高剛度滾動(dòng)直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)及精度分析

摘 要：直線導(dǎo)軌因其反應(yīng)靈敏，安全簡(jiǎn)單，高承載性，結(jié)構(gòu)明朗等優(yōu)點(diǎn)一直以來(lái)作為最為常見的導(dǎo)軌選擇出現(xiàn)在精密的機(jī)床中。超精密的機(jī)床是由導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成的，其中導(dǎo)軌系統(tǒng)的作用是極其重要的，而直線導(dǎo)軌最為常用導(dǎo)軌，它的性能和精度直接決定著機(jī)床的整體性能。本文對(duì)導(dǎo)軌精度以及影響導(dǎo)軌精度的因素進(jìn)行了分析，并列舉了幾個(gè)適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣邔?dǎo)軌的精度。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)軌剛度；導(dǎo)軌精度；因素

精密性加工技術(shù)是現(xiàn)代高科技工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。如何提高儀器的精密度已經(jīng)不只是工業(yè)企業(yè)尋求技術(shù)突破追求企業(yè)利潤(rùn)的簡(jiǎn)單目標(biāo)，更是提升國(guó)家尖端技術(shù)和國(guó)防工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要保障。超精密加工技術(shù)依托于精密性的機(jī)床建設(shè)，因此導(dǎo)軌在超精密機(jī)床力就起著至關(guān)重要的承載和導(dǎo)向作用[1]。機(jī)床各部件之間的幾何關(guān)系都是以精密導(dǎo)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楦呔鹊闹本€導(dǎo)輪既保障了機(jī)床運(yùn)作時(shí)部件之間的幾何關(guān)系又保障了機(jī)床的運(yùn)行精度。

1 導(dǎo)軌精度和影響導(dǎo)軌精度的因素

1.1 導(dǎo)軌的精度

衡量導(dǎo)軌精度比較重要指標(biāo)主要有導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度和幾何精度。其中導(dǎo)軌導(dǎo)軌之間的垂直度和平行度以及導(dǎo)軌在平面中的直線度都直接決定著導(dǎo)軌的幾何精度；而導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度則比較復(fù)雜，導(dǎo)軌的物理性質(zhì)、組成結(jié)構(gòu)和工藝材質(zhì)都將決定導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。總的來(lái)說(shuō)，導(dǎo)軌的幾何精度和導(dǎo)向精度是由導(dǎo)軌的材料和直線度來(lái)決定的。

1.2 影響導(dǎo)軌精度的因素

（1）導(dǎo)軌的直線度。導(dǎo)軌的直線度的標(biāo)準(zhǔn)一般是用其誤差數(shù)值來(lái)體現(xiàn)的，指的是被測(cè)單位與理想單位之間的偏差量。理想單位的選擇是非常嚴(yán)格的，需要盡可能的按照規(guī)定的最小條件來(lái)選擇。國(guó)家所制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定GB/T1182-1996表明直線度的公差和誤差必須是相對(duì)應(yīng)的。

（2）導(dǎo)軌的剛度。由于機(jī)床在工作工程中的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)軌直接就會(huì)產(chǎn)生摩擦和碰撞從而導(dǎo)致導(dǎo)軌會(huì)由于受力會(huì)產(chǎn)生接受變形、自身變形或者局部變形。所以導(dǎo)軌的平面平整度、導(dǎo)軌的載荷能力、導(dǎo)軌的材質(zhì)選定和結(jié)構(gòu)布局都要嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，一旦導(dǎo)軌發(fā)生變形，那么精度就會(huì)受到影響，一點(diǎn)點(diǎn)微小的誤差都將成為蝴蝶效應(yīng)進(jìn)而發(fā)生巨大的量變，最后影響工業(yè)制成品的性能和精度[2]。

（3）導(dǎo)軌表面的粗糙度。導(dǎo)軌表面的粗糙度通常是由導(dǎo)軌的硬度和材料決定的，在選擇導(dǎo)軌制作生產(chǎn)的時(shí)候要根據(jù)實(shí)際情況需要選擇合理適用的制作材料，減少最后可能影響到導(dǎo)軌精度的可能性。其中導(dǎo)軌材料的加工方法和后續(xù)處理方法也將極大程度的影響導(dǎo)軌生成的最終效果。

（4）導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型。導(dǎo)軌的安裝布局和導(dǎo)軌自身的結(jié)構(gòu)外形都直接影響著機(jī)床的各項(xiàng)精度指標(biāo)。最直接的影響到機(jī)床的定位和重復(fù)定位。

