高剛度滾動直線導軌設計及精度分析

摘 要：直線導軌因其反應靈敏，安全簡單，高承載性，結構明朗等優點一直以來作為最為常見的導軌選擇出現在精密的機床中。超精密的機床是由導軌運動系統和主軸運動系統組成的，其中導軌系統的作用是極其重要的，而直線導軌最為常用導軌，它的性能和精度直接決定著機床的整體性能。本文對導軌精度以及影響導軌精度的因素進行了分析，并列舉了幾個適當的方法提高導軌的精度。

關鍵詞：導軌剛度；導軌精度；因素

精密性加工技術是現代高科技工業產品發展的基礎和關鍵。如何提高儀器的精密度已經不只是工業企業尋求技術突破追求企業利潤的簡單目標，更是提升國家尖端技術和國防工業核心競爭力參與國際競爭的重要保障。超精密加工技術依托于精密性的機床建設，因此導軌在超精密機床力就起著至關重要的承載和導向作用[1]。機床各部件之間的幾何關系都是以精密導輪來實現的，因為高精度的直線導輪既保障了機床運作時部件之間的幾何關系又保障了機床的運行精度。

1 導軌精度和影響導軌精度的因素

1.1 導軌的精度

衡量導軌精度比較重要指標主要有導軌的導向精度和幾何精度。其中導軌導軌之間的垂直度和平行度以及導軌在平面中的直線度都直接決定著導軌的幾何精度；而導軌的導向精度則比較復雜，導軌的物理性質、組成結構和工藝材質都將決定導軌的導向精度。總的來說，導軌的幾何精度和導向精度是由導軌的材料和直線度來決定的。

1.2 影響導軌精度的因素

（1）導軌的直線度。導軌的直線度的標準一般是用其誤差數值來體現的，指的是被測單位與理想單位之間的偏差量。理想單位的選擇是非常嚴格的，需要盡可能的按照規定的最小條件來選擇。國家所制定的標準規定GB/T1182-1996表明直線度的公差和誤差必須是相對應的。

（2）導軌的剛度。由于機床在工作工程中的高速運轉，導軌直接就會產生摩擦和碰撞從而導致導軌會由于受力會產生接受變形、自身變形或者局部變形。所以導軌的平面平整度、導軌的載荷能力、導軌的材質選定和結構布局都要嚴格符合設計標準，一旦導軌發生變形，那么精度就會受到影響，一點點微小的誤差都將成為蝴蝶效應進而發生巨大的量變，最后影響工業制成品的性能和精度[2]。

（3）導軌表面的粗糙度。導軌表面的粗糙度通常是由導軌的硬度和材料決定的，在選擇導軌制作生產的時候要根據實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軌精度的可能性。其中導軌材料的加工方法和后續處理方法也將極大程度的影響導軌生成的最終效果。

（4）導軌的結構類型。導軌的安裝布局和導軌自身的結構外形都直接影響著機床的各項精度指標。最直接的影響到機床的定位和重復定位。

2 直線導軌設計

（1）主要零部件設計。設計超精密機床的導軌系統要先了解機床整體的布局和導軌性能的指標。首先要根據機床主軸的大小來確定上溜板的尺寸，然后根據行程和運動關系來確定導軌及滾柱度，接著確定滾柱的大小、數量、位置及保持架的設計，緊接著要根據滾柱的情況來設計傳動系統、光柵尺系統、限位機構設計、電機連班設計和防護結構。在設計傳動系統的時候又要注意選電機、電機座設計、軸承座設計、選用軸承、絲杠設計、螺母連板設計[2]。完成這一系列設計在確定標準之后要進行零件減重設計力求達到既標準又簡單的整理設計理念，最后才能進行裝配檢查。經過如此繁瑣的一系列的程序之后，導軌的零部件設計才算完成。

（2）導軌體與溜板連接設計。導軌與溜板的連接是整個導軌系統的關鍵所在，連接度的高低直接決定了整導軌系統的性能指標。導軌體是通過滾柱來實現與溜板的連接的，滾柱之間的保持架必須進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床在高速運動中必須產生高速運動，所以要固定好滾柱和保持架使其只能維持直線運動的運動需要。通過在保持架上安裝定位長擋塊作為擋板的設計來防止上排滾柱在運動時發生左右偏移。

（3）導軌及滾柱長度設計。由于精密性的要求，符合安裝要求和導軌最大位移量的條件下應該盡可能的減小導軌及滾珠的長度。

（4）滾柱大小、數量設計。直徑越大的滾柱體具有越大的承載能力，所以在設計過程中在安裝結構符合條件的前提下增加滾柱直徑和滾柱數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軌的接觸剛度并且減少了導軌的摩擦阻力。滾柱的數量也是有講究的，太多容易降低滾動體的剛度，太少又會降低導軌的承載能力。

（5）傳動系統設計。導軌傳動系統是導軌運行平穩性和精度的集中體現。設計時，為了減少比例影響可以適當改變導軌的剛度或者電動機、絲杠、導軌、絲杠螺母、溜板直接的連接。

（6）滾珠絲杠設計。滾柱絲杠在設計過程中要選擇合適的型號和精度等級，不同型號的滾柱絲杠有著不同的長度和直徑，長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，一般是由內部鋼球的循環方式來決定的。

（7）導軌其他裝置設計與機床總裝。在完成零部件的設計后，還要注意機床的限位和位移反饋，通過模擬試驗來檢查設計的導軌系統是否能夠成功使用[4]。

3 結束語

機床的性能決定了機床技術的發展水平，而機床的發展水平則是反應國家現代化程度和科技水平的重要標尺。導軌系統作為整個機床系統的核心部分，導軌系統的重要程度是不言而喻的，提高導軌精確度是提升機床精密性的關鍵所在也是唯一手段，隨著技術的發展和成熟，對于在精密機床中廣泛應用的導軌的要求也在不斷提高，既要求導軌有著極高的精度，還要求其具備不俗的剛度以保障導軌抵抗變形的能力。導軌技術的進步突破將為整個制造業提供巨大的經濟價值提升制造業的核心競爭力。本文對直線導軌進行設計、分析及研究，通過理論研究指出導軌精度和影響導軌精度的因素，為了在導軌設計和制成過程之中能夠采取科學有效的措施來避免誤差從而提高導軌的精確度。

參考文獻：

[1]袁哲俊，王先奎.精密和超精密加工技術[M].第2版.北京： 機械工業出版社，2007：2-5.

[2]張伯霖，黃曉明，范夢吾.高速機床進給系統的發展趨勢[J]. 組合機床與自動化加工技術，2002（10）：32-35.197-202.

[3]李圣怡，戴一凡. 精密和超精密機床設計理論與方法[M].長沙：國防科技大學出版社，2009：1-10.

作者簡介：金亮（1980-），本科，大連人，工程師，數控機床的設計與制造。