1、第第1414章章 导轨和基座导轨和基座直线运动导轨限制了其他五个自由度，只剩下单向的移动直线运动导轨限制了其他五个自由度，只剩下单向的移动.导轨的导向面导轨的导向面 1）棱柱面）棱柱面2）圆柱面）圆柱面1 1 导轨的作用、特点和分类导轨的作用、特点和分类直线运动导轨的作用是支承和引导运动部件作直线运动直线运动导轨的作用是支承和引导运动部件作直线运动.导轨的组成导轨的组成 运动件运动件 承导件承导件导轨的分类导轨的分类 滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨 滚动摩擦导轨滚动摩擦导轨 弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨 流体摩擦导轨流体摩擦导轨导轨的基本要求导轨的基本要求导向精度高导向精度高运动轻便、平稳、低速时无爬行
2、现象运动轻便、平稳、低速时无爬行现象耐磨性好耐磨性好对温度变化不敏感对温度变化不敏感足够的刚度足够的刚度结构工艺性好结构工艺性好2 2 导轨设计的基本要求导轨设计的基本要求1、导向精度导向精度导向精度是运动副的主要技术指标，它是指导轨副导向精度是运动副的主要技术指标，它是指导轨副中运动件沿给定方向做直线或旋转运动的精确程度中运动件沿给定方向做直线或旋转运动的精确程度 直线运动导轨几何精度的几项指标直线运动导轨几何精度的几项指标 导轨在水平平面和垂直平面的直线度导轨在水平平面和垂直平面的直线度图（图（a)图（图（b）为）为V型导轨在水平平面和垂直平面型导轨在水平平面和垂直平面的直线度，其误差为的
3、直线度，其误差为。导轨间的平行度和垂直度导轨间的平行度和垂直度导轨在垂直平面内的直线度误导轨在垂直平面内的直线度误差对工作平面加工精度的影响差对工作平面加工精度的影响两导轨面的平行度两导轨面的平行度二二 刚度刚度导轨的刚度是指外力作用下导轨本身抵抗变形导轨的刚度是指外力作用下导轨本身抵抗变形的能力的能力 1刀具；刀具；2横梁；横梁；3主轴箱主轴箱 1立柱；立柱；2纵梁；纵梁；3横梁；横梁；4滚动轴承；滚动轴承；5小车；小车；6滚轮；滚轮；7校正板；校正板；8螺杆螺杆三三 耐磨性耐磨性减少磨损的措施减少磨损的措施1降低导轨面比压降低导轨面比压导轨面比压是指导轨单位面积上承受载荷的能力，即导轨面比
4、压是指导轨单位面积上承受载荷的能力，即 WWpAaL式中式中 p导轨面比压；导轨面比压；W作用于导轨面上的集中载荷；作用于导轨面上的集中载荷；A承载面积；承载面积；a为导轨宽度；为导轨宽度；L为动导轨长度。为动导轨长度。2良好的防护与润滑3正确选择导轨副的材料和热处理正确选择导轨副的材料和热处理 3 3 导轨导向设计导轨导向设计一、一、按运动学原理设计按运动学原理设计一个刚体在空间中有一个刚体在空间中有6个自由度，如图（个自由度，如图（a）所示）所示沿沿x，y，z轴的移动和绕这三个轴的转动轴的移动和绕这三个轴的转动,实际中往往受到约束，如图（实际中往往受到约束，如图（b）所示。）所示。在将导轨
5、的形体用符号来表示：球在将导轨的形体用符号来表示：球S、平面、平面P、圆柱、圆柱C、V形形VG、山形、山形VM的情况下，导轨副的基本单元可组合成的情况下，导轨副的基本单元可组合成如下六种实用类型如下。如下六种实用类型如下。（1）球与平面（3）平面与平面（4）球与V形（5）山形与V形 （6）圆柱与V形（2）圆柱与平面 二二 按误差平均原理计算按误差平均原理计算 滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨的类型及结构特点滑动摩擦导轨的类型及结构特点 滑动导轨的截面形状：滑动导轨的截面形状：1 1）圆柱面导轨）圆柱面导轨 2 2）棱柱面导轨）棱柱面导轨 棱棱 柱柱 形形 圆圆 形形对称三角形对称三角形矩矩
6、 形形 燕燕 尾尾 形形凸形凸形凹形凹形不对称三角形不对称三角形1 1、圆柱面导轨、圆柱面导轨 特点：防转机构特点：防转机构 2 2、棱柱面导轨、棱柱面导轨A、双三角形导轨、双三角形导轨 C、矩形导轨、矩形导轨 D、燕尾导轨、燕尾导轨 B B、三角形平面导轨、三角形平面导轨 提高导轨耐磨性的措施提高导轨耐磨性的措施3 3、保证导轨良好的润滑、保证导轨良好的润滑导轨材料的要求：导轨材料的要求：耐磨性好，耐磨性好，摩擦系数小摩擦系数小 良好的加工和热处理性质良好的加工和热处理性质2 2、减小导轨面压强、减小导轨面压强 铸铁铸铁 180180200HBS200HBS，采用，采用表面淬火工艺，表面硬度
