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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2 机械系统设计导向支承部件 概述 滑动导轨副,第二章,机电一体化系统的机械系统部件的选择与设计,第三节 导向支承部件的选择与设计,内容,支承部件概述,滑动导轨副结构及选择,滚动导轨副类型与选择,静压导轨副工作原理,2 机械系统设计,2 机械系统设计导向支承部件,1 支承部件概述,支承,件,功用,支承件基本要求,支承件的设计步骤,导轨副的组成、种类及应满足要求,支承,机床各部件，承受切削力、重力、惯性力、摩擦力等静态力和动态力,保证,各部件之间的相对位置精度和运动部件的相对运动轨迹的准确关系,内部空间可,存放,切削液、润滑液、液压油的油箱、电动机,一、,支承件功用(Structural elements),1足够的静刚度和较高的刚度重量比,要求在规定的最大载荷作用下，变形量不得超过一定的数值。重量占机床总重量的80以上，应尽量减轻支承件的重量。,2良好的动态特性,包括较大的动刚度和阻尼；与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。,二、,支承件,基本要求,3应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热变形对加工精度的影响较小,由于摩擦热、切削热等产生热变形和热应力. 在铸造、焊接和粗加工过程中，会形成内应力，使支承件变形。 热变形和内应力都将破坏部件间的相互位置关系和相对运动轨迹，影响加工精度。,4应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。,根据其使用要求进行受力分析,根据所受的力和其它要求(如排屑、安装别的零部件等)，并参考现有机床的同类型件，初步决定其形状和尺寸。,可以用有限元法(,Finite element method),借助计算机进行验算，求得其静态和动态特性。,据此对设计进行修改或对几个方案进行对比，选择最佳方案。,三、,支承件,设计步骤,支承,和,限制运动部件,按给定的运动要求和规定的运动方向运动，这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。,四、,导轨副的组成、种类及应满足要求,定义,组成：主要由,定导轨、动导轨、辅助导轨、间隙调整元件以及工作介质/元件,等组成。,各种机械运行时，由导轨副保证执行件的正确运动轨迹，并影响执行件的运动特性。支承导轨用以支承和约束运动导轨，使之按功能要求作正确的运动。,导轨副的组成,导轨副的种类,1),按导轨副运动导轨的轨迹分类,（a）直线运动导轨副,支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留沿给定方向的直线移动自由度。,（b）旋转运动导轨副,支承导轨约束了运动导轨的五个自由度，仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度。,即只有,一个自由度（,直线或回转运动）,2),按导轨副导轨面间的摩擦性质分类,按两导轨面间,的摩擦状态,按滚动体,3),按导轨副结构分类,（a）开式导轨,依靠外载荷和部件自重，使两导轨面在全长上保持贴合的导轨。,开式导轨一般受温度变化的影响较小。,只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触。可,用压板作为辅助导轨面保证主导轨面贴合。,闭式导轨一般受温度变化的影响较小。,（b）闭式导轨,常用导轨副结构示意图,4) 按直线运动导轨副的基本截面形状分类,凹形,凸形,圆形,燕尾槽,不对称三角形,对称三角形,矩形,5）按工作性质分,主运动导轨,进给运动导轨,调位导轨,调位导轨只用于调整部件之间的相对位置，在加工时没有相对运动.例如车床尾架用的导轨,机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度,、,工作能力,、,使用寿命,导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。,对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承，必须符合三点定位原理。