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所属分类：机电一体化
由机械运动学原理可知,一个刚体在空间有6个自由度,即沿x、y、z轴移动和绕它们转动（见图1(a)）。对于直线运动导轨,必须限制运动件的5个自由度,仅保留沿一个方向移动的自由度。
以棱柱面相接触的零件只有沿一个方向移动的自由度,如图1(b)、(c)、(d)所示的棱柱面导轨,运动件只能沿x方向移动。
以圆柱面相配合的两个零件,有绕圆柱面轴线转动及沿此轴线移动的两个自由度,在限制转动这一自由度后,则只有沿其轴线方向移动的自由度（如图1(e)所示）。
图1 导轨的导向原理
一、导轨的基本要求
(1) 导向精度高。如图2（a）、（b）所示,理想的导轨面与垂直平面A-A或水平面B-B的交线均应为一条理想直线,但由于存在制造误差,致使交线的实际轮廓偏离理想直线,其最大偏差量Δ即为导轨全长在垂直平面（图3-30(a)）和水平面（图2(b)）内的直线度误差。
导轨面间的平行度。 图2(c)所示为导轨面间的平行度误差。
图2 导轨的几何角度
(2) 运动轻便、平稳,低速时无爬行现象。
(3) 耐磨性好。
(4) 对温度变化的不敏感性。
(5) 足够的刚度。
(6) 结构工艺性好。
二、滑动摩擦导轨的类型及结构特点
按导轨承导面的截面形状,可将滑动导轨分为圆柱面导轨和棱柱面导轨（见图3）。
图3 滑动摩擦导轨截面形状
1. 圆柱面导轨
图4所示。
图4 圆柱面导轨
图5(a)、(b)、(c)是这种防转结构的几个例子。利用辅助导向面可以更好地限制运动件的转动（见图5(d)）,适当增大辅助导向面与基本导向面之间的距离,可减小由导轨间的间隙所引起的转角误差。当辅助导向面也为圆柱面时,即构成双圆柱面导轨（见图5 (e) ）,它既能保证较高的导向精度, 又能保证较大的承载能力。
图5 有防转结构的圆柱面导轨
2. 棱柱面导轨
常用的棱柱面导轨有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨以及它们的组合式导轨。
（1） 双三角形导轨。 如图6(a)所示
（2） 三角形—平面导轨。如图6(b)所示
（3） 矩形导轨。图7所示结构是将矩形导轨的导向面A与承载面B、C分开,从而减小导向面的磨损,有利于保持导向精度。图7(a)中的导向面A是同一导轨的内外侧,两者之间的距离较小,热膨胀变形较小,可使导轨的间隙相应减小,导向精度较高。图7(b) 所示结构以两导轨面的外侧作为导向面,克服了上述缺点,但因导轨面间距离较大,容易受热膨胀的影响,要求间隙不宜过小,从而影响导向精度。
图 6 三角形导轨
图 7 矩形导轨
(4） 燕尾导轨。 图8(c)所示结构的特点是把燕尾槽分成几块,便于制造、装配和调整。
图8 燕尾导轨的应用举例
三、 导轨间隙的调整
(1) 采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法,以获得合适的间隙。如图8(a)所示。
(2) 采用平镶条调整间隙。见图9。
图9 平镶条调整导轨间隙
(3) 采用斜镶条调整间隙。斜镶条的侧面磨成斜度很小的斜面,导轨间隙是用镶条的纵向移动来调整的,为了缩短镶条长度,一般将其放在运动件上。
图10(a)的结构简单,但螺钉凸肩与斜镶条的缺口间不可避免地存在间隙,可能使镶条产生窜动。图10(b)所示的结构较为完善,但轴向尺寸较长,调整也较麻烦。图10(c) 是由斜镶条两端的螺钉进行调整的,镶条的形状简单,便于制造。图10（d)是用斜镶条调整燕尾导轨间隙的实例。
图10 斜镶条调整导轨间隙
四、驱动力的方向和作用点对导轨工作的影响
设驱动力作用在通过导轨轴线的平面内,驱动力F的方向与导轨运动方向的夹角为α,作用点离导轨轴线的距离为h。导轨受力情况如图11所示,由于驱动力F将使运动件倾转,因此可认为运动件与承导件的两端点压紧,正压力分别为N1、N2,相应的摩擦力为N1fv和N2fv,载荷为Fa,忽略运动件与承导件间的配合间隙和运动件重力的影响,且当d/L很小时,保证运动件不被卡住的条件是
