毕业设计（论文）-小型模具柔性制造系统立体仓库及巷式起重机的设计（全套图纸）

1 第一章第一章 概述概述 本次毕业设计的题目为小型模具柔性制造系统立体仓库及巷式起重机的设计。立 体仓库及巷式起重机是这个小型模具柔性制造系统的一部分， 首先要了解柔性制造系统， 理 解它的工作原理，进而详细研究巷式起重机的结构，组成，工作原理。 1.1 柔性制造系统以及起重机柔性制造系统以及起重机 1.1.1 柔性制造系统简介柔性制造系统简介 2 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 随着社会进步和和生活水平的提高， 市场更加需要具有特色、 符合客户要求样式和功能 千差万别的个性化产品。 激烈的市场竞争迫使传统的大规模的生产方式发生改变， 要求对传 统的零部件生产工艺加以改进。传统的制造系统不能满足市场对多品种小批量产品的需求， 因此生产制造系统的柔性对系统的生存越来越重要。 随着批量生产时代正逐渐被适应市场动 态变化的生产所替换， 一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大成都上取决于它是 否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有 相当重要的位置。 “柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线旨在实 现单一品种的大批量生产， 其优点是神产率高， 由于设备是固定的， 所以设备利用率也很高， 单件产品的成本低，但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。如果想要获得 其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投 入与构造一个新的生产线往往不相上下， 刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几 个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。柔性制造系统是由统一的信息控制系统、 物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统 FMS。 FMS 目前尚无统一的定义， 一般认为柔性制造技术是一种能迅速相应调整生产品种的制 造技术；柔性制造系统是由若干台数控设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的，并能 根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。 一般定义可以用以下三个 方面来概括:(1)FMS 是一个计算机控制的生产系统;(2)系统采用半独立的 NC 机床;(3)这些 机床通过物料输送系统连成一体。FMS 的结构如图 1 所示。 2 FMS 从 20 世纪 60 年代诞生至今已有 40 多年的历史，它从探索阶段走向实用化和商品 化阶段，并在 80 年代辉煌一时，成为机械制造业技术进步的重要标志，美、英、德、日等 许多先进国家的企业争相创造出自己的 FMS，其中不乏成功的例子。1994 年初，世界各国已 投人运行的 FMS 约有 3000 多个，其中日本拥有 2100 多个，占世界首位。在现已运行的 FMS 中,50%FMS 由美国制造商提供，另外 50%由日本和德国厂商提供。著名的 FMS 生产厂家有: 法那克、 日立精机、 丰田公机、 新泻铁工、 山崎(日本)， 公机、 新泻铁工、 山崎(日本),Ingersoll milling,Sundstung,Bendaw,Kearaey因为细分后步进电机的步距角将变小， 要求步进信号的频率要相应提高。 驱动器细分后的主要优点为： 13 a.完全消除了电机的低频振荡。低频振荡(约在 200Hz 左右)是步进电机的固有特性， 而细分是消除它的唯一途径， 如果您的步进电机有时要在共振区工作(如走圆弧)， 选择细分 驱动器是唯一的选择。 b.提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约 30 4096。 c.提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度， 提高电机的分辨 率是不言而喻的。 