导向支承部件的选择与设计.ppt

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1、2.3 导向支承部件的选择与设计,一.导轨副的组成、种类及其应满足的要求 导轨支承部件的作用：支承和限制运动部件按给定运动规律要求和规定运动方向作直线或回转运动。,导轨副的组成,1-承导件 2运动件,1 . 导轨副的种类,按运动方式可分为：直线运动导轨、回转运动导轨。 按接触表面的摩擦性质可分为：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。,按接触表面的摩擦性质分类,1 . 导轨副的种类,按其结构特点，可分为开式（借助重力或弹簧弹力保证运动件与承导面之间的接触）导轨和闭式（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）导轨,1 . 导轨副的种类,常用导轨性能比较,2. 导轨副应满足的基本要求

2、,基本要求：导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好，热温变形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，应采用卸荷装置等方法减小导轨面的承载载荷，提高导向精度。,2. 导轨副应满足的基本要求,（1）导向精度 指动导轨沿给定方向作直线运动时应保证的准确程度。,a)导轨在垂直平面内的直线度(即导轨纵向直线度）,b)导轨在水平平面内的直线度(即导轨横向直线度),c)两导轨面问的平行度，也叫扭曲度,设计或选用导轨副时，影响导向精度的主要因素,导轨结构类型。 导向精度（直线度）和接触精度（平面度和接触面积）。 导轨运动配合精度（间隙）。 油

3、膜厚度和油膜刚度。 导轨和机架的结构刚度和接触刚度。 导轨和机架的热变形（热敏感性）。 装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。,2. 导轨副应满足的基本要求,（2）刚度 导轨的刚度：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(自身变形，由导轨面上零部件重量引起)、接触刚度（接触变形，由接触处的微观不平度引起）、局部刚度（局部变形，发生在载荷集中的地方）。 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、添加辅助导轨、增加接触面积的方法提高刚度。,（3

4、）精度的保持性,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。 提高导轨的精度保持性，必须进行正确的润滑与保护。,（4）导轨运动灵活性和低速运动平稳性,灵活性 指对系统控制指令的反映能力。 低速运动平稳性 指低速运动时运动部件的运动波动误差（低速“爬行现象”）。 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、。,（5）温度敏感性和结构工艺性要求,温度敏感性 指导轨在环境温度和导轨运动摩擦发热的影响下，导轨运动灵活性、平稳性、导向精度产生变化的反映程度。 结构工艺性要求 结构简单、制造容易、装配调整、维修维护、检测方便，生产成本低。,3.导轨副的设计内容与步骤,1）依据导轨副使用的工作条件，选择合理的结构形式。 2）选择导轨副的截面形状，保证导轨的导向精度。 3）依据导轨的载荷和工作温度范围，选择导轨的具体结构及尺寸参数，保证具有足够的刚度、良好的耐磨性、运动灵活性、平稳性。,3.导轨副的设计内容与步骤,4）具有合理的误差自动补偿或调整装置，在导轨长期使用后（超过导轨规定的平均无故障工作时间MTBF

6、可靠性指标），通过调整进一步的保持导轨的导向精度。 5）选用合理的耐磨材料、润滑方法以及防护装置，使导轨尽可能的处于良好工作状态，减少导轨副的磨损。 6）制定必要的技术条件（关重件的制造工艺规范、装配调整技术条件、检测验收技术条件、使用维护操作规范、维修维护工艺流程与规范等）。,二.滑动导轨副的结构及其选择,1.滑动导轨副的截面形状和特点,凸形导轨特点？凹形导轨特点？哪种更适用于高速情况？,（1）三角形导轨,导轨（承导件）尖顶朝上的称三角形导轨，尖顶朝下的称V形导轨 特点： 在垂直载荷作用下，具有磨损量自动补偿功能，无间隙工作，导向精度高。 导轨水平与垂直误差相互影响，导轨面加工、检验、维修困

7、难。,（1）三角形导轨,又分对称型和非对称型三角形导轨。 对称型导轨 随顶角增大，导轨承载能力增大，但导向精度降低。 非对称导轨 主要用在载荷不对称的时候，通过调整不对称角度，使导轨左右面水平分力相互抵消，提高导轨刚度。,（2）矩形导轨,特点： 结构简单，制造、检验、维修方便，导轨面宽、承载能力大，刚度高，应用广泛。 导向精度不如三角形导轨高，磨损后不能自动补偿，在水平和垂直两方向均须间隙调整装置。 导轨在水平和垂直面位置互不影响，安装调整方便。 导轨的材料、载荷、宽度相同情况下，矩形导轨的摩擦阻力和接触变形都比三角形导轨小。,（3）燕尾形导轨,特点： 无磨损量自动补偿功能，须间隙调整装置。

