第2章 机械系统设计(4导向支承部件概述及滑动导轨副结构及选择)

第二章机电一体化系统的机械系统部件的选择与设计2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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(Structuralelements)2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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(Finiteelementmethod)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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副组成：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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副导轨副的种类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机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副常用导轨副结构示意图2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副导向精度高、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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副(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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副直线运动导轨的几何精度:①导轨在垂直平面内和水平平面内的直线度;②两导轨面间的平行度，也叫扭曲度。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副（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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副导轨的刚度（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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副(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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副(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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副(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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副（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机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副滑动导轨两大类——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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副三角形导轨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α增加,导向精度降低,承载面积增加,通常取α=90°。大型或重型机床，可取α=110°～120°，精密机床，常取α＜90°。导向精度较高，不对称三角形制造、检验和修理带来困难。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副矩形导轨优点：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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副燕尾形导轨优点：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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副圆柱形导轨优点：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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副圆周运动导轨截面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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副双三角形组合优点：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2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副双矩形组合优点：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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副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。2机械系统设计－－导向支承部件概述滑动导轨副三角形和平面导轨组合具有三角形和矩形