以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞跃。所以我们最 好选用细分驱动器。 在没有细分驱动器时， 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己 步距角的要求。但现在的情况不同了，细分驱动器的出现改变了这种观念，用户只需在驱动 器上改变细分数，就可以改变步距角。所以如果用户采用细分驱动器， 相数将变得没有 意义 .电机相电流的设定 SH 系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流，您只需根据面板上的电 流设定表格进行设定。 (4). 步进电机驱动器指示灯说明 驱动器的指示灯共有两种：电源指示灯(绿色或黄色)和保护指示灯(红色)。当任一保 护发生时，保护指示灯变亮。 (5). 步进电机驱动器电源接口 对于超小型驱动器(SH2H057、SH3F075、 SH2H057M、SH-3F075M)，采用一组直 流供电 DC(24-40V)，注意正负极不要接错，此电源可以由一变压器变压后加整流滤波(无须 稳压)组成;或者由一开关电源提供,参考下图。 因为 PLC 需要采用开关式稳压电源供电,所以 在设计中电源应选用开关式稳压电源，见下图。 开关式稳压电源 不同的步进电机驱动器需配合适当的 PLC， 原则是使 PLC 的输出高速脉冲可以传输到步进电 器驱动器内部。在上图中，步进电机驱动器的输入信号采取的是公共阳极，则 PLC 就应当采 用 NPN 晶体管输出类型的， 并且接线如图 9 所示。 如果步进电机驱动器的输入信号采取的是 14 公共阴极，则 PLC 就应当采用 PNP 晶体管输出类型的。 2.2 气动机构的选择气动机构的选择 气动传动简称气动,是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号,控制和驱动各 种机械和设备,以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。它是流体传动及控制学科的一 个重要分支。因为以压缩空气为工作介质，具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、 辐射，无污染，结构简单，工作可靠等特点。 气压传动的优点： （1） 空气随处可取，取之不尽，节省了购买、贮存、运输介质的费用； （2） 空气在使用完后排入大气中去，对环境无污染，处理方便，不必设置回收 管路； （3） 因空气粘度小，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离 输送； （4） 与液压相比，气动反应快，制造容易，适用于标准化、系列化、通用化； （5） 气动元件对工作环境适应性好； （6） 空气具有可压缩性,使气动系统能够实现过载自动保护。 2.2.1 气压传动系统的组成气压传动系统的组成 典型的气压传动系统是由气压发生装置、 执行元件、 控制元件和辅助元件四个部分组成。 气压发生装置简称气源装置，是获得压缩空气的能源装置，其主体部分是空气压缩机， 另处还有气源净化设备。 空气压缩机将原动机供的机械能转化为空气的压力能； 而气源净化 设备用以降低压缩空气中的水分、 油分以及污染杂质等。 使用气动设备较多的厂矿将气源装 置集中在压气站 （俗称空压站） 内，由压气站再统一向各用气点 （分厂、车间和用气设备等） 分配供应压缩空气。 执行元件是以压缩空气为工作介质，并将压缩空气的压力能变为机械能的能量转换装 置。 包括作直线往复运动的气缸， 作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动的摆动马达。 控制元件又称操纵、运算、检测元件，是用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向 等，以便使执行机构完成预定运动规律的元件。包括各种压力阀、方向阀、流量阀、逻辑元 件、射流元件、行程阀、转换器和传感器等。 辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接所示需要的一些装置。包括分 小滤气器、油雾器、消声器以及各种管路附件等。 2.2.2 气源装置气源装置 气源装置给系统提供足够清洁、 干燥且具有一定压力和流量的压缩空气。 根据气动系统 对压缩空气品质的要求来设置气源装置。