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第四章第四章 机械系统设计机械系统设计4.6 导轨设计导轨设计4.6.1 导轨概述导轨概述4.6.2 导轨基本结构导轨基本结构4.6.3 导轨间隙的调整导轨间隙的调整4.6.4 导轨副的材料选择与技术要求导轨副的材料选择与技术要求4.6.5 滚动导轨副滚动导轨副4.6.1 导轨概述导轨概述各种机械运行时，由导轨副保证执行件的正确运动轨各种机械运行时，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。导轨副包括运动导轨和支迹，并影响执行件的运动特性。导轨副包括运动导轨和支承导轨两部分。支承导轨用以支承和约束运动导轨，使之承导轨两部分。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。按功能要求作正确的运动。1)1)按导轨副运动导轨的轨迹分类按导轨副运动导轨的轨迹分类(a)(a)直线运动导轨副直线运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五个自由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。度仅保留沿给定方向的直线移动自由度。(b)(b)旋转运动导轨副旋转运动导轨副 支承导轨约束了运动导轨的五个自由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度，仅保留绕给定轴线的旋转运动自由度。2)2)按导轨副导轨面间的摩擦性质分类按导轨副导轨面间的摩擦性质分类（a a）滑动摩擦导轨副；）滑动摩擦导轨副；（b b）滚动摩擦导轨副；）滚动摩擦导轨副；（c c）流体摩擦导轨副。）流体摩擦导轨副。一、导轨副的种类3)3)按导轨副结构分类按导轨副结构分类（a a）开式导轨）开式导轨 必须借助运动件的自重或外载荷，才能保必须借助运动件的自重或外载荷，才能保证在一定的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导证在一定的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定轨的工作面保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。运动。（b b）闭式导轨）闭式导轨 借助导轨副本身的封闭式结构，保证在变借助导轨副本身的封闭式结构，保证在变化的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工化的空间位置和受力状态下，运动导轨和支承导轨的工作面都能保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运作面都能保持可靠的接触，从而保证运动导轨的规定运动。动。开式导轨开式导轨闭式导轨闭式导轨4)4)按直线运动导轨副的基本截面形状分类按直线运动导轨副的基本截面形状分类类型类型矩矩 形形三三 角角 形形燕燕 尾尾 形形圆圆 形形特点特点v制造简单，刚度和制造简单，刚度和承载能力大；承载能力大；v水平方向和垂直方水平方向和垂直方向上的位移互不影向上的位移互不影响，安装、调整方响，安装、调整方便；便；v导向面磨损后不能导向面磨损后不能自动补偿间隙。自动补偿间隙。v在垂直载荷作用在垂直载荷作用下，导轨磨损后下，导轨磨损后能自动补偿，导能自动补偿，导向性好；向性好；v压板面需有间隙压板面需有间隙调整装置；调整装置；v顶角增大，承载顶角增大，承载力增加，但导向力增加，但导向精度差。