7、可达表面淬火工艺，表面硬度可达 55HRC55HRC，耐磨性可提高，耐磨性可提高1-31-3倍。倍。钢钢 碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢 有色金属材料有色金属材料 塑料塑料1 1、合理选择导轨的材料及热处理、合理选择导轨的材料及热处理 4 4、提高导轨的精度、提高导轨的精度 导轨主要尺寸的确定导轨主要尺寸的确定宽度宽度B LpFB F F 载荷载荷 L L 长度长度 【p p】压强压强V V形导轨角度形导轨角度=90 =90 制造方便制造方便间距间距L LA A 两导轨之间的距离两导轨之间的距离运动的导轨长度运动的导轨长度:L=(1.2-1.8)LA4 4 滚动摩擦导轨滚动摩擦导轨 与滑动摩擦导
8、轨比较，滚动导轨的特点：1 1、摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便，、摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便，不易出现爬行现象不易出现爬行现象;2 2、定位精度高，滚动导轨的重复定位误差约为、定位精度高，滚动导轨的重复定位误差约为0.10.10.2 0.2 m m，而滑动导轨的定位误差一般为而滑动导轨的定位误差一般为101020 20 m m。因此，当要求运动。因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；3 3、磨损较小，寿命长，润滑简单；、磨损较小，寿命长，润滑简单；4 4、结构较为复杂，加工比较困难，成本较
9、高；、结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；5 5、对脏物及导轨面的误差比较敏感；、对脏物及导轨面的误差比较敏感；在动、静两导轨面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体，在动、静两导轨面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体，导轨运动处于滚动摩擦状态，这种导轨称为滚动导轨。导轨运动处于滚动摩擦状态，这种导轨称为滚动导轨。1、滚珠导轨、滚珠导轨 2 2、滚柱导轨与滚动轴承导轨、滚柱导轨与滚动轴承导轨 交叉滚柱交叉滚柱V V平导轨平导轨V V平滚柱导轨平滚柱导轨滚滚动动轴轴承承导导轨轨 2cos1dd 2滚柱（针）导轨滚柱（针）导轨滚柱（针）导轨副结构形式滚柱（针）导轨副结构形式 3滚动轴承导轨滚动轴承导轨4组合
10、导轨组合导轨滚珠与滚柱组合的导轨滚珠与滚柱组合的导轨 滚柱与长圆柱轴组合的导轨副滚柱与长圆柱轴组合的导轨副 材料材料滚动体：滚动体：滚动轴承钢滚动轴承钢 （GCr15GCr15）导轨材料：导轨材料：低碳合金钢低碳合金钢 合金结构钢合金结构钢 合金工具钢合金工具钢 氮化钢氮化钢 铸铁铸铁 5 5 基座基座 一一 基座的结构特点及主要技术要求基座的结构特点及主要技术要求 精密数控铣床的结构图精密数控铣床的结构图 1基座；基座；2工作台；工作台；3传动系统；传动系统；4电机；电机；5立柱；立柱；6控制系统控制系统基座与支承件的特点基座与支承件的特点尺寸较大尺寸较大结构比较复杂结构比较复杂基座设计时应
11、注意的问题基座设计时应注意的问题刚性刚性 热变形热变形抗振性抗振性 稳定性稳定性 提高抗振性的方法提高抗振性的方法 提高静刚度提高静刚度 减小内部振源的振动影响。减小内部振源的振动影响。减轻重量。减轻重量。有时采取隔振措施以减小外界振源对仪器正常工作的有时采取隔振措施以减小外界振源对仪器正常工作的影响。影响。为提高稳定性对基座和支承件要进行时效处理的方法为提高稳定性对基座和支承件要进行时效处理的方法 自然时效处理。自然时效处理。人工时效处理。人工时效处理。二二、基座与支承件的结构设计、基座与支承件的结构设计当构件承受弯曲载荷，其弯曲变形量为当构件承受弯曲载荷，其弯曲变形量为 1wKyI1、正确