常见的气源装置是空气压缩机。 空气压缩机简称空压机， 是气源装置的核心， 用以将原动机输出的机械能转化为气体的 压力能。空压机有以下几种分类方法： （1） 按工作原理分类： 15 （2） 按输出压力 P 分类： 鼓风机： P 0.2MPa 低压空压机： 0.2Mpa P 1Mpa 中压空压机： 1Mpa P 10Mpa 高压空压机： 10Mpa 100Mpa （3） 按输出流量qz（即铭牌流量或自由流量）分类： 微型空压机： qz 0.017m 3/s 小型空压机： 0.017m 3/s qz 0. 17m3/s 中型空压机： 0. 17m 3/s 1.7m 3/s 2.2.3 气动执行元件气动执行元件 气动执行元件有作直线往复运动的气缸、 作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动 的摆动马达等。下面主要以气缸为主来介绍。 气缸的分类、原理和特点： 普通气缸的结构组成见下图。主要由前盖、后盖 9、活塞 6、活塞杆 4、缸 筒 5 其他一些零件组成。 普通气缸 1组合防尘圈；前端盖；3轴用 YX密封圈；4活塞杆；5缸筒； 6活塞；7孔用 YX密封圈；8缓冲调节阀；9后端盖 气缸的种类很多。一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、结构特征和安装方式来分类。 按压缩空气对活塞端面作用力的方向分： 16 单作用气缸 气缸只有一个方向的运动是气压传动，活塞的复位靠弹簧力或自重和其它 外力。 双作用气缸 双作用气缸的往返运动全靠压缩空气来完成。 按气缸的结构特征分： 1)活塞式气缸； 2)薄膜式气缸； 3)伸缩式气缸。 按气缸的安装形式分： 1)固定式气缸 气缸安装在机体上固定不动，有耳座式、凸缘式和法兰式。 2)轴销式气缸 缸体围绕一固定轴可作一定角度的摆动。 3)回转式气缸 缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常 于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。 4)嵌入式气缸 气缸做在夹具本体内。 按气缸的功能分： 1)普通气缸 包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。 2)缓冲气缸 气缸的一端或两端带有缓冲装置，以防止和减轻活塞运动到端点时对气缸 缸盖的撞击。 3)气一液阻尼缸 气缸与液压缸串联，可控制气缸活塞的运动速度，并使其速度相对稳 定。 4)摆动气缸 用于要求气缸叶片轴在一定角度内绕轴线回转的场合，如夹具转位、阀门 的启闭等。 5)冲击气缸 是一种以活塞杆高速运动形成冲击力的高能缸，可用于冲压、切断等。 6)步进气缸 是一种根据不同的控制信号，使活塞杆伸出不同的相应位置的气缸。 气缸的类型 类别 名称 简图 特点 单作用气 缸 柱塞式气缸 压缩空气只能使柱塞向一个方向运 动；借助外力或重力复位 活塞式气缸 压缩空气只能使活塞向一个方向运 动；借助外力或重力复位 压缩空气只能使活塞向一个方向运 动；借助弹簧力复位；用于行程较小场 合 薄膜式气缸 以膜片代替活塞的气缸。单向作用； 借助弹簧力复位；行程短；结构简单， 缸体内壁不须加工；须按行程比例增大 直径。若无弹簧，用压缩空气复位，即 17 为双向作用薄膜式气缸。行程较长的薄 膜式气缸膜片受到滚压，常称滚压（风 箱）式气缸。 双作用气 缸 普通气缸 利用压缩空气使活塞向两个方向运 动，活塞行程可根据实际需要选定，双 向作用的力和速度不同 双活塞杆气缸 压缩空气可使活塞向两个方向运动， 且其速度和行程都相等 不可调缓冲气 缸 设有缓冲装置以使活塞临近行程终 点时减速，防止冲击，缓冲效果不可调 整 可调缓冲气缸 缓冲装置的减速和缓冲效果可根据 需要调整 特殊 气缸 差动气缸 气缸活塞两端有效面积差较大， 利用 压力差原理使活塞往复运动，工作时活 塞杆侧始终通以压缩空气 双活塞气缸 两个活塞同时向相反方向运动 多位气缸 活塞杆沿行程长度方向可在多个位 置停留，图示结构有四个位置 串联气缸 在一根活塞杆上串联多个活塞， 可获 得和各活塞有效面积总和成正比的输出 力 冲击气缸 利用突然大量供气和快速排气相结 合的方法得到活塞杆的快速冲击运动， 用于切断、冲孔、打入工件等 数字气缸 将若干个活塞沿轴向依次装在一起， 每个活塞的行程由小到大，按几何级数 增加 回转气缸 进排气导管和导气头固定而气缸本 体可相对转动。