精度差。v磨损后不能自动补磨损后不能自动补偿间隙，需用间隙调偿间隙，需用间隙调整装置；整装置；v两燕尾面起压板面两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就作用，用一根镶条就可调整水平、垂直方可调整水平、垂直方向的间隙；向的间隙；v导轨制造、检验和导轨制造、检验和修理较复杂修理较复杂v摩擦阻力大。摩擦阻力大。v制造简单，制造简单，内孔可珩磨，内孔可珩磨，外圆经过磨削外圆经过磨削可达到精密配可达到精密配合；合；v磨损后调整磨损后调整间隙困难。间隙困难。应用应用普通精度或普通精度或重型重型的的机电设备。机电设备。导向导向精度精度要求要求高高的场合的场合一般用于要求高度小一般用于要求高度小的多层移动组合部件。的多层移动组合部件。用于同时作移用于同时作移动和转动的场动和转动的场合。合。不同截面形状导轨的特点不同截面形状导轨的特点 基基本本要要求求其他其他方面方面低速运动低速运动平稳性平稳性刚刚 度度耐磨性耐磨性导向导向精度精度垂直面内的直线度垂直面内的直线度 水平面内的直线度水平面内的直线度 两导轨之间平行度两导轨之间平行度 运动部件沿导轨运动运动部件沿导轨运动时的准确度。时的准确度。在长期使用中保持其在长期使用中保持其导向精度的能力。导向精度的能力。导轨在外载荷作用下抵抗变形的导轨在外载荷作用下抵抗变形的能力。能力。导轨低速运动或微量位移时不出导轨低速运动或微量位移时不出现爬行现象。现爬行现象。结构简单、工艺性好结构简单、工艺性好。二、基本要求二、基本要求 爬行：导轨低速运动时，速度不是匀速，而是时快时慢，时走时停。爬行：导轨低速运动时，速度不是匀速，而是时快时慢，时走时停。原因：静摩擦系数大于动摩擦系数。原因：静摩擦系数大于动摩擦系数。注：注：“”为支承面，“”为导向面，“”为压板面 v不需要镶条调整间隙，接触刚度好；不需要镶条调整间隙，接触刚度好；v导向性和精度保持性好；导向性和精度保持性好；v工艺性差，加工、工艺性差，加工、检验和维修不方便。检验和维修不方便。v常用于常用于在精度要求在精度要求较高的机电设备。较高的机电设备。一、双三角形导轨的组合4.6.2 导轨基本结构导轨基本结构二、三角形平面导轨三角形平面导轨v三角形导向，用矩形导轨承载，应用广泛。三角形导向，用矩形导轨承载，应用广泛。v但若两根导轨上载荷相等，则摩擦力不同，合力可能不通过两个导轨中但若两根导轨上载荷相等，则摩擦力不同，合力可能不通过两个导轨中心；若驱动力矩不合理，易形成力偶，因此设计时应尽量使驱动力矩通心；若驱动力矩不合理，易形成力偶，因此设计时应尽量使驱动力矩通过摩擦力的合力。过摩擦力的合力。三、双矩形导轨三、双矩形导轨宽式组合：两条导轨的外侧导向宽式组合：两条导轨的外侧导向宽式组合：两条导轨的外侧导向宽式组合：两条导轨的外侧导向窄式组合：一条导轨的两侧导向窄式组合：一条导轨的两侧导向窄式组合：一条导轨的两侧导向窄式组合：一条导轨的两侧导向vv承载能力大，制造简单。承载能力大，制造简单。承载能力大，制造简单。承载能力大，制造简单。vv常用于在普通精度和重型常用于在普通精度和重型常用于在普通精度和重型常用于在普通精度和重型机电设备。机电设备。机电设备。机电设备。v 导向方式导向方式四四、燕尾导轨燕尾导轨结构紧凑、调整间隙方便。形状复杂、摩擦力大，运动结构紧凑、调整间隙方便。形状复杂、摩擦力大，运动灵活性差。灵活性差。保证导轨副的导向精度保证导轨副的导向精度保证导轨副的导向精度保证导轨副的导向精度降低对导轨制造公差的要求降低对导轨制造公差的要求降低对导轨制造公差的要求降低对导轨制造公差的要求1 1、目的、目的导轨装配时导轨装配时导轨装配时导轨装配时导轨磨损后导轨磨损后导轨磨损后导轨磨损后2 2、间隙调整方法、间隙调整方法 镶条镶条作用：调整矩形和燕尾形导轨的导向面间隙。