,导轨副应满足的基本要求,(1)导向精度,导向精度是指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。,导向精度的高低，主要取决于:,导轨的结构类型；,导轨的几何精度和接触精度；,装配质量,导轨的配合间隙，,以及液体动压和静压导轨,油膜厚度和油膜刚度；,导轨和基础件的刚度和热变形等。,直线运动导轨的几何精度 :,导轨在垂直平面内和水平平面内的直线度;,两导轨面间的平行度，也叫扭曲度。,（2）刚度,导轨的刚度就是抵抗载荷的能力。抵抗恒定载荷的能力称为静刚度；抵抗交变载荷的能力称为动刚度。,导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。,导轨的刚度（要求）,：,导轨抵抗外载荷的能力，从而不影响导向部件的导向精度（运动精度）。,通常分为：静刚度 抵抗恒定载荷的能力。,动刚度 抵抗交变载荷的能力。,每一类刚度都包括：结构刚度、接触刚度、局部刚度。,在一般情况下，为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。,(3)精度的保持性,它主要由导轨的耐磨性决定。耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。导轨的耐磨性，主要取决于导轨的结构、材料、摩擦性质、表面粗糙度、表面硬度、表面润滑及受力情况等。可采用,润滑和保护。,精度保持性要求：,指导轨副表面的耐磨性（耐磨能力）应达到导轨面的使用寿命要求。,主要包括：,初期耐磨性,和,耐磨精度保持性,两部分，以及,耐磨精度失效特性,。,初期耐磨性摩擦副初期磨损阶段特性。,耐磨精度保持性摩擦副正常磨损阶段特性。,耐磨精度失效特性摩擦副剧烈磨损阶段特性。,(4)运动的灵活性和低速运动的平稳性,低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。,为防止爬行现象的出现，可同时采取以下几项措施：采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨、贴塑料层导轨等；在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减少传动副等方法来提高传动系统的刚度。,(5)对温度的敏感性和结构工艺性,导轨对温度变化的敏感性，主要取决于导轨材料和导轨配合间隙的选择。,设计导轨时，要注意制造、调整和维修的方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。,结构工艺性是指系统在正常工作的条件下，应力求结构简单，制造容易，装拆、调整、维修及检测方便，从面最大限度的降低成本。,（6）疲劳和压溃,导轨面由于过载或接触应力不均勾而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。,注意：以上这些导轨运动副应达到的要求仅是导轨设计中最基本的要求，在导轨设计中，还应依据导轨应用的实际情况，采取相应的措施，尽可能的满足。,2 滑动导轨副结构及选择,导轨副截面形状及特点,导轨副组合形式,导轨副间隙的调整,导轨副材料的选择,提高导轨副耐磨性的措施,导轨副设计,滑动导轨两大类凸形和凹形,凸形,导轨不易积存切屑，但难以保存润滑油，只适合于低速运动,凹形,导轨润滑性能良好，适合于高速运动，为防止落入切屑等，必须配备良好的防护装置,一、,导轨副的截面形状及其特点,三角形导轨,支承导轨为凸形时,山形导轨,支承导轨为凹形时,V形寻轨,三角形导轨依靠三角形的两个侧面导向，磨损后能自动补偿，不影响导向精度。,顶角增加,导向精度降低,承载面积增加,通常取=90。大型或重型机床，可取=110120，精密机床，常取90。,导向精度较高，不对称三角形制造、检验和修理带来困难。,支承导轨为,山形,时，不易积存较大的切屑，也不易存留润滑油。适用于不易防护、速度较低的进给运动导轨,支承导轨为,V形时,，由于能得到较充足的润滑，除用于精密和大型机床的进给导轨外，还可用于主运动导轨，如龙门刨床床身导轨，必须很好地防护，以防落入切屑和灰尘。,矩形导轨,优点：,制造简单、刚度高、承载能力大，具有水平和垂直两个方向的导轨面，而且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装调整。,缺点：,侧面磨损后不能自动补偿，需要有间隙调整装置，因此导向性较差。