用于机床夹具和线材卷 18 曲装置上 伺服气缸 将输入的气压信号成比例地转换为活 塞杆的机械位移。 用于自动调节系统中。 挠性气缸 缸筒由挠性材料制成， 由夹住缸筒的 滚子代替活塞。用于输出力小，占地空 间小，行程较长的场合，缸筒可适当弯 曲 钢索式气缸 以钢丝绳代替刚性活塞杆的一种气 缸，用于小直径，特长行程的场合 组合 气缸 增压气缸 活塞杆面积不相等，根据力平衡原 理，可由小活塞端输出高压气体 气-液增压缸 液体是不可压缩的， 根据力的平衡原 理，利用两两相连活塞面积的不等，压 缩空气驱动大活塞，小活塞便可输出相 应比例的高压液体 气-液阻尼缸 利用液体不可压缩的性能及液体流 量易于控制的优点，获得活塞杆的稳速 运动 气缸的选用： 选择气缸时应注意以下几个方面： （1） 选择气缸类型：根据使用场合和负载特点选择不同类型的气缸。 （2） 选择安装形式：由气缸的安装位置、使用目的等因素来决定。 （3） 确定气缸作用力大小：根据工作机构所示需的作用力的大小来确定。 （4） 确定气缸行程：与使用场合和机构所示需的行程比有关，也受加工和结构的限 制。 （5） 确定运动速度：普通气缸的运动速度为 0.51m/s，应根据需要在系统中设置调 速元件，如节流阀等。 2.2.4 气动辅助元件气动辅助元件 1、油雾器 油雾器是以压缩空气为动力， 将润滑油喷射成雾状并混合于压缩空气中， 使该压缩空气 具有润滑气动元件的能力。 目前，气动控制阀，气缸和气马达主要是靠这种带有油雾的压缩空气来实现润滑的，其 优点是方便、干净、润滑质量高。 2、消声器 气压传动装置的噪声一般都比较大， 尤其当压缩气体直接从气缸或阀中排向大气， 较高 的压差使气体体积急剧膨胀，产生涡流，引起气体的振动，发出强烈的噪声，为消除这种噪 19 声应安装消声器。 消声器是指能阻止声音传播而允许气流通过的一种气动元件， 气动装置中 的消声器主要有阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合消声器三大类。 3、转换器 在气动控制系统中，也与其它自动控制装置一样，有发信、控制和执行部分，其控制部 分工作介质为气体，而信号传感部分和执行部分不一定全用气体，可能用电或液体传输，这 就要通过转换器来转换。常用的转换器有：气一电、电一气、气一液等。 4、气电转换器和电气转换器 气电转换器是将压缩空气的气信号转变成电信号的装置，又称压力继电器。 电气转换器是将电信号转换成气信号的装置，各种电磁换向阀可作为电气转换器。 2.2.5 气动控制元件气动控制元件 在气压传动系统中的控制元件是控制和调节压缩空气的压力、 流量、 流动方向和发送信 号的重要元件， 利用它们可以组成各种气动控制回路， 使气动执行元件按设计的程序正常地 进行工作。控制元件按功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类。 1、方向控制阀 (1).方向控制阀的分类 按阀芯结构不同可分为：滑柱式(又称柱塞式、也称滑阀)、截止式(又称提动式)、平面 式(又称滑块式)、旋塞式和膜片式。其中以截止式换向阀和滑柱式换向阀应用较多； 按其控制方式不同可以分为：电磁换向阀、气动换向阀、机动换向阀和手动换向阀 按其作用特点可以分为：单向型控制阀和换向型控制阀。 (2).单向型控制阀 1）单向阀 单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动的阀。 单向阀的工作原理、 结构和 图形符号与液压阀中的单向阀基本相同， 只不过在气动单向阀中， 阀芯和阀座之间有一层胶 垫(密封垫)。 2）快速排气阀 快速排气阀简称快排阀。它是为加快气缸运动速度作快速排气用的。 2、换向型控制阀 换向型方向控制阀(简称换向阀)的功用是改变气体通道使气体流动方向发生变化从而 改变气动执行元件的运动方向。换向型控制阀包括气压控制阀、电磁控制阀、机械控制阀、 人力控制阀和时间控制阀。 (1).气压控制换向阀 气压控制换向阀是利用气体压力来使主阀芯运动而使气体改变流向的。 按控制方式不同 可分为加压控制、卸压控制和差压控制三种。 加压控制是指所加的控制信号压力是逐渐上升的， 当气压增加到阀芯的动作压力时， 主 阀便换向；卸压控制指所加的气控信号压力是减小的，当减小到某一压力值时，主阀换向； 差压控制是使主阀芯在两端压力差的作用下换向。 气控换向阀按主阀结构不同，又可分为截止式和滑阀式两种。 