图11 导轨受力简图
式中: ;
f——滑动摩擦系数；
β——燕尾轮廓角或三角形底角。
对于不同截面形状的组合导轨,由于两根导轨的摩擦力不同,因此驱动运动件的驱动元件(螺旋副、齿轮—齿条或其他传动装置)的位置应随之不同。例如对图12所示的三角形—平面组合导轨,因三角形导轨上的摩擦力要比平面导轨大,摩擦力的合力作用在O点,且c>b,因此,驱动元件的位置应该设在O点,从而消除运动件移动时转动的趋势,使运动件移动平稳而灵活。
图12 三角形—平面导轨
五、温度变化对导轨间隙的影晌
滑动摩擦导轨对温度变化比较敏感。由于温度的变化,可能使自封式导轨卡住或造成不能允许的过大间隙。为减小温度变化对导轨的影响,承导件和运动件最好用膨胀系数相同或相近的材料。 如果导轨在温度变化大的条件下工作(如大地测量仪器或军用仪器等),在选定精度等级和配合以后,应对温度变化的影响进行验算。
为了保证导轨在工作时不致卡住,导轨中的最小间隙值Δmin应大于或等于零。导轨的最小间隙可用下式计算：
六、导轨的刚度计算
导轨的接触变形可按经验公式估算,对于接触面积不超过100～150cm2的钢和铸铁的接触,其接触变形δ（单位为μm）为
式中:
p——接触面间的平均压力（N／cm2）；
c——系数,对于精刮导轨面（每25mm×25 mm在16点以上）和磨削导轨面（粗糙度Ra为0.16～0.32 μm）为1.47～1.94,研磨表面（粗糙度Ra为0.01～0.02μm)为0.69。
七、提高导轨耐磨性的措施
1. 合理选择导轨的材料及热处理
用于导轨的材料,应具有耐磨性好,摩擦系数小,并具有良好的加工和热处理性质。常用的材料有：
（1） 铸铁。
（2） 钢。
（3） 有色金属。
（4） 塑料。
图13 塑料导轨板截面示意图
2. 减小导轨面压强
（1） 静压卸载导轨（见图14）。
图14 静压卸载导轨原理
（2） 水银卸载导轨（见图15）。
图15 水银卸载导轨原理
（3） 机械卸载导轨（见图16）。
图16 机械卸载导轨
3. 保证导轨良好的润滑
保证导轨良好的润滑,是减小导轨摩擦和磨损的另一个有效措施。这主要是润滑油的分子吸附在导轨接触表面,形成厚度约为0.005～0.008mm的一层极薄的油膜,从而阻止或减少导轨面间直接接触的缘故。
选择导轨润滑油的主要原则是：载荷越大、速度越低,则油的粘度应越大； 垂直导轨的润滑油粘度,应比水平导轨润滑油的粘度大些； 在工作温度变化时,润滑油的粘度变化要小； 润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度,不浸蚀机件,油中的杂质应尽量少。
4. 提高导轨的精度
提高导轨精度主要指保证导轨的直线度和各导轨面间的相对位置精度。导轨的直线度误差都规定在对导轨精度有利的方向上,如精密车床的床身导轨在垂直面内的直线度误差只允许上凸,以补偿导轨中间部分经常使用而产生向下凹的磨损。
适当减小导轨工作面的粗糙度,可提高耐磨性,但过小的粗糙度不易储存润滑油,甚至产生“分子吸力”,以致撕伤导轨面。粗糙度一般要求Ra≤0.32μm。
八、 导轨主要尺寸的确定
导轨的主要尺寸有运动件和承导件的长度、导轨宽度、两导轨之间的距离及三角形导轨的顶角等。
增大导轨运动件长度L,有利于提高导轨的导向精度和运动灵活性,但却使工作台的尺寸和重量加大。因此,设计时一般取L=(1.2～1.8)a。其中,a为两导轨之间的距离。
如结构允许,则可取L≥2a。承导件的长度则主要取决于运动件的长度及工作行程。
导轨宽度B可根据载荷F和允许压强p求出：
两导轨之间的距离减小,则导轨尺寸减小,但导轨稳定性变差。设计时应在保证导轨工作稳定的前提下,减小两导轨之间的距离。
三角形导轨的顶角一般取为90°。
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