作用：调整矩形和燕尾形导轨的导向面间隙。种类种类平镶条平镶条斜镶条斜镶条4.6.3 导轨间隙的调整导轨间隙的调整平镶条间隙调整装置平镶条间隙调整装置平镶条间隙调整装置平镶条间隙调整装置F 平镶条平镶条外形：长度方向上厚度相等，横截面为矩形、平行四边形或外形：长度方向上厚度相等，横截面为矩形、平行四边形或 直角梯形。直角梯形。调整方法：通过横向移动来调整间隙。调整方法：通过横向移动来调整间隙。特点：特点：(a)(a)：镶条制造容易，各处间隙不易调整均匀，刚件差；：镶条制造容易，各处间隙不易调整均匀，刚件差；(c)(c)：镶条刚性好，装配方便，但调整麻烦。：镶条刚性好，装配方便，但调整麻烦。F 斜镶条斜镶条沿其长度方向有一定斜度，靠沿其长度方向有一定斜度，靠纵向位移纵向位移使其两个侧面分别与使其两个侧面分别与动导轨和支撑导轨接触，调整导轨间隙，常用斜度在动导轨和支撑导轨接触，调整导轨间隙，常用斜度在1 1001 40之间。之间。特点：特点：v在全长上两个面分别同动导轨和固定导轨均匀接触；在全长上两个面分别同动导轨和固定导轨均匀接触；v支承面积同调整位置无关；支承面积同调整位置无关；v刚度比平镶条高，但加工困难。刚度比平镶条高，但加工困难。斜镶条结构斜镶条结构b）a）斜镶条间隙调整装置斜镶条间隙调整装置斜镶条间隙调整装置斜镶条间隙调整装置斜镶条斜镶条图图(a)(a)结构简单，但螺钉凸肩和镶结构简单，但螺钉凸肩和镶条凹槽之间的间隙会引起镶条在往复条凹槽之间的间隙会引起镶条在往复运动中的窜动，影响导向精度和刚度。运动中的窜动，影响导向精度和刚度。图图(b)(b)对图对图(a)的改进，为避免窜动的改进，为避免窜动增加了锁紧螺母增加了锁紧螺母3，其结构简单，应，其结构简单应用广泛。用广泛。斜镶条斜镶条图图(c)(c)通过螺母通过螺母3、4调整间隙，调整间隙，用螺母用螺母5锁紧。工作可靠，但结构锁紧。工作可靠，但结构相对复杂。相对复杂。图图(d)(d)是通过分别位于镶条两端是通过分别位于镶条两端的螺钉的螺钉2、3调整间隙，避免了镶调整间隙，避免了镶条条l的窜动，适于镶条较短的场合。的窜动，适于镶条较短的场合。斜镶条间隙调整装置斜镶条间隙调整装置斜镶条间隙调整装置斜镶条间隙调整装置压板间隙调整装置压板间隙调整装置1 1压板，压板，压板，压板，2 2工作台，工作台，工作台，工作台，3 3支承面，支承面，支承面，支承面，4 4垫片，垫片，垫片，垫片，5 5镶块，镶块镶块，镶块，6 6调整螺钉调整螺钉调整螺钉调整螺钉 压板压板作用：用于承受颠覆力矩和调整辅助导轨面间隙作用：用于承受颠覆力矩和调整辅助导轨面间隙。刮研刮研 垫片垫片 镶块镶块滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等 1)1)铸铁铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。2)2)钢钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。3)3)有色金属有色金属 包括黄铜包括黄铜,锡青铜锡青铜,铝青铜和锌合金铝青铜和锌合金,超硬铝其中超硬铝其中以铝青铜较好。以铝青铜较好。4)4)塑料塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好，抗振性能好，工作温度镶装塑料导轨具有耐磨性好，抗振性能好，工作温度适应范围广适应范围广(-200(-200+260)+260)，,塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。