1）截止式气控阀 20 2）滑阀式气控阀 工作原理和液动换向阀基本相同。 (2).电磁控制换向阀 按控制方式不同分为电磁铁直接控制(直动)式电磁阀和先导式电磁阀两种。 它们的工作 原理分别与液压阀中的电磁阀和电液动阀相类似，只是二者的工作介质不同而已。 3、 压力控制阀 压力控制阀主要用来控制系统中气体的压力， 以满足各种压力要求或用以节能。 压力控 制分为三类：一类是起降压稳压作用，如减压阀，定值器；一类是起限压安全保护作用的安 全阀等；一类是根据气路压力不同进行某种控制的顺序阀、平衡阀等。 4、 流量控制阀 在气压传动系统中， 经常要求控制气动执行元件的运动速度， 这要靠调节压缩空气的流 量来实现。凡用来控制气体流量的阀，称为流量控制阀。流量控制阀就是通过改变阀的通流 截面积来实现流量控制的元件，它包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和柔性节流阀等。 其中节流阀和单向节流阀的工作原理与液压阀中同类型阀相似。 (1).排气节流阀 与节流阀原理一样， 但节流阀装在系统中调节气流的流量， 而排气节流阀只能装在排 气口处，调节排入大气的流量。图 1318 为排气节流阀的工作原理图。 (2).柔性节流阀 柔性节流阀依靠阀杆夹紧柔韧的橡胶管而产生节流作用。 2.3 主轴轴承的配置主轴轴承的配置 主轴轴承的配置根据机床的不同而不同，有滚动轴承，液体静压轴承、气体静压轴承、 磁力轴承等。一般中小型数控机床的主轴普遍采用滚动轴承，本设计采用滚动轴承。选择时 考虑轴承的极限转速、刚度、阻尼特性和温升等因素，一般采用 23 个角接触球轴承组合， 或者用角接触球轴承和圆柱滚子轴承组合构成支承系统， 这些轴承经过预紧后， 可得到较高 的刚度， 除非要求很大的刚性才采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合， 但在极限转速 上受限制。 数控机床主轴常用的几种滚动轴承如下图。 21 目前主轴常用的几种滚动轴承的配置如下图。 1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和 60角接触双列向心推力球轴承组合，承受径向和轴 向载荷；后支承采用成对角接触球轴承，特点是刚度高，可以满足强力切削的要求，数控机 床应用较多。 （图中 a） 。 2）前轴承采用成组角接触球轴承，23 个轴承组成一套，要求背靠背安装，承受径向和轴 向载荷；后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于高速、重载、精度好的主轴要求，但承受 的轴向载荷比前一配置小。 （图中 b） 。 3）前后支承均采用高精度的成组角接触球轴承，承受径向和轴向载荷；这类轴承具有良好 的高速性能，主轴最高转速达 4000r/min，它的承载能力小，适合于高速度、轻载荷、高精 度的数控机床主轴。 （图中 c） 。 4）前轴承采用双列圆锥滚子轴承，能够承受较大的径向和轴向载荷，后轴承采用单列圆锥 滚子轴承。能承受重载荷尤其能承受较强的动载荷，可调整性好，但限制了主轴最高转速与 22 精度，适合于低速、重载、中等精度的机床。 （图中 d） 。 轴承的精度分为 2、4、5、6、0 五级，2 级最高，0 级为普通精度级。主轴轴承以 4 级为主 （记为 P4） ，较低精度的主轴可以用 P5 级，而 P6、P0 一般不用。 前后轴承之间， 前轴承对主轴组件的精度影响比后轴承的影响大。 因此后轴承精度可以比前 轴承低一级。轴承并列使用时，选择背对背的方式。采用推力轴承时，分清楚先装配内径小 的圈还是内径大的圈，内径小的圈随轴转动。 主轴轴承的刚度计算： 轴承在零间隙时的变形和刚度，可以按下列公式计算。 （1）点接触的轴承 （2）线接触的滚子轴承 式中： ra 、 径向与周向变形（m） ； , r KKa 径向与周向刚度（m） ； , r F Fa轴承的径向和轴向载荷（N） ； 0.9 0.8 0.077 () cos r r a Q m l = () 0.9 0.10.81.9 3.39cos(/) rra KFlizNm= 0.9 0.8 0.077 () sin a a a Q m l = 0.10.80.91.9 14.43sin(/) aaa KFlzNm= (2- 3) (2- 4) 2 3 0.436 () cos r r b Q m d = 2 3 0.436 () sin a a b Q m d = （2- 1） ( ) 2 5 3 1.18cos(/) r rrb r dF KF dizNm d = 25 3 3.44sin(/) a aab a dF KF d zNm d = （2- 2） 23 接触角（） ； db球径（mm） ； a l 滚子有效长度（mm）; , i z 列数和每列滚动体数； , r Q Qa 单个滚动体的径向和轴向载荷（N） ； 轴承的刚度不是一个定值，而是载荷的函数，载荷越大，刚度也越大。