機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第16章-直線運(yùn)動導(dǎo)軌課件

1.作用：按給定的方向和要求作往復(fù)直線運(yùn)動。2.組成：導(dǎo)軌是由運(yùn)動件和承導(dǎo)件這兩部分組成。3.原理：由承導(dǎo)件限制運(yùn)動件（剛體）的五個(gè)自由度，僅保留一個(gè)方向移動自由度形成如圖16-1b、c、d所示。16.1直線運(yùn)動導(dǎo)軌的作用、原理、分類與基本要求

第十六章直線運(yùn)動導(dǎo)軌11.作用：按給定的方向和要求作往復(fù)直線運(yùn)動。16.1直線運(yùn)16.1.1直線運(yùn)動導(dǎo)軌的分類1.按摩擦性質(zhì)分滑動摩擦導(dǎo)軌滾動摩擦導(dǎo)軌彈性摩擦導(dǎo)軌流體摩擦導(dǎo)軌2.按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分

力封式導(dǎo)軌借助外力保證運(yùn)動件和承導(dǎo)件導(dǎo)軌面間的接觸。自封式導(dǎo)軌依靠導(dǎo)軌本身的幾何形狀保證運(yùn)動件和承導(dǎo)件導(dǎo)軌面間的接觸?？梢猿惺軆A覆力矩。216.1.1直線運(yùn)動導(dǎo)軌的分類21.導(dǎo)向精度導(dǎo)軌面幾何精度：直線度、平行度、接觸精度導(dǎo)向精度：運(yùn)動件按規(guī)定的運(yùn)動方向作直線運(yùn)動，其軌跡與理想軌跡的相似程度。2.基本要求運(yùn)動輕便、平穩(wěn)、低速時(shí)無爬行現(xiàn)象耐磨性好、精度保持性對溫度變化的不敏感性足夠的剛度結(jié)構(gòu)工藝好16.1.2直線運(yùn)動導(dǎo)軌的基本要求和精度31.導(dǎo)向精度16.1.2直線運(yùn)動導(dǎo)軌的基本要求和精度特點(diǎn)：運(yùn)動件與承導(dǎo)件直接接觸。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、接觸剛度大。缺點(diǎn)：摩擦阻力大、磨損快、低速運(yùn)動時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。16.2滑動摩擦導(dǎo)軌16.2.1圓柱面導(dǎo)軌優(yōu)點(diǎn)：加工和檢驗(yàn)比較簡單，易于達(dá)到較高精度。缺點(diǎn)：對溫度變化比較敏感，間隙不能調(diào)整。防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（單根導(dǎo)軌有倆自由度，需防止轉(zhuǎn)動）。導(dǎo)軌的配合（導(dǎo)向精度要求不高，可選用H8/f7或H8/g7）。導(dǎo)軌的表面粗糙度（通常導(dǎo)軌的精度等級決定表面粗糙度）。4特點(diǎn)：運(yùn)動件與承導(dǎo)件直接接觸。16.2滑動摩擦導(dǎo)軌155有防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的圓柱面導(dǎo)軌6有防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的圓柱面導(dǎo)軌6

棱柱面導(dǎo)軌其承導(dǎo)面為幾個(gè)平面組成的棱柱面，主要的基本形式有三角形導(dǎo)軌、矩形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌。

16.2.2棱柱面導(dǎo)軌7棱柱面導(dǎo)軌其承導(dǎo)面為幾個(gè)平面組成的棱柱面，主16.2.3滑動導(dǎo)軌間隙調(diào)整816.2.3滑動導(dǎo)軌間隙調(diào)整81．導(dǎo)軌的幾何參數(shù)

導(dǎo)軌的長寬比L/b愈大，導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度愈高。三角形導(dǎo)軌的頂角α愈小，則導(dǎo)向性愈好。2．導(dǎo)軌的剛度3．耐磨性合理選擇導(dǎo)軌的材料及熱處理提高導(dǎo)軌的耐磨性減小導(dǎo)軌面壓強(qiáng)提高導(dǎo)軌的耐磨性

16.2.4滑動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)重要問題91．導(dǎo)軌的幾何參數(shù)16.2.4滑動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾1010

保證導(dǎo)軌良好的潤滑提高導(dǎo)軌的耐磨性提高導(dǎo)軌的精度提高導(dǎo)軌的耐磨性精密車床的床身導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差只允許上凸適當(dāng)減小導(dǎo)軌工作面的粗糙度，可提高耐磨性