搭配。1 1、导轨副的材料选择导轨副的材料选择4.6.4 导轨副的材料选择与技术要求导轨副的材料选择与技术要求2.2.技术要求技术要求1.配合性质和精度等级配合性质和精度等级 对精度高的可采用对精度高的可采用H6/h5,H7/h6,H6/g5等，不高的可采用等，不高的可采用H8/f7,H8/f8等；等；2.表面粗糙度表面粗糙度 一般精度一般精度 Ra0.63-2.5；高精度高精度 Ra0.16-0.63；包容件比被包容件粗糙度低一级包容件比被包容件粗糙度低一级 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。之间的运动摩擦阻力。4.6.5 滚动导轨副滚动导轨副（1 1）摩擦系数低，摩擦系数为滑动导轨的）摩擦系数低，摩擦系数为滑动导轨的l/50l/50左右。左右。（2 2）动静摩擦系数差小，不易爬行，运动平稳性好。）动静摩擦系数差小，不易爬行，运动平稳性好。（3 3）定位精度高，可达）定位精度高，可达0.1-0.2um,0.1-0.2um,运动平稳，可微量移动运动平稳，可微量移动（4 4）可以预紧，提高刚度和抗震性，能承受冲击和振动。）可以预紧，提高刚度和抗震性，能承受冲击和振动。（5 5）润滑方便、寿命。）润滑方便、寿命。（6 6）成本高。）成本高。滚动导轨的特点滚动导轨的特点 应用场合应用场合 用于实现微量进给；用于实现微量进给；用于精密定位；用于精密定位；用于对运动灵敏度要求高的场合。用于对运动灵敏度要求高的场合。滚动直线导轨的分类滚动直线导轨的分类（1 1）按滚动体的形状分类）按滚动体的形状分类 滚珠式：点接触摩擦小，承载力小，刚度低；滚珠式：点接触摩擦小，承载力小，刚度低；滚柱式线接触，摩擦大，承载力大，刚度高，对导轨平行度敏感滚柱式：线接触，摩擦大，承载力大，刚度高，对导轨平行度敏感（2 2）按导轨截面形状分类）按导轨截面形状分类 导导轨轨截截面面为为矩矩形形，承承载时各方向受力大小相等；载时各方向受力大小相等；导导轨轨截截面面为为梯梯形形，能能承承受受较较大大的的垂垂直直载载荷荷，而而其其它它方方向向的的承承载载能能力力较较低低，但但对对于于安安装装基基准准的的误误差差调调节能力较强节能力较强。（3 3）按滚道沟槽形状分类）按滚道沟槽形状分类 有单圆弧和双圆弧二种，有单圆弧和双圆弧二种，见右图。单圆弧沟槽为二点接见右图。单圆弧沟槽为二点接触，如右上图所示。双圆弧沟触，如右上图所示。双圆弧沟槽为四点接触，如右下图所示。槽为四点接触，如右下图所示。前者运动摩擦和安装基准平均前者运动摩擦和安装基准平均作用比后者要小，但其静刚度作用比后者要小，但其静刚度比后者稍差。比后者稍差。基本组成基本组成滑块滑轨端盖钢珠保持器油嘴油管接头滚动循环系统润滑系统防尘系统双刮油片金属刮板底面防尘片滑轨螺栓盖 齿条一体化直线运动导轨 圆弧运动导轨类型类型宽式直线运动导轨圆柱形直线滚动导轨圆柱形直线滚动导轨圆柱形直线滚动导轨圆柱形直线滚动导轨滚珠直线导轨的其他形式滚珠直线导轨的其他形式1-1-负载滚珠负载滚珠 2-2-返回滚珠返回滚珠 3-3-保持器保持器 4-4-外套筒外套筒 5-5-挡圈挡圈 6-6-导轨轴导轨轴滚珠直线导轨的其他形式滚珠直线导轨的其他形式安装：安装：在使用两个以上导轨条时，其中只能有一个作为基在使用两个以上导轨条时，其中只能有一个作为基 准，其他则作为从动导轨。准，其他则作为从动导轨。导轨无侧导轨无侧向定位面向定位面的安装的安装机床受到振动及冲击力作用且要求高刚性高精度的安装 无侧向固无侧向固定螺钉的定螺钉的安装安装