臺移動時有楔緊作用，增大摩擦阻力。 大于大于90。 。角，能減少壓強，但導向較差。 角，能減少壓強，但導向較差。 式中：式中： 22 3. 二條導軌的間距二條導軌的間距LA 導軌間距，應在保證運動件工作穩(wěn)定的前提下，盡可能取導軌間距，應在保證運動件工作穩(wěn)定的前提下，盡可能取小值小值。 4. 運動件的長度運動

17、件的長度 取較長運動件導軌，有取較長運動件導軌，有 利于改善利于改善導向精度導向精度和和工作工作 的可靠性的可靠性。如圖所示，當。如圖所示，當 存在導軌間隙存在導軌間隙時，時， 運運 動件傾斜角動件傾斜角/L與導與導 軌長度軌長度L有關(guān)，有關(guān)，L愈大，愈大， 愈小，間隙對導軌的精度愈小，間隙對導軌的精度 影響也愈小。影響也愈小。 24 運動件導軌長度對導向精度的影響運動件導軌長度對導向精度的影響 減小傾覆力矩，使運動件不被卡住減小傾覆力矩，使運動件不被卡住 22 cos(1)sin(1)0 V VV f dhb ff LLL 12.4.2 驅(qū)動力方向和作用點對導軌工作的影響驅(qū)動力方向和作用點對

18、導軌工作的影響 1.單根圓柱導軌驅(qū)動力方向和作用點對導軌工影響單根圓柱導軌驅(qū)動力方向和作用點對導軌工影響 25 驅(qū)動力方向和作用點對導軌工作的影響驅(qū)動力方向和作用點對導軌工作的影響 （不同截面形狀的組合導軌，摩擦力合力位置決定驅(qū)不同截面形狀的組合導軌，摩擦力合力位置決定驅(qū) 動元件的位置動元件的位置） 2. 三角形三角形平面組合導軌驅(qū)動力方向和作用點對平面組合導軌驅(qū)動力方向和作用點對 導軌工作的影響導軌工作的影響 26 l優(yōu)點優(yōu)點 摩擦力極??；摩擦力極??； 沒有磨損，不需潤滑；沒有磨損，不需潤滑； 運動靈便性高；運動靈便性高； 當運動件位移足夠小時，精度很高，可達極高分辨率。當運動件位移足夠小時

19、，精度很高，可達極高分辨率。 l缺點缺點 只能作很小的移動。只能作很小的移動。 12.5 12.5 其它類型的導軌簡介其它類型的導軌簡介 12.5.1 彈性摩擦導軌彈性摩擦導軌 27 28 導軌面間通入壓力油或壓縮空氣，使運動件浮起，保導軌面間通入壓力油或壓縮空氣，使運動件浮起，保 證液體或氣體摩擦。證液體或氣體摩擦。 液體靜壓導軌液體靜壓導軌 分類分類：開式靜壓導軌開式靜壓導軌 閉式靜壓導軌閉式靜壓導軌 優(yōu)點優(yōu)點：摩擦系數(shù)小、無磨損、承載能力大、導軌溫升：摩擦系數(shù)小、無磨損、承載能力大、導軌溫升 小、抗振性好。小、抗振性好。 氣體靜壓導軌氣體靜壓導軌 開式、閉式、負壓吸浮式氣墊導軌開式、閉式

20、、負壓吸浮式氣墊導軌 12.5.2 靜壓導軌靜壓導軌 29 開式靜壓導軌開式靜壓導軌 結(jié)構(gòu)簡單，但承受傾覆結(jié)構(gòu)簡單，但承受傾覆 力矩的能力較差力矩的能力較差。 返回返回 30 閉式靜壓導軌閉式靜壓導軌 返回返回 31 負壓吸浮式氣墊的工作原理負壓吸浮式氣墊的工作原理 返回返回 32 氣體靜壓導軌氣體靜壓導軌 兩坐標負壓吸浮式氣墊導軌兩坐標負壓吸浮式氣墊導軌 33 fh 導向精度導向精度 導軌間的平行度導軌間的平行度 34 導向精度導向精度 導軌在垂直平面和水平面內(nèi)的導軌在垂直平面和水平面內(nèi)的直線度直線度 35 返 回 36 接觸精度接觸精度 l精密儀器的滑（滾）動導軌，在全長上的接觸應達到精密

21、儀器的滑（滾）動導軌，在全長上的接觸應達到80%， 在全寬上達在全寬上達70%。刮研導軌表面，每。刮研導軌表面，每2525mm2的面積內(nèi)，的面積內(nèi)， 接觸點數(shù)不少于接觸點數(shù)不少于20點。一般對導軌接觸精度檢查是采用著點。一般對導軌接觸精度檢查是采用著 色法。色法。 l精密儀器動導軌的表面粗糙度精密儀器動導軌的表面粗糙度Ra1.60.8m，支承導軌，支承導軌 的的Ra0.800.20m。對于淬硬導軌的表面粗糙度，應比。對于淬硬導軌的表面粗糙度，應比 上述上述Ra的值提高一級。滾動導軌的表面粗糙度應小于的值提高一級。滾動導軌的表面粗糙度應小于Ra 0.20m。 返 回37 雙三角形導軌雙三角形導軌 導向精度高、承載能力大、精度保持性好；對溫度變化較敏感。導向精度高、承載能力大、精度保持性好；對溫度變化較敏感。 返回 38 三角形三角形平面導軌平面導軌