2 直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

（1）主要零部件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)超精密機(jī)床的導(dǎo)軌系統(tǒng)要先了解機(jī)床整體的布局和導(dǎo)軌性能的指標(biāo)。首先要根據(jù)機(jī)床主軸的大小來(lái)確定上溜板的尺寸，然后根據(jù)行程和運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)確定導(dǎo)軌及滾柱度，接著確定滾柱的大小、數(shù)量、位置及保持架的設(shè)計(jì)，緊接著要根據(jù)滾柱的情況來(lái)設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)、光柵尺系統(tǒng)、限位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)連班設(shè)計(jì)和防護(hù)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候又要注意選電機(jī)、電機(jī)座設(shè)計(jì)、軸承座設(shè)計(jì)、選用軸承、絲杠設(shè)計(jì)、螺母連板設(shè)計(jì)[2]。完成這一系列設(shè)計(jì)在確定標(biāo)準(zhǔn)之后要進(jìn)行零件減重設(shè)計(jì)力求達(dá)到既標(biāo)準(zhǔn)又簡(jiǎn)單的整理設(shè)計(jì)理念，最后才能進(jìn)行裝配檢查。經(jīng)過(guò)如此繁瑣的一系列的程序之后，導(dǎo)軌的零部件設(shè)計(jì)才算完成。

（2）導(dǎo)軌體與溜板連接設(shè)計(jì)。導(dǎo)軌與溜板的連接是整個(gè)導(dǎo)軌系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，連接度的高低直接決定了整導(dǎo)軌系統(tǒng)的性能指標(biāo)。導(dǎo)軌體是通過(guò)滾柱來(lái)實(shí)現(xiàn)與溜板的連接的，滾柱之間的保持架必須進(jìn)行緊密的等距分布才能做到完美連接，此外滾柱和保持架由于機(jī)床在高速運(yùn)動(dòng)中必須產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，所以要固定好滾柱和保持架使其只能維持直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)需要。通過(guò)在保持架上安裝定位長(zhǎng)擋塊作為擋板的設(shè)計(jì)來(lái)防止上排滾柱在運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生左右偏移。

（3）導(dǎo)軌及滾柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。由于精密性的要求，符合安裝要求和導(dǎo)軌最大位移量的條件下應(yīng)該盡可能的減小導(dǎo)軌及滾珠的長(zhǎng)度。

（4）滾柱大小、數(shù)量設(shè)計(jì)。直徑越大的滾柱體具有越大的承載能力，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中在安裝結(jié)構(gòu)符合條件的前提下增加滾柱直徑和滾柱數(shù)量都能夠提高滾柱體的承載能力，而且增大滾柱體的直徑還有利于提高導(dǎo)軌的接觸剛度并且減少了導(dǎo)軌的摩擦阻力。滾柱的數(shù)量也是有講究的，太多容易降低滾動(dòng)體的剛度，太少又會(huì)降低導(dǎo)軌的承載能力。

（5）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。導(dǎo)軌傳動(dòng)系統(tǒng)是導(dǎo)軌運(yùn)行平穩(wěn)性和精度的集中體現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少比例影響可以適當(dāng)改變導(dǎo)軌的剛度或者電動(dòng)機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌、絲杠螺母、溜板直接的連接。

（6）滾珠絲杠設(shè)計(jì)。滾柱絲杠在設(shè)計(jì)過(guò)程中要選擇合適的型號(hào)和精度等級(jí)，不同型號(hào)的滾柱絲杠有著不同的長(zhǎng)度和直徑，長(zhǎng)度和直接的不同將影響絲杠軸的支撐方式[3]。此外還要注意連接螺母的類型選擇，滾珠絲杠的螺母有很多種類，一般是由內(nèi)部鋼球的循環(huán)方式來(lái)決定的。

（7）導(dǎo)軌其他裝置設(shè)計(jì)與機(jī)床總裝。在完成零部件的設(shè)計(jì)后，還要注意機(jī)床的限位和位移反饋，通過(guò)模擬試驗(yàn)來(lái)檢查設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌系統(tǒng)是否能夠成功使用[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)床的性能決定了機(jī)床技術(shù)的發(fā)展水平，而機(jī)床的發(fā)展水平則是反應(yīng)國(guó)家現(xiàn)代化程度和科技水平的重要標(biāo)尺。導(dǎo)軌系統(tǒng)作為整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)的核心部分，導(dǎo)軌系統(tǒng)的重要程度是不言而喻的，提高導(dǎo)軌精確度是提升機(jī)床精密性的關(guān)鍵所在也是唯一手段，隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，對(duì)于在精密機(jī)床中廣泛應(yīng)用的導(dǎo)軌的要求也在不斷提高，既要求導(dǎo)軌有著極高的精度，還要求其具備不俗的剛度以保障導(dǎo)軌抵抗變形的能力。導(dǎo)軌技術(shù)的進(jìn)步突破將為整個(gè)制造業(yè)提供巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值提升制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。本文對(duì)直線導(dǎo)軌進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析及研究，通過(guò)理論研究指出導(dǎo)軌精度和影響導(dǎo)軌精度的因素，為了在導(dǎo)軌設(shè)計(jì)和制成過(guò)程之中能夠采取科學(xué)有效的措施來(lái)避免誤差從而提高導(dǎo)軌的精確度。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁哲俊，王先奎.精密和超精密加工技術(shù)[M].第2版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2007：2-5.

[2]張伯霖，黃曉明，范夢(mèng)吾.高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002（10）：32-35.197-202.

[3]李圣怡，戴一凡. 精密和超精密機(jī)床設(shè)計(jì)理論與方法[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2009：1-10.

作者簡(jiǎn)介：金亮（1980-），本科，大連人，工程師，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造。