（机械制造及其自动化专业论文）lmg制造误差和沟槽结构对静刚度影响的研究.pdf

摘要 摘要 l m g 为滚动直线导轨副的英文缩写。滚动直线导轨副是新兴的滚动功能部件，具 有结构简单、承载性能好、动静摩擦系数差别小、定位精度高、精度保持性好、安装简 便、润滑方便、经济性能好和寿命长等优点。广泛应用于数控机床、医疗机械、航空航 天、半导体制造装置、汽车、铁路运输和各种检测机械等，但目前国内同样产品在精度、 寿命和质量等多项性能方面与国外相比还有一定的差距，并且结构大多参考国外的产 品。因此很有必要对滚动直线导轨副进行分析和研究，以提高其各项性能。 本文研究的内容主要包括滚动直线导轨副静刚度数学模型的研究、导轨沟槽结构的 研究、导轨误差均化能力的理论分析与模拟仿真、钢球制造时极限偏差的分析以及不同 的沟槽结构对导轨静刚度影响的分析，具体可分以下三个方面。 第一：分析和总结了导轨副的各种沟槽形状与特点，利用弹性力学、理论力学和材 料力学等基本知识，建立起单导轨单滑块的滚动直线导轨副的静刚度模型，并利用大型 有限元分析软件a n s y s 建立了滚动直线导轨副的有限元模型。 第二：在保证滚动直线导轨副寿命的前提下，利用有限元分析软件a n s y s 分析并 确定导轨的误差均化能力，再根据滚动直线导轨的承载特点和材料特性确定了钢球在制 造时的允许极限偏差。 第三：针对不同沟槽结构的导轨，利用有限元软件仿真分析，分别找出不同结构的 沟槽对刚度影响的曲线，然后通过这些曲线总结出对刚度的影响规律。 关键词：滚动直线导轨副，静刚度，制造误差，沟槽结构，误差均化 a b s t r a c t a b s t r a c t l m gi se n g l i s ha b b r e v i a t i o nf o rl i n e a rm o t i o nb a l lg u i d e l m gi san e wk i n do f r o l l i n gf u n c t i o n a lu n i tw i t ht h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，g o o db e a r i n gc a p a c i t y , s m a l l d i f f e r e n c eb e t w e e ns t a t i cf r i c t i o nf o r c ea n dk i n e t i cf r i c t i o nf o r c e ，h i g hs e t t i n ga c c u r a c y , g o o d s t a b i l i t y o fh i g hp r e c i s i o n ，c o n v e n i e n tf o ra s s e m b l ya n dl u b r i c a t i o n ，g o o de c o n o m i c p e r f o r m a n c e ，al o n gs e r v i c el i f ea n do t h e rc h a r a c t e r s l m gi sw i d e l yu s e di nc n cm a c h i n e ， m e d i c a lm a c h i n e r y , a e r o s p a c e ，s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t ，a u t o m o t i v e ，r a i l t r a n s p o r t a n dv a d o u sd e t e c t i o nm a c h i n e r y , e t c b u tt h e r ei sal a r g ed i f f e r e n c ef o rt h es a m e p r o d u c t sb e t w e e na th o m ea n da b r o a di nt e r m so fa c c u r a c y ，l i f ea n dq u a l i t y , a n dt h es t r u c t u r e o fl m ga l w a y sr e f e rt of o r e i g np r o d u c t s s oi ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h