8、燕尾起压板作用，一根镶条就可调整水平垂直两方向的间隙，可承受颠覆载荷，结构紧凑。 刚度差，摩擦阻力大、制造、检验、维修不方便。 用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合,（4）圆形导轨,特点： 结构简单，制造、检验、配合方便，精度易于保证，但磨损后很难调整，结构刚度较差。 用于承受轴向载荷的场合,2.导轨副组合,(1)双三角形导轨组合 特点： 两导轨磨损均匀，能自动补偿垂直和水平方向下磨损，接触刚度好，导向和精度保持性高 工艺性差，热敏感性较大。 主要用于高精机床。,(2)矩形与矩形导轨组合,特点： 承载面与导向面分离，制造调整简单、导向面间隙用调整镶条保证，接触刚度较低。 闭式结构

9、时，有辅助导向面，间隙由调整压板保证。在导轨副同样热变形条件下，L1越大，导向间隙要求越大。,(3)三角形与矩形导轨、平面导轨组合,特点： 兼有三角形导轨导向精度好、矩形导轨制造方便、刚性好的优点，可避免热变形产生的配合间隙变化； 两导轨磨损不均匀，影响导轨位置精度；另外，两导轨的摩擦阻力不同，因而布置驱动力时，驱动力应与两摩擦阻力的合力共线为宜。 当采用闭式压板结构时，可承受颠覆力矩。,三角形与矩形导轨、平面导轨组合,(4)燕尾形导轨及其组合,特点： 整体式燕尾导轨导向精度高，调整方便，承载能力强，制造困难 装配式导轨，制造调整方便，承载能力与整体式燕尾导轨相比较弱 燕尾导轨与矩形导轨组合，

10、兼有调整方便，承载能力较强等优点。,1斜镶条 ；2压板；3直镶条,燕尾形导轨及其组合的间隙调整,整体式燕尾形导轨,装配式燕尾形导轨,燕尾形与矩形导轨组合,3.导轨副间隙的调整,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，且导轨长期使用后，会因磨损而增大间隙，故导轨应有间隙调整装置。 常用的调整方法有压板和镶条法两种。 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刮压板，修挂调整垫片的厚度或调整螺钉的方法进行间隙的调整。,3.导轨副间隙的调整,矩形导轨垂直方向间隙的调整,矩形导轨垂直方向间隙的调整,1压板 ；2结合面；3调整螺钉；4调整垫片,

11、矩形和燕尾形导轨水平间隙的调整,矩形和燕尾形导轨水平间隙的调整,3.导轨副间隙的调整,三角形导轨的上滑动面能自动补偿，下滑动面的间隙调整和矩形导轨的下压板调整底面间隙相同。 圆形导轨的间隙不能调整。,4.导轨副材料的选择,导轨副材料选择的基本要求： 应具有高的耐磨性、减振性、热稳定性以及易于生产制造。,4.导轨副材料的选择,1）铸铁 耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工成本低 常用铸铁：灰铸铁、耐磨铸铁（高磷铸铁、低合金铸铁、稀土铸铁、孕育铸铁）,4.导轨副材料的选择,2）钢 为了提高导轨的耐磨性，可以采用淬硬的钢导轨 3）有色金属,4.导轨副材料的选择,4）塑料 镶装塑料导轨耐磨

12、性好(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广，抗撕伤能力强 动、静摩擦系数低，差别小 加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低。 塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。,4）塑料,导轨板：在钢板上烧结球状青铜颗粒并浸渍聚四氟乙烯塑料的板材。 这种塑料导轨板既具有聚四氟乙烯的摩擦特性，又具有青铜和钢铁的刚性与导热性。 聚四氟乙烯自润滑性能优异，适用于润滑不良或无法润滑的导轨面上。,5）导轨材料的搭配,动定导轨为软硬材料组合。 如：铸铁淬火铸铁、铸铁钢导轨、有色金属钢导轨、塑料钢导轨等。,滑动导轨常用材料的搭配,5. 提高导轨副耐磨性的措施,1) 采用镶装导轨 提高导轨的耐磨性，又使导轨的制造