由于球轴承载荷 对刚度的影响比滚子轴承的影响大，所以，球轴承在计算时应该同时考虑预紧力。计算时， 当外载荷无法确定时，常取轴承额定动载荷的 0.1 倍作为轴承的载荷。 主轴轴承的速度： 若 n 是转速，d 是轴承的中径，那么它们的乘积值是速度因子，它反映滚动体的公转速 度，正是轴承转速的限制因素。推力角接触球轴承的速度因子都小于双列圆柱滚子轴承。有 关主轴轴承的速度因子值，可以查阅机械设计手册。 主轴轴承的润滑： 设计时，必须合理选择轴承的润滑方式和润滑路径。加工箱体上的油路时，往往要打若 干工艺孔才行，最后用密封堵头封闭这些工艺孔，防止漏油。 对于双列轴承， 箱体的油孔应对准双列轴承中间的入油孔， 使油液能够准确流入轴承的内部。 有入油孔就必然对应有出油孔，入油孔开设在方便安装的地方。 润滑方式有：油液循环润滑、脂润滑、油雾润滑、喷射润滑等。其中油脂润滑（如高级 锂基脂）是目前最常用的方式。油脂封入量通常为轴承空间容积的 10，如果填得太满会 加剧轴承发热。对于油液循环润滑，一般用于中等转速的主轴上，多用于后支承上，设计时 注意油路布局合理，既畅通、方便，又不影响其它结构件或者主轴箱的刚度。 设计时，选择合理的密封方式。对于采用油脂润滑，主轴前端采用迷宫式密封外，卧式 主轴还于前法兰盖下端加一个泄漏孔； 而后端密封可以与前端相似， 也可以采用好的密封圈。 5 cos r r F Q iz = sin a a F Q z = (2- 5) 24 第三章第三章 导轨的结构设计导轨的结构设计 3.1 导轨的作用和设计要求导轨的作用和设计要求 当运动件沿着承导件作直线运动时， 承导件上的导轨起支承和导向的作用， 即支承运动 件和保证运动件在外力 （载荷及运动件本身的重量） 的作用下， 沿给定的方向进行直线运动。 对导轨的要求如下： 1.一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的 相互位置的准确性。 2.运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。 3.良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在 使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 4.足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。 为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。 5.温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。 6.结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单， 便于加工、测量、 装配和调整，降低成本。 不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述六点要 求是相互影响的。 3.2 导轨设计的主要内容导轨设计的主要内容 设计导轨应包括下列几方面内容： 1.根据工作条件，选择合适的导轨类型； 2.选择导轨的截面形状，以保证导向精度； 3.选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度， 良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳； 4.选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精度； 5.选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损； 6.