el m g i no r d e rt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t y t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st h a tt h et h e o r ya b o u tr e s e a r c h i n go nt h el m g ss t a t i c r i g i d i t yo fm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h es t u d yo fs t r u c t u r ef o rl m g st r e n c h ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nf o re r r o r sh o m o g e n i z a t i o n t h ea n a l y s i so ft h el i m i to fs i z ef o rs t e e lb a l lw h e n i sm a d ea n dt h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fr i g i d i t yf o rd i f f e r e n ts t r u c t u r eo fl m g st r e n c h i t c a nb ed i v i d e di n t ot h r e ea s p e c t sa sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y z e sa n ds u m m a r i z e sa l lt h es t r u c t u r ef o rl m g st r e n c ha n d c h a r a c t e r i s t i c ，m a k e su s eo ft h ee l a s t i cm e c h a n i c ，t h et h e o r e t i c a lm e c h a n i c sa n dm e c h a n i c so f m a t e r i a l s k n o w l e d g e b u i l d st h es t a t i cr i g i d i t y m o d e lf o rt h el i n e a rm o t i o nb a l lg u i d ew i t h s i n g l eg u i d ew a ya n dg u i d es h o e a c c o r d i n gt ot h el a r g ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e - a n s y sa n d b u i l d st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sf o rl m g s e c o n d l y , i nt h ep r e m i s eo fl i f ef o rt h el m g t h i st h e s i sa c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e a n s y s a n a l y z e sa n dc o n f i r m st h ee r r o r sh o m o g e n i z a t i o n ，c o n f i r m st h e1 i m i to f s i z ef o rs t e e lb a l l sm a n u f a c t u r eb yl o a dc h a r a c t e r i s t i e sa n dm a t e r i a lf e a t u r e t h i r d l y , t h i st h e s i sm a k e su s eo ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et os i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt o i d e n t i f yt h ec u r v eo ft h ei n f l u e n c ef o rd i f f e r e n ts t r u c t u r eo fl m g st r e n c ht ot h er i g i d i t y , a n d t h e ns u m su pt h el a wb yt h e s ec u r v e s k e y w o r d s ：l i n e a rm o t i o nb a l lg u i d e ，s t a t i cr i g i d i t y , m a n u f a c t u r ee r r o r , t r e n c hs t r u c t u r e ， e r r o rh o m o g e n i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：丕叁萎 e l 期：2 翌幺z ：墨 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：丕垒妻 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 滚动直线导轨副的由来与演变 l m g ( l i n e a rm o t i o nb a l lg u i d e ) 为滚动直线导轨副的英文缩写，它是根据滚动轴 承的基本原理逐步改进而成的。首先，1 9 0 7 年瑞典的s k f 公司成功地研制出了用于回 转运动的滚动轴承。滚动与滑动相比，能够大大减小摩擦阻力和节约能源。但后来出于 对刚性及传动方式要求的提高，便产生了直线球轴承，再发展到后来就出现了最初的滚 动直线导轨副。1 9 3 2 年法国专利局公布了一项关于导轨方面的专利，接着便是1 9 4 4 年 美国率先设计出的圆轴直线衬套；由于当时设计与制造水平的限制，使得这种新型导轨 的承载能力差、可靠性差、装配工艺复杂、精度与刚性低且易出故障等原因，迟至七十 年代初才开始得到研究、应用和发展。 上世纪七十年代，随着机械的n c 化，高速度、高精度、节能以及耐用性等各方面 的要求越来越高，促使对滚动直线导轨副的应用与研究急剧地加快了。7 0 年代后期日本 的t h k 公司提出了l b 型直线滚珠花键的专利，并运用于各种机械设备之中，接着便 是圆柱型套筒式直线滚动导轨( 即直线运动球轴承) 的问世；目前，滚动直线导轨副经过 近五十年的发展，己日趋成为国际通用的一种支承及传动装置，鉴于此况，1 9 7 9 年国际 标准化组织的滚动轴承技术委员会，专门成立了直线运动球轴承分委会来促进和规范滚 动直线导轨副的发展口们。 进入八十年代以来，随着工业的发展和技术的进步，直线运动球轴承由于承载能力 小、刚性差、精度低等原因，使其应用范围受到限制，己经不能满足使用的需要。从1 9 8 2 年开始，日本精工n s k 公司和t h k 公司，对滚动直线导轨副进行了一系列的开发和研 究工作，并在实际中得到广泛的应用。 由于滚动直线导轨副属于技术密集型产品，目前，国际上能够生产高性能的滚动直 线导轨副的国家，只有欧、美及亚洲的少数先进工业国家的几家跨国公司，包括日本的 n s k 和t h k 公司、德国的乐力士、i n a 和n e f f 公司、瑞典的s k f 公司、韩国的太敬 公司、美国的汤姆森公司及台湾的a b b a 和h i w i n 公司，其中以t h k 所生产的产品 最具有代表性，它占有6 0 - 一7 0 的世界市场份额，因此日本的t h k 公司也被称之为 “魔法导轨”、“神奇导轨” 引。目前在我国，基础理论研究工作还正处于逐步开展的阶 段。在这一领域的主要生产企业有新会凯特精密机械有限公司、南京工艺装备制造厂和 汉江机床有限公司等。 根据滚动直线导轨副发展的演变过程，下面将简要介绍各种类型的滚动直线导轨： 江南大学硕士学位论文 孰( 渍珠型 圉卜l 滚动直线导轨发展与演变的过程 ( i ) 圆轴直线衬套“” 圆轴直线衬套是钢球在滑块中作循环运动的直线导向装置的雏形，安装在圆轴上使 用。这种装置的缺点是：钢球承载时与圆轴接触面积小，所以承载能力不强；当套筒相 对轴作旋转运动时，钢球不发生滚动而产生滑动，这是造成故障的原因，所以在实际使 用中受到较多的制约。 ( 2 ) 滚珠花键 滚珠花键是圆轴直线衬套的改进型产品，在导轨轴上加工了沟道，增加了接触面积， 一、 撇，：刍峻谚罗 轨道为支承部件，安装于工作台上；滚珠放置在滑块内侧轨道面与轨道外侧轨道面 之间；精块作为移动部件，安装在轨道部件上；保持器安装在滚珠之问，等间距地隔开 江南大学硕卜学位论文 每个滚珠；端盖则位于滑块两端，起到去屑、防尘的作用；挡板分为下挡板和上挡板， 起到固定滚珠的作用；密封垫片包括内部、端面和侧面密封垫片，起到防尘的作用；润 滑脂用螺纹接头一般是定期用来给滚动导轨加润滑济用的。 工作中，滑块沿轨道做往复的直线运动，位于轨道外侧两轨道面与滑块内侧轨道面 之间的滚珠在保持器的维持下，在滚道内进行连续的循环运动，从而使滑块与轨道之间 通过滚珠的滚动来实现相对运动。 滚动直线导轨副作为一种新型的精密直线导向运动部件，己经越来越多地被各种自 动化装备、数控机械等所应用。它在滑块和轨道间加入滚珠来避免轨道面与滑块面直接 接触，并以滚动摩擦代替了滑动摩擦，有别于以前的滑动导轨。将其与滑动导轨副相比 具有以下特点1 3 2 3 3 3 钔： ( 1 ) 摩擦特性 滚动直线导轨副在摩擦特性方面具有突出的优点，其摩擦阻力比滑动导轨小得多， 一般摩擦系数在0 0 0 2 和0 0 0 4 之间，为滑动导轨的1 5 0 左右，且当机床滑台进给时， 不会出现打滑现象，数控轴滑台定位精度达到o 0 0 5 3 0 0 m m ，重复定位精度达到 o 0 0 8 m m ，为机床达到加工精度提供了保障，并且在速度变化时“值稳定，运动轻快、 灵活、平稳，可实现高速运动( y 3 0 0 m m i n ) ，从而提高了生产效率瞄1 。 ( 2 ) 运动精度 滚动直线导轨是在滑块与轨道之间放入适当的刚球，使滑块与轨道之间的滑动摩擦 变为滚动摩擦，大大降低两者之间的运动摩擦阻力，从而获得很高的响应速度、灵敏度、 定位精度和重复定位精度且节省能源，并且几乎不产生空转运动，在起动时无颤动，低 速下运动无爬行现象，因此其运动精度很高。当施加预加载荷时，还可以消除间隙，提 高刚性和精度。此外，滚动直线导轨还具有自动调心、误差均化等功能，故其整体运动 精度高，从而为制造出高精度、高性能的机器提供了保证。 ( 3 ) 寿命特性 在滑动导轨中，大部分能量以磨损能的形式而消耗掉，因而磨损快，难以长期维持 高精度。相反，滚动导轨摩擦小，磨损少，可以长期维持高精度。另外，由于滚动导轨 副中采用了多个滚珠作为支承，同时滚道沟槽能较容易地获得很高的加工精度，因此滚 动直线导轨副具有较长的工作寿命。 ( 4 ) 承载能力 滚动直线导轨副具有较好的承载性能，可以承受不同方向的力和力矩载荷，如承受 上下左右方向的力，以及颠簸力矩、偏转力矩和摆动力矩。因此，其具有很好的载荷适 应性。在设计制造中加以适当的预加载荷可以增加刚度和阻尼，以提高抗振性，同时可 以消除高频振动现象。 ( 5 ) 经济性能 滚动直线导轨副因其摩擦阻力小、磨损少及润滑、维修、保养容易，所以其维修成 本低廉。此外，滚动直线导轨副还具有很好的互换性，易形成标准化，系列化，并由专 业厂家成批生产，使用户选用十分方便，从而缩短了设计工时。另外，节能省油是滚动 4 第一章绪论 直线导轨副的又一显著特点，日本t h k 公司曾对使用滑动导轨的单轴平面磨床和使用 滚动导轨的三轴平面磨床进行了对比性测试，结果是使用滑动导轨的功耗为使用滚动导 轨的l o 3 倍，同时前者的润滑油耗为滚动直线导轨副的1 6 7 倍哺3 。在成对使用滚动直线 导轨副时，因其具有“误差均化效应”的能力，从而降低了导轨安装面的加工精度要求和 导轨安装面的机械制造成本和难度。 ( 6 ) 刚性特性 由于滚动直线导轨是在滑块与轨道之间放入适当的刚球，使滑块与轨道之间直接接 触变为间接接触，故其刚性要比滑动导轨低，但是通过一系列的改善措施，如施加适当 预加载荷、设计合理的滚道曲率半径系数和导轨的沟槽结构型式等，可以明显地提高滚 动直线导轨的刚度。这也是本课题研究的目的和意义所在。 1 3 滚动直线导轨副的理论研究现状 ( 1 ) 静刚度的研究 静刚度是滚动直线导轨副的重要使用性能之一，当滚动直线导轨副受到外载荷时， 滑块将有竖直、水平方向的变形，以及在几个方向的角位移，这种弹性变形对机械性能 有很大影响。不同类型机械对导轨昌, j n i j 度有不同的要求，要求运动轻便灵活的场所，如 光学仪器导轨副，所受外加载荷很小，但要求运动和定位精度高，噪声小，故可采用低 刚度导轨副；对于承受切削载荷的精密机床工作台，如精密磨床工作台，要求有较高的 刚度以保证所制造的工件有高的加工精度。