12、的选择截面、正确的选择截面扭曲变形量则为扭曲变形量则为 2nKI式中式中 K K1 1，K K22抗弯、抗扭系数，与材料弹性模数和尺寸有关；抗弯、抗扭系数，与材料弹性模数和尺寸有关；wInI截面抗弯、抗扭惯性矩，与构件的截面形状有关。截面抗弯、抗扭惯性矩，与构件的截面形状有关。结论：结论：空心的截面惯性矩比实心的大，即空心截面构件的刚度比实心的空心的截面惯性矩比实心的大，即空心截面构件的刚度比实心的高。因此在相同截面面积的情况下，采用加大横截面轮廓尺寸而减高。因此在相同截面面积的情况下，采用加大横截面轮廓尺寸而减小壁厚的办法可提高支承件的刚度。小壁厚的办法可提高支承件的刚度。采用圆形空心截面能
13、提高抗弯和抗扭刚度。采用长方开空心截面采用圆形空心截面能提高抗弯和抗扭刚度。采用长方开空心截面对提高长边方向的抗弯刚度效果显著。对提高长边方向的抗弯刚度效果显著。截面为不封闭形式，抗扭刚度极差。因此，在相同的截面面积的截面为不封闭形式，抗扭刚度极差。因此，在相同的截面面积的情况下，支承件的截面最好做成四边封闭的箱形。情况下，支承件的截面最好做成四边封闭的箱形。2合理布置筋板和加强筋合理布置筋板和加强筋 按布置形式筋板分按布置形式筋板分 纵向筋板纵向筋板 横向筋板横向筋板 斜置筋板斜置筋板 筋板的布置形式筋板的布置形式 各种筋板的布置形式如图所示各种筋板的布置形式如图所示(a)，(b)和和(c)
14、都是方格式纵横筋，其中都是方格式纵横筋，其中(c)比比(b)的铸造性能好，因为的铸造性能好，因为(c)中筋条受力状中筋条受力状况好，交叉处金属聚集较少，分布均匀，况好，交叉处金属聚集较少，分布均匀，内应力小内应力小。(d)、(e)是三角形和菱形筋，不仅刚度较是三角形和菱形筋，不仅刚度较好，工艺也较简单。好，工艺也较简单。(f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断裂，但其铸造泥芯很多。裂，但其铸造泥芯很多。(f)是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度是六角（蜂窝）形筋，抗弯、抗扭刚度较好，铸件均匀
15、收缩，内应力小，不易断较好，铸件均匀收缩，内应力小，不易断裂，但其铸造泥芯很多。裂，但其铸造泥芯很多。(g)、(h)形筋铸造工艺也较复杂，但刚度很形筋铸造工艺也较复杂，但刚度很好。好。一般筋条采用直筋或人字形筋一般筋条采用直筋或人字形筋 筋条的形状筋条的形状 三三 基座与支承件的材料选择基座与支承件的材料选择 材料材料铸铁铸铁 钢板钢板 花岗岩花岗岩 花岗岩的优点：稳定性好花岗岩的优点：稳定性好、加工简便、加工简便、保养简便、保养简便、温度、温度稳定性好稳定性好、吸振性好、吸振性好、不导电，抗电磁、价格便宜、不导电，抗电磁、价格便宜。弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨弹性摩擦导轨的优点：弹性摩擦导轨的优
16、点：1 1、摩擦力极小；、摩擦力极小；2 2、没有磨损，不需润滑；、没有磨损，不需润滑；3 3、运动灵便性高；、运动灵便性高；4 4、当运动件的位移足够小时，精、当运动件的位移足够小时，精度很高，可以达到极高的分辨率。度很高，可以达到极高的分辨率。弹性导轨的主要缺点：弹性导轨的主要缺点：运动件只能作很小的移动，运动件只能作很小的移动，大大限制了其使用范围。大大限制了其使用范围。静压导轨静压导轨1、液体静压导轨、液体静压导轨 开式静压导轨开式静压导轨液体静压导轨的优点：液体静压导轨的优点：摩擦系数很小（起动摩擦系数可摩擦系数很小（起动摩擦系数可小至小至0.00050.0005），可使驱动功率大大
17、），可使驱动功率大大降低，运动轻便灵活，低速时无爬降低，运动轻便灵活，低速时无爬行现象；行现象；导轨工作表面不直接接触，基本导轨工作表面不直接接触，基本没有磨损，能长期保持原始精度，没有磨损，能长期保持原始精度，寿命长；寿命长；承载能力大，刚度好；承载能力大，刚度好；摩擦发热小，导轨温升小；摩擦发热小，导轨温升小；油液具有吸振作用，抗振性好；油液具有吸振作用，抗振性好；静压导轨的缺点；静压导轨的缺点；结构复杂，需要一套供油设备，油结构复杂，需要一套供油设备，油膜厚度不易掌握，调整较困难。膜厚度不易掌握，调整较困难。2、气体静压导轨、气体静压导轨 气体静压导轨是由外界设备气体静压导轨是由外界设备供给一定压力的气体将运动供给一定压力的气体将运动件与承导件分开，运动件运件与承导件分开，运动件运动时只存在很小的气体之间动时只存在很小的气体之间的摩擦，摩擦系数极小，适的摩擦，摩擦系数极小，适用于精密、轻载、高速场合。用于精密、轻载、高速场合。