制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方 法等。 3.3 导轨的结构设计导轨的结构设计 3.1.1 滑动导轨滑动导轨 (1) 基本形式 25 三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导 向要求而定，一般为 90。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较 大的顶角（110120）；为提高导向性，采用较小的顶角（60）。如果导轨上所受的力， 在两个方向上的分力相差很大， 应采用不对称三角形， 以使力的作用方向尽可能垂直于导轨 面。 矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度 高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨 损后需重新调整。 燕尾形导轨：燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度 小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大， 高度尺寸受限制的场合。 圆形导轨：制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间 隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴 向载荷的场合。 (2)常用导轨组合形式 三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工 艺性好，因此应用最广。 这种组合有 V- 平组合、棱- 平组合两种形式。V- 平组合导轨易储存润滑油，低、高速都 能采用；棱- 平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。见下图。 26 为使导轨移动轻便省力和两导轨磨损均匀， 驱动元件应设在三角形导轨之下， 或偏向三 角形导轨。 矩形和矩形组合：承载面和导向面分开，因而制造和调整简单。导向面的间隙用镶条调 整，接触刚度低。见下图。 双三角形导轨：由于采用对称结构，两条导轨磨损均匀，磨损后对称位置位置不变，故 加工精度影响小。接触刚度好，导向精度高，但工艺性差，四个表面刮削或磨削也难以完全 接触，如果运动部件热变形不同，也不能保证四个面同时接触，故不宜用在温度变化大的场 合。 (3）间隙调整 为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻 力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要废很大的劳动量，而且 导轨经过长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。 矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。 在垂直方向上， 一般采用下压板调整 它的低面间隙，其方法有：a）刮研或配磨下压板的结合面；b）用螺钉调整镶条位置；c） 改变垫片的片数或厚度；见图 21- 13。 在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。见图下。圆形导轨的间隙不能 调整。 27 (4）夹紧装置 有些导轨（如非水平放置的导轨）在移动之后要求将它的位置固定，因而要用专用的锁 （夹）紧装置。常用的锁紧方式有机械锁紧和液压锁紧。见下图。 (5）提高耐磨性措施 导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法，以及使用与维护。提高 导轨的耐磨性，使其在较长的时间内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。提高 导轨耐磨性的措施有： 1)选择合理的比压 单位面积上的压力成为比压，即 p=P/S（公斤/厘米 2） 式中 P- 作用在导轨上的力（公斤） S- 导轨的支承面积（厘米 2） 28 由上式可知，要减小导轨的比压，应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。减 小两导轨面之间的中心距， 可以减小外形尺寸和减轻运动部件的重量。 