4．運(yùn)動平穩(wěn)性

導(dǎo)軌運(yùn)動的不平穩(wěn)性主要表現(xiàn)是運(yùn)動件低速運(yùn)動時(shí)速度不均勻，運(yùn)動不靈活，運(yùn)動件出現(xiàn)時(shí)快時(shí)慢、時(shí)動時(shí)停的爬行現(xiàn)象。爬行現(xiàn)象不僅影響工作臺穩(wěn)定移動，同時(shí)也影響工作臺的定位精度，最終影響整個(gè)儀器的精度?；瑒雍蜐L動導(dǎo)軌在低速微位移的條件下，均有爬行現(xiàn)象，滑動導(dǎo)軌更是明顯。11保證導(dǎo)軌良好的潤滑提高導(dǎo)軌的耐磨性11減小導(dǎo)軌運(yùn)動件爬行的方法：(1)減小動、靜摩擦系數(shù)之差；(2)減小運(yùn)動件的質(zhì)量；(3)提髙傳動系統(tǒng)的剛度。5.溫度變化對導(dǎo)軌間隙的影響承導(dǎo)件和運(yùn)動件最好用膨脹系數(shù)相同或相近的材料。溫度影響驗(yàn)算

保證導(dǎo)軌在工作時(shí)不卡住

min>=0

保證導(dǎo)軌的工作精度

max<=[max]12減小導(dǎo)軌運(yùn)動件爬行的方法：12型式

運(yùn)動件和承導(dǎo)件之間放置滾動體（滾珠、滾柱、滾動軸承等）

特點(diǎn)摩擦系數(shù)小、運(yùn)動靈便，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；定位精度高；磨損較小，壽命長，潤滑方便；結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工較困難，成本較高；對臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感。常見的類型：滾珠導(dǎo)軌、滾柱導(dǎo)軌、滾動軸承導(dǎo)軌。16.3滾動摩擦導(dǎo)軌16.3.1滾動導(dǎo)軌的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)13型式16.3滾動摩擦導(dǎo)軌16.3.1滾動導(dǎo)軌過盈預(yù)緊16.3.2滾動導(dǎo)軌的預(yù)緊14過盈預(yù)緊16.3.2滾動導(dǎo)軌的預(yù)緊14移動預(yù)緊15移動預(yù)緊1516.3.3導(dǎo)軌主要參數(shù)的確定1.運(yùn)動件的長在滿足導(dǎo)軌最大位移Smax的前提下，應(yīng)盡可能減小運(yùn)動件的長度L。

運(yùn)動件長度計(jì)算簡圖1616.3.3導(dǎo)軌主要參數(shù)的確定1.運(yùn)動件的長在滿足導(dǎo)

隔離架的速度與左邊滾道滾珠中心的移動速度相同，為運(yùn)動件移動速度之半。當(dāng)運(yùn)動件移動Smax時(shí)，隔離架只移動Smax/2。2.隔離架限動槽長度b和平橢圓長度B17隔離架的速度與左邊滾道滾珠中心的移動速度相同，為

承載能力與滾動體的數(shù)量z和滾動體直徑d2成正比。提髙接觸剛度，增大直徑比增加數(shù)目更為有利。另外，滾動體的直徑越大，滾動摩擦系數(shù)越小，滾動導(dǎo)軌的摩擦阻力也越小。―般規(guī)定最小直徑為6?8mm。3.滾動體的大小和數(shù)量18承載能力與滾動體的數(shù)量z和滾動體直徑d2成正比。

滾動導(dǎo)軌的強(qiáng)度計(jì)算主要是滾動體與導(dǎo)軌面間受力后的接觸強(qiáng)度，核算每個(gè)滾動體所承受的最大壓力Fmax

是否超過導(dǎo)軌材料接觸強(qiáng)度所允許的最大壓力Fa，即：

Fmax＜Fa。對于滾動導(dǎo)軌的剛度計(jì)算，本質(zhì)上是計(jì)算接觸變形。由于導(dǎo)軌運(yùn)動件一般剛性較大、變形較小，因此在導(dǎo)軌設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮滾珠與承導(dǎo)面接觸面積較小所導(dǎo)致的較大的接觸變形，而這種變形嚴(yán)重的影響導(dǎo)軌運(yùn)動的直線性。具體有關(guān)滾動導(dǎo)軌的強(qiáng)度與剛度計(jì)算見“機(jī)床設(shè)計(jì)手冊”。4．滾動導(dǎo)軌的強(qiáng)度與剛度19滾動導(dǎo)軌的強(qiáng)度計(jì)算主要是滾動體與導(dǎo)軌面間受力