13、工艺简单，修理方便，成本低 在支承导轨(如底座、床身等)上镶装淬硬钢条、钢板或钢带；在动导轨上镶装塑料或有色金属板。 除镶装塑料导轨外，还可用喷涂塑料导轨（锦纶1010和低压聚乙烯粉末，喷涂厚度0.51mm）,5. 提高导轨副耐磨性的措施,2)提高导轨的精度与改善表面粗糙度 3）减小导轨单位面积上的压力(即比压) 减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。 采用卸荷装置，即在导轨载荷相反方向增加弹簧或液压作用力，抵消导轨所受部分载荷。,三、滚动导轨副的类型与选择,组成：带沟槽的静导轨和动导轨、滚动体以及滚动体隔离元件等组成。 类型： 按运动形式 直线导轨和回转导轨。 按滚动体形状滚珠滚动导轨副

14、、圆柱（滚针）滚动导轨副、圆锥滚动导轨副等。 按滚道截面形状 平面导轨、三角形导轨、圆弧形导轨等。 按滚动体的循环方式非循环导轨和循环导轨。,1.直线运动滚动导轨副的特点及要求,滚动导轨的优点 摩擦系数小（0.0030.005） 动静摩擦系数基本相同 可预紧，刚度高 寿命长 润滑方便，可用脂润滑，一次装填，长期使用 由专业厂家生产，可外购 滚动导轨的缺点 导轨与滚动体间为线接触或点接触，抗振性查，接触应力大 对导轨表面硬度、表面形状精度、滚动体尺寸精度要求高，滚动体直径不一致会产生振动，影响运动精度 结构复杂，制造困难，成本较高； 对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。,1.直线运动滚动导轨副

15、的特点及要求,对滚动导轨副的基本要求 导向精度。是导轨副最基本的性能指标。各种机床对导轨副本身平面度、垂直度及等高、等距的要求都有规定或标准。 耐磨性。导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密传动导轨副的主要失效形式是磨损。因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。 刚度。选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。 工艺性。要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。,三、滚动导轨副的类型与选择,（1）滚动体不循环的滚动导轨副 （2）滚动体循环的滚动导轨副 （3）滚动轴承导轨,直线运动滚动导轨副的分类,三、滚动导轨副的类型与选择,（1）滚动体不循环的滚动导轨副,这种导轨的滚动体可以是

16、滚珠、滚针或圆柱滚子。滚动体不循环，所以行程不能太长。,1动导轨 2滚珠 3定导轨 4滚柱 5滚针,三、滚动导轨副的类型与选择,（1）滚动体不循环的滚动导轨副,导轨结构简单，制造容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。,滚珠导轨副(图a、b)： 摩擦阻力小，但承载能力差，刚度低；不能承受大的颠覆力矩和水平力屈常工作的滚珠接触部位，容易压出凹境，使导轨副丧失精度。这种导轨适用于裁荷不超过200 N的小型部件。设计时应注意尽量使驱动力和外加载荷作用点位于两条导轨副的中间。 滚针和滚柱导轨副(c、d、e、f、g、h) ： 承荷能力比滚珠导轨副高近10倍，刚度比滚

17、珠导轨副高。交叉滚柱导轨副(e)四个方向均能受载，导向性能也高。但滚针和滚柱对导轨面的平行度误差比较敏感，且容易侧向偏移和滑动，引起磨损加剧。,三、滚动导轨副的类型与选择,（2）滚动体循环的滚动导轨副,滚柱导轨块,可按额定动载荷选用，基本参数为高度H,滚珠导轨块,结构紧凑、高度小、滚珠不会像滚柱那样发生歪斜。但是承载能力差，抗振性能也略低。,三、滚动导轨副的类型与选择,（2）滚动体循环的滚动导轨副,1定导轨 2机身 3运动件 4动导轨 5调整螺钉 6塞块 7偏心调整销轴,三、滚动导轨副的类型与选择,（3）滚动轴承导轨 滚动轴承导轨与滚珠、滚柱导轨的主要区别：它不仅起着滚动体的作用，而且还代替了

18、导轨 用作导轨的滚动轴承与轴承厂制造的标准轴承有所不同，标准滚动轴承是外环固定，内环旋转，而用作导轨的轴承恰好相反，且轴承内外环比标准轴承厚。,导轨用滚动轴承,滚动轴承的偏心轴机构,三、滚动导轨副的类型与选择,（3）滚动轴承导轨,导向面 b垂直辅助导轨面,四、静压导轨副工作原理,静压导轨是将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件与导向支承件之间，运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与导向支承件脱离接触，致使摩擦阻力(力矩)大大降低。 运动件受外载荷作用后，介质压力会反馈升高，以支承外裁荷。,四、静压导轨副工作原理,闭式液体静压导轨工作原理图,1、3、6主导轨 2、4、5辅助导轨 7活塞销 8弹簧 9滚动轴承 10调节螺钉 11手柄,