生产上除采用增加各组成元件本身的刚度 外，一般采用预紧的方法提高导轨副的刚度，对一定型号、规格的导轨副，选用比标准 直径稍大的滚珠( 大几微米到几十微米) 进行装配，使其在无外载荷的情况下，滚珠与 滑块、导轨滚道表面间产生预变形，使滑块和导轨处于压紧状态口儿引。 滚动直线导轨副静刚度研究主要有两种理论为基础：第一为赫兹( h e r t z ) 理论，该 理论比较简单且实用；第二为有限元方法，该方法使用起来比较繁杂，但计算结果一般 比较精确。 到目前为止，国内外学者对于滚动直线导轨副静刚度的研究还没有达到成熟的阶 段。 在国外，日本的井夕尺实、清水茂夫等，对滚动直线导轨副静刚度进行了比较深入 的理论和试验研究。以清水茂夫教授为代表，以四滑块组成的工作台为研究对象，分析 了滚动直线导轨副中的滑块体的刚性对整个工作台的运动精度和定位精度的影响，并进 行了试验验证归儿1 0 儿n 1 。 在国内，刘端、刘建素、孙健利等人在滚动直线导轨副静刚度研究方面，提出了很 多计算方法和公式，并且作了大量的试验n2 。其中以孙健利教授为代表，以赫兹接触理 论为基础，运用力平衡几何分析方法，对承受垂直载荷时滚动直线导轨副的刚度进行计 算分析n3 | 。假设除滚珠与滑块、导轨滚道的接触部分外，其它部分可视为刚体，分析了 滚动直线导轨副在受到垂直外载荷时，滚珠接触区的弹性变形情况以及滑块导轨的相对 位移；同时讨论了导轨副的滚珠具有过盈时接触区几何关系的变化，分析了滚珠具有过 江南大学硕十学位论文 盈时在垂直外载荷作用下，滚动直线导轨副的相对位移，并与试验结果作了比较峙儿埔3 。 ( 2 ) 额定负荷和寿命的研究 滚动直线导轨在静止或运动状态中承载过大时，在接触面附近会产生局部的永久变 形性塑性变形，这个永久变形量如果超过某个限度时，就会影响直线运动系统的平稳运 动。 额定静载荷可有两种定义陋们： 基于塑性变形为依据的定义：滚珠与滚道最大接触应力处的总塑性变形量等于 滚珠直径万分之一时的静负荷值。 基于最大接触应力为依据的定义：滚动直线导轨副中受载最大的滚珠与滚道接 触处最大接触应力值等于许用接触应力值时的静负荷值。 额定动载荷c 的定义为：一批相同尺寸和构造的导轨组件在相同的条件下运行， 其中9 0 导轨的寿命能达到或超过5 0 k x n 时所能承受的载荷。 滚动直线导轨副的工作原理和滚动轴承相似，滚珠均是在一定载荷下在滚道上作连 续的滚动运动。因此，一般认为滚动直线导轨副的主要失效形式是接触疲劳。国内外的 研究主要是利用滚动直线导轨副与滚动轴承、滚珠丝杠副工作原理的相似性，提出了额 定动载荷、额定静载荷、额定寿命的定义及相应的计算方法n 7 儿1 8 1 9 1 。 由于同一批制造出来的产品，即使在同样的条件下运行，滚动直线导轨的寿命多少 也会产生某些差异，也即导轨的寿命具有很大的分散性。因此，为了确定滚动直线导轨 的寿命，一般使用以下定义的额定寿命：滚动直线导轨的额定寿命指在相同工作条件下， 使一批相同构造和尺寸的导轨组件分别运行，在其中9 0 的导轨组件尚未出现疲劳剥落 之前，滑块相对于导轨运行距离的总和或在一定运行速度下正常工作的小时数晗。 然而关于导轨寿命的具体计算方法与公式却不尽相同，以下为一些常用的计算公 式。 t h k 公司推荐使用的公式乜3 儿2 4 1 ： 使用球的直线运动系统的场合： 三：雄里) 5 0 ( 1 1 ) 1 w p j 使用滚子的直线运动系统的场合： 三：衅里芦1 0 0( 1 2 ) ) w p j 上式中：厶硬度系数 疗温度系数 f 接触系数 厶负荷系数 i 一额定寿命( k m ) c 基本额定动负荷( n ) p 负荷( n ) 6 釜二童丝堡 一般认为直线导轨副使用钢珠作为滚动体的额定寿命，在基本额定动负荷的作用下 l 为5 0 k i n ，而使用滚子的导轨副，其额定寿命l 为1 0 0 k i n ，其负荷的方向和大小都不 变。 河南机电高等专科学校徐起贺推导出的公式乜6 | ： 滚动直线导轨受水平载荷作用时额定寿命的计算： s i n ( o l + 卢2 ) 萼+ 删卜哪 滚动直线导轨受轴向力矩载荷作用时额定寿命的计算： 懈0 7 筹i 滚动直线导轨受摆动力矩载荷作用时额定寿命的计算： ：二盟) ， 式( 1 3 ) u 式( 1 5 ) 中各符号的含义为： 受载滚动体的列号； 厶第0 列的寿命； 屈，色滚道面接触处法线方向与竖直方向的夹角； 7 7 1 ，叩1 日，叩2 胃修正系数； 0 承受力矩载荷滚动体的列号； c 承受向下载荷时导轨的额定动载荷； m 一外加力矩； ( s 5 ( 刀) z ) 了 墨k =5 s j ( 挖) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 尺2 k 2 = 1 d 口； k ，降低系数； 卜有效钢球列数； 6 。