對滾動導(dǎo)軌材料的主要要求是硬度高、性能穩(wěn)定以及良好的加工性能。滾動體的材料一般采用滾動軸承鋼（GCr15），淬火硬度60~66HRC。

常用的導(dǎo)軌材料有：

1.低碳合金鋼如20Cr，經(jīng)滲碳（深度1~1.5mm）淬火，滲碳層硬度可達(dá)60~63HRC。

2.合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr，淬火后低溫回火，硬度可達(dá)45~50HRC。加工性能良好，但硬度較低。

3.合金工具鋼如鉻鎢錳鋼（CrWMn）、鉻錳鋼（CrMn），淬火后低溫回火，硬度可達(dá)60～64HRC。這種材料的性能穩(wěn)定，可以制造變形小、耐磨性高的導(dǎo)軌。

4.氮化鋼如鉻鉬鋁鋼（38CrMoAlA）或鉻鋁鋼（38CrAl），經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火后，表面氮化，可得很高的表面硬度（850HV），但硬化層很?。?.5mm以下），加工時(shí)應(yīng)注意。

5.鑄鐵例如某些儀器中采用鉻鉬銅合金鑄鐵，硬度可達(dá)230~240HBS，加工方便，滾動體用滾柱，一般可滿足使用要求。16.3.4

滾動導(dǎo)軌的材料和熱處理20對滾動導(dǎo)軌材料的主要要求是硬度高、性能穩(wěn)定以及良16.4

滑動導(dǎo)軌與滾動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題16.4.1導(dǎo)軌主要尺寸的確定1．導(dǎo)軌寬度B導(dǎo)軌寬度與導(dǎo)軌的承載能力有關(guān)W——已知載荷L——為導(dǎo)軌長度P——合理的壓強(qiáng)2.V形導(dǎo)軌角度

V形導(dǎo)軌角度以采用90。。小于90。角可以提髙導(dǎo)向性，但磨損會使精度急劇降低。過小還會使工作臺移動時(shí)有楔緊作用，增大摩擦阻力。大于90。角，能減少壓強(qiáng)，但導(dǎo)向較差。式中：2116.4滑動導(dǎo)軌與滾動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題16.3.

二條導(dǎo)軌的間距LA

導(dǎo)軌間距，應(yīng)在保證運(yùn)動件工作穩(wěn)定的前提下，盡可能取小值。4.運(yùn)動件的長度

取較長運(yùn)動件導(dǎo)軌，有利于改善導(dǎo)向精度和工作的可靠性。如圖所示，當(dāng)存在導(dǎo)軌間隙Δ時(shí)，運(yùn)動件傾斜角α≈Δ/L與導(dǎo)軌長度L有關(guān)，L愈大，α愈小，間隙對導(dǎo)軌的精度影響也愈小。22運(yùn)動件導(dǎo)軌長度對導(dǎo)向精度的影響3.二條導(dǎo)軌的間距LA4.運(yùn)動件的長度取較長減小傾覆力矩，使運(yùn)動件不被卡住16.4.2驅(qū)動力方向和作用點(diǎn)對導(dǎo)軌工作的影響1.單根圓柱導(dǎo)軌驅(qū)動力方向和作用點(diǎn)對導(dǎo)軌工影響23減小傾覆力矩，使運(yùn)動件不被卡住16.4.2驅(qū)動力方向

驅(qū)動力方向和作用點(diǎn)對導(dǎo)軌工作的影響

（不同截面形狀的組合導(dǎo)軌，摩擦力合力位置決定驅(qū)動元件的位置）2.三角形——平面組合導(dǎo)軌驅(qū)動力方向和作用點(diǎn)對導(dǎo)軌工作的影響24驅(qū)動力方向和作用點(diǎn)對導(dǎo)軌工作的影響2.三角形——平面組優(yōu)點(diǎn)摩擦力極?。粵]有磨損，不需潤滑；運(yùn)動靈便性高；當(dāng)運(yùn)動件位移足夠小時(shí)，精度很高，可達(dá)極高分辨率。缺點(diǎn)

只能作很小的移動。16.5其它類型的導(dǎo)軌簡介16.5.1彈性摩擦導(dǎo)軌25優(yōu)點(diǎn)16.5其它類型的導(dǎo)軌簡介16.5.1彈性摩擦2626