,适用于载荷较大而导向性要求不高的机床。,燕尾形导轨,优点：,结构紧凑、高度尺寸较小，可承受颠覆力矩。,缺点：,磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整，刚性较差，摩擦力较大，制造和检修都比较复杂。,一般用作中、低速的多层导轨。,用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。,圆柱形导轨,优点：,圆柱形导轨制造简单，要求加工时就直接达到较高 精度。,缺点：,磨损后很难调整和补偿间隙。,圆柱形导轨具有两个自由度，通常多用在承受轴向载荷的场合。,圆周运动导轨截面,平面圆环导轨,特点：,制造容易，热变形后导轨仍能接触，只能承受轴向力，不能承受径向力，需与带径向滚动轴承的主轴相配合，来承受径向力。摩擦损失小，精度高，目前用得较多。,适用于大直径的工作台和转盘，如滚齿机、立式车床导轨等。,锥形圆环导轨,特点：,能承受轴向力和较大的径向力，热变形也不影响导轨接触，导向性比平面好，但要保持锥面和主轴的同轴度较困难，母线倾斜角一般为30。,常用于径向力较大的机床,V型圆环导轨,特点：,V型圆环导轨能承受较大的轴向力、径向力和颠覆力矩，能保持很好的润滑，制造较复杂，床身和工作台热变形不同时，两导轨面将不同时接触。,用于载荷大、速度高的立式车床,从限制自由度的角度出发，采用一条导轨即可。用一条导轨，移动部件无法承受颠覆力矩，直线运动导轨一般由两条导轨组合，重型机床常用三条或三条以上导轨的组合。,二、,导轨副的,组合形式,双三角形组合,优点：,导向精度高，磨损后能自动补偿，具有较好的精度保持性。,缺点：,很难达到四个表面同时接触的要求，制造困难。,适用于精度要求较高的机床，如SG8630型刀架导轨和Y3150E立柱导轨等,双矩形组合,优点：,具有较大的承载能力、制造调整比较简单。,缺点：,导向性差，磨损后不能自动补偿，对加工精度有较大影响。,多用于普通精度机床和重型机床，如X6132工作台导轨。,窄导向用一条导,轨面的两侧面导向。,导向精度高,宽导向用两条导,轨面的两外侧面导向。,三角形一矩形组合,特点：,导向性好、制造方便和刚度高。,应用最广泛如CA6140型普通车床溜板、B2020工作台导轨、M1432A砂轮架导轨等。,三角形和平面导轨组合,具有三角形和矩形组合导轨的基本特点。,由于没有闭合导轨装置，因此只能用于受力向下的场合。,燕尾形组合,特点：,两个燕尾平面同时起导向及压板作用，用一根镶条调整各接触面的间隙。不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大。,用于要求层次多、尺寸小、调整间隙方便和移动速度不大的场合，如CA6140刀架、B6050滑枕导轨等。,燕尾形一矩形组合,特点：,能承受较大力矩，间隙调整也比较方便，,多用于横梁、立柱、摇臂等的导轨，如B2020型龙门刨床横梁导轨等。,燕尾导轨及其组合的间隙调整图,1,斜镶条,2,压板,3,直镶条,双圆柱形组合,特点：容易制造，耐磨性较好，但磨损后不易补偿。,常用于仅受轴向力的场合，如压力机、机械手的导轨。,常用的调整方法有压板和镶条法两种方法。,对燕尾形导轨可采用镶条(垫片)方法同时调整垂直和水平两个方向的间隙。,对矩形导轨可采用修副压板、修刮调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。,三、 导轨副间隙的调整,压板,调整间隙和承受颠覆力矩。,镶条,调整矩形和燕尾形导轨的侧面间隙，以保证导轨面的正常接触。,斜镶条,导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。常使用铸铁-铸铁、铸铁-钢的导轨。,为了提高导轨的耐磨性，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理，以使动、静导轨的硬度不同。,四、导轨副材料的选择,采用镶装导轨,提高导轨的精度与改善表面粗糙度,减小导轨单位面积上的压力,五、提高导轨副耐磨性的措施,针对磨损的措施,（一）力求无磨损,磨损原因：配合面在一定的压强作用下直接接触并作相对运动。,不磨损条件：相对运动时不直接接触或接触时则无相对运动。,不直接接触保证完全的液体润滑，使润滑剂把摩擦面完全分隔开。如静压导轨、静压轴承或其它的静压副。,动压导轨和动压轴承也可以达到完全的液体润滑状态，但油膜压强与相对运动速度有关。