b 水平及垂直方向的钢球球心距。 ( 3 ) 滚动直线导轨副摩擦性能的研究 摩擦是两个接触固体在外载荷作用下所形成的真实接触区内作相对切向位移时所 发生的能量损耗过程。它是固体切向移动过程中在真实接触面上很薄的表面层中发生的 各种物理过程的总和，摩擦的实质是机械能转化为热能乜7 i 。滚动直线导轨副是点接触状 7 江南大学硕：卜学位论文 态，从总体上来说这种摩擦是滚动摩擦。但是滚动直线导轨副的摩擦力产生机理却比较 复杂，往往是弹性滞后、粘着效应、微观滑动、塑性变形、粗糙度等综合作用的结果。 此外由于滚动直线导轨副结构上的特点，密封端盖、保持架等也与滑动体之间产生摩擦。 根据导轨副工作机理可知，导轨副系统的摩擦属于滚动摩擦，与滑动导轨相比，滚动导 轨的摩擦系数可减少到五十分之一心引。 对于滚动直线导轨副中滚道与滚珠之间摩擦力的理论研究，角田和雄心踟在赫兹弹性 变形分析的基础上，对滚动轴承在承受推力作用时的差动滑动摩擦力进行了推导，此时 滚珠与轴承的内外滚道间产生弹性变形，形成两个弹性变形区，在每个接触区中有两点 为纯滚动，其它各点为差动滑动，由此推导出滚珠为两点接触时的差动滑动摩擦力。角 田和雄在此基础上，应用弹性流体动力润滑理论，讨论了滚动轴承在高速运转场合下的 流体摩擦力心引。 滚动直线导轨副由于承受外载荷大小不同以及设计结构的不同，滚珠可能同时受到 多对弹性力，与导轨、滑块滚道形成四个弹性接触区，此时滚珠为四点接触。须田捻、 石川义雄等对滚珠为四点接触时的差动滑动摩擦力进行了推导，但只讨论了两个弹性力 相等且相互垂直时的特殊情况乜引。并对直线球轴承的摩擦力进行了实验研究，通过对未 加预载荷的直线运动球轴承的实验研究发现，最大及平均摩擦力随着轴承载荷的增大而 增大，滚珠与三列滚道同时接触时的摩擦力大于滚珠与两列滚道同时接触时的摩擦力， 当滚珠由载荷区向非载荷区运动时，出现最大摩擦力；最大摩擦力与接触区的变形成正 比例，而平均摩擦力与外载荷的大小成正比口0 | 。 1 4 滚动直线导轨副的发展动态 进入2 1 世纪，世界各滚动直线导轨生产企业通过技术创新正朝着高速度、高精度、 模块化、组合化、复合化、智能化、环保化方向发展。产品向超小型、特大型、超大导 程、小径大导程、精密高速、精密冷轧方向延伸，呈现多样化、生活化、个性化、绿色 化的走向。滚动直线导轨副的新类型、新功能不断涌现，目前，新型的滚动直线导轨副 主要有： ( 1 ) 采用滚珠保持架的滚动直线导轨副盼嵋 t h k 公司采用滚珠保持架与滚珠构成一体，保持滚珠平稳的进行循环运动，消除 了滚珠间的相互摩擦，开发了噪声低、免维修、寿命长、速度可达3 0 0 m m i n 的超高速 直线运动的s s r 导轨副，并已开始推广。 ( 2 ) 带磁栅测量系统的滚动直线导轨副瞄羽 瑞士s c h n e e b e ra g 公司与h e i d e n h a i ng m b h 公司合作开发了名为“m o n o r a i l ”的滚 动直线导轨副，它把直线运动的导向功能与磁栅数显的位移检测功能合二为一。 ( 3 ) 带阻尼滑座的滚动直线导轨副旧驯 无论是滚珠或滚柱型的滚动直线导轨副的吸振性都较差。德国i n a 公司通过试验证 明：用增加预紧力来消除振动的方法不可取，因为减振效果并不明显，反而降低了导轨 的寿命。例如，当预紧力加大一倍，滚珠型的反向机构寿命降低1 2 5 ，滚柱型的反向 8 第一苹绪论 机构寿命降低1 0 。 ( 4 ) 直线传动组合单元泓1 德国聂夫( n e f f ) 公司，于8 0 年代中期推出了“w i e s e l ”直线传动组合单元并获得德 国专利，它是将滚珠丝杠副安装在用铝合金制造的长方形内腔中，在铝合金框架上端镶 嵌滚动导轨，导轨上滑块与螺母固定，滚珠丝杠副带动上滑板作往复直线运动。 ( 5 ) 直线电动机和直线导轨并用啪1 采用一体化直线电动机的滑台系统具有结构紧凑、运行中动力大的特点。同时滑台 系统的定位精度也有所提高，条件是要有所需的直线测试系统。 ( 6 ) t h k 智能驱动系统啪3 日木的t h k 智能驱动系统，以d c 伺服电机作为动力，采用精密滚珠丝杠副、新 型滚动直线导轨副来实现直线运动，是结构十分紧凑的组合部件，它具有丰富的控制功 能和方便操作的特点，可采用c n c 控制。 ( 7 ) 混合工作台口刀 日木研制了一种新型的滚动直线导轨副工作台，它具有套滑动电磁块装置，可在 定位加工时吸到导轨上以增加摩擦力，从而提高了系统的抗振性能，所以它又称为混合 工作台 ( 8 ) 新材料制造的滚动直线导轨副口8 1 由于用户要求的多样化及使用环境的不同，出现了用新材料制造的滚动直线导轨 副。例如，采用不锈钢制作的产品，其轨道、滑块、钢球、密封端和保持器均采用不锈 钢材料制作，而反向器采用合成树脂，故耐腐蚀性提高。 ( 9 ) 磁悬浮支承直线滚动导轨啪】 在现代机械加工中要得到更快的加工速度、更高的精度，就需要具有更快的移动速 度和更高位置精度的直线导轨。要达到这些目标就必须解决几个问题：导轨的支承方式 和支承系统的精度。随着磁悬浮支承技术的发展，主动磁悬浮支承是很好的解决办法。 磁悬浮支承是非接触支承，具有许多好处：无摩擦、无需润滑、寿命长、不会因为磨损 而导致精度下降，对环境无特别要求。而且在机床上采用磁悬浮支承直线导轨可以保证 几个特性：可调的刚度、阻尼特性和可控的振动特性。 1 5 课题研究的背景和意义 自上个世纪八十年代开始，我国在经济上实行改革开放，引进国外的先进的生产技 术和资金。经过二十多来年的发展，我国已经成为世界上的制造大国。但是，我们应该 清醒地看到，我国现在只是一个制造大国，而不是制造强国，我国的制造业还只是对一 些劳动密集型、技术含量比较低的产品的制造和加工，对于一些高端的产品还只能仿制， 而没有自己的知识产权和专利。所以，国内低端产品市场都由国内厂商的产品所充斥着， 而在高端产品领域，始终都被国外先进制造业厂商的产品所控制着，这就造成了现在的 结果：由于底端产品市场的饱和甚至过饱和，使得底端产品的厂家相互压价，使得产品 的利润降到最低：而高档产品领域一般都由发达国家的先进制造厂商所控制，竞争压力 9 江雨大学硕 ：学位论义 较小，故一直都保持着高利润。 进入二十一世纪以来，我国正逐步从制造大国向制造强国转变，这就要求我国的加 工企业提高其加工精度。滚动直线导轨副是新兴发展起来的精密运动导向部件，采用滚 珠或滚柱为滚动体，动静摩擦系数小，定位精度高，可实现机械的高速运动，滚动直线 导轨副作为导向支承部件，能更好地保证机床的加工精度，延长使用寿命和提高工作效 率。滚动直线导轨副系统在被开发出来后仅仅数年问就迅速地普及起来，已被广泛应用 于生产和生活的多个领域中。这一部件已经成为各种机床和精密电子加工业必不可少的 一种重要部件。 目前，国内外对于滚动直线导轨副的发展方向主要有以下几个方面： 高速化、高加速度化； 高刚性； 高精度( 包括定位精度和运动精度) ； 小型集约化； 在特殊环境中的使用； 提高单位体积的承载能力； 免维修保养。 目前，国际上真正能够生产高质量导轨的国家只有少数发达国家的几家公司。例如 日本的t h k 公司首先研制开发出了q z 自润滑装置和带滚珠保持器的滚动直线导轨副。 q z 自润滑装置是通过含油率较高的纤维网同滚珠的滚动沟槽接触，将所需润滑油提供 到必要场所的润滑系统；滚珠保持器把滚珠等间距的隔开，并在保持器中注入润滑脂， 从而将滚珠之间的直接接触转变为滚珠与保持器之间的润滑接触，避免了滚珠之间的 “蛇行现象”，降低了滚珠之间的摩擦，极大地提高了滚动直线导轨副的寿命，使用这 两种装置能将维修的时间大幅度的延长，基本上实现了滚动直线导轨副在轻载荷下运行 十万公里免维护的目标瞳引。 目前国内在滚动直线导轨副的设计与制造方面还处于仿制阶段，面对国内巨大的市 场，中国已有数十家企业加入到这一行业进行产品的研究与开发工作，其中新会凯特精 密机械有限公司、南京工艺装备制造厂和汉江机床有限公司在产品试制方面已做了大量 的工作，产品已基本形成系列化。但是与国外相比，在承载性能、寿命、刚度和精度等 方面，还存在着较大的差距，主要体现在以下几个方面：l 、基础理论研究起步晚，差 距较大；2 、产量小，品种少，生产能力低，满足不了用户的需要；3 、推广和应用还不 够普及；4 、测试方法不够健全，有待于提高。 下面以中国艺工的产品与日本t h k 公司的产品做一个比较。 ( 1 ) 承载性能和寿命比较 滚动直线导轨副的结构尺寸如图卜3 所示： l o 第一章绪论 1 1 2l斑 俨 懈| | | r 上1【， wl b 4j h 图卜3 滚动直线导轨副主要尺寸参数 滚动直线导轨副一般承受如图1 - 4 所示的三个方向上的扭转力矩 7 、 墅 m c 7 、一，二二、 咿i 图卜4 滚动直线导轨副承受的力矩 表1 1中国艺工产品系列 一导轨副。