導(dǎo)軌面間通入壓力油或壓縮空氣，使運(yùn)動件浮起，保證液體或氣體摩擦。

液體靜壓導(dǎo)軌

分類：開式靜壓導(dǎo)軌閉式靜壓導(dǎo)軌

優(yōu)點(diǎn)：摩擦系數(shù)小、無磨損、承載能力大、導(dǎo)軌溫升小、抗振性好。

氣體靜壓導(dǎo)軌開式、閉式、負(fù)壓吸浮式氣墊導(dǎo)軌16.5.2靜壓導(dǎo)軌27導(dǎo)軌面間通入壓力油或壓縮空氣，使運(yùn)動件開式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，但承受傾覆力矩的能力較差。返回28開式靜壓導(dǎo)軌返回28閉式靜壓導(dǎo)軌返回29閉式靜壓導(dǎo)軌返回29負(fù)壓吸浮式氣墊的工作原理返回30負(fù)壓吸浮式氣墊的工作原理返回30氣體靜壓導(dǎo)軌兩坐標(biāo)負(fù)壓吸浮式氣墊導(dǎo)軌31氣體靜壓導(dǎo)軌兩坐標(biāo)負(fù)壓吸浮式氣墊導(dǎo)軌31導(dǎo)向精度導(dǎo)軌間的平行度32導(dǎo)向精度導(dǎo)軌間的平行度32導(dǎo)向精度導(dǎo)軌在垂直平面和水平面內(nèi)的直線度33導(dǎo)向精度導(dǎo)軌在垂直平面和水平面內(nèi)的直線度33返回

34返回34接觸精度精密儀器的滑（滾）動導(dǎo)軌，在全長上的接觸應(yīng)達(dá)到80%，在全寬上達(dá)70%。刮研導(dǎo)軌表面，每25×25mm2的面積內(nèi)，接觸點(diǎn)數(shù)不少于20點(diǎn)。一般對導(dǎo)軌接觸精度檢查是采用著色法。精密儀器動導(dǎo)軌的表面粗糙度Ra＝1.6~0.8μm，支承導(dǎo)軌的Ra＝0.80~0.20μm。對于淬硬導(dǎo)軌的表面粗糙度，應(yīng)比上述Ra的值提高一級。滾動導(dǎo)軌的表面粗糙度應(yīng)小于Ra＝0.20μm。返回35接觸精度返回35雙三角形導(dǎo)軌

導(dǎo)向精度高、承載能力大、精度保持性好；對溫度變化較敏感。返回36雙三角形導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高、承載能力大、精度保持性好；對溫度三角形——平面導(dǎo)軌

導(dǎo)向精度高，承載能力大，對溫度變化的不敏感，工藝性好；磨損后不能自動調(diào)整間隙。37三角形——平面導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，承載能力大，對溫度變矩形導(dǎo)軌承載能力和剛度較大，結(jié)構(gòu)簡單。返回38矩形導(dǎo)軌承載能力和剛度較大，結(jié)構(gòu)簡單。返回38燕尾導(dǎo)軌

結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)整間隙方便。形狀復(fù)雜、摩擦力大，運(yùn)動靈活性差。返回39燕尾導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)整間隙方便。形狀復(fù)雜、摩擦力大常用材料鑄鐵HT200、HT300、高磷鑄鐵等表面淬火、鍍鉻、涂鉬等鋼碳素鋼(40、T8A)、合金鋼(20Cr、40Cr)

滲碳、高頻淬火等；鑲裝導(dǎo)軌有色金屬黃銅、錫青銅、超硬鋁、鑄鋁工程塑料聚四氟乙烯、聚酰胺等涂層、軟帶、復(fù)合導(dǎo)軌板導(dǎo)軌熱處理后，需時(shí)效。不同材料匹配使用

鑄鐵——淬火鋼、鑄鐵——塑料、鋼——青銅等返回40常用材料返回40彈性摩擦導(dǎo)軌返回41彈性摩擦導(dǎo)軌返回41滾珠導(dǎo)軌典型結(jié)構(gòu)型式自封式42滾珠導(dǎo)軌典型結(jié)構(gòu)型式自封式42典型結(jié)構(gòu)型式力封式43典型結(jié)構(gòu)型式力封式434444滾珠導(dǎo)軌組件特點(diǎn)：滾珠循環(huán)導(dǎo)軌返回45滾珠導(dǎo)軌組件特點(diǎn)：滾珠循環(huán)導(dǎo)軌返回45滾柱導(dǎo)軌交叉滾柱V－平導(dǎo)軌圖aV－平滾柱導(dǎo)軌圖b返回46滾柱導(dǎo)軌交