因此，在起动或停止的过程中仍难免磨损。,(二）力求少磨损,l）降低导轨面间的压强,方法加大导轨的接触面、减轻负荷。,增加实际接触面积提高导轨面的直线度,细化表面粗糙度,加宽导轨面,加长动导轨的长度,减轻导轨负荷采用卸荷导轨,2)降低摩擦系数,采用滚动导轨；,正确选择摩擦副的材料；,正确选择润滑油或采用循环润滑的方式。,3)适当的热处理，提高导轨抗磨损的能力。,支承导轨淬硬，动导轨表面贴塑料软带。,4)加强防护,可避免灰尘、切屑、砂轮屑等进入摩擦副，是提高导轨耐磨性的有效措施,（三）均匀磨损,磨损是否均匀对零部件的工作期限影响很大。,例如床身导轨，如果磨损是均匀的，对机床加工精度一般影响不大，而且可以补偿。,磨损不均匀的主要原因,在摩擦面上压强分布不均,各个部分的使用机会不同,争取均匀磨损措施,力求使摩擦面上压强均匀分布，例如导轨的形状和尺寸要尽可能对集中载荷对称；,尽量减小扭转力矩和倾覆力矩；,保证工作台、溜板等支承件有足够的刚度；,摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应高些，例如车床床身导轨的硬度应比床鞍导轨硬度高。,导轨的润滑和防护,（一）导轨的润滑,目的,减少磨损以延长导轨使用寿命；,降低温度以改善工作条件；,降低摩擦力以提高机械效率；,保护导轨表面以防止发生锈蚀。,方法,人工定期浇油或油杯供油；,在机床上装手动油泵，在工作前拉动油泵几次，进行人工润滑；,现代机床上多采用压力油强制润滑。,润滑油,小载荷、低中速小型机床进给导轨：L-AN32机械油,中等载荷，低中速机床导轨：L-AN46或L-AN68机械油,重型机床低速导轨：L-AN68、L-AN80或L-AN100机械油,竖直导轨或倾斜导轨：L-AN46或L-AN68机械油,粘度：根据导轨的工作条件和润滑方式选择。,对滚动导轨：润滑油或润滑脂,润滑脂优点：不会泄漏，不需经常加油,缺点：尘屑进入后易磨损导轨,特别注意防护措施,(二）导轨的防护,1刮板式,2. 隙缝式,3整罩式,4层叠式,根据工作条件，选择合适的,导轨类型；,选择,导轨的截面形状,，以保证导向精度好的耐磨性以及运动轻便和低速平稳性。,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低速平稳性。,六、导轨副设计,导轨副的设计内容,选择,导轨的补偿及调整装置,，经长期使用后,通过调整能保持所需要的导向精度；,选择合理的,耐磨涂料、润滑方法相防护装置,，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损；,制订保证导轨所必需的技术条件,，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。,直线导轨副的选用,通常，直线导轨副的选用必须根据,使用条件、负载能力和预期寿命选用。,所谓使用条件主要是指,应用何种设备、精度要求、刚性要求、负荷方式、行程、运行速度、使用频率、使用环境等因素,。,各个直线导轨的生产厂家都对其产品进行了合适的系列划分。如台湾HIWIN公司的直线导轨主要分为HG系列、LG系列、AG系列、MG系列等。具体的选用过程可以参考下面的顺序.,滑动导轨的验算,滑动导轨设计步骤,参考同类型机床；,初步拟定导轨的形状和尺寸；,验算。,滑动导轨的验算,受力分析；,求出导轨的平均比压和最大比压；,与导轨的许用比压相对照，判断导轨设计是否合理；,根据比压分布情况，判断是否需用压板。,（一）导轨比压的分布,每条导轨面所受的载荷，都可最终归纳为一个其作用点距导轨中心距离为x的力F的作用。,这个力又等价于一个作用于导轨中心的力F和一个颠覆力矩M的作用。,在F作用下，导轨面的比压,pF（MPa）,：,p,F,=F/aL,在力矩M作用下，导轨面产生的比压,p,M,（Mpa）,p,M,= 6M/aL,2,由于力F与力矩M 同时作用，因此导轨所承受的最大、最小、平均比压分别为,比压出现的四种情况,(二）导轨的许用比压,比压：,影响导轨耐磨性的一个主要因素。,导轨的支承面积应与导轨所承受的载荷相适应,保证导轨面上的平均比压不超过许用值,小 结,了解支承件功用、基本要求、设计步骤；导轨副的组成、种类及应满足要求；重点掌握滑动导轨副的结构特点、间隙调整和提高导轨耐磨性的措施。了解滑动导轨副设计步骤。,
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