但减小中心距受到结 构尺寸的限制，同时中心距太小，将导致运动不稳定。 降低导轨比压的另一办法，是采用卸荷装置，即在导轨载荷的相反方向，增加弹簧或液 压作用力，以抵消导轨所承受的部分载荷。 2)选择合适材料 目前常采用的导轨材料有以下几种： 铸铁- 导轨与承导件或运动件铸成一体，其材料常用灰口铸铁。它具有成本低，工艺性 好， 热稳定性高等优点。 在润滑和防护良好的情况下， 具有一定的耐磨性。 常用的是 HT200 HT400，硬度以 HB=180200 较为合适。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量， 可提高导轨的耐磨性。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用耐磨铸铁，如高磷铸铁，硬 度为 HB=180220，耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。若加入一定量的铜和钛，成为磷铜 钛铸铁，其耐磨性比灰口铸铁高两倍左右。但高磷系铸铁的脆性和铸造应力较大，易产生裂 纹，应采用适当的铸造工艺。 此外，还可使用低合金铸铁及稀土铸铁。 钢- 要求较高的或焊接机架上的导轨，常用淬火的合金钢制造。淬硬的钢导轨的耐磨性 比普通灰铸铁高 510 倍。常用的有 20Cr 钢渗碳淬火和 40Cr 高频淬火。 钢导轨镶接的方法有： 螺钉连接，应使螺钉不受剪切；为避免导轨上有孔（孔内积存赃物而加速磨损），一般 采用倒装螺钉。结构上不便于从下面伸入螺钉固定时，可采用如下图所示的方法。螺钉固紧 后，将六角头磨平，使导轨上的螺钉孔和螺钉头之间没有间隙。 用环氧树脂胶接，胶接面之间的间隙不超过 0.25 毫米。胶粘导轨具有一定的胶接刚度 和强度，尚有一定的抗冲击性能，工艺简单，成本较低。 29 塑料- 用聚四氟乙烯为基材，添加不同的填充剂作为导轨材料。它具有耐磨、抗振以及 动、静摩擦系数低（0.04），可消除低速爬行现象，在实际应用中取得良好的效果。 3)热处理 为提高铸铁导轨的耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。表面淬火方法有：火焰 淬火、高频淬火和电接触淬火。 4)润滑和防护 润滑油能使导轨间形成一层极薄的油膜，阻止或减少导轨面直接接触，减小 摩擦和磨损，以延长导轨的使用寿命。同时，对低速运动，润滑可以防止“爬行“；对高速运 动，可减少摩擦热，减少热变形。 导轨润滑的方式有浇杯、油杯、手动油泵和自动润滑等。 导轨的防护装置用来防止切削、灰尘等赃物落到导轨表面，以免使导轨擦伤、生锈和过 早的磨损。 为此， 在运动导轨端部安装刮板； 采用各种式样的防护罩， 使导轨不外露等办法。 (6) 结构尺寸的验算 1)校核温度变化对导轨间隙的影响 导轨在温度变化较大的环境中工作，应在选定精度和配 合后，作导轨间隙验算。为了保证工作时不致卡住，导轨的最小间隙应大于或等于零，即 min0 。 导轨的最小间隙用下式计算： min=Dmin1+k(t- t0)- dmax1+z(t- t0) (mm) 式中 t- 工作温度（C） t0- 制造时温度（C） Dmin- 包容件在 t0 时的最小尺寸（mm） dmax- 被包容件在 t0 时的最大尺寸（mm） k- 包容件材料的线膨胀系数（1/C） z- 被包容件材料的线膨胀系数（1/C） 为保证导向精度，导轨的最大间隙 max 应小于或等于允许值，即 maxmax 导轨的最大间隙用下式计算： max=Dmax1+k(t- t0)- dmin1+z(t- t0) (mm) 式中 Dmax- 包容件在 t0 时的最大尺寸（mm） dmin- 被包容件在 t0 时的最小尺寸（mm） 2)不自锁条件和导轨间隙计算 当初定导轨的结构形式和尺寸后， 应注意作用力的方向和作用点的位置， 力求使导轨的 倾斜力矩小，否则使导轨的摩擦力增大，磨损加快，从而降低导轨的灵活性和导向精度，甚 至回使导轨卡住。其验算公式见下表。 30 3.1.2 滚动导轨滚动导轨 在承导件和运动件之间放入一些滚动体（滚珠、滚柱或滚针），使相配的两个导轨面不 直接接触的导轨，称为滚动导轨。 滚动导轨的特点是摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦 系数差别小，低速时不易出现“爬行“现象，故运动均匀平稳。因此，滚动导轨在要求微量移 动和精确定位的设备上，获得日益广泛的