额定额定一 一尺寸p滑块尺寸9导孰尺寸9动l e 一静载。毫曩定力矩一 型丑一 ， b 一& 9b k ，t t i l u l 。pb h f c c + ， i 一 i 竹 i c 一 号。( k n ) ( k h ) ( h 一) p( n 一) o( n ) g g b 2 由，1 5 5 4 7 ，t 孓3 b p1 9 4 f7 p1 1 i e p5 8 p4 0 5 30 11 6 f1 5 6 0 d6 0 7 6 8 p5 5 5 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4o 0 1 4o 0 1 7o 0 20 0 2 20 0 2 40 0 2 60 0 2 8o 0 3 5o 0 20 0 2 5o 0 30 0 3 20 0 3 40 0 3 60 0 3 80 0 4 t h k 所生产的滚动直线导轨副共分为五个等级，即u p 、s p 、p 、h 和n 五个等级， 其中u p 级精度最高，其空载条件下的行走精度如下表所示： 表1 4t h k 产品行走精度( 单4 i ：m m ) 长度 0 - 5 0 05 0 0 1 01 0 0 0 1 51 5 0 0 2 02 0 0 0 2 52 5 0 0 3 03 0 0 0 3 53 5 0 0 4 0 0 00 00 00 00 00 00 0 精度 u p0 0 0 10 o o l 50 0 0 20 0 0 2 70 0 0 3 50 0 0 4 30 0 0 50 0 0 6 s p0 0 0 20 0 0 30 0 0 50 0 0 6 50 0 0 80 0 9 50 0 10 o l l p0 0 0 40 0 0 80 o 1 0 5o 0 1 2 5o 0 1 4 50 0 1 60 0 1 7o 0 1 8 h0 0 0 8 5o 0 1 2 5o 0 1 7 50 0 20 0 2 1 50 0 2 3 0 0 2 40 0 2 5 n0 0 0 80 0 1 90 0 2 40 0 2 70 0 2 90 0 3 l0 0 3 30 0 3 4 对比表1 - 3 和表1 4 可以看出，t h k 公司的产品在精度上也大大地高于中国艺工的 产品。 导致产生中国与国外的技术差距、制约当前滚动功能部件，尤其是滚动直线导轨副 进一步发展的因素是多方面的，归纳起来主要有以下几点： 我国对于滚动直线导轨副理论研究较国外起步晚 我国对于滚动直线导轨副的研究，起始于上个世纪八十年代后期，而且从事研究的 人员和机构也不多，只有少数院校的少数人进行了一段时间的研究，投入的人力物力都 1 2 第一章绪论 非常有限，这样就限制了滚动直线导轨副的理论研究进度，而且从开始研究到现在，研 究人员的数量并没有增多，研究成果也不是很突出，并且研究出来的成果很难指导实践； 而在国外，特别是日本，早在上个世纪七十年代就开始大力研究滚动直线导轨副，在理 论和结构创新方面都获得了大量的成果，理论与应用的联系也非常紧密，在国际上申请 的专利也非常多。 产品结构处于仿制阶段，专利产品较少 从上面中国艺工和t h k 产品的规格尺寸参数可以看出，国内的滚动直线导轨副目 前还处于仿制阶段，这就大大地限制了产品的发展，而只能跟在别人的后面走，产品的 性能和精度也很难超越国外的先进产品。 国内滚动直线导轨副的配套原材料质量差，加工工艺落后 日本t h k 公司的原材料一般都是直接从钢铁厂生产出来的型钢，再经过高精度的 数控加工机床进行加工，所以生产出来的产品精度和性能都比较优越；而我国的滚动直 线导轨副的生产厂家由于生产的产量小，很少能有自己配套的型钢，因此在原材料的材 质方面不如t h k 公司。另外，由于国内厂商的资金和技术不如国外的生产厂商，在加 工机床的精度和加工工艺方面也都逊色于国外的厂商，从而严重影响了技术进步和新产 品的开发。 其它因素 缺乏先进的产品性能试验设备和检测仪器，从而影响到新产品的研发；生产企业的 工艺单一、装备落后且水平不高，生产线上的装备数控化率低、生产效率差、质量难以 稳定，产品互换性不强；制造厂商众多，生产规模小且信息化管理水平低，无法形成大 规模集约化生产，不能及时有效地为用户提供全方位的服务和个性化的需求。 选择本课题的研究方向主要是从以下几个方面来考虑的： 第一，我国在理论研究方面起步要比国外晚，投入的人力和物力也不如国外的先进 国家，这就导致了我国在滚动直线导轨副理论研究方面与国外的差距越来越大。理论研 究是一切科